LE CAHIER
DES TECHNIQUES
DE L'INRA

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GPS & SIG

Pour la conduite de dispositifs expérimentaux
Vers l'émergence de la communauté métier
« GéoExpé »
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Directeur de la publication : Gérard Jacquin ; Rédacteur en chef : Michel Bariteau ;

Responsable thématique : André Gavaland ;

Coordonnateurs : André Gavaland, Laurent Burnel ;

Rédacteurs associés : Denis Baudet, Vladimir Goutiers, Priscilla Note

Secrétaire de rédaction : Dominique Montagu-Ledoux

Maquette : MBA, 6 place Sainte Croix, 86000 F-Poitiers

Mise en page et impression : Bialec, 95 bld d'Austrasie, 54001 F-Nancy cedex

© Inra, 2014 - ISSN 0762 7339 - https://www6.inra.fr/cahier_des_techniques

En couverture : © F. Decuq ; A. Pédemay ; J. Deere ; A. Gavaland.
# Avant-propos

L'ambition de l'INRA est de contribuer au développement d'une agriculture à la fois compétitive, respectueuse de l'environnement, des territoires et des ressources naturelles. L'agro-écologie, à la croisée de l'agronomie et de l'écologie, est aujourd'hui une orientation scientifique privilégiée pour développer une vision systémique des agro-écosystèmes en s'intéressant à la complexité des interactions entre le vivant et l'environnement. Plus largement, l'agro-écologie peut être considérée comme un cadre d'action et d'innovation qui s'appuie sur des concepts et des démarches facilitant la transition vers des systèmes agricoles et alimentaires plus durables. Dans ce domaine, les activités de recherche accordent désormais une place majeure aux sciences et techniques de l'observation et de l'information. L'intégration des échelles de temps (profondeur historique), d'espace et d'organisation (de la parcelle au bassin versant ou au territoire) est essentielle pour assurer le suivi et/ou le pilotage des systèmes végétaux (agricoles et forestiers) et animaux (domestiques ou sauvages), ou encore la gestion des ressources (biodiversité, eau, sol, cycle d'azote, etc.). Les technologies d'observation et de traitement des informations spatialisées (satellite, drone) deviennent des outils précieux pour réduire les incertitudes liées aux changements climatiques.

La grande diversité des auteurs réunis dans ce numéro spécial du Cahier des Techniques nous montre bien comment des chercheurs, des ingénieurs, des expérimentateurs, des modélisateurs et des équipementiers travaillent collectivement au renouvellement des dispositifs expérimentaux et des compétences pour relever ce défi. Ils nous invitent par des présentations très pédagogiques, fruits des réflexions conduites dans le cadre d'écoles techniques, à découvrir les connaissances et les avancées technologiques dans le domaine des outils de géolocalisation et de cartographie appliqués à l'agriculture, l'élevage, la forêt et la gestion des ressources naturelles. On y apprend que l'agriculture dite de précision, après avoir franchi les étapes de la mécanisation et de l'automatisation, intègre de plus en plus celle de la robotisation. La géomatique est désormais présente à tous les stades de l'expérimentation au champ (gestion de la semence et des intrants, phénotypage), participant ainsi au déluge de données. Les exemples traités dans ce Cahier permettent également de souligner la contribution de ces développements technologiques à une diversité de missions, de la production et la diffusion de nouvelles connaissances, à la conception d'innovation ou encore à l'éclairage des politiques publiques et des acteurs économiques.

Ce document apporte une belle illustration de la recherche en action, basée sur une mutualisation des compétences, qui propose ici de faire émerger de nouveaux métiers au travers de la communauté GéoExpé<fnref n="1" />. Je tiens à féliciter l'ensemble des auteurs pour ce formidable travail, avec une mention spéciale pour André Gavaland qui a un rôle moteur dans cette aventure technologique. Il me revient également de remercier très chaleureusement l'équipe de formation permanente du centre INRA de Toulouse Midi-Pyrénées et la mission nationale pour avoir permis une telle richesse d'expression que je vous invite à découvrir sans attendre.

Michèle Marin
Présidente du Centre INRA Toulouse Midi-Pyrénées

<footnote n="1">1 « GéoExpé est un dispositif d'information, de formation et d'accompagnement des Unités expérimentales de l'INRA pour l'acquisition de compétences et l'utilisation en expérimentation des outils de géolocalisation et de cartographies (GPS et SIG). »</footnote>
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# L'apport des GPS et SIG à la conduite de dispositifs expérimentaux : vers l'émergence de la communauté métier GéoExpé

André Gavaland<fnref n="1" />, Patrick Bertuzzi<fnref n="2" />, Michel Renard<fnref n="3" />, Patrick Pastuszka<fnref n="4" />

## Introduction générale

L'utilisation des outils de géolocalisation et de cartographie se multiplie dans le domaine de la recherche agronomique.

Ces outils présentent indéniablement un grand intérêt pour la gestion et la caractérisation des sites ainsi que pour la conduite de programmes expérimentaux de recherche. Les Départements Environnement-Agronomie et Biologie et Amélioration des plantes ont ainsi inscrit une animation sur les outils de spatialisation dans leur *schéma stratégique 2011-2015*. Cette préoccupation est partagée par plusieurs autres Départements de recherche des domaines végétal ou animal et par la Commission nationale des unités expérimentales (CNUE).

Les deux écoles techniques GPS-SIG organisées à Auzeville en mars 2012 et mars 2013 s'inscrivent dans une démarche de mutualisation et de renforcement des compétences sur ces outils. Elles ont permis de former une cinquantaine d'agents INRA, principalement des Unités expérimentales, impliqués dans la gestion de sites expérimentaux ou de sites observatoires pour la recherche.

Ces écoles participent à la préoccupation de l'INRA d'animation des Unités expérimentales et à l'émergence de réseaux métiers, tels que la communauté de pratiques CNUE GéoExpé (outils de géolocalisation et de cartographie pour l'expérimentation). Voir le portail de la CNUE : https://cnue.pierroton.inra.fr/cnue/spip.php?rubrique21

## Contenu du numéro spécial du Cahier des Techniques de l'INRA

Ce numéro spécial a pour objectif de réunir l'essentiel des présentations et des réflexions de ces deux écoles techniques. Il est organisé en six chapitres, chacun reprenant le contenu d'une séquence de l'école technique.

Au travers des articles proposés sont traités :

* les principes généraux des outils de positionnement (GPS) et des systèmes d'information géographiques (SIG), ainsi que les fondements de l'agriculture de précision ;

* les principales utilisations de ces outils et concepts pour la gestion d'un domaine agricole ou d'un site expérimental, de même que dans des approches territoriales.

Ces articles fondamentaux sont complétés par des articles techniques qui illustrent les matériels disponibles et leurs utilisations : GPS mobiles pour l'arpentage, GPS embarqués pour le guidage ou l'autoguidage de tracteurs, ou encore pour le phénotypage.

Les méthodes de gestion et de transfert de données GPS vers les SIG et la cartographie de ces données géolocalisées sont également présentées dans plusieurs articles.

Enfin, une séquence est consacrée au témoignage des organisateurs sur la conduite des écoles techniques et au retour d'expérience des participants sur les outils abordés.

Cet investissement collectif doit permettre de renforcer le positionnement des Unités expérimentales au niveau national et international en tant que plates-formes d'expérimentation partenaires de la recherche et contribuer à

<footnote n="1">1 INRA, Unité expérimentale Grande Cultures Auzevile, F-31326 Castanet-Tolosan</footnote>

<footnote n="2">2 INRA, Animateur des Unités expérimentales du Département Environnement-Agronomie</footnote>

<footnote n="3">3 INRA, Chef-adjoint et animateur des Unités expérimentales du Département de Biologie et Amélioration des Plantes</footnote>

<footnote n="4">4 INRA, Directeur de la Commission nationale des Unités expérimentales</footnote>
la production de données de qualité dans une logique d'Open Science. Il va de pair entre autres avec une meilleure caractérisation pédo-climatique des Domaines expérimentaux, le développement des technologies de phénotypage robotisé, la structuration de réseaux d'expérimentation, l'intégration d'interventions spatialement modulées dans la conduite de systèmes de culture innovants et ainsi une consolidation de l'offre diversifiée de nos sites d'expérimentation en réponse aux questions de recherche des partenaires internes et externes de la recherche.

En terme de management interne, l'émergence et l'animation de telles communautés de pratiques doivent être promues ; elles favorisent les échanges et la mutualisation des connaissances entre les opérateurs et constituent une brique essentielle pour le développement et l'évolution des compétences au sein du dispositif expérimental de l'INRA.
/ Chapitre 1 /

# GPS et SIG
Concepts de base

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Source : http://www.sat-info.fr
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# Les principes du positionnement par satellite : GNSS

Renaud Lahaye<fnref n="1" />, Sylvie Ladet<fnref n="2" />

**Résumé.** Les GNSS (global navigation satellite system) parmi lesquels le système américain GPS (global positioning system) ont tous pour principal objectif de donner la position et la vitesse d'un mobile à tout instant, en tout lieu et dans un référentiel global. Comme tout système basé sur des satellites, il est structuré en trois composantes qui seront détaillées afin de mieux appréhender les principes de la géolocalisation : le segment spatial (les satellites), le segment de contrôle (les stations au sol) et le segment utilisateur (le récepteur mobile). Le calcul du géopositionnement peut être basé sur deux mesures : (1) soit la mesure du temps qu'ont mis les signaux émis par au moins quatre satellites pour parcourir la distance les séparant du mobile, (2) soit le décalage de phase des signaux auquel cas un appareillage très sophistiqué doit lever des ambiguïtés (nombre des oscillations entre l'émission du signal par le satellite et la réception par le mobile). Théoriquement (1) doit donner une précision décimétrique et (2) millimétrique mais des sources d'erreur viennent la parasiter. Pour améliorer la qualité du géopositionnement il existe d'autres systèmes satellitaires (SBAS - satellite based augmentation system) et également des réseaux de stations au sol (GBAS - ground based augmentation system) pour transmettre des corrections de positionnement. Les algorithmes de repositionnement peuvent être utilisés en direct (correction différentielle en temps réel « DGPS ») ou en différé (post-traitement) pour atteindre une précision centimétrique à condition d'avoir le matériel approprié. Sur la base des principes de la géolocalisation il sera présenté les bonnes pratiques à adopter sur le terrain : bien choisir son matériel, préparer ses levées et bien mesurer les géopositionnements.

**Mots clés :** positionnement par satellite, GNSS, GPS, précision, géonavigateur

## Introduction

Le sigle GNSS (global navigation satellite system) est le nom générique des systèmes de navigation satellitaires fournissant une couverture globale de géopositionnement (Duquenne et al., 2005). L'objectif de ce système est de donner la géolocalisation d'un mobile ainsi que sa vitesse en tout lieu du globe et dans un référentiel global. Les premiers créateurs d'un tel système sont les militaires américains (GPS : global positioning system) suivis de très près par les russes (GLONASS : GLObal nAvigation satellite system). Depuis 2000, le système GPS est devenu accessible aux populations civiles avec une précision métrique, ce qui a permis à la géolocalisation GPS de se démocratiser. A l'heure actuelle les services utilisant ces systèmes sont très nombreux et variés avec parmi les exemples les plus connus la géonavigation automobile et la randonnée.

Cette technologie est également largement utilisée dans les dispositifs expérimentaux à différents niveaux, nécessitant diverses échelles de précision et devant répondre à différentes contraintes :

* géolocalisation d'habitats, d'espèces patrimoniales, d'essences de fruitiers (précision métrique) ;

* définition du contour d'un dispositif expérimental (précision centimétrique) ;

* géonavigation appliquée à l'agriculture de précision... (précision centimétrique d'un objet en mouvement).

Il est possible de donner ici deux sens au mot précision : (1) le détail de la mesure qui dépend de l'objet à localiser. On peut estimer utile d'avoir une précision décimétrique lorsqu'il s'agit de décrire, mesurer, une parcelle mais cette précision devient sans doute inutile lorsqu'il s'agit de décrire le territoire de l'exploitation agricole (2) la justesse de la mesure, en terme d'exactitude du positionnement. Dans ce cas il s'agit de se raccorder à un système géodésique reconnu et décrit.

<footnote n="1">1 Institut de Développement de la Géomatique (IDGEO) ; 42, avenue du Général de Croutte, F-31100 Toulouse, France ; renaud.lahaye@idgeo.fr</footnote>

<footnote n="2">2 UMR 1201 DYNAFOR, INRA ; 24 Chemin de Borde Rouge- Auzeville, CS 52627, F-31326 Castanet - Tolosan cedex ; France</footnote>
# Description du matériel et/ou méthodes

## Les trois segments du système GPS

Le GNSS, comme tous les systèmes basés sur des satellites, se compose de trois segments : le segment spatial (les satellites à proprement parlé), le segment contrôle (les stations au sol qui contrôlent le bon état de marche des satellites) et le segment utilisateur (l'opérateur qui cherche à se géolocaliser avec son matériel). Nous allons ci-après détailler le système GPS.

### ✓ Segment spatial

Il est constitué d'une constellation de satellites transmettant des signaux radios aux utilisateurs. L'Air Force gère la constellation de manière à assurer la disponibilité d'au moins 24 satellites 95 % du temps. Le premier satellite a été lancé en 1975 et le système n'est pleinement opérationnel que depuis 1995. A l'heure actuelle 32 satellites constituent la constellation appelée NAVSTAR plus quelques-uns de déclassés pouvant être réactivés si nécessaire. Les satellites naviguent dans l'Orbite terrestre moyenne (MOE) à une altitude d'environ 20 200 km et effectuent chaque jour 2 fois le tour de la terre. La configuration des trajectoires des satellites permet de capter les signaux d'au moins quatre satellites n'importe où à la surface du globe et à n'importe quel moment. Les satellites sont équipés d'une horloge atomique et émettent en permanence sur deux fréquences L1 (1 575,42 MHz) et L2 (1 227,60 MHz) modulées par des codes et par un message de navigation (éphémérides permettant le calcul de la position des satellites) (Figure 1). Parmi les codes « portés » par la fréquence L1 (on parle également de Porteuse L1) on retrouve le code C/A (Coarse Acquisition, acquisition brute en français) entièrement ouvert aux civils depuis l'année 2000 et le code P (Précis) réservé aux utilisateurs autorisés par le gouvernement américain. Les récepteurs (ou « géonavigateurs », un GPS pour désigner le récepteur est un abus de langage) commercialisés dans le domaine civil utilisent le code C/A. Quelques récepteurs pour des applications de haute précision, comme la géodésie, mettent en œuvre des techniques permettant d'utiliser le code P (malgré son cryptage).

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 1. Structure du signal d'un satellite GPS. Deux fréquences porteuses L1 et L2 modulées sur des codes C/A, des codes P et des codes de navigation.</figcaption></figure>
✓ Segment contrôle

Il s'agit d'un réseau global de stations au sol qui suivent les satellites de la constellation GPS, vérifient leurs transmissions, réalisent des analyses et leur envoient des commandes et des données (resynchronisation des horloges, rectification des orbites, ...). A l'heure actuelle le segment de contrôle comprend une station de contrôle principale, une alternative, 12 antennes de contrôle et de commande et 16 sites de suivi.

✓ Segment utilisateur

C'est l'opérateur et son matériel de réception qui « écoute » les signaux et récupère les données de chaque satellite. Le récepteur calcule la géolocalisation de son antenne. Le matériel sera plus ou moins sophistiqué selon la précision désirée et selon les contraintes du projet (mobilité de l'opérateur, fermeture du milieu, données à saisir sur le terrain...). L'utilisateur de son côté devra être sensibilisé aux bonnes pratiques du matériel et de la géolocalisation : faire attention aux masques, aux surfaces réfléchissantes, prendre en compte la géométrie des satellites...

Comment fonctionne la géolocalisation ?

La méthode la plus couramment utilisée pour déterminer la position d'un point à la surface du globe repose sur le principe de la triangulation. La triangulation permet par exemple de localiser un objet en connaissant la distance qui le sépare de 3 points de référence (Figure 2). En 3D il est nécessaire de rajouter une quatrième distance reliant l'objet à un autre point de référence pour connaître l'altitude, on parle alors de multilatération. Extrapolée à la géolocalisation d'un récepteur à la surface du globe, il est possible de définir les coordonnées X, Y et Z d'un point si l'on connaît les distances qui le séparent de quatre satellites. Les coordonnées du point d'intersection des sphères représentant les signaux émis par les différents satellites seront d'autant plus précises que le nombre de satellites captés sera important.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 2. Principe de la triangulation pour géolocaliser un récepteur à la surface du globe. Un quatrième satellite permettra de définir l'altitude (Source : http://www.anr-prodige.com/index.php?n=Technologies.Geolocalisation)</figcaption></figure>

✓ Calcul des pseudo-distances satellites-récepteur

Le principe du calcul des distances séparant le récepteur d'au moins quatre satellites repose sur le temps que mettent les signaux du code C/A pour parcourir la distance séparant l'opérateur des satellites (Figure 3). Le temps est multiplié par la vitesse de propagation du signal (vitesse de la lumière) pour obtenir la distance satellite - opérateur. Le calcul des quatre distances permettra par multilatération de définir les coordonnées X, Y et Z de l'opérateur. La précision de cette méthode peut atteindre au mieux 1 mètre si on lui associe des corrections de positionnement (correction différentielle, cf. Lahaye et Ladet, 2014b). Des méthodes utilisant la phase de la porteuse et non le code ont été développées pour de nombreuses applications nécessitant des résolutions plus importantes.
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Calcul de la distance satellite – Récepteur :
= dt * vitesse de la lumière

Résolution du système de 4 équations à 4 inconnues : Coordonnées X et Y, Altitude, dt

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<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>**Figure 3.** Géolocalisation et mesure des pseudo-distances.</figcaption></figure>

Utilisation des phases et levée des ambiguïtés

Le calcul de la position se base ici sur la phase de la porteuse L1 (ou L2) et non sur le code C/A comme vu précédemment. En comparant le signal émis et le signal réceptionné le récepteur peut mesurer le décalage de phase, une mesure que permet de calculer la distance séparant l'opérateur du satellite en théorie au millimètre près. La difficulté de cette méthode est liée à l'inconnue, dite « ambiguïté », du nombre d'oscillations qu'il y a eu entre l'émission et la réception du signal (Figure 4a). Pour lever cette ambiguïté il existe des méthodes liées à des dispositifs très longs à mettre en œuvre et qui nécessitent un matériel sophistiqué capable de gérer de lourds algorithmes. Une des méthodes couramment utilisées (Figure 4b) consiste à regarder les intersections des fronts d'ondes émis par les satellites avec une surface discoïdale (2D) représentant la position possible de l'opérateur, surface obtenue rapidement à partir d'une géolocalisation classique basée sur les pseudo-distances. Les intersections entre cette surface et les fronts d'ondes des signaux émis par les satellites vont représenter un maillage. Les satellites étant mobiles dans l'espace, la direction des fronts d'ondes va varier dans le temps et le maillage avec. Seule la maille où se situe l'opérateur ne varie pas, c'est là que se situe sa position précise. Devant suivre le mouvement des satellites un certain temps, l'initialisation d'un tel dispositif est très longue à mettre en œuvre. Le dispositif est également très coûteux car il fait appel à du matériel très lourd et onéreux mais il permet d'obtenir une géolocalisation millimétrique (en théorie).
Calcul de la distance satellite – Récepteur :
= longueur d'onde x (Déphasage + nombre d'oscillation)

Déphasage : mesure possible
Nombre d'oscillations ? Ambiguïtés

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idgeo

a)

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b)

<caption>Figure 4. Géolocalisation et mesure des phases (d'après LEICA www.geoplane.com/gpsbasics.pdf)</caption>

✓ Système géodésique de référence : le WGS 84

Les coordonnées X, Y et Z sont converties par défaut par le récepteur dans un référentiel global largement utilisé sur terre, le WGS84. Les coordonnées « géographiques » ainsi converties sont mieux connues sous les termes « longitude, latitude et altitude ». La plupart des récepteurs peuvent également convertir les coordonnées vers d'autres référentiels comme le RGF93, le système géodésique officiel français. Concernant l'altitude donnée par le récepteur, il faut prendre en compte que celle-ci est calculée par rapport à l'ellipsoïde du système géodésique et non par rapport au géoïde. Certains récepteurs incluent des modèles de géoïde qui permettent de corriger l'altitude selon la position du récepteur.
## Sources d'erreur

La précision de la géolocalisation d'un récepteur est en théorie métrique si on utilise les pseudo-distances (code C/A) et millimétrique si la phase est utilisée (porteuse L1 ou L2). En pratique les précisions observées sont généralement comprises entre 3 et 50 mètres et quelques centimètres, respectivement. De nombreuses erreurs peuvent venir entacher le calcul de la géolocalisation (Figure 5). Certaines de ces erreurs pourront être corrigées par des modèles et algorithmes et d'autres pourront être évitées par des bonnes pratiques.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 5. Principales sources d'erreur impactant la précision du calcul de la géolocalisation.</figcaption></figure>

### ✓ Synchronisation des horloges

Bien que les horloges embarquées à bord des satellites soient extrêmement précises et que les stations de contrôle surveillent leur synchronisation, elles peuvent être sujettes à de légères dérives et entraîner des erreurs affectant la précision de la position (1 ns = 30 cm). L'horloge du récepteur a rarement la même précision que celle des satellites. Seules les différences de temps entre satellites sont donc précises. Ce problème est résolu s'il y a suffisamment d'émetteurs (quatre satellites au minimum).

### ✓ Troposphère et ionosphère

Les ondes ont des vitesses variables selon le milieu qu'elles traversent. Émises des satellites les ondes auront à traverser des couches de l'atmosphère plus ou moins humides, plus ou moins ionisées. La présence d'humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient la vitesse et la direction de propagation des ondes radios. Certains récepteurs intègrent des modèles de correction.

Une autre couche traversée par les signaux : l'ionosphère. Cette couche ionisée par le rayonnement solaire va modifier la vitesse de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent là aussi des modèles de correction, mais en période de forte activité solaire cette correction n'est pas assez précise. Pour corriger plus finement cet effet, certains récepteurs bi-fréquences utilisent les deux fréquences L1 et L2 qui ne sont pas affectées de la même manière pour recalculer plus précisément la position.

### ✓ Géométrie de la distribution des satellites dans l'espace : dilution de la précision (DOP)

Si les satellites visibles sont très proches dans l'espace, la précision sera moins bonne que s'ils sont répartis régulièrement sur une large étendue au-dessus de l'utilisateur. Les distances utilisées pour le calcul doivent en
quelques sortes être le plus hétérogènes possible afin d'échantillonner au mieux l'espace au-dessus du récepteur. Les effets de la géométrie du système peuvent être appréciés par un paramètre : le DOP (dilution of precision). La précision attendue est d'autant plus importante que le DOP est petit (Figure 6). Certains dispositifs permettent de filtrer des positions calculées en dessous d'un certain DOP. Ce coefficient DOP peut se décliner horizontalement (HDOP) et verticalement (VDOP).

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 6. DOP et signification des valeurs forte et faible.</figcaption></figure>

### ✓ Cryptage

Le GPS étant conçu par et pour les militaires américains, un certain nombre de moyens ont été mis en place pour empêcher l'utilisation du système par un hostile. Ce but est atteint par deux brouillages : la dégradation volontaire de la précision du positionnement et le cryptage du code P. L'accès sélectif ou « selective availability » (SA) est une dégradation de la précision des horloges embarquées à bord des satellites. Cette dégradation volontaire a fonctionné de manière permanente jusqu'en mai 2000. L'anti-leurrage ou « anti spoofing » (AS) est le cryptage du code P (précis) transformé en code dit « Y ». Ce cryptage rend impossible la mesure directe des pseudo-distances basée sur le code P.

