Terra Forma : déployer un réseau dense de capteurs pour comprendre et répondre aux défis environnementaux

Piloté par le CNRS, le projet Terra Forma vise à concevoir et déployer, sur des territoires témoins, un réseau dense de capteurs environnementaux open source et à bas coût pour mieux comprendre les changements environnementaux en cours et s’y adapter. Le projet a été officiellement lancé le 24 janvier 2022. Regroupant de nombreux laboratoires toulousains, ce projet a pour but d’impliquer les citoyens et citoyennes au dispositif scientifique.

Doté de 9,6 millions d’euros sur sept ans dans le cadre du Programme d’investissements d’avenir1 , le projet Equipex+ Terra Forma vise à concevoir et déployer sur le territoire français un véritable observatoire de l’Anthropocène. En effet, d’ici 2029, une quinzaine de sites, témoins de la pression des activités humaines, seront équipés d’un réseau dense de capteurs environnementaux, reliés à un système de communication central. À terme, cet instrument de recherche majeur coordonné par le CNRS aidera à mieux comprendre le fonctionnement de ces socio-écosystèmes en proie à d’intenses changements grâce à l’acquisition et à la valorisation de données. L’objectif est ainsi de progresser en termes de connaissances fondamentales et opérationnelles sur le fonctionnement de ces socio-écosytèmes et de leur adaptabilité au changement climatique et à la pression anthropique.

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© Philippe Choler/Anne Probst/ABdrone – Terra Forma

Terra Forma vise à mesurer et comprendre ce qui fonde l’habitabilité de la Terre – le capital naturel que constituent les sols, l’intégrité de la biodiversité et des paysages, les ressources en eau – ou ce qui la menace, comme la contamination biologique ou chimique de l’environnement. Une quinzaine de types de capteurs, uniques en leur genre, seront développés et déployés pour caractériser et quantifier ces paramètres. Ces capteurs devront être frugaux, adaptés au terrain, dotés d’intelligence embarquée, miniaturisés et à bas coûts, mais aussi, en open source, afin d’être démultipliés. Car l’objectif est aussi leur appropriation par la société civile afin de favoriser son implication dans des questions environnementales prégnantes.

© Vincent Raimbault/LAAS-CNRS

Ce fluorimètre est une réalisation toulousaine, qui a fortement inspiré l'approche développée dans Terra Forma en faveur de "capteurs frugaux". Le dispositif de mesure est réalisé par impression 3D, les filtres optiques sont fabriqués par moulage de silicone teinté à l’aide d'encre pour tampons encreurs , le système dispose d'une communication sans fil (protocole LoRa) et permet des mesures de Chlorophylle-a dans l'eau, pour suivre le développement du phytoplancton, avec une résolution de 0,1 µg/L. Le tout coûte environ 50 € et fait l'objet d'une diffusion en open source.

Les scientifiques toulousain·es sont fortement mobilisé·es dans ce projet, qui implique le Centre d’études spatiales de la biosphère (CESBIO/OMP – CNRS, CNES, IRD, Université Toulouse III – Paul Sabatier), le laboratoire Dynamiques et écologie des paysages agriforestiers (Dynafor – INRAE, Toulouse INP), le laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (LEFE/OMP – CNRS, Toulouse INP, Université Toulouse III – Paul Sabatier),

le laboratoire Geosciences environnement Toulouse (GET/OMP – CNRS, CNES, IRD, Université Toulouse III – Paul Sabatier), l’Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT – CNRS, Toulouse INP, Université Toulouse III – Paul Sabatier), le Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS-CNRS) et l’Observatoire Midi-Pyrénées (OMP – CNRS, CNES, IRD, Météo France, Université Toulouse III – Paul Sabatier).

À l’échelle nationale, le projet Terra Forma implique 150 chercheuses et chercheurs de 42 laboratoires du CNRS, dINRAE, de l’IRD et de nombreux établissements universitaires. Il s’appuie sur deux infrastructures de recherche, portées par ces mêmes organismes et universités : RZA2 sur les socio-écosystèmes et OZCAR3 sur la zone critique, tous deux formant le réseau eLTER France4 . Dans un premier temps, des sites pilotes, aux caractéristiques environnementales et d’usage des territoires contrastées, seront instrumentés dans trois zones en France : le Lautaret-Oisans (écosystème de montagne), le bassin versant d’Auradé (écosystème de plaine agricole) et Guidel-Ploemeur (écosystème côtier). La plateforme sera ensuite disséminée et déployée sur 12 autres observatoires.

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© Arnaud Elger / Laurent Longuevergne / Virginie Girard

Illustration schématique de ce que pourrait être un observatoire TERRA FORMA, un site combinant capteurs fixes et mobiles communicants et plateformes de communication.

Source : Actualité CNRS Occitanie Ouest


Les laboratoires OMP et Terra Forma

Le laboratoire Écologie Fonctionnelle et Environnement

Outre son rôle dans le pilotage du projet, le Laboratoire écologie fonctionnelle et environnement est impliqué dans la définition du cahier des charges et dans les tests sur le terrain de deux nouveaux instruments pour le monitoring environnemental.

