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CA 02437625 2003-08-06
WO 02/063344 PCT/FR02/00465
Méthode de traitement des mesures de résistivité électrique
géoréférencées pour la cartographie électrique des sols en temps réel
Depuis quelques années, . émerge une nouvelle approche de
l'agriculture, l'Agriculture de Précision. Cette approche repose sur une
adéquation des traitements agricoles aux conditions locales du milieu.
Cette approche rëpond non seulement à une recherche de
maximisation des rendements des sols cultivés et de réduction des coûts
mais également à un respect plus exigeant-de l'environnement et donc, à
une utilisation plus ..parcimonieuse des doses d'intrants employées
(semences, fertilisants, produits phytosanitaires).
En vue d'une optimisation du rendement des sols cultivés, il est
impôrtant de connaître à la fois la texture d'un sol donné ou la taille des
particules constitutives de ce sol et la profondeur de sol superficiel
cultivable. Ainsi, un taux d' argile élevé, une salinité importante peuvent
affecter le rendement d'une parcelle. Il est donc bénëfique d'effectuer une
reconnaissance des sols d'une parcelle agricole et d'en établir les zones
homogènes. Un traitement spécifique et approprié pourra alors êtré établi
pour une zone donnée afin d'en.maximiser le rendement.
Une méthode consiste alors à effectûer des mesures directes, i.e.
dés sondages à la tarière et creusement de fosses. Outre l'aspect ponctuel
de telles mesures, elles présentent le désavantage d'être destructives,
coûtéuses et de modifier la structure de la zone étudiée aprés sondage
(effet irréversible). Ce type de mesure ne permet pas l'établissement
d'une cartographie fiable et suffisamment détaillée des zones homogènes
d'une parcelle agricole pour l'Agriculture de Précision.
Une autre méthode consisté à utiliser les données fournies par des
moyens aéroportés ou satellitaires. Cependant, ces données correspondent
à des étendues minimales de terrains bien supérieures aux dimensions
côurantes des parcelles agricoles én Europe. Elles ne sont donc pas
exploitables pour l'Agriculture de Précision qui requiers une précision de
la connaissance spatiale des sols de l'.ordre de dix mètres.
On connaît par ailleurs une méthode visant à définir les zones
homogènes par un système de mesure de la résistivité électrique des sols
décrit notamment dans une communication par Dabas et al. [Société des
Electriciens et des Electroniciens = Le OS Février 1987], dans un article de
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Panissod et al. [Geophysical Prospecting ; 45 (1997) 983] et dans le
brévet US-5,841,282. Cette mesure physique directe est corrélée aux
propriétés et à la structure des sols mesurés (porosité, ressources en eau, .
taux d'argile, ...) et permet donc de dëfinir les zones homogènes d'une
~ parcélle. Ces mesures se font de manière continue en injectant un courant
dans le soI et en mesurant le potentiel résultant grâce à d'autres électrodes
en contacts avec le sol à caractériser. Ces mesures sont géoréférencées de
manière absolue (GPS). Ce système de mesure souffre, cependant, d'un
double dësavantage. Les mesures enregistrées par ledit système. ne sont
pas traitées et par conséquent - visualisables . en temps réel par un
ordinateur embarqué. Les mesures sont enregistrées puis traitées à un
temps ultérieur à 1a mesure de la parcelle agricole. Il n'est donc pas
possible, par exemple, de coupler ce système de mesure à des moyens
d'épandage et d'adapter en temps rëel la dose d'intrants nécessaire à une
zone spécifique à traiter.
L'objectif de la présente invention est donc de proposer une
méthode de traitement des mesures de résistivité électrique
géoréférencées pour la cartographie électrique des sols en temps réel.
~Cétté méthode simple dans sa conception et dans sa mise en oeuvre
devrait permettre, outre une avancée technique, un abaissement sensible
des coûts liés à la cartographie des sols. Il devrait en résulter une pratique
beaucoup plus étendue de l'Agriculture de Précision dans le monde
agricole avec ses bénéfices inhérents pour l'environnement.
A cet effet, l'invention côncerne une méthode de traitement de
mesures de résistivité électrique géoréférenc~es pour la cartographie
électrique des sols dans laquelle
- on découpe la zone d'un sol à cartographier en un réseau de
points défini par la répétition d'une même maille élëmentaire,
on déplace des moyens de mesure dans la zone à cartographier,
- on acquiert de manière continue au cours du déplacement des
moyens de mesure, au moins une ' mesure de résistivité électrique en
chaque point,
on utilise des moyens de positionnement pour référencer
géographiquement et de manière , absolue la mesure associée à chaque
point,
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- on traite numériquement les données enregistrées,
- on visualise une carte montrant les variations pour une profondeur
donnée de la résistivité électrique dü sol.