### ✓ Réflexion et perte des signaux : trajets multiples et effets « canyons »

La topographie du milieu et sa structuration peuvent influer sur la qualité de la géolocalisation. Le relief ou des bâtiments peuvent occulter des satellites et influer directement sur la précision du positionnement. Ce phénomène de « canyon » se rencontre particulièrement en zone urbaine et en zone montagneuse. Les signaux de satellites peuvent également être réfléchis par des surfaces d'eau voire même des murs : c'est le problème des multi-trajets. Dans ce cas le géonavigateur ne réceptionne que des échos des signaux et la géolocalisation calculée tarde à se stabiliser.

## Les systèmes d'optimisation de la précision de la géolocalisation

Il existe des systèmes dont l'objectif principal est de réduire l'imprécision de la géolocalisation induite par les sources d'erreur précédemment citées. Les erreurs ionosphériques ou troposphériques peuvent être corrigées par des stations d'observation. Ces stations, dont les coordonnées X, Y et Z sont précisément connues, vont mesurer en permanence les erreurs pour ensuite transmettre le signal de correction aux utilisateurs. La diffusion des
corrections peut se faire indirectement via des satellites, on parle alors de système SBAS (satellite based augmentation system) ou directement au récepteur par d'autres moyens de communication (téléphone, radio, internet, ...), on parle alors de LBAS (local based augmentation system).

### ✓ SBAS (WAAS / EGNOS)

Principe : des satellites géostationnaires délivrent en temps réel des corrections permettant d'accroître la précision ainsi que des informations permettant de garantir l'intégrité de ces corrections. Les erreurs sont observées sur un réseau de stations au sol.

Exemple : EGNOS (european geostationary navigation overlay service).

Ce système prend en compte les satellites des constellations GPS et GLONASS (et prochainement Galileo). Trois satellites géostationnaires transmettent en Europe des corrections de positionnement. L'activation de l'utilisation de ce système d'optimisation sur le géonavigateur peut permettre d'atteindre une précision comprise entre 1 et 3 mètres. Le système équivalent dont la couverture est principalement américaine se nomme le WAAS (wide area augmentation system).

### ✓ LBAS (DGPS, RTK)

Principe : ce système est un processus de différenciation qui supprime les sources d'erreurs de positionnement du GPS et améliore son intégrité. Les corrections sont calculées à partir d'une station de référence qui peut être paramétrée par l'opérateur ou faire partie d'un réseau (par exemple le RGP, réseau GNSS permanent). Les corrections sont appliquées au GPS mobile en temps réel ou dans un logiciel de post-traitement. On parle alors de correction différentielle ou DGPS (Lahaye et Ladet, 2014b). Si le récepteur est en mouvement et que la précision souhaitée est centimétrique en temps réel, la méthode de géolocalisation utilisera la phase plutôt que le code et des algorithmes permettant de répondre aux contraintes de la mobilité.

## Les bonnes pratiques

Une fois que l'opérateur a pris connaissance des principes et des contraintes de la géolocalisation par GPS, des bonnes pratiques s'imposent.

### ✓ Reconnaissance terrain (identification des masques)

Cette première étape a pour objectif d'identifier des éléments du milieu d'expérimentation qui pourront impacter la précision de la géolocalisation. La présence de « masques » comme des bâtiments imposants, une pente importante et une exposition sur un versant par exemple Sud qui empêchera le matériel de capter les signaux des satellites venant du Nord, ces éléments devront être notés et pris en compte dans l'étape suivante. Cette reconnaissance peut s'effectuer à partir de logiciels cartographiques comme Google Earth mais il est préférable d'aller directement sur le terrain, cela permettra notamment d'avoir une idée du temps d'accès à la zone.

### ✓ Utilisation des éphémérides et modélisation de la journée de relevés

Les satellites ayant une périodicité de 12 h avec des trajectoires orbitales connues, il est possible de modéliser leur évolution durant les différentes heures de la journée. Ces données sont également disponibles via une éphéméride que des applications peuvent utiliser pour représenter graphiquement le nombre de satellites disponibles durant la journée, l'évolution des DOPs, pour matérialiser des obstacles (masques) et visualiser l'impact sur la visibilité des satellites (Figure 7).

### ✓ Fiches terrain / notes papier

Avant d'aller sur le terrain il est plus sûr de dédoubler sa prise de notes sur des fiches terrain ou un carnet. Si l'appareillage tombe en panne, on dispose d'une sauvegarde papier. Ces fiches pourront également stocker des informations non saisissables dans un simple géonavigateur qui lui est limité à deux types d'information, l'identifiant du point ou de la trajectoire et des commentaires (255 caractères).
<figure><img src="image_16.png" /></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>**Figure 7.** Préparation de la sortie terrain. Selon les coordonnées du lieu de relevés, la date envisagée pour les relevés, sont matérialisées les obstructions, les choix des constellations et des satellites, la visibilité des satellites, l'évolution des DOP (et autres cartes). Source : http://www.gnssplanningonline.com/#/Settings</figcaption></figure>

### ✓ Choix du matériel

Il existe une grande gamme de matériels de géolocalisation dont les prix augmenteront avec la précision et la diversité des fonctionnalités proposées. Un simple GPS géonavigateur de randonnée permettra une géolocalisation de l'ordre d'une dizaine de mètre et une saisie d'informations limitée. Un carnet de note avec un système d'exploitation couplé à un système de géolocalisation utilisant les phases, dont le prix sera jusqu'à 100 fois supérieur au précédent matériel, permettra d'atteindre une précision centimétrique et une saisie personnalisée d'informations (Lahaye et Ladet, 2014a).

## Résultats et exemples d'applications

Dans cet exemple, notre but est de relever des waypoints ou points de cheminement pour des objets (coins de parcelles expérimentales de l'Unité Grande Culture de l'INRA de Toulouse) que nous voyons en même temps sur la photo aérienne et sur le terrain. Nous pensons que la précision métrique est alors suffisante pour notre objectif. Cette précision est atteinte par une multitude de modèles de GPS basiques. Nous avons opté pour un GPS Garmin 62st (Figure 8, encart A) car il satisfait quelques besoins spécifiques :

* précision GPS : < 10 mètres ;

* présence d'une antenne satellite « haute sensibilité » pour une bonne réception sous couvert ;

* espace de stockage de données (sous forme de point de cheminement (waypoint), trace (track) ou itinéraire (route)) disponible : 500 Mo ;

* portabilité et autonomie : jusqu'à 20 h pour une utilisation normale ;

* existence de BaseCamp : interface logicielle simple permettant de gérer ces données géographiques acquises sur le terrain et de les importer dans un logiciel SIG. A noter que le fichier .GPX (GPS eXchange Format) est le format standard d'échange de données « GPS », ouvert, permettant l'échange de coordonnées GPS entre BaseCamp et ArcGis ou Quantum Gis, par exemple ;
* bonnes pratiques sur le terrain : attente de l'initialisation de l'appareil (capture de tous les satellites disponibles), prises de notes, saisie des points quand les coordonnées X et Y sont stabilisées, si nécessaire (et si possible selon l'appareillage utilisé) rester immobile et faire des points moyens pour augmenter la précision. En d'autres termes quand un opérateur cherche à se géolocaliser en un point fixe, le calcul de sa position variera selon les signaux des satellites captés. En restant au même endroit et en relevant les géolocalisations à intervalles de temps réguliers, il est possible de calculer un point moyen qui s'approchera d'une géolocalisation précise au mètre près.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>**Figure 8.** Résultat d'un relevé GPS et coordonnées correspondantes sur le Géoportail IGN. L'encart A (photo : S. Ladet) illustre la page satellite du GPS Garmin 62 ST lors de la relève avec 7 satellites captés et les coordonnées métriques renvoyés en UTM zone 31 (à savoir X=378846 et Y=4820613). La partie B illustre la lecture des coordonnées de ce coin de parcelle (croix rouge) sur le Géoportail sur un fond de carte composite construit à partir de la photo aérienne et de la carte topographique. Cet ensemble de données est en accord, à un mètre près, avec les données de notre GPS Garmin 62st.</figcaption></figure>

Ces appareils basiques peuvent enregistrer les coordonnées de centaines de points, soit relevées directement sur le terrain (fonction de création de waypoints), soit téléchargées à partir d'un projet SIG décrivant un plan d'échantillonnage (fonction voir et rallier un waypoint). Dans ce dernier cas, on peut connaître, pour atteindre un point donné, le cap à suivre, la distance et le temps restant à parcourir.

## Conclusions et perspectives

Les GNSS sont des systèmes complexes nécessitant d'avoir des connaissances minimales sur le vocabulaire des systèmes de navigation satellitaire et sur les bonnes pratiques à adopter sur le choix du matériel GPS, les étapes de préparation de la mission d'acquisition de relevés sur le terrain. Si votre expérimentation nécessite une précision plus importante reportez-vous à l'article de Lahaye et Ladet (2014b) pour en savoir plus sur le DGPS et le RTK. Si l'expérimentation nécessite la saisie de nombreuses informations il peut être envisagé de déployer un SIG nomade (Bernier et al., 2014 ; Lahaye et Ladet, 2014a).

## Références bibliographiques

* Bernier S, Duthoit S, Ladet S, Baudet D (2014) Les concepts de base des systèmes d'information géographique (SIG) : les données et les fonctions générales. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé. pp. 19-26.

* Duquenne F, Botton S, Peyret F, Bétaille D, Willis P (2005) Localisation et navigation par satellites. Edition Hermés Lavoisier, 2ᵉ édition revue et augmentée, ISBN : 2-7462-1090-8, 330 p.

* Lahaye R, Ladet S (2014a) Les concepts de base des SIG nomades. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé. pp. 28-35.

* Lahaye R, Ladet S (2014b) Les réseaux de correction différentielle. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé. pp. 36-43.
# Les concepts de base des systèmes d'information géographique (SIG) : les données et les fonctions générales

Sylvie Bernier<fnref n="1" />, Sylvie Duthoit<fnref n="2" />, Sylvie Ladet<fnref n="3" />, Denis Baudet<fnref n="4" />

**Résumé.** La géomatique regroupe l'ensemble des outils et méthodes permettant d'acquérir, de représenter, d'analyser et d'intégrer les informations à référence spatiale issues de sources hétérogènes. Cette discipline, déjà largement développée au sein des Unités de recherche devient de plus en plus couramment utilisée par les Unités expérimentales de l'INRA, notamment par l'utilisation des systèmes d'information géographique (SIG). Dans cet article, nous revenons sur les bases nécessaires pour comprendre et utiliser un SIG. Un SIG permet de visualiser et d'analyser des données géographiques de deux formats principaux : le format raster (images satellites, photographies aériennes, cartes scannées, etc.) et le format vecteur qui correspond à une simplification du monde réel en objets graphiques auxquels sont reliées des informations descriptives plus ou moins complexes. Afin que toutes ces données soient superposables pour être analysées ensemble, elles doivent appartenir à un système de coordonnées ; c'est un système de référence permettant d'exprimer la position d'un objet dans ses deux ou trois dimensions. Toutes les données géographiques peuvent être regroupées en base des données spatialisées contenant toutes les informations essentielles pour une bonne utilisation (types de données utilisées, structure des données descriptives, source, date de création, etc.). Les fonctionnalités des SIG permettant l'exploitation des données géolocalisées (données issues de GPS, d'imageries satellitales, de photographies aériennes, de données d'expérimentation...) sont nombreuses. Les principales sont présentées à travers des exemples issus de problématiques rencontrées à l'INRA et sur le logiciels SIG Quantum GIS (QGIS : logiciel libre et gratuit). L'utilisation des SIG ne serait pas optimisée sans une bonne qualité des données de référence. Nous dressons ainsi un panorama des données géographiques des grands producteurs de données français, accessibles gratuitement ou à faible coût au monde de la recherche publique depuis ces dernières années. La politique de l'Europe et de la France est de développer le partage de l'information géographique à l'aide des nouvelles technologies sur Internet, sur mobiles et lié au GPS. L'ensemble de ces éléments permet d'envisager une facilité d'accès et de partage à l'information spatialisée que l'on peut également mettre en place à l'INRA.

**Mots clés :** géomatique, fonctionnalités des SIG, couches, raster/vecteur, système de projection, données géographiques

## Introduction

Le terme géomatique - issu de la contraction des termes « géographie » et « informatique » - regroupe l'ensemble des outils et méthodes permettant d'acquérir, de représenter, d'analyser et d'intégrer les informations à référence spatiale issues de sources diverses : images satellitales, photographies aériennes ou issues de drones, données cadastrales, données topographiques, relevés effectués sur le terrain ou issus d'observations sur des sites expérimentaux...). Cette information géographique est exploitée à l'aide de l'outil informatique système d'informations géographiques (SIG) qui permet de constituer des bases de données spatialisées (Collet, 2005).

L'utilisation des SIG, déjà largement développée au sein des Unités de recherche, devient de plus en plus courante dans une très grande variété d'applications (agriculture, écologie, environnement, aménagement...) notamment grâce à l'accessibilité de plus en plus importante des données géographiques et des logiciels (facilité d'accès aux données et coût d'utilisation des logiciels).

Dans cet article nous allons revenir sur des concepts clés pour une utilisation optimale des SIG. Les fonctionnalités des SIG permettant l'exploitation des données géolocalisées seront présentées à travers des exemples issus de problématiques rencontrées à l'INRA, et traités avec les logiciels SIG : Quantum GIS (QGIS, http://www.qgis.org/fr/site/),

<footnote n="1">1 Institut de Développement de la Géomatique (IDGEO), 42, Avenue du Général de Croutte, F-31100 Toulouse, France ; sylvie.bernier@idgeo.fr</footnote>

<footnote n="2">2 UMR 1201 DYNAFOR, Ecole d'Ingénieurs de Purpan, 75 Vole du TOEC, BP57611, F-31076 Toulouse cedex 3, France</footnote>

<footnote n="3">3 UMR 1201 DYNAFOR, INRA, 24 Chemin de Borde Rouge- Auzeville, CS 52627, F-31326 Castanet-Tolosan cedex, France</footnote>

<footnote n="4">4 UMR 1248 AGIR, INRA, 24 Chemin de Borde Rouge- Auzeville, CS 52627, 31326 F-Castanet-Tolosan cedex, France</footnote>
logiciel libre et open source, et le logiciel ArcGis for Desktop (http://www.esrifrance.fr/bureautique.aspx), logiciel commercial édité par ESRI, est également communément utilisé et des tarifs préférentiels sont accordés pour l'achat de licences dans le cadre de travaux de recherche et d'enseignement.

Nous dresserons aussi un panorama des données géographiques des grands producteurs de données français, accessibles gratuitement au monde de la recherche depuis ces dernières années. La politique de l'Europe et de la France est en effet de développer le partage de l'information géographique à l'aide des nouvelles technologies sur Internet, sur des appareils mobiles en lien avec le matériel GPS (Lahaye et Ladet, 2014 ; Lahaye et Ladet, 2014a ; Lahaye et Ladet, 2014b<fnref n="5" />). L'ensemble de ces éléments permet d'envisager une facilité d'accès et de partage de l'information spatialisée que l'on peut également mettre en place à l'INRA.

# Les données dans un SIG : organisation et formats de l'information géographique

## Organisation des données spatiales

Un SIG s'appuie sur un modèle d'informations géographiques basé sur des couches organisées de façon cohérente pour caractériser et décrire le monde. Par exemple, un SIG peut contenir des couches de données pour les éléments suivants : bâtiments, réseau hydrographique, parcelles agricoles, image satellite représentant la zone d'intérêt (Figure 1). L'information géographique contenue dans ces couches peut provenir de sources diverses ayant des formats différents, mais qu'un SIG peut gérer ensemble. Deux formats permettent de stocker les données spatiales : le format raster et le format vecteur.

## Données au format raster

Les données raster correspondent aux images issues des satellites, des photographies aériennes, des images scannées (anciennes cartes papier) ou à des données continues représentant des phénomènes tels que la température ou l'altitude. Le mode raster permet de stocker l'information géographique dans des cellules contigües généralement carrées. Ces cellules des images numériques sont donc l'unité élémentaire appelée pixel (contraction de *picture element*). Chaque pixel possède une valeur qui traduit une couleur (photographies ou scan), ou une énergie électromagnétique captée dans un domaine de longueur d'onde à partir d'un satellite (Figure 1). Par exemple les images du satellite SPOT5 peuvent proposer des images dans le domaine de longueur d'onde du proche infrarouge qui permettent de bien différencier la végétation active. Pour les données raster stockant des valeurs thématiques comme l'altitude, la température, le mode d'occupation du sol, etc., on ne parlera plus de pixel mais plutôt de cellules.

Une des propriétés des données raster qu'il est particulièrement important de connaître est la résolution spatiale c'est-à-dire la taille des pixels. Elle conditionne le niveau de détail qu'il est possible de discerner sur une image. Une image satellite à haute résolution spatiale (10 m de résolution pour SPOT5) permettra de repérer par exemple les grandes classes d'occupation du sol (cultures d'été, cultures d'hiver, forêts de feuillus, etc.) alors qu'une image à très haute résolution spatiale (autour de 1 m de résolution) permettra de distinguer finement les haies, les rangs de certaines cultures et même les arbres de façon individuelle. Les photographies aériennes proposées par l'IGN (BD ORTHO®) d'une résolution spatiale de 50 cm sont une composante du référentiel à grande échelle (RGE®) accessible gratuitement pour la recherche. Ces données sont très utilisées à l'INRA comme fond de référence pour une carte thématique ou comme support de vectorisation car il est possible de créer des données au format vecteur à partir d'images raster.

<footnote n="5">5 Par ces citations, nous faisons référence à d'autres articles de ce numéro spécial</footnote>
<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>**Figure 1.** Photographie aérienne issue de la BD ORTHO® 2010 de l'IGN au-dessus de l'Unité expérimentale de l'INRA d'Auzeville. Sur le zoom, les pixels qui caractérisent les images raster sont bien distinguables.</figcaption></figure>

## Données au format vecteur

Chaque couche au format vecteur est modélisée sous forme d'une double composante (Figure 2).

* ✓ **une composante graphique** : chaque thème du territoire (réseau hydrographique, réseau routier, villes, parcelles agricoles, etc.) est représenté sous forme d'une couche thématique au format vecteur. Par exemple, une couche représentant des parcelles agricoles contient un ensemble d'objets graphiques qui définissent les contours de chaque parcelle. Le type de forme qui représente en général une parcelle (et tous les objets surfaciques) est un polygone, mais il est aussi possible de représenter les objets géographiques sous forme ponctuelle (points de prélèvements, arbres, bâtiments ...) ou linéaire (réseau routier, réseau hydrographique, système d'irrigation, haie, ...). Les types de représentations graphiques (point/ligne/polygone) ne sont jamais mélangés dans une même couche.

Les objets graphiques sont ainsi enregistrés sous forme de liste de sommets avec pour chacun leurs coordonnées X,Y, dans un fichier « de forme » ou « shape » (par exemple .shp pour les couches au format QGIS ou ArcGIS).

* ✓ **une composante descriptive dite attributaire** : à chaque objet graphique d'une couche thématique sont reliées des informations descriptives stockées dans une table attributaire. Pour une couche « parcelles agricoles », ces informations peuvent être par exemple : l'identifiant (unique par parcelle), la surface, le type de culture implantée, la quantité d'intrants, la date de récolte, etc. L'ajout de champs dans la table attributaire ou leur modification se fait de façon aisée. La table attributaire peut être stockée dans un simple tableur ou liée à une base de données plus ou moins complexe stockée sous un système de gestion de base de données (SGBD) liée au SIG, comme PostgreSQL ou ACCESS. Par exemple on veut pouvoir stocker dans une base de données externe toutes les interventions (itinéraires techniques, produits utilisés, temps d'intervention, ...) ou bien les mesures et observations effectuées sur chaque parcelle de la couche de parcelles sans complexifier le modèle géographique de notre domaine expérimental.
<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>**Figure 2.** Organisation en couches de l'information géographique utilisée dans un système d'Information géographique. On distingue les deux principales composantes (graphique et attributaire) de l'information géographique au format vecteur.</figcaption></figure>

## Importance du système de coordonnées

Afin que toutes les données provenant de sources différentes puissent être superposées et exploitées dans un SIG, elles doivent appartenir à un système de coordonnées. Il existe deux types de systèmes de coordonnées utilisés dans les SIG :

* un système de coordonnées géographiques. Un point est référencé d'après ses valeurs de longitude et de latitude qui correspondent aux angles mesurés depuis le centre de la Terre vers un point de surface ; ses coordonnées sont exprimées en degrés, minutes, secondes ;

* un système de coordonnées projetées ou système de projection. Il existe diverses méthodes de projection représentant la surface sphérique de la Terre sur une surface de coordonnées cartésienne bidimensionnelle. L'EPSG (European Petroleum Survey Group) référence plus de 3 000 systèmes de projection différents variant sur leur paramétrage. Le choix du système de projection est conduit par l'usage qui sera fait de la carte mais aussi de la position de la région à cartographier sur le globe, chaque système étant adapté à une zone particulière afin d'éviter au maximum les déformations (Lahaye et al., 2014). Le système de repère cartographique officiel utilisé en France métropole est le Lambert93º ; une foi appliquée, un repère cartographique Xlambert93 et YLambert93 est défini et utilisé sur un plan à deux dimensions ; les coordonnées cartographiques (X, Y) d'un point sont alors exprimées en mètres et non plus en degrés comme dans le système de coordonnées géographiques.

<footnote n="6">6 Site IGN Lambert-93 : http://geodesie.ign.fr/?p=71&page=site_lambert93</footnote>
Lorsque des données de source variée sont utilisées, elles sont souvent dans des systèmes de coordonnées différents. Il faudra donc les transformer pour les rendre superposables. Les logiciels comme QGis ou ArcGIS proposent des boîtes à outils pour ce type d'opération mais d'autres logiciels spécialisés sont également disponibles pour effectuer ces calculs lourds (citons le logiciel gratuit IGNmap : http://ignmap.ign.fr/).

## La base de données spatialisées

La base de données (BdD) spatialisées est constituée de couches qui représentent l'information géographique sous les trois modes de représentation graphique précédemment présentés (point/ligne/polygone) et sous forme raster.

Dans une BdD spatialisée, il est primordial de suivre les deux règles suivantes :

* dans une même couche, la cohérence topologique entre les différents objets géographiques doit être respectée : par exemple, les contours de deux polygones « parcelles » adjacents ne doivent surtout pas être superposés l'un sur l'autre, leur limite doit être unique et donc partager les mêmes sommets ;

* entre deux couches, la cohérence spatiale relative entre objets géographiques doit être respectée : les systèmes d'irrigation, les lignes de semis ou de plantation d'une parcelle doivent être bien localisés à l'intérieur des parcelles. Autre exemple : les bâtiments d'exploitation sont représentés dans une couche et sont localisés dans une ou plusieurs parcelles cadastrales qui sont représentées dans une autre couche. Si la limite du bâtiment partage une partie de la limite d'une parcelle, les sommets constituant ces deux limites communes (sur ces deux couches différentes) doivent avoir les mêmes coordonnées (X, Y).

