Avec SMARTOBS, le campus de Beaulieu va devenir un espace expérimental in situ alliant nouvelles technologies et sciences de l’environnement



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La renaturation du campus de Beaulieu, une opportunité pour le suivi environnemental

Le projet SMARTOBS associe des chercheurs thématiques (biodiversité, hydrogéologie) de l'OSUR, avec des chercheurs technologiques (informatique des systèmes, architectures matérielles) de l'IRISA. La complémentarité des expertises prend racine et s’exprime autour d’un objet d’étude bien identifié sur le campus de Beaulieu de l’université de Rennes 1. SMARTOBS a été financé début 2021 à hauteur de 20 000 € dans le cadre des Défis interpôles de l’université de Rennes 1. Il est une déclinaison locale du projet national PIA3 EQUIPEX+ « TERRA FORMA, concevoir et tester l’observatoire intelligent des territoires à l’heure de l’Anthropocène », porté par Laurent Longuevergne (CNRS, Géosciences Rennes) et qui débutera fin 2021.

 


Pour imaginer une approche systémique de l’observation environnementale

L’adaptation aux conséquences des changements globaux nécessite de mieux comprendre les interactions complexes qui relient les organismes vivants avec les géo-écosystèmes (air, eau, roches et sols). Les stratégies actuelles d'observation de l'environnement sont encore trop souvent conçues pour répondre à des questions spécifiques séparant les composantes biotiques, abiotiques et humaines. Pour décloisonner ces pratiques, il faut donc imaginer une approche globale, systémique, intégrée : des scientifiques d’horizons disciplinaires variés doivent travailler ensemble pour mieux surveiller, comprendre et fournir des clefs de compréhension de ces interactions complexes. Laurent Longuevergne et ses collègues à l’université de Rennes 1 ont donc l’ambition de développer et déployer, in situ, sur le « campus vert » de Beaulieu, une approche « multi-messagers » où des capteurs et des systèmes d'observation permettent de collecter de nouveaux signaux qui démultiplient les points de vue sur les évolutions des habitats de nos paysages. Les travaux de renaturation du campus de Beaulieu (cf le dispositif Beaulieu 2020 autour de la « croix verte ») offrent un contexte singulier et particulièrement favorable pour tester de nouveaux outils développés dans les laboratoires du campus. En effet, cette déstabilisation vertueuse - avec une renaturation majeure du site initial du fait des mesures compensatoires en lien avec la construction de la ligne B du métro rennais -  sera accompagnée d’un plan de gestion et de suivis écologiques (diversité d’espèces et du paysage) qui permettront de tester la pertinence de nouvelles approches et d’outils pour suivre l’évolution du nouveau système et des services qu’il remplit.


SMARTOBS Croix Verte Beaulieu
Campus de Beaulieu, "croix verte"



Faire de Beaulieu un « quasi-observatoire » in natura

Les chercheurs rennais en ingénierie des systèmes et sciences du numérique (IRISA, INRIA Bretagne Atlantique)  ont déjà développé des outils de pointe pour d’autres usages (e.g., smart city, smart building). L’innovation du projet SMARTOBS consiste donc à adapter ces progrès récents des autres disciplines aux observatoires de l’environnement et de les déployer in situ dans des conditions très proches du terrain (i.e. milieux naturels). Le défi principal de cette adaptation est de permettre le déploiement de capteurs et des systèmes de remontée et de traitement des données dans le milieu naturel, sans sources d’énergie disponibles à proximité.

La zone renaturée offre désormais un gradient (zone de prairie, arborée, étang, bassin de rétention d’eau), connecté par le ruisseau de la Piletière et des zones de cheminement. L’objectif du projet consiste donc à créer, sur cet espace urbain hétérogène, un « quasi-observatoire » dont l’ambition est de devenir un point naturel de convergence entre les acteurs scientifiques du campus, afin de concevoir et de tester des systèmes d'observation pionniers dans des conditions contrôlées, sous la bannière « instrumentation in situ », avant un déploiement sur les observatoires nationaux labellisés, ailleurs en Bretagne, et plus loin. Ce point de rencontre à proximité des laboratoires eux-mêmes permettra d’accompagner la mise en oeuvre du projet national PIA3 EQUIPEX+ « TERRA FORMA, concevoir et tester l’observatoire intelligent des territoires à l’heure de l’Anthropocène », porté par l’Université de Rennes 1 et qui débutera fin 2021. Le projet SMARTOBS va donc permettre de renforcer les interactions entre les différents laboratoires rennais partenaires autour d’un objet bien identifié, et de travailler sur une déclinaison locale/régionale de ce projet. A noter également que l’unité ECOBIO est associée à un ambitieux projet ERC Lifeplan, où des centaines d'équipes à travers le monde seront impliquées dans un effort d'échantillonnage massif de la biodiversité, avec des méthodes automatisées standardisées (audio, visio, pièges insectes, échantillonnage de sol et racines). Les outils et la méthodologie seront déployés sur ce même site du campus de Beaulieu, il apparaît donc important, en parallèle, de contextualiser ces observations en définissant les habitats associés.