Selon l'invention,
- on enregistre la résistivité électrique pour chaque point en n
profondeurs différentes, n étant aü moins égal à 3,
- on acquiert également par lesdits moyens de positionnement et
pour chaque point mesuré une mesure de déplacement relatif par rapport
au point précédent,
- on envoie les trois ensembles de mesures obtenues sur un
microcontrôleur qui synchronise les acquisitions,
Dans différents modes de réalisation particuliers ayant chacun ses
avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons
techniques possibles
~ on traite numériquement et en temps réel les données envoyées
par le microcontrôleur sur un ordinateur,
on visualise simultanément et en temps réel sur deux fenêtres
d'affichage différentes, itn profil montrant les variations
séquentielles pour une profondeur donnée de la résistivité du sol
à travers la zone étudiée et une carte montrant le positionnement
des moyens de mesure, .
on définit avant de collecter lesdites mesures, l' échelle de la
carte de la seconde fenêtre d'affichage, en effectuant un tour de
repérage de la zone à cartographier, lequel est enregistré sur
l'ordinateur par une procédure programmée particulière,
on utilise un système de guidage pour contrôler le déplacement
des moyens de mesure des, déplacements relatifs, de résistivité
électrique et de positionnément absolu entre les points,
on obtient la mesure des déplacements relatifs par un radar
3 0 doppler,
~ on obtient la mesure des déplacements relatifs par un codeur
incrémental,
~ on obtient la mesure des déplacements relatifs par un système
capable de délivrer des impulsions TTL en fonction du
3S déplacement des moyens dé mesure,
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on traite statistiquement au niveau de l'ordinateur les ensembles
de mesures de résistivité ~ei de mesures de positionnement relatif
entre deux coordonnées absolues pour éliminer les valeurs de
résistivité erronées et affiner les mesures de positionnement,
~ la résistivité est mesurée à courant constant.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins
annexés dans lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique des étapes
successives a), b), c), d) et e) conduisant à la visualisation d'une carte des
mesures de résistivité et de positionnement et à son stockage, selon
l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement les moyens de mesure,
selon l'invention ;
- la figure 3 est une carte,.prësentant le cheminement des moyens
de mesure sur une parcelle de sols. particulière;
- la figure 4 est un assemblage de cartes de résistivitës électriques
obtenues pour un ensemble de parcelles de sols comprenant la .parcelle,
objet de la figure 3;
- la figure 5 montre un exemple type de fenêtres d'affichage en
temps réel: un profil montrant : les variations séquentielles pour une
profondeur donnée de la résistivité du sol à travers la zone étudiée et une
carté montrant le positionnement des moyens de mesure.
La première étape de la méthode représentée sur la figure 1,
consiste en l'acquisition d'un ensemble de mesures en des points donnés
d'une parcelle de sols à carïographier. Ces points sont définis par la
répétition d'une même maille élémentaire découpant ainsi la zone de cette
parcelle en un réseau de points.' Ledit réseau de points est donc défini
comme une disposition régulière ~e points dans Ie plan de la surface de la
parcelle de sols. Chaque point étânt relié à un autre dans une direction
doilnée par la longueur de la maille élémentaire et dans une direction
perpendiculaire à celle-ci, par la largeur de ladite maille élémentaire. Les
dimensions de la maille élément~.ire dans le plan de la surface sont
typiquement de 0.1 m sur 8 m. Cependant, la longueur de cette maille, ou
pas d' échantillonnage, peut être ramenée à quelques centimètres dans le
sens de déplacement des moyens de mesure. .
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Le réseau de points étant dëfini, on déplace des moyens de mesure
1 dans la zone à cartographier. On acquiert alors de manière continue au
cours du déplacement des moyens de mesure, n mesures de rësistivitë
électrique 2 en chaque point. Ori entend par mesure de résistivité 2, soit
5 une mesure de résistivité galvanique, soit une mesure de résistivité
électrostatique. Les moyens de mesure actuels comprennent un
résistivimètre tracté à courant alternatif composé de k essieux 3-6
articulés. Un quad 7 peut, par exemple, être mis en oeuvre pour tracter les
moyens de mesure 1. On entend pâr "quad" 7, une moto à quatre roues.
Un des essieux 3 permet l'injéction d'un courant préférentiellement
régulé , c'est-à-dire d'intensité constante, émis par une source 8 dans le
sol alors que les ri autres essieux 4-6 mesurent les potentiels résultants
grâce à des électrodes-roues. Les dimensions et l'emplacement respectifs
desdits essieux, et par conséquent la structure même des moyens de
mesure, assurent la mesure de la résistivité pour un point donné en n
profondeurs différentes. La valeur de n est supérieure à 3. La valeur du
courant injecté dans le sol varie en fonction de la nature des sols étudiés
mais se situe entre 0,1 et 20 mA.