Ces deux obligations attestent d'une bonne qualité de la base de données spatiales, sachant que celle-ci peut être constituée d'une infinité de couches vecteurs sur un même territoire.

L'information géographique est décrite par son dictionnaire de données et ses métadonnées. Le dictionnaire de données fait l'inventaire des différents types de données utilisées ou la description de la structure des tables attributaires qui composent la BdD. Les métadonnées contiennent les informations sur la source, la date de création, les méthodes utilisées pour les mesures, les unités de mesure, etc. Toutes ces informations sont essentielles pour toute utilisation de cette base par quelqu'un n'ayant pas participé au travail de conception de la BdD, mais aussi pour faciliter une réutilisation ultérieure. La plupart des logiciels SIG offre des outils pour renseigner ces métadonnées.

## Les principales fonctionnalités des SIG

Nous venons de voir que les SIG permettent d'intégrer des données de différents formats et provenance. Quelques-unes des autres principales fonctionnalités des SIG sont décrites ci-dessous en prenant comme exemple le cas de l'Unité expérimentale grandes cultures d'Auzeville de l'INRA de Toulouse (alias UE0802), domaine composé notamment de parcelles agricoles, de dispositifs expérimentaux, de points de prélèvement, de points d'irrigation (Figures 3, 4, 5 et 6). Sur les cas concrets pris en exemples, l'ensemble des objets géographiques constituant les différents thèmes sont représentés et localisés par rapport à une photographie aérienne datant de 2010.

### Représentation cartographique des données attributaires et mise en page :
les analyses thématiques

La **Figure 3** présente une capture d'écran du SIG QGis dans lequel une analyse thématique sur la couche vecteur des parcelles de l'UE0802 a été effectuée. La vidéo permet de visualiser les étapes nécessaires à cette analyse thématique et à sa mise en page : au départ, toutes les parcelles sont représentées de la même couleur. En fonction du type de culture renseigné dans la table attributaire, une couleur différente est ensuite associée à chaque type de culture. La dernière étape de mise en page permet de préparer une composition cartographique comprenant
légende, titre, échelle, source. Une fois l'édition de la carte terminée on pourra l'exporter au format JPEG ou PDF par exemple.

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 3. Capture d'écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/analyse_thematique_mise_page.swf) illustrant l'analyse thématique et la mise en page effectuées sur les parcelles de l'UE0802 dans le SIG QGis.</figcaption></figure>

## Requêtes attributaires : sélection des objets géographiques en fonction de critères sur les données attributaires

La **Figure 4** présente un exemple de résultat de requête attributaire où les parcelles sont sélectionnées automatiquement en fonction de leur appartenance à la culture de blé tendre variété 2 et apparaissent en jaune. Une fois que les parcelles sont sélectionnées, d'autres opérations peuvent être effectuées spécifiquement sur ces parcelles. La vidéo associée montre les étapes nécessaires à cette requête attributaire.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 4. Capture d'écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/requete_attrIBUTaire.swf) illustrant une requête attributaire effectuée sur les parcelles de l'UE0802 dans le SIG QGis.</figcaption></figure>
## Requêtes spatiales : sélection des objets géographiques en fonction de leur localisation par rapport à d'autres objets graphiques (dans deux couches différentes)

La **Figure 5** présente le résultat d'une requête spatiale (étapes visibles sur la vidéo) où seules les parcelles à l'intérieur desquelles une mesure de rendement est disponible sont représentées en jaune.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 5. Capture d'écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/Requete_spatiale.swf) illustrant une requête spatiale effectuée sur les parcelles de l'UE0802 dans QGis.</figcaption></figure>

## Analyse spatiale : création de zone tampon, croisement entre deux couches et calcul de superficie

Nous cherchons à connaître les superficies des zones réellement irriguées au sein de parcelles de l'UE802 en fonction des points d'eau disponibles. La capture d'écran de la **Figure 6** présente le résultat de la première étape qui a permis de créer une zone d'impact circulaire (appelée zone tampon) de 20 m autour de chaque point d'eau. La vidéo associée montre les étapes suivantes qui permettent (1) de croiser ces zones tampon avec les parcelles afin de visualiser les zones réellement irriguées au sein des parcelles (en rose), et (2) de calculer les superficies de ces zones.

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Figure 6. Capture d'écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/Croisement.swf) illustrant le croisement entre la couche parcelles de l'UE0802 et les zones arrosées autour des points d'eau dans QGis.</figcaption></figure>
L'ensemble des fonctionnalités des logiciels SIG décrites précédemment ne sont possibles que si l'intégration des données (données issues de GPS (Lahaye et al., 2014), images satellitales, photographies aériennes, données de terrains géolocalisées, données descriptives, etc.) se fait de manière cohérente par une modélisation de l'information en fonction de l'objectif de l'utilisation de la base de données spatiales. Le système de repère cartographique défini doit être commun entre les différentes composantes de la base de données afin de rendre possible leur superposition.

Panel de quelques données géographiques disponibles
gratuitement ou à faible coût pour la Recherche publique

Revenons sur quelques données externes souvent utilisées par les UE et UR de l'INRA :

* les données du RGE® (référentiel à grande échelle, http://professionnels.ign.fr/rge) fournies par l'IGN avec notamment la BD PARCELLAIRE® (information cadastrale numérique), la BD TOPO® (description des éléments du paysage), RGE®ALTI (composante altimétrique du RGE®) et la BD ORTHO® (composante orthophotographique). La BD ORTHO® à 50 cm de résolution est utilisable gratuitement pour tout usage d'enseignement initial ou de recherche publiable et celle à 5 m de résolution est maintenant utilisable gratuitement quel que soit l'usage ;

* les données du registre parcellaire graphique (RPG) administré par l'Agence de services et de paiement (ASP) fournissent des informations détaillées sur l'occupation du sol issues des déclarations politique agricole commune (PAC) (Cantelaube et Carles, 2014) ;

* certaines données satellitaires fournies par SPOTImage avec notamment le programme ISIS qui vise à promouvoir l'utilisation de l'imagerie spatiale SPOT auprès de la communauté scientifique en lui permettant d'acquérir ces données satellitaires à un tarif préférentiel (http://www.isis-cnes.fr/);

* les données disponibles via le projet EQUIPEX GEOSUD (http://geosud.teledetection.fr/) qui vise à développer une infrastructure nationale de données satellitaires accessible gratuitement par la communauté scientifique et les acteurs publics. Il permet notamment d'assurer pendant 5 années l'acquisition et la mise à disposition de couvertures satellitaires annuelles d'été, haute résolution de la France, et d'assurer la mise en réseau de la communauté scientifique et de la communauté des acteurs de la gestion autour de sa valorisation ;

* données CORINE de l'Institut français de l'environnement concernant l'occupation du sol en Europe (http://www.ifen.fr). La mise à jour de ces données pour 2012 sera accessible courant 2014.

Références bibliographiques

Cantelaube P, Carles M (2014) Le registre parcellaire graphique : des données géographiques pour décrire la couverture du sol agricole. *Le Cahier des Techniques de l'INRA, N° Spécial GéoExpé*. pp. 58-64.

Collet C (2005) Analyse spatiale, géomatique et systèmes d'information géographique. *Rev Int. Géomatique*, 15, n° 4, pp. 393-414.

Lahaye R, Ladet S (2014a) Les concepts de base des SIG nomades. *Le Cahier des Techniques de l'INRA, N° spécial GéoExpé*. pp 28-35.

Lahaye R, Ladet S (2014b) Les réseaux de correction différentielle. *Le Cahier des Techniques de l'INRA, N° spécial GéoExpé*. pp 36-43.

Lahaye R, Ladet S (2014) Les principes du positionnement par satellite : GNSS. *Le Cahier des Techniques de l'INRA, N°spécial GéoExpé*. pp 9-18.
Pour en savoir plus...

* Le portail francophone de la géomatique : http://georezo.net/ C'est un portail francophone destiné à vous aider au travers de forums thématiques et techniques. Vous trouverez une foule d'informations dont des liens vers des glossaires sur le vocabulaire géomatique employé dans cet article : http://georezo.net/annuaire/ glossaires-c-72.html.

* Liste de diffusion géomatique INRA : cette liste de diffusion par courriel, crée en 2011 à l'initiative de deux ingénieurs de l'INRA Mickael Rabotin (UMR LISAH, Montpellier) et Joël Daroussin (UR USS, Orléans), s'adresse à toute personne de l'INRA souhaitant communiquer sur tous les aspects de cette discipline : concepts, technologies, logiciels, données, etc. soit pour poser des questions, soit pour y répondre, soit pour communiquer des informations à la communauté des abonnés à la liste.

Pour s'abonner à cette liste : https://listes.inra.fr/sympa/info/geomatique-inra.

Pour envoyer un message à cette liste (abonnés seulement) : [geomatique-inra@listes.inra.fr](mailto:geomatique-inra@listes.inra.fr).

* Géoportail : vous permet de visualiser non seulement des cartes et des photographies aériennes, mais aussi de nombreuses autres données géolocalisées liées à l'environnement, à l'aménagement, au service public : http://www.geoportail.gouv.fr/donnees.

* Le portail d'information sur la géodésie : http://geodesie.ign.fr/index.php.

* Liste des références spatiales dans différents formats (EPSG, ESRI,...) : http://spatialreference.org/.
# Les concepts de base des SIG nomades

Renaud Lahaye<fnref n="1" />, Sylvie Ladet<fnref n="2" />

**Résumé.** Dans le domaine de la géomatique on assiste actuellement à une véritable révolution au niveau de la production des données avec l'apparition de nombreuses « Big Data ». Cette révolution est directement liée aux évolutions matérielles et technologiques qui permettent d'embarquer un logiciel SIG (système d'information géographique) sur un smartphone ou une tablette, de saisir une multitude d'informations géolocalisées qui seront directement stockées dans des serveurs via une connexion Internet. Théoriquement un chercheur peut maintenant voir en temps réel les données relevées sur un domaine expérimental. Du côté de l'utilisateur sur le terrain il peut visualiser plusieurs couches géographiques sur sa tablette et saisir des informations descriptives ou vectorielles avec les options de navigation sur les données d'un SIG couplées aux fonctionnalités du géonavigateur qui facilitent sa prise de relevés. Ces SIG nomades sont avant tout des SIG qui doivent répondre aux contraintes liées à la mobilité. Les concepts clés déterminant la fonctionnalité de votre SIG nomade sont principalement l'accessibilité (communication entre les appareils mobiles, à la base de données depuis le mobile ou depuis le bureau), la synchronisation (mise à jour des mêmes données par plusieurs personnes sur le terrain, sauvegardes) et l'interopérabilité (communication / exploitation entre différents SIG). Ces concepts seront illustrés à partir de deux exemples : un exemple simple où une personne fait ses propres relevés et un exemple plus complexe où plusieurs personnes travaillent sur la même donnée (un agent sur le terrain avec QGIS en mode mobile, données stockées dans PostgreSQL avec l'extension PostGIS et hébergées dans alwaysdata.com, et un utilisateur dans son bureau observant l'avancée des relevés en direct sur ArcMap).

**Mots clés :** géolocalisation, accessibilité, synchronisation, interopérabilité, nomadisme

## Introduction

Les SIG (systèmes d'information géographique) nomades (appelés aussi SIG mobiles) appartiennent à la famille des outils de la mobilité ou du nomadisme. Ils reprennent les principaux concepts des SIG dits « bureautiques » auxquels viennent s'ajouter des concepts propres à la mobilité comme l'accessibilité. En parallèle à la suspension du brouillage du signal GPS début 2000, de nouveaux terminaux ont été commercialisés, de plus en plus performants, accompagnés de nouvelles fonctionnalités et destinés au fil des ans à un public qui s'élargit. On assiste ainsi à l'heure actuelle à une véritable démocratisation de la mobilité et de la géolocalisation : l'opérateur peut maintenant utiliser des informations géographiques sur le terrain, informations qu'il peut consulter et éditer grâce à un matériel informatique léger, puissant et performant, couplé à des dispositifs de géolocalisation et d'accès à des serveurs de données distants. Cette démocratisation s'accompagne d'une simplification de la disponibilité à la donnée pour le monde de la Recherche via la mise en place de licences enseignement-recherche (Bernier et al., 2014) permettant un accès gratuit au RGE (référentiel à grande échelle) de l'IGN. Il en va de même pour tout citoyen dans la vie de tous les jours avec la libération croissante de la donnée (par exemple à Toulouse via le portail http://data.toulouse-metropole.fr/les-donnees). Les matériels informatiques mobiles permettant d'exploiter cette donnée sur le terrain évoluent également avec l'utilisation croissante des tablettes tactiles et des smartphones.

L'utilisation des SIG sur le terrain devient ainsi accessible, permettant l'élargissement des domaines d'applications : consultation de données, saisie ou mise à jour d'informations géolocalisées relevées sur le terrain grâce au couplage avec un matériel de positionnement. Il est possible de synchroniser les modifications avec des bases de données distantes (Quinquenel, 2010). A l'heure actuelle les informations spatiales sont encore couramment embarquées et éditées sur le terrain en utilisant des cartes papier du type atlas cartographiques. Les informations recueillies sur le terrain sont alors reportées par des notes manuscrites saisies dans le SIG bureautique de retour au bureau. Cette série de manipulations est fastidieuse et génératrice d'erreurs : préparation des cartes papiers et mauvais calage des données, impression et perte de l'échelle, perte des prises de note papier, hétérogénéité des informations relevées, possibilité de perte de données lors du transfert « papier » vers SIG, etc.

<footnote n="1">1 Institut de Développement de la Géomatique (IDGEO), 42 Avenue du Général de Croutte, 31100 Toulouse, France ; renaud.lahaye@idgeo.fr</footnote>

<footnote n="2">2 INRA, UMR DYNAFOR 1201, 24 Chemin de Borde Rouge, Auzeville, CS 52627, F- 31326 Castanet-Tolosan Cedex, France</footnote>
Depuis quelques années, les professionnels de la géomatique constatent une recrudescence du besoin de mettre en place des SIG nomades pour géolocaliser rapidement, efficacement et simplement des éléments patrimoniaux (d'intérêt et suivis régulièrement) en vue de mettre en place des dispositifs de gestion de ces patrimoines. Un exemple qui a priori peut sembler sans importance : le géoréférencement des lampadaires d'une ville apporte de nombreuses améliorations : économiser l'énergie, gérer les dysfonctionnements, adapter le réseau électrique, identifier des zones mal éclairées, etc. Du côté de l'INRA, les géomaticiens constatent que l'offre en SIG nomade a précédé la demande, créant des besoins nouveaux et justifiant le développement et l'usage de ces SIG nomades. Les SIG mobiles peuvent effectivement permettre des prises de notes complètes et uniformes d'un agent à l'autre, prises de notes que va faciliter un applicatif informatique. Comme le souligne Quinquenel (2010), le nomadisme du SIG implique différentes contraintes à prendre en compte lors de l'analyse et la définition du besoin :

* les limitations techniques de l'appareil utilisé : taille de l'affichage, tactilité de l'écran, mémoire disponible, système d'exploitation, résistance aux conditions de terrain, qualité du calcul de la géolocalisation, connectique et communication;

* le positionnement : qualité de la réception satellitaire, bonne pratique, possibilité de corriger la précision des données en différé ou en temps réel;

* la mobilité : toute solution matérielle utilisée doit être facilement transportable, la notion d'ergonomie prenant ici tout son sens ;

* l'interopérabilité : données en entrée et en sortie doivent être utilisables d'une application à l'autre;

* la personnalisation et l'automatisation des outils et applications permettant une meilleure appropriation de l'outil par les utilisateurs.

La Figure 1 résume les principales fonctions recherchées dans un outil nomade pour notre utilisation.

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 1. Particularités d'un outil nomade
(adapté de Giaume, 2009 cité par Prud'homme, 2011 ; photo : M. Giaume)</figcaption></figure>

# Description du matériel et/ou méthodes

## Un SIG nomade intègre plusieurs technologies et compétences

Utiliser ou développer un SIG mobile sur un projet spécifique requiert au minimum la maîtrise des concepts de base des SIG (Bernier et al., 2014) et des principes de la géolocalisation par GPS (Lahaye et Ladet., 2014a). Des compétences complémentaires en informatique et en bases de données vous permettront de personnaliser votre SIG nomade, de paramétrer un serveur de bases de données distant et de répondre aux éventuels problèmes de connexions entre appareils (radio, téléphone, bluetooth, Internet, etc).
Les concepts clés déterminant la fonctionnalité de votre SIG mobile

Les SIG nomades sont avant tout des SIG à part entière qui doivent répondre aux contraintes liées à la mobilité.
Les concepts clés déterminant la fonctionnalité de votre SIG nomade sont principalement :

✓ les **matériels utilisés** : tablettes, smartphones (ou ordiphones en français) ou PC durci ont des performances différentes dépendant principalement de la mémoire, de la puissance des processeurs et du système d'exploitation. L'ergonomie de votre matériel déterminera le niveau de mobilité de votre dispositif : un PC portable sera pratique et puissant pour des dispositifs embarqués dans des véhicules mais limitera les déplacements pédestres par exemple. Le système d'exploitation de votre matériel (Windows Mobile, Android, iOS, etc) limitera votre choix parmi les logiciels de SIG nomade disponibles. Le choix de votre matériel devra également répondre aux contraintes budgétaires et de terrain ;

✓ l'accessibilité : il s'agit ici de prendre en compte le besoin d'accéder à des bases de données distantes, à des flux de données Internet, de communiquer avec d'autres appareils mobiles voire d'autres appareils informatiques fixes. Selon le niveau de précision de géolocalisation souhaitée, il peut être nécessaire de communiquer avec des stations permanentes pour faire de la correction différentielle (Lahaye et Ladet, 2014b). Connexion Internet, téléphone, bluetooth, réception d'ondes radio, autant de moyens de communication que vous devrez considérer dans le choix de votre matériel et la mise en place de votre SIG nomade. Quant à l'accessibilité les questions suivantes doivent être posées :

* quid de la connexion Internet, téléphone, radio ?

* a-t-on besoin d'un accès à une station GPS de référence pour faire de la correction différentielle (Lahaye et Ladet, 2014b) ?

* accès à des données distantes ? Nécessité d'une connexion Internet ?

* contraintes de terrain : quelles couvertures réseaux (téléphone, Internet, stations GPS) ? Possibilité de rencontrer des problèmes d'interférences avec d'autres sources émettrices ? (on rencontre par exemple ce problème à l'Unité expérimentale de l'INRA de Toulouse les jours où le trafic aéronautique est important) ;

✓ la **synchronisation des données et le nombre d'utilisateurs** : partons du cas le plus simple : une personne travaille sur la mise à jour d'un jeu de données de type « fichier » (exemple du « shape »). Le jeu de données peut être embarqué sur le terrain et la personne responsable de l'édition de cette donnée sera à même de gérer les mises à jour. Généralement la donnée est dupliquée, une copie est embarquée sur le terrain et mise à jour, cette copie modifiée écrasera la donnée source. Si la donnée est stockée dans une base de données (géodatabases d'ESRI par exemple) il existe des outils qui permettent de gérer les répliquats des données de manière à garder un historique des modifications. D'autres outils facilitent l'accès à distance à cette donnée. Quand c'est le cas, la perte de l'accès à distance à la donnée une fois sur le terrain peut être résolue par une méthode de travail en mode « non connecté ». L'opération peut se compliquer si plusieurs personnes mettent à jour le même jeu de données simultanément. Dans ce cas le SIG mobile devra utiliser des données stockées dans un système de gestion de bases de données relationnelles multi-utilisateurs (PostgreSQL + PostGIS par exemple) accessible à distance (notions de serveurs et d'hébergement). Cette infrastructure permettra de synchroniser les modifications effectuées sur le terrain avec la donnée source. Il est important ici de définir un protocole d'échange / transfert des données entre les personnes de terrain et le responsable SIG, ces personnes étant le plus souvent différentes ;

✓ l'**interopérabilité** : il s'agit ici de la notion de communication entre les différents outils SIG utilisés (bureautique versus mobile). Cette communication est facilitée par l'utilisation de formats de données standards reconnus par l'OGC (Open Geospatial Consortium). Comme pour un SIG bureautique, il faut s'assurer de la compatibilité des logiciels choisis. La plupart des éditeurs de logiciels de SIG bureautiques ont également développé un logiciel mobile. ESRI qui a développé la suite ArcGIS for Desktop a également développé plusieurs applications mobiles regroupées sous l'appellation ArcGIS for Mobile. On y retrouve l'une des premières solutions de SIG mobiles « ArcPAD ». Parmi les logiciels libres, le projet QGIS comprend la solution bureautique « QGIS Desktop » et également une version mobile « QGIS Mobile » installable sur une plateforme Android ;
✓ la personnalisation (outils et formulaires) : il est important de pouvoir adapter un SIG mobile au projet dans lequel il est utilisé. Les fonctionnalités du SIG nomade dépendent directement du projet. Plus le SIG embarqué sera allégé des fonctionnalités inutiles, plus l'outil sera ergonomique avec un minimum de menus et de boutons et un maximum de place pour l'interface cartographique. La possibilité de pouvoir créer des formulaires de saisie est également une fonctionnalité importante du SIG nomade. Les formulaires de saisie, combinés à l'utilisation de listes de valeurs prédéfinies, de seuils de valeurs minimales et maximales, d'outils de sélection de dates sur des calendriers, permettront de limiter les erreurs de saisie et surtout d'homogénéiser les données ainsi créées. En ce sens l'application ArcGIS for Windows Mobile est intéressante car combinée aux fonctionnalités des géodatabases, elle permet de développer des interfaces très ergonomiques en sélectionnant les tâches présentes dans l'interface (collecter, identifier, rechercher) et en permettant la personnalisation des formulaires de saisie simplement ;

✓ la précision de la géolocalisation : si l'opérateur souhaite une précision métrique voire inframétrique lors de la géolocalisation d'éléments sur le terrain, le couplage logiciel SIG nomade + dispositif de géolocalisation GPS classique devra également intégrer une application permettant de corriger le positionnement (principe du DGPS, Lahaye et Ladet, 2014b). Les éditeurs de solutions de géolocalisation comme Trimble proposent des applications comme le PathFinder permettant de corriger la géolocalisation en temps réel. Ce point est loin d'être négligeable dans le coût global et la précision du dispositif.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 2. Concepts clés des SIG mobiles : accessibilité, interoperabilité et synchronisation.</figcaption></figure>
## Précautions éventuelles

Nous pouvons lister ici quelques précautions d'usage à prendre en compte quand on se lance dans le déploiement d'un SIG nomade. Le dispositif SIG mobile est constitué de modules spécifiques à des besoins techniques, ce qui le rend en principe adaptable à toute problématique. L'élément central n'est pas uniquement le logiciel mais plutôt le couple logiciel/opérateur et ses compétences. Il est effectivement nécessaire d'avoir la compétence technique d'un utilisateur averti lorsque surviennent des problèmes logiciels ou matériels, ainsi qu'une bonne connaissance de la technologie GPS et de ses aléas. Il ne faut pas hésiter à solliciter une communauté d'utilisateurs via l'inscription à un forum (par exemple ArcOrama mobilité d'ESRI). Rappelez-vous, en mode déconnecté, qu'il est possible de perdre tout son travail et ses données au retour d'une journée du terrain si l'appareil mobile chute. Une politique de sauvegarde quotidienne est impérative pour limiter ces risques. Le port USB ou les cartes SD intégrées présents généralement sur ces appareils mobiles permettent de stocker les fichiers mis à jour. Et enfin, dans le choix des briques de son système mobile, il est nécessaire de bien identifier les besoins et les contraintes : couverture réseau du terrain, nombre d'utilisateurs, précision recherchée, etc., pour élaborer une solution adaptée.

