L’INGÉNIERIE DES ÉCOSYSTÈMES

Les mesures

Comment mesurer scientifiquement un jardin ?

On ne peut pas piloter correctement un écosystème que l’on ne mesure pas.

Observer permet de formuler des hypothèses.
Mesurer permet de les tester.
Répéter permet de détecter des tendances.
Modéliser permet de comprendre.
Comparer permet de décider.

Dans la Vision Omakëya™, la mesure constitue donc le passage entre le diagnostic qualitatif et l’ingénierie quantitative.

Un jardin devient alors un véritable site expérimental instrumenté.

I. POURQUOI MESURER UN JARDIN ?

Un jardin est soumis simultanément à des dizaines de variables.

La température varie :

selon l’heure ;
la saison ;
l’altitude ;
l’ombre ;
le vent ;
l’humidité ;
la végétation ;
la proximité d’un bâtiment ;
la nature du sol.

Il en est de même pour :

l’humidité ;
le rayonnement ;
l’eau ;
le carbone ;
la biomasse ;
la biodiversité.

Une mesure ponctuelle ne représente donc qu’un état instantané.

La véritable information apparaît lorsque l’on possède :

une série temporelle spatialement référencée.

II. LES TROIS DIMENSIONS DE LA MESURE

Un protocole scientifique Omakëya™ doit mesurer simultanément :

1. Le temps

Quand le phénomène se produit-il ?

2. L’espace

Où le phénomène se produit-il ?

3. L’intensité

Quelle est son amplitude ?

On peut ainsi passer de :

« cette zone semble plus fraîche »

à :

« à 15 h 30, la température de l’air est en moyenne 3,2 °C plus faible sous la canopée que sur la zone minérale adjacente, dans les conditions étudiées ».

C’est un changement radical de niveau de connaissance.

III. L’ARCHITECTURE D’UN SYSTÈME DE MESURE

Un réseau Omakëya™ peut être représenté ainsi :

                 JARDIN
                   │
        ┌──────────┼──────────┐
        ↓          ↓          ↓
      CLIMAT      EAU        SOL
        │          │          │
        ↓          ↓          ↓
     CAPTEURS    CAPTEURS   CAPTEURS
        │          │          │
        └──────────┼──────────┘
                   ↓
             DATA LOGGER
                   ↓
              BASE DE DONNÉES
                   ↓
                 SIG
                   ↓
            MODÉLISATION
                   ↓
                   IA
                   ↓
               DÉCISION

Le capteur n’est donc que le premier élément de la chaîne.

IV. MESURER LA TEMPÉRATURE

1. Température de l’air

La température doit être mesurée dans des conditions permettant de limiter les biais radiatifs.

On mesure notamment :

température moyenne ;
minimum ;
maximum ;
amplitude journalière ;
vitesse de variation.

Un capteur placé directement au soleil peut mesurer une température de sonde fortement influencée par le rayonnement et non représentative de l’air.

Bon protocole

Le capteur doit être :

ventilé naturellement ou artificiellement selon l’objectif ;
protégé du rayonnement direct ;
correctement positionné ;
suffisamment éloigné des surfaces perturbatrices.

V. TEMPÉRATURE À PLUSIEURS HAUTEURS

Un jardin présente un gradient vertical.

On peut mesurer :

        10 m   🌳   ← canopée
         │
         │
         5 m   🌿
         │
         │
         2 m   ← zone humaine
         │
         0,5 m ← végétation basse
         │
       SOL    ← surface

Cette stratification permet d’étudier :

l’effet de la canopée ;
les inversions ;
les gradients thermiques ;
la stratification de l’air.

VI. TEMPÉRATURE DU SOL

La température du sol peut être mesurée à plusieurs profondeurs :

surface ;
5 cm ;
10 cm ;
20 cm ;
50 cm ;
éventuellement davantage.

On obtient alors : T(z,t)

où :

z = profondeur ;
t = temps.

Cela permet de suivre la pénétration de la chaleur dans le sol.

VII. TEMPÉRATURE DES SURFACES

Une caméra thermique ou un thermomètre infrarouge peut comparer :

béton ;
asphalte ;
sol nu ;
paillage ;
pelouse ;
feuilles ;
eau ;
murs ;
toiture.

Une même journée peut ainsi révéler des écarts thermiques très importants entre matériaux et surfaces.