Les mesures de résistivité électrique 2 sont géoréférencées. A
chaque mesure de résistivité, est donc associé un couple de coordonnées
permettant de repérer géographiquement ladite mesure dans le plan de la
surface de la parcelle de sols à cartographier. Ces mesures de résistivité
sont en effet déclenchëes par une mesure de la position relative des
moyens de mesure audit point. Cette mesure de position relative peut être
réalisée par un radar doppler, un côdeur incrémental ou tout système 9
capable de délivrer des impulsions, de préfërence TTL, en fonction du
déplacement du vëhicule. Le déclenchement des mesures de résistivité
par une mesure de positionnement implique que les mesures de résistivité
sont effectuées en fonction de la: distance parcourue et non sur une base
de temps fixe. Il en résulte que quelle que soit la vitesse de déplacement
des moyens de mesure dans la zone à cartographier, les points mesurés
sont régulièrement espacés. La densité de points mesurés est donc
homogène.
La mesure de position rel~.tive est de plus couplëe à une mesure de
position absolue. Le système absôlu ést un GPS 10, différentiel ou pas. La
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mise en ouvre d'un système de positionnement absolu différentiel
(dGPS) permet avantageusement un déplacement quelconque des moyens
de mesure 1 dans la zone de sols à cartographier. Les systèmes de
positionnement 10 absolu actuels permettent l'acquisition de mesures
toutes les secondes environs. En fônction de la vitesse de déplacement
des moyens de mesure 1, le système de positionnement relatif 9 fournit
plus de mesures que le système .de positionnement absolu 10. Dans un
mode de réalisation présenté en Figure 3 , un nombre de dix mesures
relatives variable en fonction de la vitesse généralement compris entre 1
et'.30 est obtenu entre l'acquisition de deux mesures absolues.
L'acquisition de mesures de résistivité électrique 2 étant dëclenchée par
une mesure de la position relative, le nombre de mesures de résistivité est
ainsi plus important.
Les trois entrées de base du système, obtenues de manière
synchrone, correspondent donc aux acquisitions des tensions sur les n
voiés de potentiel, les acquisitions de mesures de positionnement relatif et
enfin, les acquisitions de mesures ~de positionnement absolu.
Ces entrées sont traitëes par un micro-contrôleur 11 (étape 2, Fig. 1
b)) de manière synchrone. Dans un mode de réalisation particulier, le
microcontrôleur 11 reçoit à son entrée le signal électrique envoyé par le
système de positionnement relatif 9 et produit un signal de sortie. Ce
signal de sortie est envoyé vers le microcontrôleur 11. Ce signal
déclenche lesdites mesures. Les signaux issus des mesures arrivent à
l'entrée du microcontrôleur et sont acquis de manière synchrone. Le
microcontrôleur 11 envoie ensuite à sa sortie des données qui sont
réprésentatives des signaux reçûs à son entrée. Ces données sont enfin
envoyées en temps réel, par le microcontrôleur 11 sur un ordinateur 12
(étapé 3, Fig. 1 c)). Elles sont ensuite traitées numëriquement par un
logiciel. On effectue aussi un traitement statistique des différents
ensembles de mesures entre deux coordonnées absolues. Le
suréchantillonage des mesures de résistivité et de positionnement relatif
par rapport aux mesures de positionnement absolu autorise ce traitement.
Les..valeurs de résistivité erronéés résultant, par exemple, de la perte de
contact d'une des électrodes avec le sol sont ainsi éliminées. Les mesures
de positionnement sont également affinées. Dans un mode de réalisation
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préférée, l'algorithme de la médiane est mis en oeuvre pour sa rapidité
d'exécution et pour la finesse de contrôle du seuil au-delà duquel les
.données sont rejetées.
Le logiciel permet de visualises (étape 4, Fig. 1 d)) simultanément
et en temps rëel sur deux fenétres d'affichage diffërentes (Fig. 4), une
première séquence montrant les variations pour une profondeur donnée
de la résistivité du sol le long de la zone étudiée et une seconde fenêtre
montrant 1e positionnement des points de mesure. Le contrôle direct de
ces mesures par visualisation permet d'apprécier la validité des mesures.
Une procédure particulière a été programmée afin de dëterminer l'échelle
de la parcelle et donc de pouvoir fixer les dimensions de la fenêtre
représentant visuellement l'emplacement des moyens de mesure (seconde
fenêtre). Cette procëdure particulière nécessite la réalisation' d'un tour de
repérage préalablement à l'acquisition de toute mesure. Ce tour consiste
en un déplacement continu des moyens de mesure 1. Le tour de repérage
est àussi l'occasion d'évaluer le domaine de variation de la résistivitë.
