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Dispositif d'analyse non destructive de plantes
et véhicule comportant un tel dispositif embarqué .~
La présente invention concerne le domaine de (étude de la
végétation, plus particulièrement des plantes, dans le domaine forestier et de
l'agriculture, et a pour objet un dispositif d'analyse non destructive de
plantes,
ainsi qu'un véhicule d'analyse comportant un tel dispositif embarqué.
En vue d'optimiser fexploitatlon des surfaces agricoles et forestières,
il est primordial de pouvoir déterminer les facteurs limitatifs de la
croissance des
plantes et de détecter le plus tôt possible l'apparition de facteurs
nuisibles.
Ainsi, en vue d'étudier et de quantifier (influence de carences, de
stress hydriques ou de maladies d'origine parasitaire sur la végétation,
divers types
d'analyses sont actuellement connus et généralement effectués en laboratoire
après
prélèvement d'échantillons sur les plantes à étudier.
Toutefois, ces analyses hors limites ne permettent pas de prendre en
compte l'environnement de la plante concernée, nécessitent des préldvcments et
des conditionnements complexes et fastidieux, n'autorisent (étude que de
certaines
parties de plante (pour des plantes de grande taille) ou de certaines plantes
périphériques d'un champ, peuvent aboutir à la destruction de la plante
concernée
et ne fournissent pas de résultats immédiats in situ susceptibles d'orienter,
sur
place, les analyses ultérieures par la sélection de certaines plantes ou
parties de
plantes, en fonction des résultats antérieurs.
I,e besoin d'une analyse non destructive, effectuée à distance et
opérée sur les plantes telles qu'elles. se présentent dans leurs milieux
naturels
(alimentation exposition au vent et au soleil, orientation et analogues), se
fait
sentir depuis de nombreuses années.
Par ailleurs, on connaît le principe de la mesure par fluorescence qui
consiste à acquérir de façon optique (image de la fluorescence de la
végétation,
notamment des feuilles, induite par une excitation lumineuse brève, provenant
d'un faisceau laser projeté sur cette dernière.
ll existe déjà à ce jour quelques dispositifs qui permettent d'effectuer
des mesures pour extraire des informations par la méthode de la fluorescence
induite dans la végétation.
Ainsi, on connaît par exemple
- par le document "Plant Efficiency Analyser" de HANSATECH, le
principe général de la mesure par fluorescence sur des plantes, ainsi que les
résultats qui peuvent en être retirés. De plus, ce document présente un
appareil
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permettant de mesurer sur une feuille l'émission lumineuse produite suite à
l'excitation par des diodes électroluminescentes, la mesure s'effectuant sur
uri
petite surface par une photodiode ;
- par le document J. Plant Physiol., Vol. 148, pages 632 à 637, 1996,
"Remote Fluorescence Measurements of Vegetation Spectrally Resolved and by
Mufti-Colour Fluorescence Imaging", JONAS JOHANSSON & al., un dispositif
de mesure à distance par fluorescence laser et de recueil d'images produites
par
fluorescence à différentes longueurs d'onde. Dans ce document, la fluorescence
est
mesurée de façon globale quelle que soit la zone d'intér6t dans l'image par
l'interposition d'un spectrophotom8tre qui balaye les différentes longueurs
d'ondes
successivement et une seconde voie permet l'acquisition de deux images
simultanées à deux fréquences différentes.
- par le document Aust. J. Plant Physiol., 1994, 22, pages 277 à 284,
"Quantitative Mapping of Leaf Photosynthesis using Chlorophyll Fluorescence
Imaging", Bernard Genty et al., on connaît un dispositif de mesure par
fluorescence de la photosynthèse d'une feuille, après prélèvement et en dehors
de
son environnement, par un dispositif de mesure en laboratoire, le système
décrit
n'étant pas adapté pour une mesure globale in situ.
Toutefois, les dispositifs connus précités ne fournissent pas
suffisamment d'informations pour permettre une analyse précise et
l'établissement
d'un diagnostic après une unique séance de mesure, et aucun de ces dispositifs
connus n'est adapté pour effectuer, avec le même dispositif, une mesure
globale in
situ et une mesure sur un élément particulier échantillonné.