Attention toutefois : la thermographie infrarouge mesure une température radiométrique de surface, qui dépend notamment de l’émissivité et des conditions de mesure.

VIII. HUMIDITÉ DE L’AIR

Deux grandeurs doivent être distinguées :

Humidité relative

HR=ese×100

où :

e = pression réelle de vapeur ;
es = pression de vapeur saturante.

Humidité absolue

Elle exprime la quantité de vapeur d’eau présente dans un volume ou une masse d’air selon la convention utilisée.

On peut également calculer :

point de rosée ;
déficit de pression de vapeur — VPD ;
rapport de mélange.

Le VPD est particulièrement intéressant pour l’agroclimatologie car il renseigne sur la demande évaporative de l’atmosphère.

IX. MESURER LE RAYONNEMENT

Le rayonnement constitue l’une des variables fondamentales du système.

On peut distinguer :

rayonnement global ;
rayonnement direct ;
rayonnement diffus ;
rayonnement réfléchi ;
rayonnement net ;
rayonnement infrarouge.

X. PAR — PHOTOSYNTHETICALLY ACTIVE RADIATION

Le PAR correspond approximativement à la bande spectrale utilisée par la photosynthèse : 400−700 nm

On mesure généralement le flux de photons photosynthétiquement actifs avec un capteur adapté.

L’unité courante est : μmol m−2s−1

Le PAR permet notamment de comparer :

plein soleil ;
sous arbre ;
sous haie ;
sous serre ;
sous forêt-jardin.

XI. UV

Le rayonnement ultraviolet peut également être mesuré.

On distingue notamment :

UVA ;
UVB.

Ces mesures peuvent être utiles pour :

physiologie végétale ;
exposition humaine ;
dégradation des matériaux ;
écologie.

Le rayonnement UV ne doit toutefois pas être assimilé au rayonnement PAR.

XII. L’OMBRE COMME VARIABLE MESURABLE

Au lieu de simplement dire :

« cette zone est ombragée »,

on peut mesurer : Fombre=1−PARreˊfeˊrencePARombre

ou construire des indicateurs équivalents selon le protocole.

Cela permet de quantifier la performance climatique d’une haie, d’un arbre ou d’une pergola.

XIII. MESURER LE VENT

Deux variables fondamentales :

Vitesse

m/s

Direction

∘

Un anémomètre mesure la vitesse.

Une girouette mesure la direction.

Les mesures doivent être réalisées à une hauteur définie et documentée.

XIV. LE VENT DANS UN JARDIN

Il est particulièrement intéressant d’installer plusieurs points :

VENT DOMINANT
──────────────→

🌳🌳🌳🌳
HAIE BRISE-VENT

●       ●       ●
P1      P2      P3

On peut alors comparer :

vitesse avant haie ;
vitesse dans la haie ;
vitesse après haie.

On obtient un véritable profil d’efficacité du brise-vent.

XV. PRESSION ATMOSPHÉRIQUE

La pression est généralement mesurée en : Pa, hPa

Elle permet notamment :

correction de certaines mesures ;
caractérisation météorologique ;
calculs atmosphériques ;
suivi des systèmes météorologiques.

Une station agroclimatique complète doit généralement l’intégrer.

XVI. MESURER L’EAU

Le système hydrologique nécessite plusieurs familles de mesures.

Quantité

pluie ;
niveau ;
débit ;
volume stocké.

Qualité

température ;
pH ;
conductivité ;
oxygène dissous ;
turbidité.

XVII. PLUVIOMÉTRIE

Le pluviomètre constitue l’un des instruments les plus simples et les plus importants.

On mesure : P [mm]

avec : 1 mm=1 L/m2

Cette relation est fondamentale pour dimensionner les systèmes de récupération d’eau.

XVIII. DÉBIT

Pour une rivière, un fossé, une pompe ou une conduite : Q=dtdV

où :

Q = débit ;
V = volume ;
t = temps.

Pour un écoulement dans une section : Q=Av

avec :

A = section ;
v = vitesse moyenne.

XIX. NIVEAU D’EAU

On peut instrumenter :

mare ;
bassin ;
réservoir ;
cuve ;
nappe ;
fossé.

Le niveau permet de reconstruire : V=f(h)

c’est-à-dire la relation entre hauteur et volume.