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 3. Schématisation des différences entre usage unique versus usage multiple.</figcaption></figure>
# Résultats : exemples d'applications

## Exemple n°1 d'utilisation dans l'UMR DYNAFOR de Toulouse (Figure 4) :

**Appli_ROS2013nomade DYNAFOR** : application nomade permettant de faciliter et de fluidifier la saisie de données de relevé des occupations des sols en été des parcelles agricoles de notre site d'étude à long terme dans les Coteaux de Gascogne.

### Spécifications :

* un utilisateur débutant en SIG sur une opération de terrain, annualisée, bien documentée par une fiche qualité ;

* un PC durci avec connexion Bluetooth avec récepteur GPS, système d'exploitation Windows, équipement durci, écran amovible, stylet tactile, autonomie de 2 jours sans recharge ;

* choix de la plateforme logicielle : ArcGis for Mobile lié au SIG bureautique ArcGis for Desktop ;

* pas de connexion Internet sur le terrain pour accéder aux données ;

* pas de synchronisation : écrasement des fichiers sources.

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>**Figure 4.** Illustration, en haut, la chaîne de production de l'application Appli_ROS2013nomade DYNAFOR avec à gauche l'extrait de la base de données géographique du SIG bureautique et à droite la configuration matérielle choisie du SIG nomade. En bas, illustration par trois captures d'écran d'un exemple de collecte d'attributs sur une parcelle existante.</figcaption></figure>

### Retour d'expérience

: cette application est simple d'utilisation, intuitive et adaptée à l'opération de recherche définie par DYNAFOR (import de la nomenclature spécifique des classes d'occupations des sols et de la symbologie associée). Elle apporte des avantages tels que la consultation de cartes ou photos aériennes, des données antérieures ou encore offre la possibilité d'enregistrer des commentaires libres. Enfin, la synchronisation entre l'appareil nomade et la base de données géographique, DYNAGIS, est simple mais fiable de retour au bureau. Néanmoins la taille et la luminosité de l'écran du matériel choisi sont insuffisantes pour une lecture aisée en temps ensoleillé et la fonction de navigation zoom n'est pas fluide. Ainsi à DYNAFOR cette technologie ne s'est pas encore substituée à la technique traditionnelle de collecte (atlas cartographique) souvent utile en complément.
Exemple n°2 : exemple théorique où l'objectif est de montrer qu'avec une infrastructure simple il est possible de visualiser en direct au bureau des mises à jour réalisées sur le terrain (Figure 5).

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Figure 5. Infrastructure d'un SIG nomade permettant l'édition multi-utilisateur sur le terrain et la visualisation des modifications en direct au bureau.</figcaption></figure>

Cet exemple s'appuie sur l'expérience professionnelle d'IDGEO qui a été amené à former des utilisateurs sur la mise en place d'une infrastructure SIG mobile permettant de visualiser en temps réel au bureau des mises à jour effectuées sur le terrain. Le matériel mobile est équipé de QGIS Mobile et d'un simple GPS (QGIS est capable de lire les informations de géolocalisation d'un GPS pouvant communiquer en mode NMEA). La donnée est stockée dans une base de données PostgreSQL à laquelle a été ajouté le cartouche spatiale PostGIS. Cette base est hébergée par Alwaysdata.com, l'ensemble permettant à un ou plusieurs agents de mettre à jour la même donnée en même temps (via une connexion Internet). Au bureau, en se connectant à la même base de données, il est possible de visualiser les modifications de la donnée en temps quasi réel. L'infrastructure est schématisée par la **Figure 5**. Une démonstration vidéo est disponible à l'adresse suivante : http://idgeo.fr/inra/demos/Synchronization_&_interoperability.swf

## Conclusions et perspectives

La mobilité est en pleine évolution. S'il y a trois ans la démarche aurait pu faire sourire, aujourd'hui, force est de constater que la rapidité des nouveaux développements sur ce segment et le doublement des capacités et de la puissance de chaque nouvelle génération d'appareils laissent augurer de réelles perspectives professionnelles. Sur le terrain, on peut désormais accéder à l'information disponible habituellement sur un SIG bureautique (référentiels, bases de données métiers, interventions effectuées, etc.) ; il est également possible de contrôler et de la mettre à jour. Au bureau, on dispose ainsi de la réalité terrain et on peut la partager avec plus de dynamisme.
On parle alors d'outils informatiques de terrain avec une utilisation d'informations géographiques combinée à un dispositif de positionnement. C'est grâce aux partages d'expériences menées à l'INRA dans des contextes et avec des choix de chaînes de production différents que nous améliorerons nos connaissances et nos pratiques sur ces outils du nomadisme.

Références bibliographiques

Bernier S, Duthoit S, Ladet S, Baudet D (2014) Les concepts de base des systèmes d'informations géographiques (SIG) : les données et les fonctions générales. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé pp. 19-26.

Lahaye R, Ladet S (2014a) Les concepts de base des SIG nomades. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé pp. 28-35.

Lahaye R, Ladet S (2014b) Les réseaux de correction différentielle. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé pp. 36-43.

Prud'homme O (2011) Lancement de la démarche outils nomades au Parc national du Mercantour. Rapport SILAT, 60 p.

Quinquenel H (2010) Les SIG nomades, Edition 1.1.1 IGN France-ENSG, Support de cours 1.1.1., 45 p.
# Les réseaux de correction différentielle

Renaud Lahaye<fnref n="1" />, Sylvie Ladet<fnref n="2" />

**Résumé.** Cet article a pour principal objectif de répondre aux questions qui peuvent se poser au moment de la mise en place d'un dispositif de correction différentielle : pourquoi les réseaux de correction différentielle ? Quels sont-ils et où sont-ils ? Quel réseau couvre mon domaine expérimental ? Comment l'utiliser et avec quel matériel adapté ? Les systèmes satellitaires de navigation globaux (GNSS -global navigation satellite system-) présentent des sources d'erreur induisant de l'imprécision sur les calculs de géopositionnement. Ces erreurs de calcul peuvent être particulièrement problématiques pour des dispositifs expérimentaux reposant sur le géopositionnement d'un mobile en temps réel (mode RTK -real time kinematic-) appliqué par exemple à l'agriculture de précision. La solution pour améliorer significativement la précision du calcul consiste à utiliser des algorithmes correcteurs diffusés par des stations de mesure fixes ou faisant partie d'un réseau. Pour utiliser ces informations le mobile doit être capable de se connecter à la station (radio, Internet, téléphone, etc.), de charger et recalculer rapidement la géolocalisation pratiquement en temps réel. Parmi les réseaux de stations disponibles, il en existe des publics (RGP-réseau GNSS permanent-) et des privés (Teria, Sat-info, Orphéon) qui seront détaillés et comparés. Un premier tableau récapitulant les sites expérimentaux de l'INRA équipés et les couvertures des réseaux est présenté dans cet article pour partager les informations avec les Unités expérimentales.

**Mots clés :** réseaux de correction différentielle, DGPS, station de référence

## Introduction

La géolocalisation globale qui s'appuie sur des systèmes satellitaires (GNSS, global navigation satellite system) peut être entachée d'erreurs pouvant réduire la précision du calcul de la position à une centaine de mètres (Lahaye et Ladet, 2014). A l'origine de ces erreurs peuvent être citées : la désynchronisation des horloges des satellites et

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

**Figure 1.** Station de référence DGPS diffusant ses informations aux utilisateurs. DGPS : processus de différenciation qui supprime les sources d'erreur de positionnement et améliore son intégrité. Les corrections sont calculées à partir d'une station de référence et appliquées au GPS mobile en temps réel ou dans un logiciel de post-traitement. On parle alors de correction différentielle.

<footnote n="1">1 Institut de Développement de la Géomatique (IDGEO) ; 42, avenue du Général de Croutte, F-31100 Toulouse ; France ; renaud.lahaye@idgeo.fr</footnote>

<footnote n="2">2 INRA, UMR DYNAFOR 1201, 24 Chemin de Borde Rouge- Auzeville, CS 52627, F-31326 Castanet-Tolosan cedex, France</footnote>
/ ou des récepteurs, la dégradation du signal volontaire ou non, la déviation des trajectoires des signaux satellitaires en fonction de la structure des couches ionosphériques et troposphériques. Ces erreurs étant identiques au sein d'une même zone de réception, il est possible de mettre en place un dispositif d'observation, de calcul et de transmission des erreurs : une station « relais » ou « base », dont la géolocalisation exacte est connue et qui recalcule constamment sa position en fonction des satellites disponibles. Cette station va observer des erreurs qu'elle va transmettre au récepteur qui va alors appliquer une correction différentielle : c'est le principe du GPS différentiel ou DGPS (Figure 1). Cette correction différentielle permet d'obtenir des précisions de géopositionnement métrique voir centimétrique si la station utilisée calcule sa position en utilisant la phase (RTK) et non le code (DGPS).

# Description du matériel et/ou méthodes

## Le DGPS

Le GPS Différentiel, ou DGPS, a été initialement conçu pour remédier au cryptage volontaire dit SA (selective availability) du signal GPS mis en place par l'armée américaine pour empêcher ses « ennemis » de bénéficier d'une géolocalisation trop précise. Suite à la décision du gouvernement américain de désactiver ce cryptage en 2000, le DGPS a quelque peu perdu de son intérêt. Il présente cependant l'avantage d'offrir une précision métrique là où le géopositionnement « absolu » permet généralement une résolution décamétrique. Cette technologie est encore très utilisée aussi bien en navigation maritime que terrestre.

Utilisé pour corriger sa localisation en temps réel, la clé de ce dispositif est la communication entre le récepteur et la base de référence. Une large gamme de fréquences peut être utilisée selon l'application souhaitée. Plus les relevés se situent dans des lieux confinés (milieu urbain, chantier, etc.), plus la gamme de fréquences utilisée est élevée. La portée des bases de référence peut atteindre quant à elle 300 km, permettant ainsi de répondre aux besoins de la navigation maritime.

<table><caption>Tableau 1. Récapitulatif des fréquences utilisées pour communiquer avec la base<fnref n="3" /></caption><thead><tr><td>Type</td><td>Fréquence</td><td>Portée</td></tr></thead><tbody><tr><td>UHF</td><td>300 MHz à 3000 MHz</td><td>Quelques Kilomètres</td></tr><tr><td>VHF</td><td>30 MHz à 300 MHz</td><td>Jusqu'à 20 km en mer</td></tr><tr><td>Grandes Ondes</td><td>Autour de 300 kHz</td><td>Entre 200 et 300 km</td></tr><tr><td>GSM</td><td>900 MHz, 1800 MHz</td><td>Jusqu'à 50 km</td></tr></tbody></table>

Pour s'affranchir de ces problèmes de communication en direct avec la station de référence, une autre solution consiste à corriger les erreurs de géolocalisation de retour au bureau, en « post-traitement ». L'opérateur se connecte via Internet à la station la plus proche du lieu des relevés, télécharge les fichiers nécessaires et corrige les géolocalisations relevées à l'aide d'un logiciel approprié.

<footnote n="3">3 http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=OndeRadio&oldid=99236387</footnote>
Les systèmes permettant d'augmenter la précision de la géolocalisation en transmettant des corrections erreurs par des satellites géostationnaires (Les SBAS, Lahaye et Ladet, 2014) pourraient être considérés comme des DGPS. Certains de ces systèmes comme le WAAS ou EGNOS sont publics et ne nécessitent généralement pas de matériel particulier pour les utiliser. D'autres sont privés comme les systèmes proposés par John Deere et Omnistar et nécessitent un abonnement ainsi qu'un matériel de géolocalisation adapté. Les corrections émises par les SBAS concernent une vaste zone contrairement au DGPS où la station envoie des corrections d'après ses relevés. Les stations utilisées par le DGPS peuvent être des bases paramétrées par l'opérateur, ce qui nécessite l'emploi simultané de deux récepteurs : un fixe et un mobile. La mise en place de réseaux de stations permanentes privés ou publics permet de s'affranchir de la base fixe habituellement surveillée par une personne afin d'éviter sa « perte », etc.

Il est possible de faire du DGPS en temps réel ou en post-traitement en utilisant des stations permanentes du réseau RGP (réseau GNSS permanent). Le récepteur mobile se base sur les codes des signaux émis par les satellites GPS pour calculer une première position absolue. En temps réel le récepteur se connecte alors à la station la plus proche pour récupérer les erreurs et les appliquer à la géolocalisation pour obtenir une position corrigée. En l'absence de moyens de communication avec la station permanente la plus proche, la correction de la géolocalisation peut s'effectuer en post-traitement de retour au bureau en récupérant les données au format « RINEX » de la station permanente. Un logiciel de post-traitement permettra d'exploiter ce format de données et d'appliquer à la géolocalisation « absolue » la correction appropriée.

Se basant sur le code, le DGPS classique ne permet d'obtenir une précision « que » métrique. Cette précision est souvent suffisante pour rendre plus précise des opérations culturales. Certaines applications, en agriculture de précision notamment, nécessitent une résolution qui est plutôt de l'ordre du centimètre pour un dispositif en mouvement. Ces applications auront recours à une autre méthode : le GPS RTK (real time kinematics ou cinématique temps réel) plus appropriée à la géolocalisation centimétrique d'un mobile. Le RTK se développe aujourd'hui car il rend possible l'autopilotage des machines agricoles.

## Le RTK classique

Le GPS RTK utilise le même principe de correction différentielle que le DGPS : un récepteur fixe dont la position est connue (station de l'utilisateur ou station d'un réseau, on parle également de base) transmet des corrections à un récepteur mobile qui se déplace sur des points dont on souhaite déterminer précisément les coordonnées (Figure 2). L'avantage du RTK réside dans l'utilisation de la différence de phase utilisée pour la correction, c'est

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 2. Princes du RTK. 1/ Constellation de satellites GNSS 2/ Signal GNSS 3/ Station de référence RTK 4/ Signal radio de correction RTK 5/ Récepteur GNSS/radio sur le véhicule. Source : http://www.geo-pro.fr/aggps-542-rtk.html</figcaption></figure>
à dire la différence entre l'instant où un signal est émis depuis le satellite et l'instant auquel il est enregistré par le récepteur (Lahaye et Ladet, 2014). Le code C/A étant émis à une fréquence de 1.023 MHz et la phase de la porteuse L1 oscillant à une fréquence de 1575.42 MHz, l'utilisation de la phase permet un positionnement environ 150 fois plus précis que le code, en théorie.

L'emploi de la phase nécessite un dispositif particulier permettant de lever les ambiguïtés, c'est à dire le nombre d'oscillations qu'il y a eu entre les satellites et le récepteur (Lahaye et Ladet, 2014). La station fixe a pour objectif de lever cette ambiguïté pour calculer une position au millimètre près. Le récepteur mobile se connecte à cette station pour récupérer les informations de correction de position et atteindre ainsi une résolution centimétrique. Quand la station fixe est mise en place et paramétrée par un opérateur, le récepteur mobile ne peut pas s'éloigner à plus de 10-15 km (limites radio), distance au-delà de laquelle l'incertitude sur la position augmente significativement.

## Le RTK Réseau

Pour s'affranchir des problèmes de distance récepteur mobile - récepteur fixe précédemment décrits et surtout pour limiter le coût du dispositif (économie du temps de paramétrage de la station fixe, du matériel et de la personne qui surveille ce matériel), l'idée s'est développée de remplacer la station fixe indispensable par des stations fixes permanentes utiles à la communauté des utilisateurs et de mettre les données à disposition par l'intermédiaire du réseau Internet. Des réseaux publics (RGP) et privés (Teria, SatInfo, Orphéon) ont été ainsi créés pour répondre à un besoin de géolocalisation précise en constante évolution.

L'idée du RTK réseau est de faire supporter différents types de calculs à un serveur distant qui transmet en retour quasi spontanément les corrections. Les réseaux vont différer sur les types de calculs pris en charge par le serveur distant, sur la méthode de transmission des corrections, sur la distribution des stations de référence sur le territoire, sur les couvertures réseaux, etc.

<table><caption>Tableau 2. Comparaison des principales méthodes de géolocalisation GPS avec les précisions généralement observées, le matériel à utiliser et le type de mesure effectuée</caption><thead><tr><td>Méthode</td><td>Précision</td><td>Matériel</td><td>Mesure</td></tr></thead><tbody><tr><td>GPS absolu</td><td>+/- 10m</td><td>1 récepteur</td><td>Code (C/A)</td></tr><tr><td>GPS + EGNOS / WAAS</td><td>+/- 5m</td><td>1 récepteur compatible WAAS / EGNOS</td><td>Code (C/A)</td></tr><tr><td>DGPS</td><td>+/- 1m</td><td>1 récepteur pouvant communiquer avec une station</td><td>Code (C/A)</td></tr><tr><td>RTK classique</td><td>1 à 10 cm</td><td>2 récepteurs</td><td>Phase</td></tr><tr><td>RTK réseau</td><td>1 à 10 cm</td><td>1 récepteur pouvant communiquer avec une station d'un réseau</td><td>Phase</td></tr></tbody></table>

* Le Réseau Teria (Figure 3) : premier réseau privé mis en place par l'ordre des Géomètres-Experts Français. Le projet initié en 2005 couvre l'ensemble du territoire avec un maillage de stations qui permet de capter les corrections d'une station située à moins de 100 km n'importe où sur le territoire. Les stations prennent en compte les constellations GPS et GLONASS (Lahaye et Ladet, 2014). Elles sont également compatibles avec les satellites Galileo en attente de la mise en fonction officielle de ce système. Les stations font partie intégrantes du réseau RGP de l'IGN. Dans le cas de Teria le serveur distant récupère les données des stations de référence. Il effectue la résolution des ambiguïtés par la méthode FPK (ou paramètre de correction surfacique) permettant
la triangulation du mobile. Le serveur diffuse en permanence les données par onde radio. Le mobile se connecte au serveur qui renvoie les corrections au mobile. Ce dernier génère alors les interpolations nécessaires et obtient ainsi la position.

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 3. Schéma du fonctionnement du réseau Téria. Plusieurs stations diffusent leurs données au serveur qui procède aux calculs des erreurs et à la géolocalisation du récepteur par triangulation (source : MEDDAT, 2008).</figcaption></figure>

✓ Le réseau SATINFO (Figure 4) : les stations de ce réseau sont installées sur le territoire et réparties tous les 60 à 70 km les unes des autres. La couverture du territoire n'est pas totale : elle comprend la moitié Nord, les arrondissements de Bordeaux, Toulouse et globalement le pourtour méditerranéen. Les stations sont toutes reliées par ADSL à des serveurs de données et transmettent leurs informations GPS toutes les secondes. Le logiciel GPSNet (Trimble Terrasat GmbH) installé sur les serveurs enregistre alors ces données et effectue des calculs afin de minimiser les erreurs systématiques (ionosphère, troposphère, orbites des satellites, multipath, centre de phase de l'antenne, etc.). Lorsqu'un utilisateur vient se connecter sur le réseau, le logiciel modélise les différentes sources d'erreurs en s'appuyant sur les données des stations de référence. Il interpole l'influence de ces erreurs à proximité de l'utilisateur en créant une station virtuelle de référence (VRS). L'utilisateur utilise ainsi des algorithmes RTK classiques à partir de cette station virtuelle (VRS).

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Figure 4. Schéma du fonctionnement du réseau Sat-info (source : http://www.sat-info.fr).</figcaption></figure>
✓ Le réseau Orphéon (Figure 5) : avec 160 stations en France continentale, toutes compatibles GPS et GLONASS, Orphéon est le premier réseau Français multi-constellation. Il propose des abonnements différents pour les applications agricoles et le génie civil. La couverture du réseau est nationale. Ce réseau repose sur le concept de Maître-auxiliaire (MAC) : les stations de référence d'une même zone ont un certain nombre de corrections en commun (correction satellite, atmosphérique, etc.). Le système s'appuie sur ces informations pour envoyer au serveur les données communes. La station de référence la plus proche de l'opérateur est désignée comme maître, elle possède un certain nombre de corrections transmises au serveur de calcul. Les autres stations alentours sont désignées auxiliaires. Le serveur calcule alors des corrections différentielles entre les stations et envoie les corrections relatives à la station maîtresse. Cette dernière envoie les données brutes issues de ces observations. Cet arrangement des données génère des messages compacts, peu consommateurs de bande passante. Le mobile récupère les informations auprès du serveur Internet et de la station maîtresse puis effectue les interpolations.

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Figure 5. Schéma du fonctionnement du réseau Orphéon (source : MEDDAT, 2008).</figcaption></figure>

Le concept MAC délègue certes au mobile une part importante de calcul de position (ce qui est pris en charge par le serveur pour VRS (SatInfo) et FPK (Teria)) mais il apporte plus de latitude dans les déplacements et les renouvellements de correction.

<table><caption>Tableau 3. Comparaison des principaux réseaux RTK</caption><thead><tr><td>Réseau RTK</td><td>Particularité</td><td>Couverture</td><td>Calculs position</td></tr></thead><tbody><tr><td>SATINFO</td><td>VRS</td><td>Moitié Nord, Bordeaux, Toulouse et pourtour méditerranée</td><td>Serveur distant</td></tr><tr><td>TERIA</td><td>FPK</td><td>Nationale</td><td>Serveur distant</td></tr><tr><td>ORPHEON</td><td>MAC</td><td>Nationale</td><td>Mobile</td></tr></tbody></table>

Précautions : avant d'envisager une méthode de géolocalisation centimétrique en temps réel (et le matériel associé), il est nécessaire de pouvoir répondre aux questions suivantes :

* localisation de l'étude : elle déterminera les réseaux RTK auxquels vous aurez accès ;
* mobilité du dispositif à géolocaliser et instantanéité du calcul de repositionnement : si le mobile est en mouvement rapide il sera certainement plus opportun de dédier les calculs à un serveur distant. Le réseau Orphéon peut proposer d'autres méthodes de calcul ;

* la précision souhaitée : métrique ou centimétrique ? Des commerciaux peu scrupuleux ont pour habitude de vendre des matériels très coûteux qui offrent une précision centimétrique là où vous auriez simplement besoin d'une précision métrique dix fois moins coûteuse, etc. ;

* la transmission GSM des corrections : des pertes de signal de correction peuvent être constatées à cause de l'encombrement du réseau téléphonique. Pour y remédier Orphéon propose son propre réseau de télécommunication.

# Résultats et exemple d'application

## Couvertures des principaux réseaux et des UE INRA équipées

Les données relatives aux couvertures des réseaux ont été facilement obtenues à partir des sites Internet des réseaux (Tableau 4).