De plus, aucun de ces dispositifs ne permet de s'affranchir totalement
de la luminosité parasite, ni des parasites générés par son mode de commande.
Enfin, aucun de ces dispositifs connus ne propose un dispositif de
structure simple et aisément transportable pour des mesures in situ.
L'invention a notamment pour but de pallier un ou plusieurs des
inconvénients des dispositifs connus précités.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'analyse non
destructive de plantes, et plus généralement de végétaux, par mesure de la
fluorescence induite sous excitation laser, comprenant une unité d'émission
d'un
faisceau d'excitation laser calibré, une unité de mesure et de prise d'images
de la
fluorescence émise par la ou les plantes) imadiée(s) et une unité de
traitement
numérique, de stockage et d'édition ou de visualisation des images
recueillies,
associée à une unité informatique de commande et de gestion du fonctionnement
du dispositif, dispositif caractérisé en ce que l'unité d'émission fournit au
moins
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deux longueurs d'ondes d'excitation laser et en ce que l'unité de mesure et de
prise
d'images comporte des moyens pour former, à partir d'un même faisceau vd
fluorescence émis par la ou les plante(s), simultanément ou successivement, au
moins deux faisceaux secondaires, ayant chacun une longueur d'onde propre et
constituant chacun une image de fluorescence au niveau d'un capteur màtriciel,
sur
la totalité de la surface de ce dernier (acquisition successive d'images) ou
sur une
partie de la surface de ce dernier, distincte pour chaque faisceau secondaire
(acquisition simultanée d'images).
L'invention a également pour objet un véhicule d'analyse in situ de
plantes et, plus généralement de végétaux, caractérisé en ce qu'il comporte au
moins un dispositif d'analyse tel que mentionné ci-dessus, monté de manière
orientable et inclinable sur une potence télescopique.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui
se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non
limitatif,
et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels
la figure I est une we schématique d'un dispositif d'analyse selon
l'invention ;
la figure 2 est une we schématique de la boucle de synchronisation
faisant partie du dispositif représenté à la figure 1 ;
la figure 3 est une we schématique montrant les différents éléments
constitutifs du dispositif selon (invention ;
les figures 4A et 4B sont des wes en élévation latérale d'un véhicule
d'analyse selon l'invention, avec le dispositif d'analyse respectivement dans
une
position d'analyse externe et dans une position d'analyse d'un échantillon à
l'intérieur du véhicule faisant également partie de l'invention ;
les figures 5 à 11 représentent des images obtenues au moyen du
dispositif d'analyse selon l'invention par fluorescence induite dans des
parties de
plantes, et,
les figures 12 à 14 représentent des exemples d'organigrammes
d'algorithmes d'exécution de certaines fonctions du dispositif d'analyse selon
l'invention.
Comme le montrent les figures 1 et 3 des dessins annexés, le
dispositif d'analyse non destructive de plantes, et plus généralement de
végétaux,
par mesure de la fluorescence induite sous excitation laser, comprend une
unité
d'émission 3 d'un faisceau d'excitation laser 6 calibré, une unité 4 de mesure
et de
prise d'images de la fluorescence émise par la ou les plantes) 2 irradiées) et
une
unité de traitement numérique, de stockage et d'édition ou de visualisation
des
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images recueillies, associée à une unité informatique de commande et de
gestion
du fonctionnement du dispositif 1.
Conformément à l'invention, l'unité d'émission 3 fournit au moins
deux longueurs d'ondes d'excitation laser et l'unité 4 de mesure et de prise
d'images comporte des moyens 7, 8, 9 pour former, à partir d'un même faisceau
de
fluorescence 6' émis par la ou les plantes) 2, simultanément ou
successivement,
au moins deux faisceaux secondaires, ayant chacun une longueur d'onde propre
et
constituant chacun une image de fluorescence au niveau d'un capteur matriciel
10,
sur la totalité de la surface de ce dernier (acquisition successive d'images)
ou sur
une partie de la surface de ce dernier, distincte pour chaque faisceau
secondaire
(acquisition simultanée d'images).