Cela devient essentiel pour suivre les réserves d’eau.

XX. CONDUCTIVITÉ ÉLECTRIQUE

La conductivité fournit une information indirecte sur la concentration en espèces ioniques dissoutes.

Elle est généralement exprimée en : μS/cm

ou : mS/cm

Elle peut contribuer au suivi :

de la salinité ;
de la minéralisation ;
de certains changements de qualité de l’eau.

Elle ne permet toutefois pas, à elle seule, d’identifier précisément les ions présents.

XXI. pH

Le pH est défini par : pH=−log10(aH+)

Il est essentiel pour :

sols ;
eaux ;
solutions nutritives ;
composts ;
systèmes aquatiques.

Le pH doit être mesuré avec des instruments correctement étalonnés.

XXII. OXYGÈNE

Dans l’eau, l’oxygène dissous constitue un indicateur majeur du fonctionnement biologique.

On peut l’exprimer en : mg/L

et parfois en pourcentage de saturation.

Il renseigne notamment sur :

respiration biologique ;
photosynthèse ;
échanges atmosphère-eau ;
qualité écologique ;
risque d’anoxie.

XXIII. CO₂

Le CO₂ peut être mesuré :

Dans l’air

ppm

Dans les systèmes contrôlés

serre ;
bâtiment ;
laboratoire ;
espace fermé.

Il peut servir à étudier :

photosynthèse ;
ventilation ;
échanges bâtiment-végétation ;
respiration du sol ;
dynamique journalière.

XXIV. MESURER LE SOL

Le sol nécessite un réseau spécifique.

On peut mesurer :

humidité volumique ;
température ;
potentiel hydrique ;
conductivité électrique ;
pH ;
oxygène ;
respiration ;
carbone organique.

L’humidité seule ne suffit pas.

Deux sols ayant la même teneur en eau peuvent présenter des disponibilités en eau très différentes pour les plantes.

XXV. MESURER LE POTENTIEL HYDRIQUE

Pour l’ingénierie agroclimatique avancée, le potentiel hydrique devient particulièrement intéressant.

Il permet de mieux caractériser :

disponibilité de l’eau ;
sécheresse du sol ;
contraintes hydriques ;
fonctionnement racinaire.

Cela complète les simples mesures volumétriques.

XXVI. MESURER LE VIVANT

C’est probablement la partie la plus originale du protocole.

Comment mesurer :

la biomasse ?
le carbone ?
la biodiversité ?
la croissance ?
l’activité biologique ?

Il faut construire des indicateurs reproductibles.

XXVII. BIOMASSE VÉGÉTALE

On peut estimer :

biomasse aérienne ;
biomasse racinaire ;
bois ;
feuilles ;
fruits ;
litière.

Pour les arbres, on utilise souvent des relations allométriques : B=f(D,H,ρ)

avec :

D = diamètre ;
H = hauteur ;
ρ = densité du bois.

Les équations exactes dépendent de l’essence et du modèle utilisé.

XXVIII. MESURER LA CROISSANCE

On peut installer un suivi :

hauteur ;
diamètre ;
circonférence ;
surface foliaire ;
diamètre de couronne.

Pour un arbre : ΔD=Dt2−Dt1

On peut alors obtenir une vitesse de croissance : vD=ΔtΔD

XXIX. CARBONE

Il faut distinguer :

Carbone présent dans la biomasse

Cbiomasse

Carbone du sol

Csol

Carbone de la litière

Clitieˋre

Flux de carbone

photosynthèse ;
respiration ;
décomposition ;
exportation ;
stockage.

Le stockage carbone n’est donc pas simplement :

« nombre d’arbres × facteur ».

Il doit idéalement être étudié comme un stock dynamique.

XXX. RESPIRATION DU SOL

La respiration du sol peut être utilisée comme indicateur du fonctionnement biologique.

On mesure généralement un flux de : CO2

par unité de surface et de temps.

Par exemple : μmol CO2m−2s−1

Elle dépend notamment :

température ;
humidité ;
racines ;
microorganismes ;
matière organique.

XXXI. MESURER LA BIODIVERSITÉ

La biodiversité ne peut pas être résumée par un simple nombre d’espèces.

Il faut distinguer :

richesse spécifique ;
abondance ;
diversité ;
équitabilité ;
diversité fonctionnelle ;
diversité des habitats.