<table><caption>Tableau 4. Rappel des couvertures des trois réseaux Teria, Sat-info et Orphéon avec le lien vers les webmaps qui permettent d'interroger les caractéristiques des stations les plus proches de votre site</caption><thead><tr><th>TERIA</th><th>SATINFO</th><th>ORPHEON</th></tr></thead><tbody><tr><td><a href="http://www.reseau-teria.com/dossiers_carto_teria.aspx">http://www.reseau-teria.com/dossiers_carto_teria.aspx</a></td><td><p>La couverture réseau SAT-INFO</p><p>msid=207056217822984798906.0004b78531435847a92d4&msa=0</p><p>SAT-INFO réseau RTK / SUD - SUD OUEST : https://maps.google.fr/maps/ms?msid=207056217822984798906.0004d573617813f31876a&msa=0</p></td><td><p>Zone de couverture Orphéon - Avril 2013</p><p>Séparés en fonction comment : Séparés en Lieu d'Installation : Séparés à l'usager</p><p>Time switch par le service Orphéon</p><p>http://reseau-orpheon.fr/le-reseau-orpheon#couverture</p></td></tr></tbody></table>

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Concernant la géolocalisation des Unités expérimentales équipées le travail aurait nécessité une enquête longue et approfondie auprès de chaque Unité pour avoir l'exhaustivité. La centralisation de ce genre d'information est à l'étude à l'heure actuelle. Cependant vous pouvez vous rapprocher d'Unités déjà équipées et recensées (Tableau 5).
<table><caption>Tableau 5. Coordonnées de quelques UE de l'INRA équipées en GPS RTK</caption><thead><tr><td>Unité</td><td>Nom du Directeur d'unité</td><td>Contact</td></tr></thead><tbody><tr><td>UE<br>UE</td><td>GAVALAND André</td><td>05 61 28 54 19</td></tr><tr><td>UE</td><td>DESCLAUX<br>Dominique</td><td>04 67 29 06 09</td></tr><tr><td>UE</td><td>NEDELEC Gabriel</td><td>02 23 48 51 47</td></tr><tr><td>UE</td><td>STREHL Nathalie</td><td>03 22 85 75 14</td></tr><tr><td>ORE</td><td>LOUAULT Frédérique</td><td>04 73 62 44 30</td></tr></tbody></table>

## Conclusions et perspectives

La géolocalisation différentielle comme le DGPS permet d'atteindre des précisions métriques avec du matériel peu coûteux. Le développement du RTK et des réseaux privés rendent possible la géolocalisation centimétrique d'un mobile en temps réel. Cette technologie autorise maintenant l'autoguidage d'engins motorisés, une technologie en pleine expansion dans l'agriculture de précision. Ces technologies restent cependant très coûteuses, aussi nous vous conseillons fortement de vous rapprocher d'unités expérimentales déjà équipées pour bénéficier de leur expérience et faire des choix appropriés parmi l'éventail des possibilités disponibles sur le marché de la géolocalisation centimétrique en temps réel également en plein essor. Les tarifs ont tendance à baisser et des baisses importantes semblent se profiler dans un avenir proche avec la « massification » de ce type de service. On peut aujourd'hui avoir un équipement RTK complet pour 8 000 euros environ. Des fabricants annoncent des systèmes à moins de 1 000 $ (Piksi, http://swift-nav.com/piksi.html). Dans le secteur agricole, l'autopilotage des engins est en train de devenir le standard aux USA et en Australie où les surfaces sont très vastes et homogènes.

## Références bibliographiques

Wiki : http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=GPS_diff%C3%A9rentiel&oldid=97372762

Lahaye R, Ladet S (2014) Les concepts de base des SIG nomades. Le Cahier des Techniques de l'INRA, N° spécial GéoExpé. pp. 28-35.
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## Chapitre 2 /

# GPS et SIG

Pour l'aide à la gestion
d'un domaine expérimental

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Source : International Plant Nutrition Institute

CAHIER DES TECHNIQUES DE L'INRA / SPÉCIAL GéoExpé

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# GPS et SIG pour l'aide à la gestion d'un domaine expérimental

André Gavaland<fnref n="1" />

**Résumé.** Les outils de géolocalisation et la géomatique constituent les outils de base de l'agriculture de précision. Les applications pour la gestion d'un domaine agricole qui a vocation à accueillir des expérimentations agronomiques sont nombreuses. Elles relèvent de deux acceptations de l'agriculture de précision qui se complètent 1) la précision dans l'agriculture : les GPS (global positioning system) piéton ou embarqués servent au positionnement précis de prélèvements ou de capteurs, ou encore au guidage des machines agricoles 2) l'agriculture de précision au sens propre : elle s'appuie sur la prise en compte de l'hétérogénéité intraparcellaire à travers la mesure de divers indicateurs spatialisés sur les plantes ou sur le milieu pour ajuster les préconisations culturales et moduler les apports d'intrants. La mise en œuvre des outils de guidage et de déclenchement par GPS permet de réduire les zones de recoupement et de tassement par les engins agricoles. Ils facilitent les interventions, en particulier en condition de moindre visibilité (nuit, brouillard). Ces outils permettent d'améliorer la précision des appareils et des machines et donc l'efficacité des interventions culturales. La modulation permet d'ajuster les apports d'intrants au plus près des besoins des cultures. Les économies d'énergie et d'intrants générées par l'utilisation de ces outils vont dans le sens d'une agriculture plus respectueuse de l'environnement. Les outils de géolocalisation et la géomatique sont également précieux pour la gestion d'essais au champ : ils réduisent de manière significative les travaux de jalonnement et permettent d'optimiser le positionnement en prenant en compte les hétérogénéités du terrain dues à la fertilité du sol ou à des passés culturaux variés. Les SIG (système d'information géographique) permettent de prendre en compte les hétérogénéités spatiales dans les analyses statistiques des résultats expérimentaux et d'améliorer la compréhension des effets des facteurs étudiés.

**Mots clés :** GPS, SIG, agriculture de précision, autoguidage, modulation

## Introduction

Le métier de gestionnaire de Domaine expérimental présente une grande diversité de facettes qui relèvent de deux métiers, celui d'agriculteur et celui d'expérimentateur. L'agriculteur doit gérer dans le temps long un espace agricole et/ou forestier et satisfaire l'ensemble des contraintes réglementaires. L'expérimentateur doit implanter sur le domaine des dispositifs expérimentaux, les suivre et en valoriser les résultats.

La mise en œuvre des opérations culturales dans les parcelles agricoles ou dans les dispositifs expérimentaux requiert des interventions, le plus souvent mécaniques, précises. Le suivi agronomique et environnemental et l'évaluation d'un Domaine expérimental nécessitent des approches à plusieurs échelles spatiales, plante, micro-parcelle ou placette, parcelle agricole, domaine, paysage. De même, les déclarations requises par les mesures de soutien à l'agriculture (PAC) et de respect des contraintes environnementales font appel à des données spatialisées à l'échelle du domaine ou de l'espace environnant.

Les outils de géolocalisation, GPS (global positioning system), et de cartographie numérique, SIG (système d'information géographique), se révèlent très précieux pour mener à bien l'ensemble de ces activités. Ils enrichissent les données manipulées des valeurs de positionnement géographique et permettent de ce fait de réaliser des cartes thématiques et des analyses spatiales. Ces outils constituent la base de l'agriculture de précision.

Après avoir rappelé ce que couvre le concept d'agriculture de précision et résumé son historique, nous présenterons successivement les applications des GPS, puis des SIG dans la gestion d'un Domaine agricole et le pilotage d'expérimentations. Nous aborderons ensuite l'intérêt et la mise en œuvre du couplage entre GPS et SIG. Enfin, nous conclurons en présentant les plus-values qu'apportent ces outils au gestionnaire de Domaine expérimental et à ses partenaires dans les Unités de Recherche.

<footnote n="1">1 INRA, UE0802, Unité expérimentale Grandes cultures Auzeville, 24 Chemin de Borde Rouge, F-31326 Castanet-Tolosan, France ;
Andre.Gavaland@toulouse.inra.fr</footnote>
## L'agriculture de précision

Le concept d'agriculture de précision (AP) est né aux États-Unis dans les années 1980 en réponse à une problématique conséquente de la modernisation de l'agriculture. Le recours croissant aux intrants (engrais, produits phytosanitaires, eau) impose de mieux gérer et d'optimiser leur utilisation afin de minimiser les risques pour l'homme et pour l'environnement (Zwaenepoel et Le Bars, 1997).

L'agriculture de précision consiste dans l'appréhension des variabilités intraparcellaires. Elle conduit à la recherche d'informations sur ces dernières, principalement sous la forme d'analyses des caractéristiques physico-chimiques des sols, des composantes du rendement et de leur évolution (Zwaenepoel, 2000). Historiquement, l'homme a réagi à la variabilité spatiale des milieux en construisant un maillage de l'espace sous la forme de parcelles agricoles : une parcelle correspond à une conduite de culture spécifique (Guérif et King, 2007). L'agriculture de précision introduit cette même logique à une résolution de quelques mètres carrés. La connaissance des hétérogénéités intraparcellaires permet d'envisager une modulation des techniques culturales (travail du sol, dose de semis, fertilisation, traitements phytosanitaires) à des fins d'économie, d'amélioration du rendement ou encore de réduction des impacts sur l'environnement.

Le concept s'est largement diffusé dans les années 1990 grâce aux innovations technologiques, notamment à travers les capteurs de rendement installés sur les moissonneuses-batteuses et couplés à des systèmes de positionnement GPS. Ces outils permettaient dès lors de réaliser une cartographie spatialement précise des hétérogénéités de rendement intraparcellaires. D'une manière générale, l'agriculture de précision s'appuie fortement sur la technologie, de ce fait, elle couvre l'ensemble des applications des technologies utilisées pour la géolocalisation et par la géomatique. On peut les regrouper en deux grandes catégories, qui correspondent aux deux facettes de l'agriculture de précision :

1. la précision dans l'agriculture : on utilise les GPS pour géolocaliser tout point remarquable ou toute action dans la parcelle et/ou pour guider les engins agricoles, voire on enregistre sous SIG ces positions et ces trajectoires ;

2. l'agriculture de précision au sens propre, soit l'analyse des hétérogénéités intraparcellaires et leur prise en compte dans la conduite des itinéraires culturaux : on procède à de la modulation, c'est-à-dire qu'on fait varier ces itinéraires pour coller en tout point de la parcelle, ou dans chaque zone considérée comme homogène, au plus près des caractéristiques du milieu et des besoins de la culture : les anglo-saxons résument l'agriculture de précision à la règle des 5 R : « the Right input at the Right time, the Right place, the Right amount, the Right manner ».

## Les applications des GPS dans un Domaine expérimental

Les GPS ont trois catégories d'applications : la géolocalisation, l'assistance à la conduite des machines agricoles et, lorsqu'ils sont couplés à des capteurs, la cartographie de paramètres révélateurs de la variation du milieu cultivé (végétation, rendement ou paramètres du sol). Les GPS permettent d'enregistrer la position géographique d'objets : des points, des lignes (trajectoires) des périmètres (contours de parcelles), on parle de « levé GPS ». Ils permettent aussi de retrouver ultérieurement ces mêmes objets et de pouvoir les réimplanter au même endroit. On imagine par conséquent toutes les déclinaisons possibles à l'échelle d'un Domaine expérimental (Legalle, 2009) :

* à l'échelle de la parcelle agricole :
  l'enregistrement des contours parcellaires est un élément essentiel de la gestion d'un domaine agricole. Il est nécessaire pour effectuer les demandes de subventions (déclaration PAC). Il permet également de répondre aux contraintes règlementaires qui s'appliquent à l'agriculture, surfaces d'épandage d'effluents organiques, cahiers de fertilisation ou de traitements phytosanitaires, et de respecter les règles de distances par rapport aux cours d'eau (ZNT : zones non traitées, implantation des bandes enherbées protectrices du milieu) ;

* à l'échelle intraparcellaire :
  la géolocalisation de points de prélèvement, de sol ou de plantes, ou encore de points remarquables, obstacles à éviter dans les parcelles, capteurs qu'il sera facile de retrouver, même s'ils ne sont pas visibles (capteurs d'humidité du sol enterrés) ;
✓ à l'échelle d'un dispositif expérimental :
les GPS constituent une aide à l'implantation sur le terrain des dispositifs expérimentaux. Ils permettent de positionner l'essai dans la parcelle agricole, et plus largement dans l'environnement, et d'enregistrer cette position. Ceci permet de reconstituer l'historique des essais et leur succession dans le temps sur l'ensemble d'un Domaine expérimental. On peut également enregistrer la position des capteurs en cas d'instrumentation de l'essai (capteurs dans le sol ou sur les plantes).

## Les GPS embarqués sur machines agricoles ou d'expérimentation constituent une aide à la réalisation des interventions techniques

Les barres de guidage sont apparues pour assister le chauffeur dans la conduite de son engin : des diodes alignées devant le volant du tracteur s'allument en rouge (diodes en position extérieure), orange (diodes en position distale), ou vert (diodes en position médiane), suivant que le tracteur est respectivement éloigné, rapproché, ou sur une ligne de référence qui matérialise la trajectoire souhaitée pour le tracteur. Cette première version de l'aide au guidage a ensuite été améliorée avec l'apparition de l'autoguidage : le tracteur est guidé automatiquement par le GPS qui intervient sur la direction du tracteur via une molette électrique qui commande le volant ou via un asservissement sur l'hydraulique du tracteur qui commande directement la direction assistée. Certains systèmes de commande d'autoguidage sont constitués d'un volant dit « volant universel » incluant un moteur électrique que l'on monte en remplacement du volant du tracteur. Avec ces équipements, le tractoriste peut effectuer des passages parallèles (lignes droites ou courbes) à espacement réguliers (largeur de travail) ou encore adopter à partir de son point de départ un cap en enregistrant un azimut (angle avec la direction du nord géographique).

La précision du guidage dépend évidemment de la précision du signal GPS capté, allant de quelques dizaines de cm avec la correction différentielle EGNOS (gratuite) à quelques cm avec le GPS-RTK, celui-ci nécessitant un abonnement GSM aux fournisseurs de signal RTK (Orphéon®, Sat Info® ou encore Téria®) ou l'acquisition d'une station de base à installer sur la ferme qui retransmet par signal radio les positions GPS corrigées aux engins à guider.

Les coupures de tronçons par GPS sur pulvérisateurs, et plus récemment sur épandeurs d'engrais : lors du traitement ou de l'épandage, le GPS embarqué enregistre les zones traitées. Ensuite, en cas de recoupement (fourrières, pointes, écart du chauffeur involontaire ou pour éviter un obstacle) le GPS reconnait la zone traitée et ferme le tronçon de rampe correspondant. Cet équipement permet de réduire les zones de recoupement et facilite les interventions : si le chauffeur a traité ou fertilisé en premier les fourrières, il n'a plus ensuite à se préoccuper de fermer l'appareil en bout de champ, cette fermeture est commandée automatiquement par le GPS qui reconnait la fourrière déjà traitée ou fertilisée. Le signal GPS nécessaire pour cette application n'a pas besoin d'être très précis puisque la résolution sur le terrain correspond à la dimension du tronçon de rampe, soit quelques mètres.

Le déclenchement des semoirs à microparcelles utilisés en expérimentation peut être réalisé par GPS (Bataillon et Gavaland, 2014). Cette application nécessite une précision centimétrique (RTK) du signal GPS en cohérence avec la précision recherchée dans l'implantation des essais.

La modulation des apports d'intrants, dose d'engrais ou encore de semis, peut être réalisée avec des épandeurs (pulvérisateurs pour l'engrais liquide) ou semoirs conçus pour l'agriculture de précision, c'est-à-dire sur lesquels il est possible de charger une carte de préconisation (carte de la parcelle avec pour chaque zone considérée comme homogène la dose à appliquer). Le niveau de résolution auquel il est possible de faire de la modulation dépend de l'asservissement installé sur le matériel : la variation de dose peut être faite par tronçon de rampe, élément de semoir ou sur l'ensemble de la largeur travaillée.

A ce jour, la modulation des intrants est possible à une résolution de quelques mètres (dimension d'un tronçon ou d'une largeur de rampe). La précision du signal GPS corrigé Egnos suffit compte tenu de ce niveau de résolution.
## Les GPS embarqués couplés à des capteurs permettent d'enregistrer des variables révélatrices de l'hétérogénéité du milieu

La réalisation des cartes de rendement est basée sur le couplage d'un GPS avec un capteur de rendement sur la moissonneuse-batteuse : à chaque mesure instantanée de quantité de grain arrivant dans la trémie (traduite en rendement instantané en enregistrant un poids spécifique sur la console de gestion du capteur) est associée une position (longitude, latitude, altitude). Les capteurs de rendement sont le plus souvent associés à des capteurs d'humidité du grain qui permettent de suivre en continu la variation de ce paramètre pendant la moisson. Plus récemment des capteurs NIRS<fnref n="2" /> se développent pour la mesure instantanée de la teneur en azote des grains, ils sont pour l'instant très peu répandus.

Les capteurs de réflectance du couvert végétal utilisés en agriculture se diversifient. Ils peuvent être manuels (GPN) ou embarqués sur tracteur (greenseeker®, N-sensor®) mais sont toujours couplés à un récepteur GPS qui enregistre la position géographique de chaque point de mesure. Ce couplage permet de reconstituer les cartes de végétation (quantité de biomasse, teneur en chlorophylle) qui sont utilisées pour établir les cartes de préconisation et moduler les intrants.

La cartographie de l'hétérogénéité du sol passe par la mesure de paramètres qui révèlent les variations d'état physique ou chimique du sol. Ces appareils de mesure utilisés en mode piéton ou embarqués sur machines derrière tracteur sont couplés à un GPS qui enregistre la position de chaque point de mesure.

La cartographie de la résistivité électrique du sol (Seger et al., 2014) est l'application la plus répandue concernant la cartographie des paramètres du sol. Elle est utilisée sur les domaines INRA pour améliorer la caractérisation des sites expérimentaux et faciliter la cartographie pédologique de ces sites (projet CAREX<fnref n="3" />).

De nouveaux capteurs pas encore vulgarisés en agriculture sont au stade recherche :

* des capteurs d'effort sur outil de travail du sol permettent de caractériser la variation de dureté du sol révélatrice de l'état de compaction ou de la texture ;

* des spectromètres proche infra-rouge embarqués sur ces mêmes outils sont également à l'étude pour une caractérisation en continu de paramètres physiques, voire chimiques (teneur en carbone, phosphore ...) du sol.

## SIG : outil de l'écologie du paysage, quelles utilisations dans un domaine expérimental ?

Les systèmes d'information géographiques (SIG) permettent de coupler des données de positionnement (vecteurs : points, lignes ou polygones) à des données alphanumériques enregistrées sous forme de tables dites « attributaires », et d'analyser ces données vectorielles pour en tirer des informations statistiques (géo statistique) ou des cartes thématiques (analyses thématiques).

Ils permettent aussi de visualiser des cartes ou des images, de les géo-référencer, c'est-à-dire d'attribuer des coordonnées géographiques à tout point de ces cartes ou de ces images, et de superposer plusieurs couches d'information géographique pour tenter d'en déduire des relations.

Les SIG ont été en premier utilisés par les géographes pour cartographier des territoires, étudier leur aménagement et analyser des phénomènes naturels à l'échelle du paysage : répartition des espèces, biodiversité, etc. Leurs applications s'est étendue à de très nombreux domaines professionnels.

A l'échelle d'une exploitation agricole ou d'un Domaine expérimental, différents supports (référentiels) cartographiques sont utilisés régulièrement : plan cadastral, carte topographique, carte pédologique, photographie aérienne, etc. Les SIG permettent d'utiliser ces cartes au format numérique et de croiser ces couches d'information. Il faut bien entendu que celles-ci soient projetées dans le même système de coordonnées (Lambert 2 étendu, Lambert 93, ...) (Bernier et al., 2014)).

<footnote n="2">2 NIRS : Near-Infrared Spectroscopy (spectrométrie proche infra-rouge).</footnote>

<footnote n="3">3 CAREX : CARactérisation environnementale des essais conduits dans les Unités EXpérimentales, projet piloté par Marie-Noël Mistou (UMR Agronomie Grignon). Il émane du Réseau IGEC (Interaction Géotype X Environnement X Conduite des cultures) soutenu par les Départements BAP, EA et MIA.</footnote>
De même, les données GPS enregistrées lors des arpentages ou lors de la circulation des machines agricoles (trajectoire des machines et données associées telles que rendement instantané sur la moissonneuse, résistivité électrique, etc.) peuvent être projetées dans le SIG sous forme de couches (fichiers .shp et données attributaires associées). On peut ensuite aisément visualiser ces couches, les renseigner plus en détail en complétant les tables attributaires, les analyser et éditer des cartes.

Une application très courante est l'édition de la carte d'assolement : à chaque parcelle représentée dans le SIG par un polygone on affecte une espèce cultivée. Cette démarche est utile pour préparer la déclaration PAC obligatoire et indispensable pour obtenir les subventions à la production agricole : la couche parcellaire mise à jour (en cas de changement de limite de parcelle ou de découpage des îlots) et renseignée avec l'assolement de l'année peut être extraite du SIG et importée depuis l'application télépac<fnref n="4" /> sur le site du ministère de l'Agriculture. On peut également sous télépac qui a les fonctionnalités d'un SIG renseigner les cultures et modifier si nécessaire les contours ou les découpages de parcelles ou d'îlots ; c'est assez simple lorsque le parcellaire est stable d'une année sur l'autre mais ça peut devenir complexe dans le cas contraire et surtout lorsqu'il s'agit de renseigner le positionnement d'expérimentations avec différentes espèces dans une même parcelle agricole. Si la position des essais a été relevée par GPS sur le terrain (par arpentage ou automatiquement par le semoir (Bataillon et Gavaland, 2014), il est ensuite facile de la projeter sur le plan cadastral et de préparer le plan détaillé de l'assolement.

Les SIG présentent des modules d'analyse spatiale qui servent à analyser les données, créer ou analyser des « rasters ». Une application courante est l'édition de cartes de rendement. Les données de rendement instantané et d'humidité du grain enregistrées en continu à la moisson par le capteur de rendement et d'humidité embarqués sur la machine de récolte sont interpolées pour estimer ces variables en tout point de la parcelle. On en tire une carte qui présente la variation des variables enregistrées en lui appliquant une « symbologie » (variantes de couleurs ou de symboles).

De nombreuses autres informations géolocalisées (indice de végétation, résistivité) évoquées en début d'article dans les applications des SIG peuvent être analysées et cartographiées suivant le même principe. Le choix de la méthode d'analyse spatiale dépend de la nature des données et de leur densité de répartition ; il requiert un minimum de compétences en géostatistique.

L'analyse de l'hétérogénéité spatiale intraparcellaire est le préalable à la mise en œuvre de l'agriculture de précision : cette hétérogénéité tirée de l'analyse des rendements des cultures précédentes ou d'un indice de végétation une année donnée (ou d'autres paramètres qui traduisent la variation intraparcellaire du potentiel de rendement) est traduite en carte de préconisation des intrants.

Généralement, les agriculteurs utilisent les cartes de préconisation fournies par des sociétés (Astrium, Géosys) qui ont développé en lien avec des organismes de recherche ou des instituts techniques des outils d'aide à la décision (Farmstar, Cérélia, principalement issus des analyses d'images satellitaires). Il est cependant possible avec un SIG de préparer ces cartes à partir des données disponibles au niveau de l'exploitation agricole : certains agriculteurs valorisent ainsi les cartes de rendement.

Le transfert des cartes de préconisation (données géoréférencées de type SIG) vers les appareils d'épandage ou de traitement sur les matériels récents permettant la modulation est réalisée de manière automatisée.

