Projet SoDA

Le projet SoDA (INRA UR1158 de Reims-Laon-Mons et CReSTIC EA3804) s’in­té­resse au déve­lop­pe­ment de solu­tions logi­cielles permet­tant d’éva­luer l’évo­lu­tion d’un sol culti­vable en fonc­tions de données clima­tiques et anthro­piques. La morpho­lo­gie et l’état struc­tu­ral de la surface du sol condi­tionnent plusieurs phéno­mènes d’im­por­tance agro­no­mique et envi­ron­ne­men­tale majeure : trans­ferts de masse et d’éner­gie à l’in­ter­face sol-atmo­sphère, ruis­sel­le­ment et érosion des sols, germi­na­tion des semences et levée des plan­tules. Dans les sols culti­vés, l’état de surface du sol est en évolu­tion constante, sous l’ac­tion des opéra­tions de travail du sol et des facteurs clima­tiques, en parti­cu­lier des pluies. La phase la plus marquante de cette évolu­tion est celle qui succède à une opéra­tion de travail du sol : partant d’un état frag­men­taire, la surface du sol subit l’ac­tion des pluies ce qui, par le jeu de diffé­rents proces­sus de déta­che­ment et dépla­ce­ment de parti­cules solides, abou­tit à une dispa­ri­tion progres­sive et plus ou moins rapide du carac­tère frag­men­taire initial, et à la forma­tion de micro-hori­zons super­fi­ciels appe­lés « croûtes de battance ». La forma­tion de celles-ci, comme la présence d’agré­gats de grande taille peuvent empê­cher la levée des plan­tules. Par ailleurs, cette évolu­tion de la struc­ture de la surface du sol contrôle très forte­ment le fonc­tion­ne­ment hydrique de l’en­semble de la couche travaillée en limi­tant l’in­fil­tra­tion. Pouvoir prévoir l’évo­lu­tion de la struc­ture de surface du sol grâce à une simu­la­tion numé­rique peut donc s’avé­rer être un atout consi­dé­rable pour aider aux choix de la nature et de la date des opéra­tions de travail de sol et de semis, afin de favo­ri­ser l’émer­gence et la levée des plan­tules ainsi qu’un bon fonc­tion­ne­ment hydrique du sol pendant la phase de déve­lop­pe­ment des cultures et de limi­ter le ruis­sel­le­ment et l’éro­sion

Des efforts de recherche impor­tants ont été produits par les agro­nomes et pédo­logues pour amélio­rer la compré­hen­sion des phéno­mènes d’éro­sion des sols et leurs consé­quences sur l’évo­lu­tion de l’état du sol. Par ailleurs, la créa­tion de modèles numé­riques de terrains est depuis presque vingt ans un champ d’in­ves­ti­ga­tion très actif dans la commu­nauté de l’in­for­ma­tique graphique. Que ce soit pour obte­nir des paysages virtuels réalistes ou pour permettre à des joueurs de se dépla­cer dans un monde aux aspects natu­rels, la quête du réalisme a poussé les cher­cheurs à inclure dans leurs systèmes de géné­ra­tion de terrain des modèles d’éro­sion repro­dui­sant plus ou moins fidè­le­ment les évolu­tions de paysages obser­vées dans la nature. Le couplage entre l’in­for­ma­tique graphique et la simu­la­tion de la dyna­mique d’évo­lu­tion du sol fait l’objet d’un déve­lop­pe­ment dans le cadre d’un projet commun au CResTIC et à l’unité INRA de Reims-Laon-Mons (UR1158) inti­tulé SoDA (Soil Degra­da­tion Assess­ment), projet qui vise à propo­ser un simu­la­teur dédié à l’étude des effets des gammes de prépa­ra­tion des sols ainsi que leurs influences et autres impacts morpho­lo­giques après qu’ils aient été érodés. Cofi­nancé par les régions Cham­pagne-Ardenne et Picar­die notam­ment au travers d’une allo­ca­tion de recherche (thèse de Gilles Valette), SoDA s’at­tache à déve­lop­per un modèle de forma­tion de croûtes et de craque­lures dont les proprié­tés struc­tu­rales ont des appli­ca­tions directes en agro­no­mie. L’ex­pé­ri­men­ta­tion in virtuo vient ici en complé­ment de moyens d’in­ves­ti­ga­tion clas­siques en pédo­lo­gie. Le couplage de proces­sus en inter­ac­tion dans les sols, proces­sus décrits trop souvent sépa­ré­ment, permet de s’abs­traire de tout un ensemble de contraintes et ainsi de mutua­li­ser outils et savoir-faire. La première étape de ce projet a consisté à mettre en place le moteur du simu­la­teur. Il permet de simu­ler et visua­li­ser l’ef­fet des diffé­rents proces­sus mis en jeu lors d’une pluie sur un sol d’aire égale ou infé­rieure au mètre carré. Il est basé sur un modèle d’Au­to­mate Cellu­laire Étendu qui offre un cadre homo­gène et ouvert pour les phéno­mènes à simu­ler. Le prin­cipe de ce simu­la­teur ainsi que les premiers résul­tats obte­nus ont fait l’objet de plusieurs publi­ca­tions dans des confé­rences inter­na­tio­nales avec actes et comité de lecture ainsi que dans une revue inter­na­tio­nale avec comité de lecture. Nous avons égale­ment été invi­tés à présen­ter nos travaux lors d’un récent colloque de Science du Sol. Certaines inter­ac­tions complexes étant encore mal connues, nous nous sommes égale­ment inté­res­sés à l’uti­li­sa­tion de la logique floue pour repro­duire les résul­tats d’ex­pé­riences sur le « splash » (déta­che­ment et projec­tion de frag­ments d’agré­gats par les gouttes de pluie). Enfin, nous avons travaillé à l’éla­bo­ra­tion d’un nouveau modèle de fissu­ra­tion d’un sol sous l’ef­fet de la dessic­ca­tion. Son origi­na­lité repose sur une propa­ga­tion discrète de volumes dits « de retrait » (shrin­kage volumes), propa­ga­tion contrainte par la méthode des bassins versants afin d’ob­te­nir des chemins de craque­lures réalistes prenant en compte une épais­seur variable de croûte. Cette méthode de fissu­ra­tion a été, dans un second temps, éten­due à la fissu­ra­tion de maillages 3D quel­conques munis d’une para­mé­tri­sa­tion.