 

 

Développer des capteurs environnementaux pour ausculter le campus

L’enjeu principal consiste à coupler divers observables, basés sur la détection à haute résolution spatiale et temporelle des phénomènes reliant le vivant et les composantes abiotiques (air, eau, sols). Cette capacité à tester des hypothèses nécessite de disposer de systèmes d’observation qui s’appuient sur des réseaux évolutifs de capteurs économes en énergie, avec intelligence embarquée et communicants. Cela implique également une infrastructure de communication et de traitement de données reliant des capteurs hétérogènes, qui supporte des réseaux d’accès hétérogènes, avec des volumes variables d’information à traiter. Plusieurs défis de taille s’offrent aux scientifiques rennais :

  • Consommer peu d’énergie : les capteurs doivent fonctionner avec des sources d’énergie intermittentes ; ils doivent donc être frugaux (i.e. peu énergivores), récupérer de l’énergie dans leur environnement, êtres actifs pour un évènement particulier.
  • Synthétiser de l’information brute en temps réel : la donnée pertinente émerge de l’interprétation d’un ensemble dense d’informations par un système “fog computing” capable de traiter les données en temps réel et à proximité immédiate des sources de données.
  • Démocratiser l’observation : le smartphone est au cœur du projet, outil commun de notre quotidien, il embarque en effet un ensemble de capteurs (optique/photo, positionnement métrique, accéléromètre, gyroscope, pression), des capacités de calcul et permet de communiquer avec des serveurs de données. La transformation d’un smartphone en capteur environnemental est d’un intérêt majeur : celui de mobiliser largement et de produire avec les citoyens des connaissances environnementales partagées.
  • Penser des réseaux évolutifs : le fonctionnement des milieux naturels se traduit par la mise en place de gradients qui varient rapidement dans le temps ou l’espace. Un réseau de capteurs pertinent doit être évolutif et s’appuyer sur une connaissance « observationnelle » (et non pas des contraintes externes) qui définit un modèle de fonctionnement, se basant éventuellement sur un modèle physique à tester. L’échantillonnage (temps, espace) doit être adapté à la variabilité des signaux à capter. Cela crée de nouveaux défis scientifiques sur la conception du système de traitement de données “fog computing”.

 

Concrètement, comment le campus sera-t-il instrumenté ?

Le projet s’appuie sur la colocalisation d’outils et de méthodes classiques avec des approches novatrices, et l'intercomparaison des données des différentes sources d’information :

  • Suivis de la biodiversité : En juin 2018, un premier BioBlitz organisé par ECOBIO – premier BioBlitz sur un campus universitaire en France - visait à inventorier la biodiversité faunique et floristique dans l’espace destiné à la compensation des travaux du métro. Il a été imaginé comme un « point 0 » pour un suivi régulier de l’évolution de la diversité des espèces et du paysage après les travaux d’aménagement
  • Suivis de la quantité et qualité d’eau : La zone sera équipée par différents suivis classiques comme le débit du ruisseau de la Piletière et de la conductivité (sonde CTD+tests de traçage), la piézométrie, les interactions nappe-rivière (hyporhéisme) ; des capteurs dits “bas coût”, en cours de développement, seront également installés
  • Mesures par smartphone : plusieurs applications permettent de mesurer, à bas coût, le débit, la chimie de l’eau (nitrate, ...) seront utilisées ; des protocoles stricts devront cependant être définis pour que ces mesures, de basse qualité, puissent être utilisables pour des usages scientifiques
  • Test et adaptation de plateformes de réseaux de capteurs développés à l’IRISA :
  • un nœud Zyggie à faible consommation développé dans le cadre de l’analyse du mouvement sur l’humain sera adapté pour récolter des données accélérométriques sur des pluviomètres ou sur des arbres et augmenté avec des capacités de récupération d’énergie (lumière, chaleur, vibrations) et avec plusieurs types de radio (BLE, Lora)
  • une plateforme de réseau de capteurs pour les bâtiments intelligents SmartSense sera adaptée pour une utilisation en extérieur ; cette plateforme, riche en capteurs (lumière, température, caméra infra-rouge, humidité, baromètre, accéléromètre 9 axes magnétique, puissance acoustique (3 microphones), télémètre centimétrique, caméra dans le visible, CO2, COV, etc.) permettra la collecte d’un grand nombre de données via un réseau Ethernet ou WiFi
  • enfin, une plate-forme “fog computing” intégrée au réseau de capteurs, capable de traiter les données produites en temps réel, permettant ainsi des réactions très rapides à des événements détectés dans le milieu naturel. En particulier, ce travail permettra de valider - et/ou d’améliorer - la plate-forme “fog computing” LivingFog développée dans le cadre du projet H2020 FogGuru.

 

 

Vers un nouveau paradigme de l’interdisciplinarité ?

La création de ce site expérimental à Beaulieu va transformer la zone en renaturation en plateforme « in vivo » pour tester les développements technologiques et méthodologiques : ces enjeux environnementaux vont donc permettre de renforcer les interactions entre des unités du campus. Les scientifiques impliqué.e.s dans le projet espèrent que l'hybridation de ces différentes approches ouvrira la voie à la définition de nouvelles questions de recherche communes, interdisciplinaires, et à un renouvellement des questions disciplinaires.

La formation bénéficiera aussi de ces développements : en effet, la proximité des laboratoires autour de cet objet expérimental permettra de favoriser les interactions pour mieux mobiliser les étudiants autour de cas d’étude concrets (masters, thèses). Le projet organisera des ateliers sur le terrain, rassemblant plus largement les chercheurs de plusieurs laboratoires (e.g., IETR).

 

A noter que ce projet SMARTOBS est complémentaire de 2 autres projets pilotés à l’OSUR :



SMARTOBS Noeud Lora ZATU2 ERoussel GEOLABNœud et station Lora


SMARTOBS LoRa Fog Computing
Récepteur LoRa et noeud de traitement « fog computing »


SMARTOBS Capteurs Rivieres
Capteurs de pression d'eau, température et conductivité électrique de l'eau






Contact OSUR
Laurent Longuevergne (CNRS, Géosciences Rennes) / @)
Alain-Hervé Le Gall (OSUR multiCOM) / @








Cet article est de OSUR
https://osur.univ-rennes1.fr/news/avec-smartobs-le-campus-de-beaulieu-va-devenir-un-espace-experimental-in-situ.html