## Conclusion : intérêt de la géolocalisation et de la géomatique

Les systèmes de guidage des machines agricoles par GPS constituent une aide à la conduite et au pilotage des interventions. Ils permettent de gagner en efficacité et d'améliorer les niveaux de précision. Ces outils s'avèrent particulièrement précieux lorsque les conditions de visibilité sont réduites et augmentent les plages d'intervention possible sur le terrain. Les systèmes RTK de précision centimétrique permettent d'envisager des applications difficilement réalisables autrement (binage à vitesse rapide de cultures à faible interligne telles que le blé). Leur déploiement constitue pour les agriculteurs un moyen de mieux répondre aux exigences environnementales d'une agriculture durable : l'acquisition des systèmes de guidage est éligible aux aides à l'investissement accordées par le ministère de l'Agriculture dans le cadre du plan végétal pour l'environnement (PVE<fnref n="5" />).

<footnote n="4">4 www.telepac.agriculture.gouv.fr</footnote>

<footnote n="5">5 Le PVE concerne certains investissements pour les productions végétales qui contribuent à réduire l'impact des produits phytosanitaires et à favoriser les économies d'énergie :
http://agriculture.gouv.fr/Plan-vegetal-et-environnement</footnote>
Les GPS embarqués sur les matériels utilisés en expérimentation constituent également une aide précieuse à l'implantation, au suivi des essais et à l'analyse des résultats.

L'utilisation des GPS couplée à celle d'un SIG permettent d'appréhender l'échelle spatiale sur un domaine expérimental et contribuent à l'amélioration de la traçabilité des données et des itinéraires techniques et de la fiabilité des résultats : la spatialisation des données, agricoles ou expérimentales, et des trajectoires des machines rendent possibles de nombreuses représentations cartographiques et la confrontation entre les différentes couches d'informations géographiques disponibles dans le SIG.

Les SIG constituent des supports précieux d'aide à la décision : Ils facilitent la prise en compte de l'hétérogénéité spatiale due à des variations de milieu ou d'histoire culturale lors du positionnement d'un essai dans une parcelle agricole. Ils sont également à la base de l'analyse des données intraparcellaires, de sol ou de végétation, pour la modulation des intrants dans une démarche d'agriculture de précision.

Enfin les SIG constituent pour un responsable de site ou de Domaine expérimental un support précieux de communication avec les partenaires, scientifiques ou financeurs des essais. Ils permettent d'améliorer la lisibilité des activités sur le site et des résultats expérimentaux.

A l'avenir, les outils de géolocalisation et la géomatique vont devenir des outils incontournables à la gestion des plateformes d'expérimentation, en particulier pour préparer et programmer l'intervention de drones ou de robots d'entretien des essais ou de phénotypage et pour interpréter les données enregistrées par tous les capteurs, fixes ou mobiles, dont l'usage va se multiplier dans les Domaines expérimentaux.

## Références bibliographiques

Bataillon P, Gavaland A (2014) Gestion des données d'un seoir d'expérimentation à déclenchement par GPS. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé, pp. 94-99.

Bernier S, Duthoit S, Ladet S, Baudet D (2014) Les concepts de base des systèmes d'Information géographique (SIG) : les données et les fonctions générales. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé, pp. 19-26.

Guérif M, King D (2007) *Agriculture de précision*. Editions Quae, Versailles.

Legalle M (2009) *Mise en place d'un SIG au Domaine expérimental d'Auzeville, Centre INRA de Toulouse*. Université de Toulouse le Mirail, Master 2 professionnel géomatique « Science de l'information géoréférencée pour la maîtrise de l'environnement et l'aménagement des territoires (SIGMA), mémoire soutenu le 16 septembre 2009*. INRA, Domaine expérimental grandes cultures Auzeville.

Séger M, Giot G, Pasquier C, Courtemanche P, Bourennane H, Ubertosi M, Nicoullaud B, Cousin I (2014) La mesure de résistivité électrique : un outil d'aide à la cartographie des sols. L'exemple de L'Unité expérimentale d'Epoisses. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé, pp. 117-122.

Zwaenepoel P (2000) *Agriculture de précision : avancées de la recherche technologique et industrielle* : Educagri Editions.

Zwaenepoel P, Le Bars JM (1997) L'agriculture de précision. *Ingénieries-EAT*. N° 12.
# Satellites et agriculture de précision

Lénaïc Grignard<fnref n="1" />, Chloé Romier<fnref n="1" />

**Résumé.** L'agriculture de précision offre un nouveau regard sur la parcelle pour une meilleure gestion des intrants. Les images satellite ont ouvert un angle inédit d'observation du comportement de la biomasse verte à l'échelle inter et intraparcellaire. Elles permettent la prise en compte de sa variabilité dans les décisions culturales et d'ajuster ainsi la bonne dose, au bon moment, au bon endroit, avec pour résultat une amélioration des bilans économiques, agronomiques et environnementaux. Cet article présente de manière succincte la démarche de l'agriculture de précision, de l'analyse des hétérogénéités intraparcellaires à partir d'images satellite ou de cartes de rendement à la modulation des intrants, à travers un exemple de service en agriculture de précision proposé par la société GEOSYS aux agriculteurs en France et à l'étranger.

**Mots clés :** agriculture de précision, gestion des intrants, aide à la décision, images satellite, agronomie

## Introduction

Le concept d'agriculture de précision repose sur le constat qu'une parcelle n'est pas homogène. La prise en compte de cette variabilité intraparcellaire et du contexte agro-climatique local associé permet d'optimiser les différentes étapes de la conduite d'une parcelle pour apporter la bonne dose, au bon endroit, au bon moment. Les objectifs intrinsèques sont d'améliorer les résultats agronomiques, économiques et environnementaux. On considère en général quatre étapes dans les approches d'agriculture de précision : 1) l'acquisition de données pour mieux comprendre le fonctionnement de la parcelle : la mesure ; 2) le traitement des données pour les transformer en information pertinente et analysable ; 3) l'analyse de ces données pour la prise de décision, parfois via l'utilisation de modèles agronomiques ; 4) la mise en œuvre : adaptation de la conduite agronomique. Cette approche peut se décliner à plusieurs échelles : l'interparcellaire qui permet de comparer les parcelles entre elles, d'adapter la conduite parcelle par parcelle, et de déterminer entre autres celles qui sont les plus variables ; la parcelle, notamment pour améliorer la connaissance de son comportement agronomique via la compilation d'informations historiques ; l'intraparcellaire, avec une modulation des intrants au semis ou en cours de saison en fonction du contexte spatio-temporel. Depuis une dizaine d'années, des entreprises proposent aux agriculteurs des services d'agriculture de précision. D'abord marginale, l'adoption de ces pratiques est en pleine expansion. Ainsi, parmi les services existants, GEOSYS propose FarmSat®, un service d'agriculture de précision pour les grandes cultures, en France (sous la marque Cerelia®) et à l'étranger (Etats-Unis, Canada, Brésil, Australie, Royaume Uni, Ukraine, Russie). GEOSYS est la filiale d'un groupe coopératif américain, Land O'Lakes. Avec plus de cinquante employés en France, aux Etats Unis, au Brésil et en Australie, GESOSYS contribue depuis plus de 25 ans à développer les performances de l'agriculture sur les cinq continents, en fournissant aux acteurs des filières agro-industrielles des solutions innovantes pour optimiser l'utilisation des ressources, améliorer les rendements et réduire l'impact des aléas.

## Des images satellite comme outil de mesure

Il y a une quarantaine d'années, des scientifiques ont commencé à utiliser des capteurs embarqués dans des satellites pour observer la terre et quantifier la densité de végétation verte. Des mesures du rayonnement solaire réfléchi dans le rouge et le proche infrarouge permettent de suivre l'activité photosynthétique et la surface foliaire ou la biomasse verte. En effet, une caractéristique des plantes chlorophylliennes est d'absorber les longueurs d'onde du rouge pour alimenter la photosynthèse tandis que les structures cellulaires des parois réfléchissent fortement le proche infrarouge. Une modification de surface foliaire verte d'un couvert affectera sa réflectance dans ces longueurs d'onde (Breda, 2003). La combinaison de ces longueurs d'onde (et d'autres) produit divers indices de végétation. Le plus couramment utilisé est le NDVI (normalized difference vegetation index), défini par Tucker (1979). C'est la différence normalisée entre les réflectances dans le proche infrarouge et le rouge : $NDVI = \frac{PIR - R}{PIR + R}$.

<footnote n="1">1 GEOSYS, 5 rue Vidailhan, F-31130 Balma, France ; www.geosys.fr
Auteur pour correspondance : lenaic.grignard@geosys.com</footnote>
L'analyse du NDVI tout au long du cycle végétatif des plantes permet de faire des diagnostics sur la croissance de la biomasse intraparcellaire (Jonckheere et al., 2004).

Il existe de nombreux satellites d'observation de la terre. Ils se différencient en particulier par le type des capteurs qu'ils embarquent (longueurs d'onde enregistrées notamment), la fréquence de visite au-dessus d'une zone, et la résolution spatiale c'est-à-dire la dimension d'un pixel au sol. Des résolutions spatiales entre 5 et 30 m (Rapid Eye : 5 m, Deimos : 20 m, LS8 : 30 m) sont utilisées en agriculture de précision, résolutions compatibles avec la variabilité intraparcellaire qu'il est pertinent d'analyser et les largeurs d'épandage des épandeurs d'engrais.

## Mieux connaître ses parcelles

L'adaptation de la conduite de la parcelle à son contexte géographique et temporel peut se faire grâce à un meilleur diagnostic du comportement de la biomasse verte de la parcelle. Ce diagnostic peut être alimenté en amont de la saison agricole, par une compilation et une analyse des informations historiques, ou en cours de saison, avant une opération culturale.

### Mesurer la variabilité

Deux parcelles voisines peuvent avoir des caractéristiques agronomiques très différentes. Il est alors intéressant d'adopter une conduite différente en fonction de leurs caractéristiques. De même, à l'intérieur de la parcelle, toutes les parcelles sont loin d'être homogènes. Moduler les apports d'intrants à l'intérieur de la parcelle prend alors tout son sens. Un point d'entrée dans l'agriculture de précision est donc la définition d'indicateurs de variabilité entre parcelles et à l'intérieur de la parcelle. Cela peut être fait sur un jeu d'images acquises lors de rotations précédentes ou l'année en cours, et à des moments clé du cycle de culture.

Les images présentées en **Figure 1** illustrent cette problématique. Elles représentent la cartographie d'un indicateur de biomasse verte dérivé du NDVI, sur des parcelles de maïs. Son analyse visuelle met en évidence une hétérogénéité de développement pendant la saison culturale, entre les parcelles (à gauche) et à l'intérieur de la parcelle (à droite).

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>**Figure 1.** Carte d'indicateur normalisé de biomasse verte dérivé du NDVI mettant en évidence une variabilité interparcellaire et intraparcellaire.</figcaption></figure>

Pour mieux prendre en compte cette hétérogénéité intraparcellaire, une approche peut consister à découper la parcelle en zones de fonctionnement homogène.

### Délimiter des zones de fonctionnement homogène

L'objectif du zonage est de raisonner en sous-unité de comportement homogène (McBratney et al., 2005). Pour générer ce zonage, une technique consiste à cibler des images historiques à des dates clé (conditions climatiques extrêmes, dates clé du cycle cultural) et à appliquer des algorithmes qui permettent d'isoler des zones homogènes ou de tracer des zones de transition.
A GEOSYS, un outil de zonage a été développé suite à des travaux menés avec la NASA (National Aeronautics and Space Administration) et l'USDA (United States Department of Agriculture) au début des années 2000. Cet outil, nommé SaMZ, est utilisé dans la première étape de l'agriculture de précision qui consiste, en fonction des hétérogénéités identifiées sur les images satellite, à définir des zones qui vont être retenues et exploitées comme unité d'analyse, comme support pour optimiser les placements des échantillonnages de sol, et comme unité de gestion des intrants (semences, fertilisants). La deuxième étape consistera à effectuer la modulation des intrants, c'est-à-dire à les appliquer de manière variable dans la parcelle en fonction du zonage et du raisonnement des intrants effectué dans la première étape. L'agriculteur pourra le faire de manière automatisée s'il dispose d'un matériel (semoir, épandeur) équipé pour faire de la modulation.

<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>**Figure 2.** Exemple de résultat de zonage : à gauche : image brute de NDVI ; à droite : résultat du zonage sur une série historique d'images, sur la même parcelle.</figcaption></figure>

## Mieux comprendre sa parcelle en compilant des informations annexes

Se limiter aux images satellite n'a de sens que si aucune autre donnée n'est disponible sur la parcelle. Une autre entrée classique de l'agriculture de précision est l'enregistrement sur plusieurs années et l'analyse de cartes de rendement. Elles permettent de comprendre l'impact de la variabilité de la parcelle sur l'expression de son potentiel dans les différentes zones et dans diverses conditions agro climatiques (Bachmaier et al., 2009). Pour pouvoir faire cette analyse correctement, il faut disposer d'outils simples, interopérables et compatibles avec les différents formats de fichier enregistrés par les moissonneuses batteuses et éviter les interprétations erronées qui découlent souvent d'un mauvais traitement des données. GEOSYS a breveté une méthode performante basée sur une approche scientifique originale pour les cartes de rendement en intégrant l'ensemble des corrections nécessaires pour obtenir des données fiables et interprétables. Les principaux types d'erreurs et leur correction sont illustrés par les **Figures 3 et 4**.

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>**Figure 3.** Carte de flux de grain enregistrée par une moissonneuse batteuse – mise en évidence des sources d'erreur (temps de latence = délai entre la coupe d'une tige de blé et le passage des grains battus devant le capteur de flux de grain).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>**Figure 4.** Carte de rendement GEOSYS après traitement des données brutes présentées en Figure 3.</figcaption></figure>

## Améliorer la conduite de la parcelle : la bonne dose, au bon moment, au bon endroit ; modulation des intrants

La valorisation la plus fine de l'agriculture de précision consiste à moduler les apports d'intrants en fonction du sol, de l'expression du potentiel de la parcelle, des objectifs de l'agriculteur, et de ses contraintes techniques (Plant, 2001 ; Godwin et al., 2003).

En amont du semis, un redécoupage de la parcelle peut être opéré pour gérer les zones de façon indépendante. Le choix de la variété et/ou de la densité de semis peut être adapté lorsque les contraintes techniques le permettent. Ainsi, faire varier la densité des rangs de maïs au sein d'une parcelle de maïs dans le Sud-Ouest de la France ne sera pas possible du fait de l'absence d'équipement adéquat. En fonction de la stratégie de fertilisation, dans le cas d'un apport d'engrais en même temps que le semis, les doses pourront être modulées par zone ou de façon plus fine tous les 5 ou 20 m en fonction de l'expression du potentiel de la parcelle dans l'historique. En cours de saison, la fertilisation pourra être adaptée en fonction du niveau de développement de la biomasse, ou de la surface foliaire verte, estimé via des images satellite acquises quelques jours auparavant.

Un exemple de préconisation d'application est illustré par les **Figures 5 et 6**. Il s'agit d'un cas réel d'utilisation en Angleterre, sur une parcelle de blé, pour le deuxième apport d'azote de la campagne 2013/2014. La méthode de préconisation a été mise au point par la HGCA (Home Grown Cereals Authority, Institut technique des céréales de Grande Bretagne). Elle relie un couple de valeurs de LAI (leaf area index, ratio entre la surface de feuilles et la surface au sol en m² par m²) et de stade à une dose d'azote. Cette méthode vise à homogénéiser la biomasse de la parcelle en appliquant plus d'azote là où la biomasse est plus faible.

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>**Figure 5.** Carte de LAI sur une parcelle de blé en Angleterre - au 28/04/2014.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 6. Carte GEOSYS de préconisation d'azote sur la parcelle de la Figure 5, en utilisant la méthode HGCA.</figcaption></figure>

Les résultats de cette démarche d'agriculture de précision se traduisent par une meilleure efficacité des intrants : des gains de rendement et/ou des baisses d'intrants. D'un point de vue agronomique, ces gains découlent du bon sens. D'un point de vue économique les gains doivent dégager une marge supplémentaire après amortissement de l'investissement en matériel et en logiciel. Ces gains varient en fonction de la culture, du contexte agro-climatique et de la typologie de l'exploitation. A titre d'exemple, sur des essais sur maïs dans le Sud- Ouest en 2013, le gain moyen a varié entre 15 et 60 € par hectare.

## Conclusions

La démarche d'agriculture de précision est de plus en plus adoptée par les agriculteurs en grande culture. L'Amérique du Nord et l'Australie sont très en avance par rapport à l'Europe. En Europe, les pays du Nord, l'Allemagne et l'Angleterre font figure de pionniers. La technologie est mature, les services associés se déploient. Il reste une large place pour l'innovation, mais l'expérience de ces dernières années montre que l'agriculture de précision sera un des piliers de l'agriculture de demain.

## Références bibliographiques

Bachmaier M, Gandorfer M (2009) A conceptual framework for judging the precision agriculture hypothesis with regard to site-specific nitrogen application. *Precis Agric* **10**: 95-110.

Breda NJJ (2003) Ground-based measurements of leaf area index : A review of methods, instruments and current controversies. *J Experiment Bot* **54**: 2403-2417.

Godwin R, Wood G, Taylor J, Knight S, Welsh J (2003) Precision farming of cereal crops : A review of a six year experiment to develop management guidelines. *Biosyst Eng* **84**: 375-391.

Jonckheere I, Fleck S, Nackaerts K, Muys B, Coppin P, Weiss M, Baret F (2004) Review of methods for in situ leaf area index determination. *Agric Forest Meteorol* **121**: 19-35.

McBratney A, Whelan B, Ancev T, Bouma J (2005) Future directions of precision agriculture. *Precis Agric* **6**: 7-23.

Plant RE (2001) Site-specific management : the application of information technology to crop production. *Comput Electron Agric* **30**: 9-29.

Tucker CJ (1979) Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation. *Remote Sens Environ* **8**: 127-150.
# Le registre parcellaire graphique : des données géographiques pour décrire la couverture du sol agricole

Pierre Cantelaube<fnref n="1" />, Marie Carles<fnref n="1" />

**Résumé.** Le registre parcellaire graphique (RPG), un système de déclaration graphique utilisé par les agriculteurs, fournit une représentation géo-localisée fine et annuelle de l'occupation du sol agricole français. Cette base de données est accessible à l'ensemble de l'INRA grâce à une convention que l'Institut a signé avec ses propriétaires. L'unité de service Observatoire du développement rural est dépositaire de ces données pour l'INRA et est en charge de leur diffusion auprès des ayants droits. Différentes versions du RPG sont proposées, construites notamment en complétant et enrichissant ces données par d'autres sources d'informations géographiques sur la couverture du sol.

**Mots clés :** registre parcellaire graphique, parcellaire agricole, couverture/occupation du sol

## Introduction

Le registre parcellaire graphique (RPG) est un système de déclaration graphique des surfaces agricoles, mis en place suite au règlement communautaire CE 1593/2000 qui demande aux Etats-membres de l'Union européenne (UE) de localiser et d'identifier les surfaces agricoles (Kay and Milenov, 2007). Les exploitants dessinent sur des photos aériennes les contours de leurs « îlots de cultures ». Ces îlots sont des regroupements de parcelles contiguës d'une même exploitation, portant une ou plusieurs cultures, généralement délimités par des éléments facilement repérables et permanents : chemins, haies, ruisseaux, etc. ; ce sont donc des unités de terrain exploitées par un même agriculteur mais pouvant contenir plusieurs cultures. Ces exploitants précisent les cultures qui sont pratiquées sur ces îlots, ainsi que les surfaces associées. Ces informations, collectées et mises à jour annuellement, sont utilisées notamment pour instruire et enregistrer les dossiers de déclaration pour les aides dans le cadre de la politique agricole commune (PAC) ; et, en outre, la validation de ces déclarations individuelles ouvre le droit au versement des aides PAC. Le RPG est d'ailleurs produit par l'Agence de service et de paiement (ASP) principal organisme payeur de la PAC pour la France.

Le RPG est donc un jeu de données géographiques recensant les surfaces agricoles des exploitations qui possèdent au moins une parcelle faisant l'objet d'une aide du 1er pilier de la PAC ou encore une parcelle engagée sous une des mesures surfaciques du 2nd pilier de la PAC (mesures agro-environnementales). Il s'agit sans doute de la meilleure représentation (géo-localisée) disponible de l'espace agricole français. Un extrait du RPG est présenté sur les **Figures 1 et 2**.

Une convention entre l'Institut national de la recherche agronomique (INRA) et l'ASP a été établie<fnref n="2" /> pour la mise à disposition des données du RPG, dans une version anonymisée, pour les travaux de recherches de l'INRA, avec droit à leur réutilisation par les Unités mixtes de recherche (UMR) et accordant également à l'INRA la faculté de diffuser ces données auprès de ses partenaires scientifiques dans le cadre de projets. L'Unité de services Observatoire du développement rural (US-ODR) est dépositaire des données RPG dans le cadre de cette convention et se charge de leur distribution auprès des Unités mixte de recherche (UMR) et autres ayants-droits. L'accès aux données se fait sur demande (lettre d'engagement) auprès de l'US-ODR. Les données sont fournies par département (France entière disponible, y compris DOM, à partir de 2006).

<footnote n="1">1 INRA, Unité de services 0685, Observatoire du développement rural, 24, Chemin de Borde Rouge, Auzeville, F-31326 Castanet-Tolosan, France ; pierre.cantelaube@toulouse.inra.fr</footnote>

<footnote n="2">2 Juillet 2010, sous financement INRA SAE2/SAD/EA.</footnote>
<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>Figure 1. Extrait de la BD-Ortho® (Mosaïque d'ortho photographies, base de données IGN).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>Figure 2. Extrait de la BD-Ortho® et superposition des îlots RPG (campagne 2010).</figcaption></figure>

L'US-ODR a également complété le RPG avec d'autres données géographiques relatives à l'agriculture en France, notamment les mesures agro-environnementales (MAE) issues du Règlement de Développement rural : conversion à l'agriculture biologique, traitements extensifs des prairies, réduction des traitements phytosanitaires, etc. Une nouvelle couche d'information géographique intégrant ces deux jeux de données a été générée grâce à des travaux de superpositions et de croisements réalisés à l'aide de systèmes d'information géographique (SIG).

Enfin, l'US-ODR entend proposer une version du RPG enrichie avec l'ensemble des éléments de couverture du sol, hors paysage agricole, tels que les routes, les surfaces en eau, etc. (disponibles grâce à la BD Topo® de l'IGN) ou encore des éléments forestiers (BD Forêt® de l'IGN). De plus, le RPG ne décrit pas la couverture de la totalité de l'espace agricole, compte tenu de la procédure déclarative à laquelle il répond. Pour assurer une couverture exhaustive du sol, il sera donc également nécessaire d'estimer et de localiser les surfaces agricoles absentes du RPG.
## Description des données du RPG

Les exploitants agricoles dessinent les contours de leurs îlots de culture sur des fonds papiers A3 réalisés spécifiquement à partir des orthophotographies de la BD Ortho® (IGN), pour une saisie au 1:5000. Ils ont également la possibilité de numériser directement ces informations (par Internet, grâce au service en ligne TéléPac). Cette tâche s'effectue selon une procédure définie par les chambres d'agricultures départementales (voir ASP, 2011). Les déclarations, recueillies par les directions départementales des territoires (DDT, bureaux déconcentrés du ministère de l'Agriculture, de l'Agroalimentaire et de la Forêt dans les départements), sont ensuite fournies à l'ASP pour un retraitement avec les outils dédiés<fnref n="3" /> et la constitution de fichiers annuels recouvrant le territoire français dans son ensemble. Petitjean et de Laroche (2007) décrivent plus en détail les procédures de déclarations, d'instructions et de contrôles.

