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Acquisition de l'architecture 3D des plantes 

Introduction

L'architecture d'une plante décrit les liaisons entre ses constituants (ramifications : notion de topologie), ainsi que la distribution des constituants dans l'espace (position, orientation, dimension et forme : notion de géométrie). Dans le cadre de l'écophysiologie végétale, mesurer l'architecture des plantes permet d'obtenir des maquettes végétales, utilisées pour vérifier des modèles de simulation de la croissance, ou pour étudier des aspects de son fonctionnement. La digitalisation 3D consiste à mesurer les coordonnées spatiales à l'aide d'un pointeur qu'un opérateur positionne sur la plante. Au prix d'une intervention manuelle importante, la digitalisation 3D est à l'heure actuelle une méthode de référence pour caractériser la structure des plantes : tous les éléments peuvent être mesurés, et l'acquisition des coordonnées 3D peut être couplée avec d'autres types de mesure permettant de caractériser les points digitalisés, en particulier la nature des constituants botaniques et leur position dans la topologie de la plante.

Principe

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La méthode de digitalisation que nous avons développée au PIAF utilise un appareil à technologie magnétique FASTRAK 3SPACE POLHEMUS. Le système est constitué d'un émetteur qui génère des champs magnétiques orthogonaux, d'un capteur que l'opérateur place sur le point à mesurer, et d'une unité centrale. Le capteur contient des bobines magnétiques, dans lesquelles sont induits des courants lorsque le capteur est placé dans le volume où les champs magnétiques sont actifs. La valeur des courants induits est liée à la position spatiale et l'orientation angulaire du capteur. Le digitaliseur magnétique a le seul inconvénient d'être sensible à la présence d'objets métalliques dans le volume de mesure. Par contre, la technologie magnétique est la seule capable actuellement de mesurer simultanément des coordonnées spatiales et l'orientation d'une surface, tout en étant insensible aux conditions météorologiques et à la présence d'objets (non métalliques) entre l'émetteur et le capteur.

Logiciels

Le PIAF a développé des logiciels dédiés à l'acquisition de données de digitalisation 3D pour l'architecture des arbres :

• POL95 pilote le digitaliseur magnétique, il permet de configurer le digitaliseur, d'acquérir des points de digitalisation, et de saisir de l'information sur les points mesurés dans un format de style tableur.

• 3A (Acquisition de l'Architecture de l'Arbre) pilote l'acquisition de la topologie d'une plante selon le codage standard AMAPmod. Il permet de configurer les modalités de description de l'architecture de la plante (choix des entités constituant la plante, règles topologiques), d'effectuer l'acquisition de la topologie en respectant les règles définies, de positionner les constituants de la plante dans l'espace en pilotant un digitaliseur 3D magnétique, et de visualiser en temps réel la plante en cours de mesure.

• PiafDigit permet de faire l'acquisition de données architecturales d'une plante (topologie et/ou géométrie) en communiquant avec un digitaliseur électromagnétique tridimensionnel. Il permet de visualiser au fur et à mesure de la digitalisation la topologie et la géométrie de la plante à l'aide d'un visualisateur en 3 dimensions et sous la forme d'une arborescence pour ce qui est de la topologie (TreeView). Ce logiciel intègre les fonctionnalités de POL95 et 3A en apportant plus de souplesse d'utilisation, plus de facilité de configuration et surtout il permet une acquisition de la topologie beaucoup plus rapide que le précédent, notamment grâce une interface graphique très orientée utilisateur. L'accent a été porté sur l'ergonomie d'utilisation, aussi bien pour la visualisation " en direct " de la mesure effectuée que pour la simplicité de prise en main du logiciel.

Logiciel 3A : Acquisition de l'Architecture de l'Arbre

Logiciel PiafDigit

Applications

La digitalisation a été appliquée principalement pour décrire des systèmes ramifiés et la distribution spatiale du feuillage. Dans tous les cas, les images des plantes virtuelles issues de la digitalisation 3D sont très semblables aux photographies des plantes réelles.
La description de systèmes ramifiés peut être analysée grâce au logiciel AMAPmod, pour en déduire des lois de comportement, tandis que la mesure de la distribution du feuillage permet d'inférer les propriétés d'interception de la lumière, par exemple grâce au logiciel VegeSTAR.

Illustrations

Photo et image virtuelle d'un Noyer de 20ans

Image virtuelle d'un système racinaire de chêne digitalisé

Photo et image virtuelle d'un Couvert de trèfle blanc

Digitalisation d'un pêcher et reconstruction du feuillage avec VegeSTAR

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