La pour­suite de ce projet s’ar­ti­cule autour de deux objec­tifs. Le premier vise à amélio­rer les perfor­mances du simu­la­teur. Diffé­rentes actions seront à mener pour y parve­nir. Elles portent notam­ment sur l’ex­ten­sion du simu­la­teur au forma­lisme Cells-DEVS (Cells based Discrete-EVent Speci­fi­ca­tion), la prise en compte au sein du simu­la­teur « d’agré­gats virtuels » afin de pouvoir repro­duire une topo­gra­phie réelle, l’in­té­gra­tion du modèle de fissu­ra­tion dans le proces­sus de simu­la­tion, la mise en place d’une métho­do­lo­gie de vali­da­tion des résul­tats issus du simu­la­teur au regard d’ex­pé­ri­men­ta­tions réelles. Le second objec­tif concerne direc­te­ment l’in­for­ma­tique graphique et une réflexion est d’ores et déjà enga­gée sur la recherche des méta­phores visuelles les plus à même de confron­ter modèles et hypo­thèses. Cela inclut l’amé­lio­ra­tion des fonc­tions de trans­fert permet­tant de visua­li­ser les infor­ma­tions conte­nues dans les cellules du terrain virtuel, l’in­té­gra­tion de tech­niques de rendu ad-hoc permet­tant notam­ment de mieux diffé­ren­cier les diffé­rents consti­tuants d’un même sol ainsi que les trans­ferts qui s’y déroulent, enfin l’in­té­gra­tion de péri­phé­riques haptiques dans le cadre d’un sol virtuel.

Du point de vue des sciences du sol, SoDA préfi­gure ce qui pour­rait être une des solu­tions logi­cielles au programme « Sol virtuel » déve­loppé depuis avril dernier à l’ini­tia­tive du dépar­te­ment Envi­ron­ne­ment et Agro­no­mie de l’INRA. Si dans un premier temps la mise en place de ce projet est interne à l’INRA, il est à noter que bon nombre des proprié­tés souhai­tées au plan des modules du programme « Sol virtuel » sont déjà inté­grées au simu­la­teur que nous déve­lop­pons. Enfin, des contacts ont été pris avec Euro­pol’A­gro (parte­naire du Pôle de Compé­ti­ti­vité Indus­tries et Agro-Ressources) dans le cadre du programme AQUAL. Ce programme de recherche qui vise à établir les rela­tions entre la dyna­mique des systèmes de culture du bassin de la Vesle et l’évo­lu­tion des quali­tés des ressources en eaux préle­vées dans ce même bassin pour­rait se voir enri­chi d’ou­tils de simu­la­tion sur la base de ceux déve­lop­pés dans le cadre du projet SoDA.