Le premier concerne un enregistreur audio-vidéo intelligent, permettant le suivi automatisé à haut débit de la biodiversité et du fonctionnement des écosystèmes. Ce dispositif connecté, et embarquant des algorithmes d’intelligence artificielle, permettra notamment l’identification en ligne d’espèces animales (e.g. insectes, oiseaux, mammifères) sur la base de l’image et du son. D’autres applications sont prévues, telles que :

  • la caractérisation des paysages acoustiques à travers le calcul de métriques intégratives renseignant par ex. sur le degré d’anthropisation,
  • le suivi phénologique de la végétation ou
  • la reconnaissance individuelles d’animaux dans le cadre de tests cognitifs in situ.

Le second est une sonde multi-paramètres à bas coût pour le suivi physico-chimique des milieux aquatiques (e.g. débit, température, conductivité, turbidité, concentration en chlorophylle-a, oxygène dissous, pH, nitrates). L’objectif de réduction du coût est lié à la nécessité d’augmenter la couverture spatiale de ce type de suivi, en particulier pour appréhender la variabilité des cours d’eau de tête de bassin, et aux attentes des citoyens pour des dispositifs abordables leur permettant de suivre la qualité de l’eau, notamment dans le cadre de projets de science participative.

Enfin, le LEFE sera responsable du déploiement sur le site d’Auradé de l’un des trois premiers observatoires Terra Forma. Ce déploiement se fera en concertation avec d’autres laboratoire de l’OMP et hors OMP, de manière à co-localiser l’instrumentation in situ en tirant profit des réseaux de suivi déjà existants sur ce site et relevant notamment de la Zone Atelier Pyrénées-Garonne, de l’Observatoire de la Zone Critique (OZCAR), de l’Observatoire Spatial Régional Sud-Ouest (OSR SO) et de l’Infrastructure de Recherche européenne ICOS (Integrated Carbon Observation System).

Le laboratoire Géosciences Environnement Toulouse

Le GET est principalement impliqué dans la coordination d’un workpackage, centré sur le développement et l’application d’une technologie innovante pour réaliser un suivi in situ, en continu, automatisé, des polluants à large spectre (métaux, composés organiques legagy+emergents) dans l’eau, utilisant des capteurs passifs (DGT) et actifs (TRACESENSE sous brevet IRD).
Aujourd’hui il n’existe quasiment aucune solution à bas coût, et simple à mettre en œuvre, pour le suivi continu et automatisé des polluants dans les programmes de recherche et les observatoires, malgré une demande forte des partenaires du Nord et du Sud en particulier. Il y a donc un fort besoin d’innovation dans ce domaine afin de mesurer l’empreinte anthropique des écosystèmes et répondre aux questions scientifiques et sociétales prégnantes. Dans le cadre du projet TERRAFORMA, l’objectif est donc de contribuer au développement de nouvelles technologies et d’assurer leur promotion dans les programmes de recherche et les observatoires.


En savoir plus

Consultez l’actualité sur le site de l’Institut national des sciences de l’Univers du CNRS (INSU)

Consultez la page consacrée aux EquipEx+, dont fait partie le projet Terra Forma

Contacts

  • Contact LEFE : Arnaud Elger Enseignant-chercheur Université Toulouse III – Paul Sabatier au laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (OMP, CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier, Toulouse INP) arnaud.elger@univ-tlse3.fr
  • Contact GET : David Point, david.point@get.omp.eu

Notes

  1. Terra Forma fait partie des 50 projets retenus en décembre 2021 pour un financement total de 422 M€ dans le cadre de l’action « Équipements structurants pour la recherche : EquipEx+ », par laquelle l’État français investit et soutient les équipements scientifiques innovants, nécessaires au maintien de l’excellence et du leadership de la recherche nationale.
  2. Le Réseau des zones ateliers est une infrastructure de recherche interdisciplinaire sur les socio-écosystèmes gérée par l’Institut écologie et environnement du CNRS. Les Zones Ateliers se focalisent autour d’une unité (un fleuve, les paysages – agricole ou urbain – et la biodiversité, de l’antarctique à l’Afrique subsaharienne, ou le littoral, ou encore la vie dans des environnements caractérisés par une irradiation chronique d’origine naturelle ou naturelle renforcée) et y développent une démarche scientifique en s’appuyant sur des observations et expérimentations sur des sites ateliers.
  3. OZCAR (Observatoires de la Zone Critique : Applications et Recherche) est une infrastructure de recherche nationale gérée par l’Institut national des sciences de l’Univers du CNRS, dédiée à l’observation et à l’étude de la zone critique, c’est-à-dire la zone habitable des continents, des hauts reliefs jusqu’aux régions littorales et côtières, et mettant en synergie des sites instrumentés en France et à l’étranger qui s’appuient sur des observations long terme de l’eau des rivières et profonde, des glaces, des sols, des zones humides et de leur biodiversité.
  4. eLTER France est la composante nationale de l’infrastructure de recherche européenne eLTER, dont le but est de faire progresser le réseau éuropéen de sites de recherche sur les écosystèmes à long terme et des plateformes de recherche socio-écologiques.
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