Dâns un mode de réalisation prëférée, la fenêtre de positionnement
permet de visualiser les positions dans le système Lambert français après'
conversion des mesures de positionnement absolu (coordonnées
satellitales).
Les premiers graphiques permettent de visualiser directement les
mesures de résistivités en fonction du déplacement car les courbes
d'étalonnage du rësistivimètre ont été intégrëes pour pouvoir passer des
potentiels mesurés pour un courant régulé donné aux résistances et
résistivités.
Les ensembles de mesures ét profils sont ensuite mémorisables sur
l'ordinateur 12 (étape 5, Fig. 1 e)).
L' acquisition en continu . lors du déplacement des moyens de
mesure, de n mesures de résistivité électrique en chaque point d'une
parcelle de sols nécessite la mise en oeuvre d'appareils et d'une chaîne de
mesure dont le temps de réponse soit compatible avec la vitesse de
déplacement desdits moyens de :mesure. Cette méme vitesse est limitée
par la nature du terrain, la distancé à parcourir entre deux mesures (la
longueur de la maille élémentaire), et par le temps de réponse des
app~axeils externes, par exemple, des moyens d'épandages, éventuellement
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couplés auxdits moyens de mesure. Le traitement en temps réel des
données collectées, nécessité par ces appareils externes est suffisamment
rapide pour ne pas limiter la ~ vitesse de l'ensemble du dispositif.
L'ordinateur 12 commande directement ces appareils externes (étape 5,
F'ig. 1 e)). Dans un mode de réalisation, des moyens d'épandage sont
couplés aux moyens de mesures géoréfërencées. Les informations sur Ia
nature du sol traitées par l'ordinateur 12 permettent d'adapter, en temps
réel, la dosa d'intrants nécessaire à une zone spécifique à traiter.
.Le parallélisme des mesures au cours du déplacement continu est
assuré par des moyens d'orientation,.par exemple, un système de guidage.
Ce~. système de guidage lié aux mesures de positionnement absolu
différentiel (dGPS) garantit l'acquisition d'une densité homogène de
mesures sur l'ensemble de la parcelle de sols à cartographier.
Les figures 3 et 4 sont un exemple de cartes obtenues lors de
l'étude d'une exploitation agricole de Champagne Berrichonne du Cher,
au Sud de Bourges. Il s'agissait d'étudier quatre parcelles 21, 22, 23, 24
d'une superficie totale de 120 hectares. Les dimensions de la maille
élémentaire dans le plan de la surfâce à étudier sont de 1 m sur 12 m. Une
réinterpolation à une maille de 6m sur 6m a été effectuée lors du .
traitement numérique des données. Le courant régulé utilisé ëtait de 20
mA en raison de la nature conductrice du terrain. La vitesse moyenne
d'acquisition des données était de l'ordre de 1,2 à 1,5 m/s. La figure 3
représente le déplacement des môyens de mesure sur une des parcelles 21
dénommée "Les Bois Forts". Le pourtour 25 de la parcelle définit les
limites externes de la zone à cârtographier. Le point de départ 26 des
môyens de mesure est repéré par ses coordonnées dans le système
Lambert 27 et 28. Les traits 29 représentent un déplacement soit aller, soit
retôur des moyens de mesure sur la parcelle. La figure 4 représente le
signal de résistivité mesuré en fonction du déplacement pour une
profondeur intégrée de 0,5 m. Les résultats obtenus pour les quatre
parcelles 21, 22, 23, 24 ont été assemblés. Le temps d'acquisition cumulé
pour obtenir la figure 3 est de 17 heures. Cette carte correspond à 305 000
mesures.
La Figure 5 montre un exemple type de fenêtres d'afîichage telles
qu'elles peuvent apparaître en temps réel à (utilisateur lors d'acquisition
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9.
de mesures. Le graphe 30 montre les variations de la résistivité électrique
du sol, 3l, pour une profondeur donnée en fonction du déplacement
relatif des moyens de mesure, 32. Lës graphes 30, 33 et 34 correspondent
à .des mesures de résistivité à des profondeurs de sol différentes,
lesquelles sont comprises générâlement entre 0 et 2m. Le graphe 35
môntre le positionnement absolu en temps réel des moyens de mesure tel
que décrit à la figure 3.
Cette méthode peut avantageusement être utilisée dans
l'Agriculture de précision (A.P.): En effet, associée à des moyens
d'épandage, de semis, cette méthodé devrait permettre d'adapter en temps
réel la dose d'intrants nécessaire . à une zone spécifique à traiter. Il en
résulte un gain de temps appréciable et un abaissement des coûts. Elle
devrait garantir également un meilleur respect de l'environnement. Cette
méthode peut également être avantageusement utilisëe dans le cadre de la
prospection de sites archéologiques. .