Les multiples infonmations fournies par cette acquisition parallèle ou
successive d'images dans des conditions extérieures identiques, mais en
mettant en
oeuvre des paramètres d'irradiation laser et de traitement du faisceau optique
en
retour différents pour chaque image, permettent, par comparaison avec des
données ou des images de référence (recueillies lors de tests d'étalonnage et
de
calibrage préalables) ou par comparaisons mutuelles entre elles (par exemple
rapport des intensités aux différentes longueurs d'ondes en provenance de la
végétation), d'analyser l'état de la végétation étudiée et de diagnostiquer,
d'évaluer
et de quantifier l'état de stress, les carences, les invasions parasitaires ou
autres
éventuelles déficiences de ladite végétation.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le moyen 8 de la
figure 1 comprend plusieurs filtres interférentiels (au moins deux et
préférentiellement quatre) montés sur un porte-filtre en forme de disque dont
le
mouvement en rotation motorisé, contr8lé par l'unité informatique de commande
et de gestion, amène lesdits filtres dans Ie trajet lumineux du faisceau de
fluorescence 6'.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, adapté à une
acquisition simultanée d'images, le moyen 8 comprend des éléments pour diviser
le faisceau de fluorescence 6' en au moins deux, préférentiellement quatre,
faisceaux secondaires de longueurs d'onde distinctes dont chacun est dirigé
vers
une zone du capteur matriciel 10 qui lui est spécialement affectée.
Ces faisceaux secondaires sont donc, simultanément ou
successivement, traités chacun par un des filtres interférentiels 8 et les
images
recueillies par l'unité 4 précitée sont, par exemple, prises à quatre
longueurs
d'onde différentes qui correspondent aux maxima de la fluorescence bleue-verte
à
440 nm et 520 nm (F440 et F520) et de la fluorescence chlorophyllienne à 690
nm
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et 740 nm (Fb90 et F740), le faisceau b du laser d'excitation émettant
avantageusement dans l'ultraviolet préférentiellement de 380 nm à 390~nm, et
dari's
le vert, préférentiellement de 560 nm à 600 nm.
L'excitation dans le vert permettra, d'une part, une plus grande
profondeur de pénétration et, d'autre part, une excitation plus directe de la
chlorophylle, alors que l'excitation bleue fournira non seulement des
informations
sur Ia fluorescence bleue et verte mais également sur l'efficacité de
transfert de
l'énergie vers les chloroplastes.
En vue d'améliorer le rapport signal fluorescent efficace / bruit de
lumière ambiante, il est prévu que les dunes des séquences d'ouverture de
l'ensemble 9 [obturateur / intensificateur de lumière) faisant partie de
l'unité 4 de
mesure et de prise d'images et les durées des impulsions laser de l'unité 3
d'émission soient corrélées entre elles et que les fonctionnements du capteur
matriciel 10, du dispositif laser 3' de l'unité d'émission 3 et de (ensemble 9
obturateur / intensificateur de lumière soient synchronisés entre eux par
l'intermédiaire d'un circuit d'asservissement en boucle correspondant.
Cette disposition permet de s'affranchir des perturbations
électromagnétiques induites habituellement au niveau des capteurs matriciels
optiques 10 de type à CCD (circuit à couplage de charges) par les fronts de
commutation des impulsions de tension commandant le tube intensificateur de
lumière adjâcent auxdits capteurs.
A titre d'exemple, le temps d'ouverture de (ensemble obturateur /
intensificateur de lumière peut être avantageusement d'environ 30 nanosecondes
pour une largeur à mi-hauteur des impulsions laser de 10 nanosecondes.
Comme le montre la figure 2 des dessins annexés, le circuit de
synchronisation ou d'asservissement en boucle est constitué, d'une part, par
un
générateur de signaux en salves 11, déclenché par la caméra à CCD formant le
capteur matriciel 10 et contr8lé par l'unité informatique de commande et de
gestion, d'autre part, par une ligne à retard 12 réglable assurant la
transmission
desdits signaux en salves, notamment vers l'entrée de déclenchement du
dispositif
laser 3' et, enfin, un module 13 de déclenchement de l'ensemble 9 [obturateur
/
intensiflcateur de lumière), recevant les signaux en salves transmis par la
ligne à
retard 12 avec un décalage temporel déterminé par rapport au dispositif laser
3',
ledit décalage étant fonction de la distance entre le dispositif 1 et la ou
les
plantes) ou zone de végétation à analyser, éventuellement mesurée à l'aide
d'un
télémètre.