XXXII. TRANSECTS ET QUADRATS

Deux méthodes simples et robustes.

Quadrats

On définit une surface :

┌───────────┐
│           │
│   QUADRAT │
│           │
└───────────┘

On inventorie les organismes présents.

Transect

On établit une ligne :

●────●────●────●────●
1    2    3    4    5

On observe les changements le long d’un gradient.

Très utile pour :

lisière ;
mare ;
prairie ;
forêt ;
gradient d’humidité.

XXXIII. MESURER LES INSECTES

Selon l’objectif scientifique, on peut utiliser :

observation directe ;
transects ;
pièges photographiques ;
pièges passifs adaptés ;
comptages standardisés ;
identification photographique.

Il faut toujours documenter :

méthode ;
durée ;
météo ;
période ;
heure ;
effort d’échantillonnage.

Sinon deux campagnes ne sont pas réellement comparables.

XXXIV. MESURER LES OISEAUX

On peut utiliser :

points d’écoute ;
observations visuelles ;
enregistrements acoustiques ;
transects.

Le point d’écoute standardisé est particulièrement intéressant pour suivre l’évolution d’un site.

XXXV. MESURER LES VERS DE TERRE

Un indicateur relativement simple consiste à réaliser des prélèvements standardisés.

On peut mesurer :

nombre d’individus ;
biomasse ;
profondeur ;
groupes fonctionnels.

Le résultat doit être rapporté à une surface donnée.

XXXVI. MESURER LA STRUCTURE DU PAYSAGE

La biodiversité dépend également de la géométrie du site.

On peut mesurer :

longueur de haies ;
surface boisée ;
surface de prairie ;
nombre de mares ;
distance entre habitats ;
taille des corridors ;
fragmentation.

Ces données peuvent être traitées dans un SIG.

XXXVII. LE PROTOCOLE SCIENTIFIQUE OMAKËYA™

La méthode peut être structurée en dix étapes.

Étape 1 — Définir la question

Exemple :

« La plantation d’une haie réduit-elle la température et la vitesse du vent dans la zone située derrière elle ? »

Étape 2 — Définir les variables

Variables indépendantes

présence de la haie ;
distance.

Variables dépendantes

température ;
vent ;
humidité.

Variables de contrôle

heure ;
rayonnement ;
météo générale.

XXXVIII. ÉTABLIR UN PLAN D’ÉCHANTILLONNAGE

Il faut définir :

nombre de points ;
localisation ;
hauteur ;
fréquence ;
durée ;
répétitions.

Exemple :

                 VENT
                  →
          
        P1      HAIE      P2      P3
        ●       ████      ●       ●
                ████
                ████

P1 = avant haie
P2 = immédiatement après
P3 = zone éloignée

XXXIX. STANDARDISER LES MESURES

Une mesure scientifique doit toujours préciser :

quoi ?

où ?

quand ?

comment ?

avec quel instrument ?

avec quelle incertitude ?

dans quelles conditions ?

XL. ÉTALONNAGE

Un capteur n’est pas automatiquement fiable parce qu’il affiche une valeur.

Il faut vérifier :

étalonnage ;
dérive ;
résolution ;
précision ;
répétabilité ;
stabilité.

Pour certains instruments : Erreur=Valeurmesureˊe−Valeurreˊfeˊrence

XLI. INCERTITUDE

Une mesure doit être accompagnée autant que possible de son incertitude.

Par exemple : T=27,4±0,3∘C

L’objectif n’est pas d’afficher toujours davantage de décimales.

Une précision numérique supérieure à la qualité réelle de la mesure est une illusion de précision.

XLII. FRÉQUENCE D’ACQUISITION

Toutes les variables n’ont pas besoin de la même fréquence.

Variable	Fréquence indicative
Température	1–10 min
Humidité air	1–10 min
Rayonnement	secondes à minutes
Vent	secondes à minutes
Pluie	événementiel / minutes
Niveau bassin	minutes à heures
Humidité sol	minutes à heures
pH	campagnes
Biodiversité	campagnes saisonnières
Biomasse	mensuelle à annuelle
Carbone	saisonnier à pluriannuel

Ce sont des ordres de grandeur de conception, à adapter à la question scientifique.