Pour la France métropolitaine, le RPG comprend à peu près 6 millions d'îlots (correspondants à environ 26 millions d'hectares) répartis entre un peu plus de 400 000 exploitations agricoles (qui peuvent être aussi des regroupements d'exploitations agricoles, des établissements publics, etc.). A titre de comparaison, en 2010, le ministère de l'Agriculture recense 490 000 exploitations agricoles en France métropolitaine sur une SAU de 27 millions d'hectares (Agreste, 2013). Cette différence s'explique par l'absence dans le RPG des surfaces appartenant à des exploitations non primées par la PAC (c'est-à-dire ne recevant aucune aide ni du 1er pilier, ni du 2nd pilier de la PAC).

## Diffusion et droits

Le RPG est une œuvre collective dont la propriété intellectuelle est partagée entre l'ASP et le ministère de l'Agriculture, de l'Agroalimentaire et de la Forêt (MAAF). Dans le cadre de l'application de la directive européenne INSPIRE<fnref n="4" />, la diffusion<fnref n="5" /> par l'ASP des données du RPG peut être réalisée suivant six niveaux d'information et d'anonymisation, décrits dans le **Tableau 1** (source ASP, 2011).

<table><caption>Tableau 1. Niveau d'anonymisation des données attributaires associées aux îlots RPG</caption><tr><td>Niveau 1</td><td>Données graphiques avec un identifiant numérique et non significatif (anonyme) par îlot</td></tr><tr><td>Niveau 2</td><td>Données du niveau 1 avec la commune de localisation de l'îlot, les cultures déclarées et leurs surfaces décrites en 28 groupes de cultures (occupation du sol)</td></tr><tr><td>Niveau 3</td><td>Données du niveau 2 avec pour chaque îlot, sa surface de référence, s'il y a un moins une parcelle irriguée ou non, et les caractéristiques de l'exploitation (anonymisées) : forme juridique, classe d'âge pour les exploitants individuels, surface déclarée, département de rattachement administratif</td></tr><tr><td>Niveau 4</td><td>Données du niveau 3 avec par exploitation un identifiant numérique et non significatif</td></tr><tr><td>Niveau 5</td><td>Données du niveau 4 avec nom ou raison sociale de l'exploitant</td></tr><tr><td>Niveau 6</td><td>Données du niveau 5 avec régime et montant des aides</td></tr></table>

L'INRA, au travers d'une convention ASP / INRA - US ODR, a obtenu un droit d'utilisation, des données du RPG documentées niveau 4 à partir de 2007 (et niveau 2 pour la campagne 2006), ceci pour 94 départements de la France métropolitaine (hors 75 et 92) et les DOM (quatre départements). Ces informations sont donc réutilisables conformément aux clauses de la convention signée, en particulier en respectant le caractère anonyme des données.

## Format des données géographiques disponibles pour l'INRA

L'information disponible concerne donc les îlots anonymisés (niveau 4) du RPG et leur occupation culturale lors de la campagne de l'année N, dans leur situation consolidée de fin de campagne (arrêtée au 1er janvier de l'année N+1, selon la situation à cette date). Les données sont fournies, par département, sous forme de données géographiques vectorielles, avec données attributaires associées<fnref n="6" />. En résumé :

<footnote n="3">3 Notamment l'application ISIS-TELEPAC.</footnote>

<footnote n="4">4 Directive 2007/2/CE du Parlement européen et du Conseil de l'UE, http://inspire.jrc.ec.europa.eu/</footnote>

<footnote n="5">5 Circulaire MAP/SG/CSI du 11 décembre 2007.</footnote>

<footnote n="6">6 Voir aussi ASP, 2011b.</footnote>
✓ ✓ les îlots sont représentés par des polygones SIG, au format shape-file (ESRI®), identifiés de manière unique chaque année. Le système de projection (pour la France métropolitaine) est Lambert 2 étendu (2007-2008) puis Lambert 93 (depuis 2009). L'échelle de saisie est 1:5000, et les échelles minimale et maximale d'utilisation sont le 1:2500 – 1:10000 ;

✓ ✓ à chaque identifiant d'îlot sont associées deux tables attributaires pour, grâce à un ensemble de données alphanumériques, décrire cet îlot et l'exploitation à laquelle il appartient ;

* pour décrire l'îlot, les attributs suivant sont fournis : nature de la (des) culture(s) (selon une nomenclature en 28 classes<fnref n="7" />) et surface qu'elle(s) occupe(nt), caractère irrigué de l'îlot (jusqu'en 2009 seulement), et surface de référence de l'îlot (déduite directement du dessin numérisé) ;

* pour décrire l'exploitation : sont disponibles l'identifiant (anonyme) de l'exploitation propriétaire de l'îlot, la structure de cette exploitation (individuelle ou bien collective : EARL, GAEC, etc.), la classe d'âge du chef d'exploitation (pour les exploitations individuelles), le département de rattachement administratif (département d'instruction des dossiers PAC, département siège de l'exploitation) et la surface totale de l'exploitation.

## Couverture du sol agricole

Comme indiqué ci-dessus, la couverture de la totalité de l'espace agricole n'est pas assurée. Par exemple, les surfaces agricoles appartenant à des exploitations, professionnelles ou non, qui ne sont sujettes à aucune aide PAC seront absentes du RPG. Ceci exclut du RPG les exploitations spécialisées dans des cultures non-aidées, notamment les vignes ou les cultures fruitières.

Dans les faits, si les données du RPG sont comparées avec des données de surfaces agricoles qui font autorité comme la statistique agricole annuelle (SAA) d'Agreste<fnref n="8" />, nous notons que la surface totale RPG (surface agricole utile RPG ou « SAU RPG ») est plus faible de 2 à 3 % que la SAU des exploitations SAA, de 8,5 à 10 % que la SAU totale SAA<fnref n="9" /> (Tableau 2). Si nous distinguons les types de cultures, la différence SAA-RPG est de moins de 1 % pour les surfaces en céréales, oléagineux et protéagineux (SCOP), 12 à 14 % pour les prairies et d'environ 60 % pour les cultures permanentes (en moyenne sur 2006-2009, voir Tableau 2). C'est notamment pour renseigner ces surfaces manquantes que l'US-ODR prévoit une version du RPG complétée par les surfaces agricoles non déclarées.

<table><caption>Tableau 2. Différences entre les surfaces Agreste (SAU totale, sauf spécifié) et celles du RPG, en pourcentage : Formule : (Surface Agreste – Surface RPG)*100/Surface Agreste. (France métropolitaine, 4 campagnes).</caption><thead><tr><th></th><th>2006</th><th>2007</th><th>2008</th><th>2009</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>Terres arables</strong></td><td><strong>1,2 %</strong></td><td><strong>0,7 %</strong></td><td><strong>0,1 %</strong></td><td><strong>0,9 %</strong></td></tr><tr><td>Céréales (– riz + maïs ensilage)</td><td>1,4 %</td><td>1,2 %</td><td>0,6 %</td><td>0,5 %</td></tr><tr><td>Oléagineux</td><td>18,1 %</td><td>17,4 %</td><td>8,4 %</td><td>1,3 %</td></tr><tr><td>Protéagineux</td><td>0,1 %</td><td>0,6 %</td><td>1,4 %</td><td>0,7 %</td></tr><tr><td>Riz</td><td>0,2 %</td><td>7,7 %</td><td>8,6 %</td><td>3,8 %</td></tr><tr><td><strong>Cultures permanentes</strong></td><td><strong>62,6 %</strong></td><td><strong>63,1 %</strong></td><td><strong>63,2 %</strong></td><td><strong>57,3 %</strong></td></tr><tr><td>Cultures fruitières</td><td>50,2 %</td><td>48,5 %</td><td>45,0 %</td><td>43,5 %</td></tr><tr><td>Vignes</td><td>65,8 %</td><td>66,7 %</td><td>67,8 %</td><td>60,8 %</td></tr><tr><td><strong>Prairies permanentes</strong></td><td><strong>14,0 %</strong></td><td><strong>13,8 %</strong></td><td><strong>12,9 %</strong></td><td><strong>11,8 %</strong></td></tr><tr><td>Estives / Landes</td><td>41,7 %</td><td>40,0 %</td><td>31,9 %</td><td>30,5 %</td></tr><tr><td>Surfaces toujours en herbe</td><td>4,7 %</td><td>5,1 %</td><td>6,5 %</td><td>5,5 %</td></tr><tr><td><strong>Total :</strong></td><td><strong>3,2 %</strong></td><td><strong>3,1 %</strong></td><td><strong>2,6 %</strong></td><td><strong>2,1 %</strong></td></tr><tr><td>SAU des exploitations vs RPG</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>SAU totale vs RPG</td><td><strong>9,7 %</strong></td><td><strong>9,5 %</strong></td><td><strong>8,9 %</strong></td><td><strong>8,5 %</strong></td></tr></tbody></table>

<footnote n="7">7 Soit : groupe culture (gc) 1 Blé tendre, gc2 Maïs grain et ensilage, gc3 Orge, gc4 Autres céréales, gc5 Colza, gc6 Tournesol, gc7 Autres oléagineux, gc8 Protéagineux, gc9 Plantes à fibres, gc10 Semences, gc11 Gel (surfaces gelées sans production), gc12 Gel industriel, gc13 Autres Gels, gc14 Riz, gc15 Légumeuses à grains, gc16 Fourrage, gc17 Estives Landes, gc18 Prairies permanentes, gc19 Prairies temporaires, gc20 Vergers, gc21 Vignes, gc22 Fruits à coque, gc23 Oliviers, gc24 Autres cultures industrielles, gc25 Légumes-fleurs, gc26 Canne à sucre, gc27 Arboriculture, gc28 Divers.</footnote>

<footnote n="8">8 Agreste : organisme public d'études et de statistiques sur l'agriculture, la forêt, les industries agroalimentaires, l'occupation du territoire, les équipements et l'environnement en zone rurale (service de la statistique et de la prospective du ministère de l'Agriculture, de l'Agroalimentaire et de la Forêt).</footnote>

<footnote n="9">9 Exemple pour la campagne 2009 : RPG SAU : 26 792 000 ha. SAA SAU des exploitations : 27 530 1000 ha et SAA SAU totale : 29 407 000 ha. La SAU totale comprend la SAU des exploitations plus les surfaces en herbes non rattachées aux exploitations plus les jardins et autres cultures individuelles, familiales.</footnote>
# Disponibilité du RPG à l'US-ODR

La version de base du RPG, dénommée version v0, est donc disponible pour les campagnes 2006 à 2012 (à la date d'écriture de cet article, soit avril 2014). Deux autres versions (v1 et v2) peuvent être mises à disposition par l'US-ODR. Les demandes s'effectuent sur le site de l'Unité (https://odr.supagro.inra.fr/<fnref n="10" />).

## ✓ Version de base (v0)

Pour cette version de base, l'ODR peut fournir soit les fichiers de données géographiques (polygones et données attributaires associées) tels que fournis par l'ASP, soit des tableaux statistiques de données agrégées (tels que fréquemment utilisés par exemple en économie et en sciences sociales) à un niveau administratif usuel (communes, cantons, départements, etc.), ou encore agrégées au niveau des exploitations<fnref n="11" />.

## ✓ Version complétée par les mesures agro-environnementales (v1)

Outre la version de base, l'US-ODR complète le RPG avec d'autres données géographiques relatives à l'agriculture en France, notamment les mesures agro-environnementales (MAE<fnref n="12" />) issues du Règlement de développement rural (2ᵉ pilier PAC, Règlement de développement rural 2007-2013, axe 2, mesures 214). Ces données, fournies par l'ASP et le MAAF<fnref n="13" />, sous la forme de données géographiques parcellaires proviennent également des déclarations des exploitants agricoles qui contractualisent ces MAE, c'est un « extrait » du RPG. Les parcelles MAE correspondent ainsi soit à des îlots soit à des parties d'îlots (Figure 3). Superposées et croisées avec le RPG, ces parcelles apportent une nouvelle information attributaire aux îlots du RPG (i.e. la part de la surface des îlots engagée dans une MAE, i.e. la surface dédiée à des pratiques agricoles respectueuses de l'environnement). En outre, grâce à cette information complémentaire, certains îlots peuvent être découpés et les éventuels différents groupes de culture présents sur ces îlots peuvent être mieux localisés (les îlots sont transformés en parcelles accueillant une culture unique).

<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>Figure 3. Extrait de la BD-Ortho® et superposition des îlots RPG et des parcelles MAE (campagne 2010, données MAE modifiées).</figcaption></figure>

De par le caractère confidentiel des données parcellaires relatives aux MAE, la version v1 n'est diffusable que sous la forme de données attributaires agrégées, pour des études ou projets bien déterminés, avec mention au comité de pilotage de l'US-ODR. La diffusion de cette couche n'entre pas dans la convention INRA/ASP, elle relève d'accords spécifiques ou de travaux en collaboration avec l'US-ODR.

<footnote n="10">10 Sur le site ODR « portail des utilisateurs des données du registre parcellaire graphique » : rubrique Réseau Recherche / RPG.</footnote>

<footnote n="11">11 Cependant, à partir de la campagne 2010, les exploitations sont anonimysées par un identifiant qui contient le numéro du département qui accueille ces îlots. Lorsqu'une exploitation possède des îlots dans plusieurs départements, celle-ci sera donc codée par plusieurs identifiants ; un dans chaque département. Il est donc impossible de construire des tables par exploitation correctes (sans doubles comptes) au-delà du niveau départemental.</footnote>

<footnote n="12">12 Les mesures agroenvironnementales (MAE) sont des outils issus du Règlement européen de développement rural pour la période 2007-2013 (RDR2), outils développés au niveau national dans le Programme de développement rural hexagonal (PDRH). Cofinancées par le Fonds européen agricole pour le Développement rural (FEADER, Union européenne) et une contrepartie nationale, issue du budget de l'Etat ou de collectivités, les MAE rémunèrent des agriculteurs qui s'engagent à respecter pendant 5 ans des pratiques agroenvironnementales en compensant financièrement les surcoûts et manques à gagner liés à la mise en place de telles pratiques.</footnote>

<footnote n="13">13 Direction générale des politiques agricole, agroalimentaire et des territoires, Service de la production agricole – Sous-direction des entreprises agricoles, Bureau des actions territoriales et agroenvironnementale (BATA).</footnote>
## ✓ Version enrichie par d'autres données géographiques d'occupation du sol (v2)

Enfin, l'US-ODR enrichit le RPG avec d'autres informations géographiques relatives à la couverture des sols, notamment hors espace agricole, telles que les routes, les surfaces en eau, etc. (disponibles grâce à la BD Topo® de l'IGN) ou encore des éléments de végétation, éléments forestiers (BD Forêt® de l'IGN<fnref n="14" />). Ces couches d'informations géographiques sont disponibles grâce au référentiel à grande échelle (RGE®) de l'IGN. Le RGE est constitué de cinq composantes dont le référentiel ortho-photographique (BD Ortho®) et le référentiel topographique (BD Topo®). Voir à ce sujet Bernier et al., 2014. Le mode de construction du RPG, digitalisation sur ortho-photographies de la BD Ortho®, lui confère une compatibilité avec l'ensemble des données du RGE® (notamment une précision spatiale équivalente). Ces informations permettent d'établir une couverture du sol hors RPG et hors surfaces agricoles non présentes dans le RPG.

Pour assurer une couverture exhaustive du sol, il est nécessaire également de renseigner les surfaces agricoles absentes du RPG et non couvertes par le RGE. Une solution est d'utiliser une carte exhaustive telle que la base de données géographique CORINE Land Cover (CLC), inventaire biophysique de l'occupation des terres en Europe<fnref n="15" />. CLC catégorise l'occupation du sol selon une nomenclature en 44 postes, mais les catégories dédiées aux territoires agricoles sont peu détaillées : terres arables, cultures permanentes (avec distinction vignobles et cultures fruitières), prairies et enfin zones agricoles hétérogènes. Comme vu précédemment cependant, les surfaces absentes du RPG concernent principalement les cultures permanentes. Même si la précision et la résolution spatiale sont moindres que celles que RPG, l'utilisation de CLC pour renseigner ces surfaces manquantes apparaît comme la solution actuelle la plus adaptée.

Cependant, ces différences de précision et de résolution spatiale génèrent des problèmes techniques d'intégration. Nous savons par exemple qu'une zone classifiée par CLC comme accueillant de la vigne (code 2.2.1) n'est pas en réalité à 100 % couverte par cette culture, mais contient vraisemblablement d'autres éléments (tels que des éléments artificialisées : bâtiment, chemin, haies, etc. ; forestiers, de surface en eau : mares, réservoirs ; etc.), ceci soit parce que leur superficie est inférieure à 25 ha, unité cartographique de la carte CLC, soit parce que provenant d'erreurs thématiques de la carte CLC : erreurs d'interprétation, changements depuis la date de création de CLC, etc.

Les surfaces dédiées à ces activités agricoles sont donc localisées grâce à CLC ; la composition exacte de ces surfaces est estimée grâce à un algorithme de répartition (non détaillé dans cet article) qui assure de retrouver les surfaces références (SAU totale) fournies par les données de la SAA au niveau départemental<fnref n="16" />.

De par le caractère non public du RGE, la diffusion de cette couche v2 n'entre pas dans la convention INRA/ASP et elle s'effectue à travers des travaux spécifiques en collaboration avec l'US-ODR. Les informations issues de la version v1 peuvent être reportées sur cette version v2.

<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>Figure 4. Superposition des îlots RPG, de différentes couches de la BD Topo® et de la carte CORINE Land Cover.</figcaption></figure>

<footnote n="14">14 Les informations de la BD Forêt® (version 2, voir IGN, 2011), depuis la fusion de l'IGN et de l'inventaire forestier national (IFN) sont incorporées peu à peu à la couche Végétation de la BD Topo® ; laquelle passe de monothématique (1 classe unique « zone arborée ») à multithématique pour décrire les espaces forestiers et semi-naturels grâce à différentes classes telles que forêt fermée de feuillus, de conifères, forêt ouverte, bois, haies, etc. C'est cette couche végétation de la BD Topo® qui est utilisée pour être superposée avec le RPG.</footnote>

<footnote n="15">15 Produite, dans le cadre du programme européen de COoRdination de l'INformation sur l'Environnement CORINE, par le Service de l'observation et des statistiques du commissariat général au développement durable du ministère de l'Ecologie, du Développement durable et de l'Energie pour la partie française pour le compte de l'Agence européenne de l'environnement (EEA). CLC est issue de l'interprétation visuelle d'images satellitaires, avec des données complémentaires d'appui. L'échelle de production est le 1/100 000. L'année de production de la dernière version de CLC est 2006.</footnote>

<footnote n="16">16 Il est à noter que les informations fournies par CLC ou par la BD-Topo® sont pluriannuelles, à la différence du RPG, et les catégories d'occupation du sol provenant de ces bases seront considérées comme stables dans le temps (sur une dizaine d'années).</footnote>
## Conclusions et perspectives

Le RPG est une source d'informations sur la couverture du sol agricole, de grande qualité, annuelle, permettant des études très localisées aussi bien que des analyses à grande échelle à partir de données homogènes sur le territoire. L'US ODR assure sa distribution auprès du personnel INRA et de ses partenaires, proposant trois versions différentes des données initiales fournies par l'ASP. Les versions v0 et v1 sont disponibles pour l'ensemble des campagnes : de 2006 (pour v0, 2007 pour v1) à 2012. La version v2 est en cours d'élaboration.

Un traitement dédié du RPG, réalisé par l'UMR AGIR (agroécologie-innovations-territoires, INRA Toulouse) a permis la reconstitution de séquences de culture au sein des parcelles des îlots du RPG (sur une durée de 5 ans entre 2006 et 2010, et bientôt sur 7 ans). Des indicateurs agro-environnementaux, permettant d'évaluer la diversité des assolements ou la qualité des séquences de cultures, ont été quantifiés à différents niveaux d'organisation (exploitation, territoire,...). Ces données ont également permis de conduire une analyse du niveau de diversification des cultures au sein des exploitations françaises au regard des critères de paiements directs de la future PAC (Conditionnalité PAC 2014, voir Fuzeau et al., 2012).

Les données du RPG ont également été mobilisées pour analyser l'évolution des prairies permanentes, suite à l'obligation faite par la Commission européenne aux États-membres de veiller au maintien des pâturages permanents (prairies permanentes, estives, landes) via des dispositifs politiques et financiers (Faïq et al., 2013).

Enfin, le fait que le RPG soit un ensemble de données géographiques autorise sa superposition et son croisement avec n'importe quel zonage (local ou global) ou données disponibles sous forme de données SIG. Ceci ouvre une multitude d'applications pour l'utilisation du RPG dans de nombreux domaines de recherche de l'Institut.

## Références bibliographiques

* Agreste (2013), *GraphAgri France 2013*, http://agreste.agriculture.gouv.fr/publications/graphagri/article/graphagri-france-2013

* ASP (2011) Mise à disposition du registre parcellaire graphique anonyme. http://www.asp-public.fr/?q=node/856

* ASP (2011-b) Données anonymisées attachées aux surfaces objet des aides du 1er pilier (dont le registre parcellaire graphique) : contenu, format et modalités de livraison, métadonnées. http://www.asp-public.fr/sites/default/files/fichiers attaches/asp_commun/dirap/structure_detaillee_donnees_rpg.pdf

* Bernier S, Duthoit S, Ladet S, Baudet D (2014) Les concepts de base des systèmes d'information géographiques (SIG) : les données et les fonctions générales. *Le Cahier des Techniques de l'INRA*, N° spécial GéoExpé, pp. 19-26.

* Faïq C, Fuzeau V, Cahuzac E, Allaire G, Bortzmeyer M, Therond O (2013) *Les prairies permanentes : évolution des surfaces en France - Analyse à travers le registre parcellaire graphique*, Collection « Études et Documents » du Commissariat général au développement durable, n° 96, 18 p.

* Fuzeau V, Dubois G, Therond O, Allaire G (2012) *Diversification des cultures dans l'agriculture française ; état des lieux et dispositifs d'accompagnement*. Collection « Études et Documents » du Commissariat général au développement durable, n° 67, 22 p.

* IGN (2011) BD-Topo, version 2.1, Descriptif de contenu. http://pro.ign.fr/sites/default/files/DC_BDTOPO_2_1.pdf.

* Kay S, Milenov P (2007) Status of the Implementation of LPIS in the EU Member States in *Proceedings of the 12th MARS PAC Annual Conference, "Geographical Information in support of the Common Agricultural Policy"*, Toulouse, 2006, EUR 2160 EN, p. 41-48.

