Vers une modélisation des transferts radiatifs en chambres de culture M. Chelle, M. Demirel INRA C....

Vers une modélisation des transferts radiatifs en chambres

de culture

M. Chelle, M. Demirel

INRA

C. Renaud, F. Rousselle

LIL

Journées « simulation et visualisation de phénomènes naturels en réalité virtuelle » Toulouse - 16 & 17 mai 2002

Plan de l’exposé

• Qu’est ce qu’une chambre de culture ?

• Objectifs du projet

• Transferts radiatifs dans les couverts végétaux

• Mesures des caractéristiques des chambres

• Quel modèle pour la simulation ?

Qu’est ce qu’une chambre de culture ?

« pièce » hermétique

aux caractéristiques climatiques contrôlables :

» rayonnement

» température

» humidité, [CO2]

dans laquelle croissent des plantes

Intérêts

• Utilisées par les agronomes pour :– étudier des lois de réponses de plantes aux différents facteurs

climatiques• travailler en variables séparées (lumière-température)

• effet de la qualité de la lumière (bleu, Rc/Rs) sur la croissance de la plante

• sensibilité à la durée du jour (photo-période) e.g. floraison des chrysanthèmes

– comparer l’intérêt de variétés différentes d'une même plante (sélection variétale, génomique)

– s'affranchir du climat extérieur (manip d'hiver)

Inconvénients

• Grande variété des modèles de chambre (artisanat) – géométrie– éclairage– facteurs contrôlés

• Reproductibilité des résultats ? (du fait de la variété)

Plan de l ’exposé

• Qu ’est ce qu ’une chambre de culture ?

• Objectifs du projet

• Transferts radiatifs dans les couverts végétaux

• Mesures des caractéristiques des chambres

• Quel modèle pour la simulation ?

Objectifs du projet

• Définir un modèle d’illumination propre aux chambres de culture permettant :– de caractériser une chambre « à vide »

• guider le choix d’une chambre

• guider la définition d’une chambre (pb inverse)

– de modéliser les transferts dans un couvert simulé• estimation du rayonnement effectivement reçu / plante

• intégration dans un modèle de croissance de plante

• laboratoire virtuel (tests sur des plantes virtuelles)

Plan de l ’exposé

• Qu ’est ce qu ’une chambre de culture ?

• Objectifs du projet

• Transferts radiatifs dans les couverts végétaux

• Mesures des caractéristiques des chambres

• Quel modèle pour la simulation ?

Rôle de l’éclairagelumière = paramètre de la croissance des plantes:

– quantité reçue dans le PAR <400-700nm> => détermine la production photosynthétique (biomasse)

– quantité reçue dans tout le spectre (UV, PAR, IR) => détermine la t° des plantes via le bilan d'énergie

– qualité de la lumière (bleu, Rc(660nm)/Rs(730nm)) => permet à la plante de connaître le niveau de compétition % à ses voisines

éclairement incident != énergie absorbée par plante

– compétition pour la lumière % densité de plante

?

beaucoup de plantes et de feuilles !!!

Comment traiter chaque surface individuellement ?

l'approche volumique

traiter les surfaces par groupesen les décrivant statistiquement

Modèles statistiques

Les modèles « milieu turbide »

Les modèles « milieu turbide » consistent à

- calculer les coefficients de diffusion à partir de la densité de surface foliaire (voire la LIDF) et des propriétés optiques foliaires - résoudre numériquement l'ETR,

via une discrétisation spatiale (1D, 2D, 3D) et via une discrétisation angulaire

On ne peut estimer que la moyenne volumique (strates, tubes, cubes) des variables radiatives

Bilan

de +, les hypothèses fondatrices sont sources d'erreur:- répartition aléatoire et homogène des diffuseurs

- diffuseurs infiniment petit

La radiosité mixte

- peu d'objets proches (à forte contribution)

facteur de formes = f(1/d²)

occlusions

très coûteux en temps calcul

- beaucoup d'objets lointains (à (très) faible contribution)

- pour chaque surface, une sphère définit les objets proches

- les contributions lointaines sont estimées par un modèle TM: SAIL

Bien adaptée aux couverts de grande culture

Approche hiérarchique

Bien adaptée aux couverts épars

Échangesinter cluster

Cluster + brdf

Plan de l ’exposé

• Qu ’est ce qu ’une chambre de culture ?

• Objectifs du projet

• Transferts radiatifs dans les couverts végétaux

• Mesures des caractéristiques des chambres

• Quel modèle pour la simulation ?

Objectif = photosimulation

• peu de données photométriques disponibles– sources– matériaux des chambres

• données nécessaires pour– évaluer la qualité d’un modèle de simulation– guider les choix quant à la définition du modèle– généralisation du modèle à « tous » les types de

chambre de culture

Mesures en coursChambre utilisée = chambre Strader

(390x260x190, 2 rampes de 9 lampes de 400W)

Flux incident sur le plateau d’expérimentation

Conséquence

• Répartition non homogène– en contradiction avec les hypothèses classiques

concernant les chambres– la position des plantes influence les résultats

obtenus (bilans radiatifs / plante différents)– longues périodes d’exposition

• exemple :– comparaison de plants génétiquement différents

Les sources

polycarbone

Directionnalité des sources

– apparition de 2 lobes dus à la géométrie du réflecteur

– apparition de perturbations dues au polycarbone

mesures tous les 2° avec un capteur PAR collimaté à 8° de FOV

Remarques • Grande variabilité dans les types de source

– Les caractéristiques spectrales et la puissance varient énormément :

• selon le constructeur

• du fait du vieillissement

– mélange volontaire de sources différentes• lampes à décharge (spectre non continu)

• mélange => meilleure couverture du spectre visible

Variations de l’intensité de long de la rampe lumineuse

=> hétérogénéité => espace entre lampes, différents types de lampes (qualité spectrale), vieillissement des lampes

transect avec un capteur PAR collimaté à 8° de FOV à 50 cm du plafond

Mesures à venir• Caractérisation des matériaux de la chambre

– a priori principalement lambertien– présence de quasi spéculaire pur :

• parois en inox

Stimulation de la compétition inter plantes (capteurs bleu et Rc/Rs)

Plan de l ’exposé

• Qu ’est ce qu ’une chambre de culture ?

• Objectifs du projet

• Transferts radiatifs dans les couverts végétaux

• Mesures des caractéristiques des chambres

• Quel modèle pour la simulation ?

Utiliser les modèles existants ?

• Modèles statistiques non adaptés– pas de représentation au niveau de l’organe

• Modèle de radiosité « pure »– sources et certaines parois non diffuses

• Modèle de radiosité mixte– environnement non homogène – faible taille du couvert étudié

• Modèles hiérarchiques– peu adaptés aux couverts utilisés en chambres

• Approches de type Monte Carlo– a priori coût élevé

Quelques pistes ?• Découpler les phases de calcul

– Éclairement direct • approche de type Monte Carlo

– Éclairage propre à la chambre• radiosité hiérarchique

– Interactions chambre - couvert• clustering

– Interactions internes au couvert• radiosité « classique »

• Nécessité de mesures plus précises