Augmented reality to support agroforestry systems design
La réalité augmentée pour faciliter la conception de systèmes agroforestiers
Résumé
Agroforestry is a promising agricultural system to face climate change. It combines trees and crops (field crops, meadows, etc.). However, designing an agroforestry plot is a difficult task, since it requires consideration of both spatial and temporal dynamics. We conducted surveys of agroforestry advisors on design approaches, which revealed a diversity of methods and tools used. But we identified a lack of tools for visualizing the future appearance of plots and the ecosystem services provided.In this thesis, we propose a computer processing chain to assist advisors in agroforestry plot design workshops, and propose a new approach to agroforestry system representation.In our chain, a first module captures information from a physical model of an agroforestry system, using a deep learning system to identify the model's components and their positioning. A second module builds an abstract representation of the system using combinatorial maps. This modeling, based on the system's adjacencies and structural hierarchies, proposes a new formal graph representation of the agroforestry system, and we show that the dual graph can be used to represent and estimate the system's ecosystem services. Finally, a third module, exploiting Unity's real-time potential, enables interactive visualization in augmented reality of the variety and complexity of plantations, including the representation of plant growth and the production of ecosystem services.Two prototypes have been developed for embedding into mobile devices. One application superimposes virtual images on physical model views during the design workshop, and the other, for outdoor use, integrates virtual images directly on the plot views. A panel of users is currently testing their use.This interdisciplinary work (agronomy, computer science, human-machine interfaces) will be useful to advisors and farmers in designing agroforestry plots, taking into account the relationships between their structure and functions and, ultimately, the ecosystem services produced. The systems designed and their future evolution will thus be better adapted to farmers' constraints and objectives.The proposed structure-function representation of systems also opens up new research prospects as a support for participatory design approaches, and provides a framework for mechanistic modelling of the functioning of and interactions within agroforestry systems
L'agroforesterie est un système agricole prometteur face au dérèglement climatique. Il allie les arbres et les cultures (grande culture, prairie...). Néanmoins, la conception d'une parcelle agroforestière est difficile car il faut considérer ses dynamiques spatiales et temporelles. Nous avons conduit des enquêtes auprès de conseillers agroforestiers sur les démarches de conception qui ont montré une diversité de méthodes et d'outils utilisés. Mais nous avons identifié un manque d'outils permettant de visualiser l'aspect futur des parcelles et les services écosystémiques fournis. Nous proposons dans cette thèse une chaîne de traitement informatique pour assister les conseillers lors d'ateliers de conception de parcelles agroforestières et proposons une nouvelle approche structure fonction de représentation des systèmes agroforestiers.Dans notre chaîne, un premier module capture les informations d'une maquette physique d'un système agroforestier en mobilisant un système d'apprentissage profond pour identifier les composants de la maquette avec leur positionnement. Un deuxième module construit une représentation abstraite du système avec des cartes combinatoires. Cette modélisation fondée sur les adjacences et les hiérarchies structurelles du système propose une nouvelle représentation formelle par graphe du système agroforestier et nous montrons que le graphe dual permet de porter des représentations et des estimations de services écosystémiques du système. Enfin, un troisième module permet de visualiser interactivement en réalité augmentée la variété et la complexité des plantations incluant la représentation de la croissance des plantes ainsi que celle de la production de services écosystémiques.Deux prototypes embarqués ont été développés, l'un pour superposer en salle de conception des images virtuelles sur une maquette physique, et l'autre, utilisable en extérieur, pour intégrer les images virtuelles directement sur des vues de la parcelle. L'exploitation de ces applications en test débute auprès d'un panel d'utilisateurs.Ces travaux interdisciplinaires (agronomie, informatique, interfaces homme-machine) seront utiles aux conseillers et aux agriculteurs pour concevoir des parcelles agroforestières en considérant les relations entre leur structure et leurs fonctions et, in fine, les services écosystémiques produits. Les systèmes conçus et leurs évolutions à venir seront ainsi plus adaptés aux contraintes et aux objectifs des agriculteurs. La représentation structure fonction des systèmes proposée ouvre d'autre part de nouvelles perspectives de recherche comme support dans les approches participatives de conception et propose un cadre pour des modélisations mécanistes du fonctionnement et interactions de systèmes agroforestiers.
Origine : Version validée par le jury (STAR)