* Petitjean A, de Laroche E (2007) L'utilisation des données géographiques en France pour le SIGC. *In Proceedings of the 12th MARS PAC Annual Conference, "Geographical Information in support of the Common Agricultural Policy"*, Toulouse, 2006, EUR 2160 EN, p. 57-61.
# Calcul et gestion par SIG des surfaces épandables

Priscilla Note<fnref n="1" />

**Résumé.** L'objectif de cet article est de montrer par l'exemple les potentialités d'un logiciel SIG (système d'information géographique) tel que QGIS (quantum geographic information system). Les Unités expérimentales orientées élevage sont soumises à une réglementation précise concernant l'épandage des effluents organiques mais aussi à des contraintes naturelles. Les différentes fonctionnalités de QGIS nous permettent de calculer ces surfaces potentiellement épandables en prenant en compte l'ensemble de ces contraintes. Des cartographies thématiques peuvent ainsi être réalisées pour l'illustration de documents, les données géographiques finales des zones épandables peuvent être intégrées à des GPS (global positioning system) embarqués dans les tracteurs et permettre ainsi l'épandage sur les surfaces « éligibles » tout en respectant les bonnes distances aux éléments sensibles du paysage. Cet article n'expose qu'une partie des fonctionnalités du logiciel SIG. Il existe une large gamme d'outils de géotraitement qui peuvent répondre à de nombreux objectifs de recherche comme de terrain.

**Mots clés** : SIG, QGIS, données géographiques, surfaces épandables

## Introduction

Cet article a pour objectif de présenter quelques fonctionnalités des SIG (systèmes d'information géographique) directement utilisables dans le cadre de la gestion d'une Unité expérimentale (UE) orientée élevage. Pour cela, nous nous intéresserons aux calculs des surfaces éligibles à l'épandage des effluents organiques sur prairies. Ces dernières sont soumises à des contraintes réglementaires mais aussi naturelles qui peuvent restreindre leur utilisation. Par exemple, selon les règles administratives (Arrêté du 7 février 2005), nous ne pouvons pas épandre de lisier à moins de 100 m des habitations et à moins de 35 m des cours d'eau. Les contraintes du relief (forte pente) et de la topographie (pierrosité, zone humide, ...) peuvent empêcher le passage de tracteurs attelés à une tonne à lisier. Concrètement il ne nous suffit plus de connaître simplement la surface totale de la parcelle mais il nous faut des données intraparcellaires pour gérer au mieux ces épandages dans le respect de la réglementation mais aussi garder une traçabilité des pratiques à des fins expérimentales.

Nous verrons qu'un logiciel SIG, tel que QGIS (quantum geographic information system) en accès libre, nous permet de calculer et de visualiser ces surfaces épandables. Cet article n'a pas vocation à être un tutorial. Il existe une large documentation sur l'utilisation des SIG disponible sur Internet (site de QGIS, SIGEA – systèmes d'information géographique pour l'enseignement agricole, ...) ainsi que de nombreux forums qui permettent de résoudre certains blocages (GeoRezo, Forumsig, ...).

## Données et outils disponibles

Une large gamme de données est disponible grâce au protocole passé entre les ministères de l'Ecologie, du Développement et de l'Aménagement durables (MEDAD), de l'Agriculture et de la Pêche (MAP), et l'Institut géographique national (IGN). Ainsi en tant qu'agents INRA (Institut national de la recherche agronomique), nous pouvons bénéficier sur toute la France de la BD ORTHO® (photographies aériennes orthorectifiées), de la BD SCAN® (cartes IGN au 1:25000 géoréférencées) et de la BD PARCELLAIRE® (cadastre numérisé ou scanné, et géoréférencé). Eventuellement, les parcelles ou groupes de parcelles de l'UE peuvent être téléchargés à partir du site TelePAC (www.telepac.agriculture.gouv.fr) des téléservices des aides PAC (politique agricole commune). Côté outils, un GPS (global positioning system) d'arpentage peut être utile pour pouvoir saisir directement sur le terrain les limites parcellaires du domaine et suivre leurs évolutions. Une alternative à l'utilisation du GPS est de numériser ces limites à partir d'un SIG via la BD ORTHO® cependant il sera toujours nécessaire de mettre à jour les données au fur et à mesure des modifications parcellaires. Or les campagnes de photographies aériennes sont tous les 5 ans (bientôt tous les 3 ans) et ne sont disponibles qu'un an après. En terme de logiciel SIG, deux familles existent :

<footnote n="1">1 INRA, UE1296 des Monts d'Auvergne, F-63820 Laqueuille, France ; priscilla nota@clermont.inra.fr</footnote>
les propriétaires et les libres. Dans chacune des catégories, les deux SIG les plus courants sont respectivement ArcGIS d'Esri (payant) et QGIS (gratuit). Dans cet article, nous resterons sur QGIS version 1.8.0 (sachant que la version 2.0.1 est sortie depuis l'automne 2013 et est téléchargeable sur leur site).

# Les différentes étapes sous QGIS pour aboutir à la donnée souhaitée

## Affichage des données et systèmes de projection

Tout d'abord, à partir de l'icône , nous allons ouvrir la couche vectorielle représentant les parcelles, Parcellaire.shp (le format shapefile, .shp, a été créé par Esri puis repris largement par les autres logiciels SIG). La première étape importante est de vérifier que cette couche, Parcellaire.shp, soit lue dans son bon système de projection : en cliquant droit sur son nom, dans le menu contextuel, on sélectionne « Définir le SCR (système de coordonnées de référence) d'une couche » (Figure 1). Une boîte de dialogue s'ouvre dans laquelle, on choisit le bon système, ici il s'agit du Lambert 93 (système officiel pour les données sur le territoire français). Ensuite il faut définir le système de projection dans lequel on veut travailler l'ensemble des données : en cliquant sur l'icône , on définit ainsi le SCR de l'ensemble du projet. En cochant la case « Activer la projection à la volée », cela permet de superposer l'ensemble des couches ouvertes dans le projet et qui n'ont pas forcément le même SCR. Cette étape qui paraît anodine, est primordiale surtout lorsqu'il s'agit de calculer des surfaces !

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>Figure 1. Affichage d'une couche vectorielle Parcellaire.shp et définition du système de projection de la couche et du projet.</figcaption></figure>

## Jointure de table et modification de l'aspect de la donnée

La donnée géographique est liée à une table dite attributaire qui contient toutes les informations que l'on souhaite renseigner sur nos entités géographiques, ici nos polygones mais cela peut être des lignes ou des points. Chaque ligne de la table correspond à une entité. Ainsi la table de la couche Parcellaire.shp contient un numéro unique pour chaque parcelle [LaqPrairie] et sa surface [AREA]. Mais il nous manque les noms des parcelles qui sont contenus dans un fichier du tableur Excel® Nom_Parcelle.xls. QGIS nous permet d'ajouter les données de ce fichier dans la table attributaire de notre couche à partir d'un champ commun entre les deux tables (Figure 2) : l'identifiant des parcelles. D'autres types de jointures existent telles que les jointures spatiales pour transférer des données entre deux couches qui se superposent.
<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>**Figure 2.** Ajout d'une table « Nom_Parcelle » à la table attributaire de la couche Parcellaire.shp (onglet « Jointure » de la fenêtre « Propriété de la couche » accessible en cliquant droit sur la couche).</figcaption></figure>

Dans l'onglet « Style » de la fenêtre « Propriétés de la couche » (Figure 3), on peut changer l'apparence en modifiant la couleur du remplissage et/ou du trait, la transparence, ... Une légende peut être appliquée selon un champ de la table attributaire par exemple un dégradé de couleur selon la surface de la parcelle. L'onglet « Etiquettes » permet d'appliquer des étiquettes sur la carte selon le champ par exemple [NOM_PAR].

<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>**Figure 3.** Modification des propriétés de style de la couche.</figcaption></figure>

## Numérisation et création de zones tampons : cours d'eau et habitation

L'objectif est ici de créer de la donnée géographique que nous ne possédons pas, par exemple les cours d'eau et les habitations présents dans l'environnement de nos parcelles. Pour cela, nous allons numériser ces lignes et polygones à partir d'un fond cartographique qui possède ces informations : le SCAN 25® de l'IGN. L'icône 📉 nous permet d'ouvrir cette donnée qui est du type raster et se présente sous forme de dalles de 10*10 km² (pour notre zone : F063_061.tif et F063_060.tif). De la même façon, il faut définir le SCR de ces dalles pour pouvoir superposer les couches. Ensuite, l'icône 📉 nous permet de créer une nouvelle couche soit de type point, ligne ou polygone.

<figure><img src="image_54.png" /></figure>
Pour les rivières, nous prenons le type ligne (riv.shp) et pour les habitations, le type polygone (hab.shp). Ensuite, il faut mettre les couches en mode édition qui permet de les modifier (icône 📉) et la numérisation peut commencer (Figure 4). Il s'agit de « décalquer » le cours d'eau en suivant son tracé sur la couche raster.

<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>Figure 4. Création de deux nouvelles couches riv.shp (à gauche) et hab.shp (à droite) puis numérisation des entités géographiques (⊕) à partir du fond cartographique SCAN25® de l'IGN.</figcaption></figure>

Une fois que ces entités sont créées par numérisation et que l'icône 📉 est désactivée, il nous suffit de générer autour de celles-ci des zones tampon sur lesquelles l'épandage n'est pas autorisé en allant dans le menu « Vecteur » puis « Outils de géotraitement » et enfin « Tampon(s) » (Figure 5).

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>Figure 5. Création d'une zone tampon de 35 m et de 100 m respectivement autour des cours d'eau et des habitations (fond cartographique SCAN25® de l'IGN).</figcaption></figure>

## Géoréférencement d'images : les périmètres de captage

Le cadastre numérisé et géoréférencé de l'IGN ne tenait pas encore compte en 2008 des périmètres de captage d'eau de consommation récemment établis dans le secteur. Il a donc fallu scanner et géoréférencer les plans papiers des géomètres à l'aide de l'outil « Géoréférencer » de QGIS (icône 📉) en créant des points d'attache (= points de contrôle) entre le cadastre numérique (à gauche, **Figure 6**) et le plan scanné (à droite, **Figure 6**). Le
nouveau plan créé et recalé correctement par rapport à nos parcelles, reste une image et ne peut être exploité comme tel, il faut commencer un travail de numérisation en créant une couche de polygones pour représenter les périmètres de captage (capt.shp).

<figure><img src="image_57.png" /><figcaption>Figure 6. Géoréférencement d'un plan scanné Page0001.jpg (à droite) à partir de repères pris sur le cadastre de la BD PARCELLAIRE® de l'IGN (à gauche).</figcaption></figure>

## Union de l'ensemble des données créées pour obtenir les surfaces épandables

Nous avons alors plusieurs couches vectorielles de polygones : les parcelles (Parcellaire.shp), les zones tampons autour des cours d'eau (tamp_riv.shp) et des habitations (tamp_hab.shp), les périmètres de captage (capt.shp). Et enfin pour obtenir l'information sur le caractère mécanisable des parcelles (pente, pierrosité, humidité, ...), nous avons fait appel aux experts terrains et avons directement numérisé l'information sur la couche Parcellaire.shp en découplant nos polygones ( → A) et en rajoutant un champ (B) dans la table attributaire [MecaLo] = oui / non. A partir de l'outil « Union » dans le menu « Vecteur » puis « Outils de géotraitement », nous pouvons unir toutes ces couches en une seule (SurfaceEpandable.shp) ce qui permet d'obtenir des polygones qui sont oui ou non épandables, qui ne correspondent plus aux limites de parcelles mais gardent toujours l'identifiant des parcelles (Figure 7). La table attributaire de SurfaceEpandable.shp, après calcul de la surface des nouvelles entités créées ( → [Surface] = $area / 10 000), peut ensuite être exportée sous Excel® pour la retravailler à l'aide d'un tableau croisé dynamique et obtenir pour chacune de nos parcelles, les surfaces épandables.

<figure><img src="image_58.png" /><figcaption>Figure 7. Carte des surfaces épandables (fond IGN SCAN25®) suite à la prise en compte de l'ensemble des contraintes et extraction des données de la table attributaire pour les retravailler sous Excel®.</figcaption></figure>
## Perspectives et conclusion

Suite à la création de cette donnée cartographique, il peut être envisagé d'extraire les polygones représentant les surfaces éwandables et d'intégrer cette information dans un GPS embarqué sur le tracteur afin de déclencher l'épandage au bon endroit en respectant les limites réglementaires qui ne sont pas toujours visibles ou matérialisées sur le terrain.

Il existe bien d'autres fonctionnalités des logiciels SIG qui peuvent être exploitées au sein des UE et des UR (Unités de recherches) pour la gestion ou la recherche telles que le calcul de pente à partir d'un modèle numérique de terrain ou encore la géostatistique pour extrapoler sur une surface continue des données échantillonnées. Le lien possible entre les SIG et les systèmes de gestion de base de données (SGBD) tels qu'entre QGIS et PostgreSQL/PostGIS est un atout des plus intéressants pour, à terme, enregistrer et gérer l'ensemble des données concernant les pratiques agricoles d'une UE.

## Références bibliographiques

Ministère de l'Ecologie et du Développement durable. Arrêté du 7 février 2008 fixant les règles techniques auxquelles doivent satisfaire les élevages de bovins, de volailles et/ou de gibier à plumes et de porcs soumis à autorisation au titre du livre V du code de l'environnement, [en ligne]. http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do; jsessionid=505B9F42FB183F0CBEA34DBF4DF84308.tpdjo12v_3?cidTexte=JORFTEXT000000258961&dateTe xte=20131114 [consulté le 14 novembre 2013]

QGIS. QGIS, Système d'Information Géographique Libre et Open Source, 10 novembre 2013 [en ligne]. http:// www.qgis.org/fr/site/ [consulté le 14 novembre 2013]

QGIS. Manuel d'utilisation de QGIS, 16 novembre 2013 [en ligne]. http://www.qgis.org/fr/docs/user_manual/index.html [consulté le 14 novembre 2013]

Sigea. Fiche d'aide à l'utilisation de QuantumGIS (QGIS), novembre 2013 [en ligne]. http://sigea.educagri.fr/ ressources-pedagogiques/utilisation-des-logiciels/tutoriels-de-logiciels-gratuits/tutoriels-qgis.html [consulté le 14 novembre 2013]

GeoRezo. Georezo, Le portail francophone de la géomatique, [en ligne]. http://georezo.net/forum/ [consulté le 14 novembre 2013]

forumSIG. forumSIG, Système d'Information Géographique et Géomatique, [en ligne]. http://www.forumsig.org/forum.php [consulté le 14 novembre 2013]

Ministère de l'Ecologie, du Développement et de l'Aménagement durables, ministère de l'Agriculture et de la Pêche, Institut Géographique National. Protocole MEDAD – MAP – IGN, 24 juillet 2007.
# SIGMA, un websig sur mesure de gestion des données des expérimentations-système

Julien Ancelin<fnref n="1" />, Olivier Schmit<fnref n="1" />

**Résumé.** La cartographie, à l'image d'autres activités de service, n'a pas échappé au développement de l'Internet. L'accès à l'information géographique s'est depuis peu largement démocratisé, propulsant la cartographie sur le Web comme une tendance incontournable. Webmapping et websig sont synonymes de cartographie dynamique où l'utilisateur interagit avec différentes applications via Internet. Au sein de l'INRA (Institut national de la recherche agronomique), ces outils se développent et il devient possible, au champ comme au bureau, d'accéder aux données expérimentales en ligne. SIGMA (système d'Information géographique en marais) est un outil Web collaboratif pour la saisie et la gestion de données spatialisées. Conçu pour l'expérimentation-système (ES) nommée Transi'marsh<fnref n="2" /> de l'Unité expérimentale de Saint Laurent de la Prée (INRA), il centralise et pré-analyse automatiquement les données sous forme de graphiques et de cartes dynamiques et sert d'appui à la production d'analyses multicritères. Élaboré avec des outils Open Source adaptables aux besoins de chaque dispositif expérimental, SIGMA a pour vocation de mieux maîtriser la chaîne d'acquisition et de valorisation des données. Il est en passe d'être utilisé par d'autres expérimentations-système de l'INRA.

**Mots clés** : webmapping, websig, expérimentation-système, système d'Information géographique

## Introduction

L'accès à l'information spatiale s'est récemment démocratisé ; auparavant, l'outil cartographique était limité aux intérêts des États, d'entreprises et d'organismes spécialisés et nécessitait des compétences et des moyens la rendant inaccessible au plus grand nombre. Aujourd'hui, les données cartographiques et la géolocalisation sont accessibles grâce aux navigateurs web et aux GPS (global positioning system) qui équipent désormais la majorité des terminaux portables de communications (e.g. smartphone). De nombreux services web cartographiques sont apparus, mettant à disposition des cartes et images de référence (réseau routiers, images satellite et aériennes). Ces services sont appuyés par des organisations (OGC<fnref n="3" /> et OSGeo<fnref n="4" />) qui ont un rôle de normalisation mais aussi par les États et les collectivités territoriales qui fixent le cadre légal et donnent accès aux données publiques (géoportails nationaux et régionaux, CNIG<fnref n="5" /> et directive Inspire). Les outils de cartographie en ligne offrent de plus en plus de possibilités d'animation et d'interaction pour l'internaute. Les formats sont devenus interopérables, de sorte que les données peuvent être partagées, échangées et modifiées par différents groupes ou organisations.

L'évolution des technologies de l'information est une opportunité dont il faut se saisir à l'INRA et plus particulièrement pour le développement des expérimentations-système en agro-écologie (Durant et Kernéïs, 2010) dans les Unités et Installations expérimentales. En effet, ces dispositifs sont caractérisés par la collecte importante de données disparates (Trommenschlager et al., 2010). Or, les systèmes d'Informations existants au sein de l'Institut sont segmentés par champs scientifiques (végétal/animal, e.g. Agrosyst, logiciels Isagri®, Margau) et se sont révélés peu adaptés pour traiter nos données pluridisciplinaires spatialisées, que ce soit i) des données issues des relevés et/ou mesures de terrain et destinées à construire une série d'indicateurs agro-environnementaux qui sont souvent spécifiques à chaque dispositif, ou ii) des données externes, issues de référentiels communs. A ces données biotechniques s'ajoutent des données d'ordre qualitatif issues des choix techniques et opérationnels relevant de règles de décisions fixées au préalable, mais aussi de choix subjectifs relevant de l'expertise des opérateurs.

Pour répondre à ces besoins, les informaticiens de l'Unité expérimentale de Saint Laurent de la Prée ont construit SIGMA, un web SIG (Bouquet, 2013) spécifique et adapté aux contraintes de notre expérimentation-système mais qui s'appuie sur des outils utilisés au sein de l'Institut : fiabilité et durabilité pour la gestion des données (PostGreSQL/PostGis/SQLite), souplesse et rapidité d'adaptation pour l'interfaçage (Wavemaker/LizMap), autonomie et portabilité pour la saisie au champ (FieldBook®/Android®).

<footnote n="1">1 INRA, UE 0057DSLP, F-17450 St Laurent de la Prée, France ; olivier.schmit@stlaurent.lusignan.inra.fr</footnote>

<footnote n="2">2 Transi'marsh : transition agro-écologique en marais – Concevoir et évaluer un système agricole en marais, autonome et favorable à la biodiversité</footnote>

<footnote n="3">3 OGC : Open geospatial consortium</footnote>

<footnote n="4">4 OSGeo : Open source geospatial foundation</footnote>

<footnote n="5">5 CNIG : Conseil national de l'information géographique</footnote>
Depuis peu, la valorisation de cette "suite logicielle" a été engagée dans le cadre du Cati-Action<fnref n="6" /> dont un des rôles est de mutualiser et de développer des méthodes, techniques et outils informatiques centrés sur l'analyse des systèmes socio-écologiques et des systèmes socio-techniques.

# Matériel et Méthode

## Webmapping vs websig ?

Les solutions de cartographie et de SIG<fnref n="7" /> en ligne ont fait leur apparition depuis une dizaine d'années. Toutefois, elles ne sont entrées en concurrence avec les solutions logicielles sur poste de travail que relativement récemment. L'offre en ligne n'est donc pas encore aussi diversifiée et reste relativement complexe à mettre en œuvre de manière autonome.

Par webmapping, on entend la diffusion par le biais d'un site web de données cartographiques. Une application de webmapping permet *a minima* de représenter à la demande des données géographiques (choix des couches, choix de l'emprise géographique) et d'afficher la carte dans un navigateur. Elle permet d'effectuer des mesures géométriques sur les objets cartographiés, d'interroger les données et d'imprimer des cartes.

Le websig est similaire au webmapping mais offrant un panel de possibilités plus complet tel que la saisie et la modification de données et le traitement de géodonnées. Ainsi, un utilisateur peut produire de manière autonome des cartographies basées sur les données qu'il vient de saisir et éditer des cartes qu'il crée à partir de requêtes prédéfinies.

## Architecture Web

Ces solutions Web ont reposé dans un premier temps sur des architectures client-serveur classiques puis depuis récemment sur des architectures orientées services. Elles ont permis de mettre le SIG à la portée d'une communauté large d'utilisateurs et pour certaines d'entre elles à la portée du grand public. Par nature, le Web permet l'acheminement d'un document hypertexte qui peut contenir des images mais aussi des cartes. Le client est un navigateur capable d'interpréter du code HTML<fnref n="8" /> et le serveur est une machine qui stocke des documents et à la fois exécute des programmes qui renvoient les documents au client.

<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>Figure 1. Architecture client/serveur.</figcaption></figure>

En cartographie dynamique, le document est produit à la demande en fonction de critères fixés par le client ; dans ce cas, le client accède à un programme distant chargé de générer le document et de le renvoyer. Cette apparente simplicité cache une architecture logicielle multi-couches ainsi qu'une diversité de solutions techniques possibles (Jégou, 2013). La **Figure 2** montre les principaux éléments d'une architecture Web orientée service spécialisée en information géographique (également appelée IDS<fnref n="9" />) et liste les principaux logiciels et applications du marché.

<footnote n="6">6 Le Cati-Action est le centre automatisé de traitement de l'information portant sur Acteurs, Changements Techniques, Informatique et Outils Numériques. Il est piloté par le Département SAD (Département Sciences pour l'action et le développement) de l'INRA. Pour en savoir plus, consultez : https://intranet6.inra.fr/sad/Catis/Le-Cati-Action</footnote>

<footnote n="7">7 SIG : système d'information géographique</footnote>

<footnote n="8">8 Hyper text markup language : format de données conçu pour représenter les pages Web</footnote>

<footnote n="9">9 IDS : infrastructure de données spatialisées</footnote>
<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>Figure 2. Architecture orientée service-exemple d'une infrastructure de données spatialisées.</figcaption></figure>

## Géolocalisation et transfert de données au champ

Les technologies actuelles de géolocalisation (cf. Lahaye et Ladet, 2014 article sur GPS - SBAS<fnref n="10" />) et de transmission de données (3G & 4G, WiMAX) permettent d'envoyer la position géographique d'un objet (e.g. un véhicule, un animal, ...) en temps réel sur un serveur, ainsi qu'un certain nombre d'informations annexes également communiquées par des capteurs terrain (identifiant de l'objet, nature, date et heure,...). Les données reçues par le serveur sont qualifiées et archivées. Elles peuvent être stockées directement dans des formats vectoriels de type XML<fnref n="11" /> ou JSON<fnref n="12" />, prétraitées et converties en images, ou encore, et c'est le cas le plus fréquent, insérées dans une base de données spatiales (e.g. PostGis). L'opération d'écriture étant très brève, elles peuvent, en quasi temps réel, être diffusées vers des clients (Figure 3) à l'aide des solutions de transmission de données évoquées ci-dessus.

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>Figure 3. Accès au websig SIGMA via 3G+ sur un smartphone.
© Julien Ancelin - INRA</figcaption></figure>

<footnote n="10">10 SBAS: satellite-based augmentation system</footnote>

<footnote n="11">11 XML: extensible markup language</footnote>

<footnote n="12">12 JSON: JavaScript object notation</footnote>