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Le déclenchement du générateur de signaux en salves 11 est
avantageusement opéré par le signal délivré par la sortie vidéo composite CCIR
~dë
la caméra à CCD formant un capteur matriciel 512 x 512 pixels, par exemple,
divisé en quatre zones images de 256 x 256 pixels, autorisant l'accumulation,
la
numérisation et la mémorisation de la fluorescence induite au niveau de la
végétation à analyser à quatre longueurs d'onde différéntes, dans les mêmes
conditions d'excitation et d'illumination.
Afin d'éliminer l'effet de mouvement de la végétation ou des plantes
à analyser et de s'affranchir des conséquences des fluctuations de la lumière
ambiante entre la période d'acquisition (sous excitation laser) et la période
de
soustraction de la lumière ambiante due à l'exposition solaire, les images de
fluorescence destinées à être exploitées sont obtenues par sommation d'une
pluralité d'images temporaires dont chacune résulte de la soustraction de deux
images de fluorescences brutes obtenues lors de deux phases d'ouverture
consécutives de l'ensemble 9, une première avec excitation laser et une
seconde
sans excitation laser.
Ainsi, la première image de fluorescence brute est obtenue, par
l'émission fluorescente résultant d'une excitation laser et de (excitation par
la
lumière solaire et la seconde image de fluorescence brute est obtenue par
l'émission fluorescente résultant de la seule excitation par la lumière
solaire,
chaque image temporaire intermédiaire constituant une image de fluorescence
résultant uniquement de l'excitation par le laser.
Les figures 12 à 14 illustrent certaines procédures de paramétrage et
d'initialisation du dispositif d'analyse selon l'invention, l'ensemble de ces
procédures pouvant être exécutées par l'opérateur au niveau de l'unité
informatique par l'intermédiaire d'interfaces du type écran, clavier, "souris"
ou
analogue.
Les différents logiciels exécutables pourront, par exemple, être
accessibles par un programme de sélection ou "menu principal" permettant
d'accéder, par validation, à diverses options correspondant notamment aux
possibilités de choix du type d'acquisition, de paramétrage de l'acquisition,
de
relecture et de visualisation d'acquisitions antérieures, d'orientation et de
pointage
du dispositif d'analyse et de lancement d'une acquisition paramétrée.
A titre d'exemples, la figure 12 des dessins annexés illustre les
possibilités et la séquence de paramétrage dans le cas d'une acquisition
simple
sans archivage, la figure 13 illustre les possibilités et la séquence de
paramétrage
dans le cas d'acquisitions multiples ou en séquences avec archivage et la
figure 14
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illustre la séquence de paramétrage pour l'initialisation physique et le
reglage du
dispositif d'analyse 1. .:
La présente invention a également pour objet un véhicule d'analyse
in situ de plantes et, plus généralement de végétaux, caractérisé en ce qu'il
comporte au moins un dispositif d'analyse tel que décrit ci-dessus, -monté de
manière orientable et incunable sur une potence télescopique 15 (figures 4A et
4B).
L'implantation du dispositif d'analyse 1 sur un véhicule 14 le rend
mobile et transportable. L'espace intérieur de ce véhicule laboratoire 14 est
avantageusement divisé en deux compartiments, dont l'un est réservé à
l'opérateur
et à l'unité de traitement numérique, de stockage et d'édition et/ou de
visualisation
d'images associée à (unité informatique de commande et de gestion et dont
(autre
est aménagé pour le rangement de (équipement de mesure (mesures intérieures et
transport).
Un groupe électrogène mobile, également transporté par le véhicule
14, est disposé à même le sol pendant les mesures et assure les besoins en
énergie
électrique de l'ensemble du dispositif d'analyse 1.