XLIII. SYNCHRONISER LES CAPTEURS

Pour comparer les données, les horloges doivent être synchronisées.

Chaque donnée devrait comporter au minimum :

timestamp
latitude
longitude
altitude
capteur
variable
valeur
unité
qualité

On crée alors une véritable base de données agroclimatique.

XLIV. LE DATA LOGGER

Tous les capteurs peuvent converger vers une unité d’acquisition :

CAPTEURS
   ↓
DATA LOGGER
   ↓
STOCKAGE
   ↓
TRANSMISSION
   ↓
BASE DE DONNÉES
   ↓
DASHBOARD

Les technologies possibles comprennent :

LoRaWAN ;
Wi-Fi ;
Bluetooth ;
réseau cellulaire ;
Ethernet ;
stockage local.

Le choix dépend du site et des contraintes énergétiques.

XLV. LE TABLEAU DE BORD DU JARDIN

Le jardin peut disposer d’un tableau de bord :

CLIMAT

🌡 Température
💧 Humidité
☀ Rayonnement
💨 Vent

EAU

💧 Pluie
💦 Réservoir
🌊 Débit
🧪 Qualité

SOL

🌱 Humidité
🌡 Température
🧪 pH
⚡ Conductivité

VIVANT

🌳 Biomasse
🦋 Pollinisateurs
🐦 Oiseaux
🍄 Activité biologique

XLVI. DU CAPTEUR AU JUMEAU NUMÉRIQUE

Une fois les mesures structurées, on peut créer :

le jumeau numérique du jardin.

                  JARDIN RÉEL
                       ↓
                    CAPTEURS
                       ↓
                     DATA
                       ↓
                      SIG
                       ↓
                    MODÈLES
                       ↓
                       IA
                       ↓
               JUMEAU NUMÉRIQUE
                       ↓
                 SIMULATIONS
                       ↓
              DÉCISIONS / ACTIONS
                       ↓
                  JARDIN RÉEL

Le système devient cybernétique : les observations alimentent les décisions, puis les nouvelles observations permettent de corriger les décisions.

XLVII. MESURER AVANT / APRÈS

Un des principes les plus importants est de réaliser si possible un état de référence avant intervention.

T0

État initial.

T1

Après travaux.

T2

Après une saison.

T3

Après un an.

T4

Après cinq ans.

T5

Après dix ans.

On obtient une véritable trajectoire :

ÉTAT INITIAL
     ↓
TRANSFORMATION
     ↓
ADAPTATION
     ↓
MATURATION
     ↓
NOUVEL ÉQUILIBRE

XLVIII. EXEMPLE : MESURER L’EFFET D’UN ARBRE

Supposons que l’on souhaite mesurer l’effet climatique d’un arbre.

On installe :

une station en plein soleil ;
une station sous la canopée ;
une station de référence à distance.

On mesure :

température ;
humidité ;
PAR ;
rayonnement ;
vent ;
température de surface.

On peut ensuite calculer : ΔT=Treˊfeˊrence−Tombre

et : ΔPAR=PARreˊfeˊrence−PARombre

Puis analyser ces valeurs selon :

heure ;
saison ;
vitesse du vent ;
humidité ;
disponibilité en eau.

On passe ainsi d’une affirmation qualitative :

« l’arbre rafraîchit »

à une caractérisation quantitative de dans quelles conditions et dans quelle mesure.

XLIX. EXEMPLE : MESURER UNE MARE

On peut instrumenter :

pluie ;
niveau ;
température de l’eau ;
température de l’air ;
pH ;
conductivité ;
oxygène dissous.

Puis rechercher les relations : Pluie→Niveau Tempeˊrature→Oxygeˋne Evaporation→Niveau Saison→Biodiversiteˊ

La mare devient alors un véritable laboratoire hydrologique et biologique.

L. EXEMPLE : MESURER UN SOL VIVANT

On peut suivre :

humidité ;
température ;
respiration ;
carbone organique ;
biomasse microbienne ;
vers de terre ;
couverture du sol.

Puis comparer :

sol nu

sol paillé

sol couvert

sol sous agroforesterie.

L’objectif est alors de mesurer les conséquences réelles des pratiques.