En outre, des vérins de stabilisation 16 pourront assurer le calage du
véhicule 14 pendant les opérations de mesure.
Les différents éléments composant l'unité d'émission 3 (dispositif
laser 3', agrandisseur de faisceau 3") et l'unité de mesure et de prise
d'images 4
(objectif 7, éventuel diviseur de faisceau, filtres interférentiels 8,
ensemble 9
[obturateur / intensificateur de lumière], caméra à CCD 10) sont
préférentiellement de faible taille et aptes à résister sans dommage à de
fortes
accélérations.
De plus, lesdites composantes de l'unité d'émission 3 et de l'unité 4
de mesure et de prise d'images sont montées sur une plate-forme support ou
nacelle 17 orientable, en formant deux ensembles structurels parallèles en
lignes
situés dans une enceinte climatisée 18.
Cette dernière est pourvue sur sa face avant d'une fenêtre d'entrée et
est munie d'un cordon de raccordement au véhicule 14 pour la circulation de
fluides et d'énergie électrique vers la nacelle 17, le pompage du laser par
fibre
optique et le transfert en retour des informations de positionnement et des
images
numériques recueillies par la caméra CCD 10.
La taille du faisceau d'excitation laser 6 peut être augmentée par un
agrandisseur de faisceau 3" prévu, par exemple, pour couvrir un cercle de
diamètre
0,30 m à une distance de 30 mètres. La caméra CCD 10 ainsi que le dispositif
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intensificateur d'images sont orientés de façon à reprendre une image de
fluorescence de surface identique, confondue avec la zone irradiée. * v
Un télémètre optique peut compléter l'équipement précité de façon à
pouvoir mesurer précisément la distance entre la végétation et les équipements
de
S la tête de mesure (instrumentation). C'est à partir de ces informàtions que
s'effectuent les réglages optiques ainsi que le réglage du retard électronique
(synchronisation) qui permet d'ouvrir l'obturateur de fintensificateur de
brillance.
Comme le montrent les figures 4A et 4B des dessins annexés, le
véhicule 14 est muni d'une trappe et la nacelle 17 portée par la potence 15
est
déplaçable et orientable de telle manière que le dispositif d'analyse 1 puisse
être
déplacé entre une position d'analyse in situ de plantes 2 disposées autour du
véhicule 14 et une position d'analyse d'un échantillon de plante 2 prélevé
dans le
milieu environnant et placé dans un porte-échantillon à l'intérieur du
véhicule 14.
A titre d'illustration des possibilités du dispositif d'analyse 1 selon
finvendon, on décrira ci-après différents résultats d'analyse de divers types
de
parties de plantes 2 à (appui des images des figures 5 à 11.
Bien que tes longueurs d'ondes d'excitation laser préférentielles
soient comprises, d'une part, entre 380 nm et 390 nm et, d'autre part, entre
560 nm
et 600 nm, les inventeurs ont utilisé pour réaliser leurs analyses des
longueurs
d'ondes d'excitation de 355 nm et de 532 nm (matériel disponible).
L'homme du métier comprendra donc qu'en utilisant les longueurs
d'ondes préférentielles indiquées les résultats obtenus seront meilleurs que
ceux,
apparaissant sur les figures S à 11.
La figure 5 représente des images de fluorescence obtenues à partir
de feuilles de haricots verts avec une excitation laser à 355 nm et
recueillies à
quatre longueurs d'onde d'émission caractéristiques pour les plantes (F440 =
440
nm, F520 = 520 nm, F690 = 690 nm, F 740 = 740 nm).
Sur chaque image, la feuille de droite est saine et la feuille de gauche
est contaminée par un agent pathogène (dans ce cas araignée rouge - invisible
à
foeil nu).
On constate que sur les images F440 et FS20 la feuille contaminée
présente un motif de fluorescence caractéristique (petites taches blanches) et
une
fluorescence plus intense que celle de la feuille en bonne santé. Par contre,
la
fluorescence chlorophyllienne (F690 et F740) de cette même feuille est
nettement
plus faible et moins caractérisante.
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La figure 6 représente des images de fluorescence obtenues à partir
d'une feuille de DigitaIis Purpurea, soumise à un traitement par herbicidë~
(DCMU : 3 - (3,4 Dichlorophényl - I, I - diméthylurea) par voie racinaire.
Les quatre images de cette figure ont été recueillies à une longueur
d'onde de 690 nm sous une excitation laser à 355 nm et à différents
intervalles de
temps après arrosage de la plante avec une solution de DCMU diluée ( 10-SM).
On observe très nettement sur ces images, les différents stades de la
diffusion par les nervures de la solution de DCMU sur toute la surface de la
feuille
en fonction du temps écoulé.
La figure 7 représente des images obtenues en faisant le rapport pixel
à pixel de deux images de fluorescence à partir de feuilles de maïs,
respectivement, en bonne santé (références), carencée en fer et carencée en
zinc.
Ces images ont été obtenues aux longueurs d'onde indiquées et sous
excitation laser à 355 nm.
On remarque sur la feuille de mais carencée en fer des striures
parallèles à la nervure centrale et sur la feuille carencée en zinc des taches
larges
sans striures apparentes, alors que l'image rapport de la feuille saine ne
présente
aucune hétérogénéité apparente.
On notera également qu'à foeil nu des striures sont apparentes sur les
feuilles saines et carencées et ne permettent pas, par conséquent, de
caractériser
ces dernières.
La figure 8 représente des images de fluorescence obtenues à partir
de feuilles de vignes, respectivement saine, carencée en potassium, carencée
en
magnésium et atteinte d'une chlorose calcaire.
Ces images ont été recueillies à 690 nm, sous une excitation laser à
532 nm.
II ressort d'une observation de ces images que la carence en
potassium peut être caractérisée par l'apparition de taches de fluorescence
très
irrégulibres et de différentes intensités et que la carence en magnésium peut
être
caractérisée par une fluorescence plus importante au niveau du centre de la
feuille
et diminuant rapidement en intensité vers le bord de cette dernière.
On note également que dans le cas de chlorose calcaire les nervures
sont très fluorescentes par rapport au reste de la feuille.
La figure 9 représente des images de fluorescence obtenues à partir
de feuilles de tabac, respectivement, en bonne santé et présentant un stress
hydrique.
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Ces images ont été recueillies à 740 nm, sous une excitation laser à
355 nm.
Ces images montrent nettement une fluorescence plus importante au
niveau du bord de la feuille stressée, constituant un sympt8me précoce
d'assèchement de la feuille, alors qu'aucune différence n'est visible entrè
les deux
feuilles concernées à foeil nu.
La figure 10 représente des images de fluorescence obtenues à partir
de feuilles de pommier avec une excitation laser à 355 nm et recueillies à
quatre
longueurs d'onde d'émission caractéristiques pour les plantes (F440 = 440 nm,
F520 = 520 nm, F690 = 690 nm, F 740 = 740 nm).
Sur chaque image, la feuille de gauche a été exposée au soleil
pendant sa croissance et la feuille de droite a été exposée au Nord pendant sa
croissance.
On constate que sur les images F690 et F740 les bords de Ia feuille
exposée au soleil ou au Sud sont plus fluorescents que ceux de la feuille
exposée
au Nord, ce qui indique un stress hydrique et une maturité plus avancée.
La figure 11 représente des images de fluorescence obtenues à partir
d'une feuille de tabac soumise à un traitement par herbicide (DCMU : 3 - (3,4
Dichlorophényl - 1,1 - diméthylurea) par pulvérisation en surface.
Les trois images de cette figure ont été recueillies à 690 nm, sous une
excitation laser de 355 nm.
Les images a, b et c représentent respectivement une feuille saine
avant traitement, la même feuille traitée par pulvérisation sur sa moitié
gauche en
face arrière et analysée 10 minutes, puis 30 minutes, après application de
l'herbicide.
On note, à (observation de ces images, une augmentation importante
de la fluorescence chlorophyllienne dans la partie de la feuille traitée (pas
de
(changement visible à foeil nu), indiquant un blocage de l'appareil
photosynthétique de la feuille dans cette partie.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation
décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent
possibles,
notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par
substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de
protection de l'invention.