LI. LE PROTOCOLE MINIMAL OMAKËYA™

Pour un jardin courant, un réseau minimal pourrait comprendre :

Instrument	Variable
Thermo-hygromètre	T + HR
Pluviomètre	pluie
Anémomètre	vent
Girouette	direction
Pyranomètre	rayonnement
Capteur PAR	PAR
Sonde sol	humidité + T
pH-mètre	pH
Conductimètre	conductivité
Oxymètre	O₂ eau
Capteur CO₂	CO₂
Compteur de niveau	réserves
Appareil photo	biodiversité
GPS/SIG	spatialisation

Ce réseau peut ensuite être enrichi selon les objectifs du projet.

LII. LE PROTOCOLE SCIENTIFIQUE COMPLET

Pour les projets expérimentaux, on peut formaliser :

01 — Question scientifique

Que cherche-t-on à démontrer ?

02 — Hypothèse

Quelle relation pense-t-on observer ?

03 — Variables

Que mesure-t-on ?

04 — Référence

Quel est le témoin ?

05 — Instrumentation

Avec quels capteurs ?

06 — Échantillonnage

Où et quand ?

07 — Étalonnage

Quelle qualité métrologique ?

08 — Acquisition

Comment enregistrer ?

09 — Contrôle qualité

Comment détecter les anomalies ?

10 — Analyse

Quels calculs ?

11 — Modélisation

Quel modèle ?

12 — Validation

Le modèle reproduit-il les observations ?

13 — Interprétation

Que signifient les résultats ?

14 — Décision

Que faut-il modifier ?

15 — Répétition

Le résultat se confirme-t-il dans le temps ?

LIII. LA QUALITÉ DES DONNÉES

Un système de mesure doit également détecter :

capteur déconnecté ;
valeur impossible ;
dérive ;
saturation ;
batterie faible ;
déplacement du capteur ;
obstruction ;
encrassement.

On peut définir un indicateur : DQI=f(completude, coheˊrence, preˊcision, stabiliteˊ)

pour suivre la qualité globale des données.

LIV. MESURER N’EST PAS ENCORE COMPRENDRE

C’est un principe fondamental.

Un capteur peut produire :

37,8 °C

Mais cette valeur n’a de sens que si l’on sait :

où ;
quand ;
à quelle hauteur ;
sur quelle surface ;
avec quel instrument ;
dans quelles conditions ;
avec quelle incertitude.

Une donnée sans contexte est rarement une information scientifique exploitable.

LV. LE JARDIN COMME STATION SCIENTIFIQUE

La Vision Omakëya™ permet finalement de transformer un simple jardin en :

station météorologique ;
station hydrologique ;
observatoire pédologique ;
observatoire biologique ;
laboratoire énergétique ;
plateforme expérimentale ;
système IoT ;
jumeau numérique.

Le jardin devient alors un observatoire permanent du changement climatique local.

LVI. SYNTHÈSE — LE PROTOCOLE DE MESURE OMAKËYA™

                 OBSERVER
                    ↓
                 MESURER
                    ↓
              QUALIFIER LES
                  DONNÉES
                    ↓
                STOCKER
                    ↓
               CARTOGRAPHIER
                    ↓
                ANALYSER
                    ↓
                MODÉLISER
                    ↓
                 SIMULER
                    ↓
                 DÉCIDER
                    ↓
                  AGIR
                    ↓
                REMESURER
                    ↓
                 APPRENDRE

C’est cette boucle qui transforme l’écosystème en système d’ingénierie vivant pilotable.

LVII. VERS LE CHAPITRE SUIVANT

Le chapitre des mesures constitue donc le pont entre le diagnostic et la modélisation.

Les données obtenues permettent maintenant de passer à l’étape suivante :

Chapitre 11 — Cartographie et SIG des écosystèmes

Il pourra traiter notamment :

relevé topographique ;
GPS ;
orthophotographie ;
drone ;
LiDAR ;
modèle numérique de terrain ;
pentes ;
expositions ;
bassins versants ;
réseaux hydrauliques ;
cartographie des sols ;
cartographie des habitats ;
cartes de rayonnement ;
cartes de température ;
cartes de vent ;
cartes de biodiversité ;
cartographie multicritère ;
SIG 2D/3D ;
télédétection ;
données satellitaires ;
intégration des capteurs IoT ;
et enfin construction du modèle numérique complet du jardin, préalable au dimensionnement et à la simulation.