Utiliser Artec Space Spider dans la viticulture : scanner des grappes de raisin pour lutter contre une maladie de la vigne

La viticulture, une science dont l’historien athénien Thucydides prétendait qu’elle avait un effet civilisant, n’est peut-être pas le domaine d’étude le plus attendu pour les solutions Artec 3D.

La viticulture, une science dont l’historien athénien Thucydides prétendait qu’elle avait un effet civilisant, n’est peut-être pas le domaine d’étude le plus attendu pour les solutions Artec 3D. Cependant, la culture du raisin a beaucoup à gagner à les utiliser, comme un groupe de chercheurs l’a montré récemment dans son article. Publié en mars 2018 dans le journal Sensors, l’étude des chercheurs s’intéresse au problème des maladies fongiques ou « pourriture grise ». Il est connu que la pourriture grise peut souvent mener à des infestations, qui conduisent à des récoltes endommagées et à une réduction du rendement. Les chercheurs de l’Institut de Reproduction de la Vigne Geilweilerhof et l’Université de Bonn ont uni leurs forces dans cette recherche pour développer une méthode d’analyse innovante basée sur l’image dans le but d’aider à réduire la pourriture grise et d’améliorer la sélection des vignes dans un but de reproduction.

Le scanner 3D Space Spider d’Artec a joué un rôle primordial dans leur approche.

Durant l’expérimentation, les chercheurs ont découvert que l’utilisation du Space Spider pour créer des visualisations de pourriture grise pouvait aider à accélérer significativement l’évaluation statistique des caractéristiques des plantes par rapport aux méthodes existantes. Basé sur la technologie de lumière structurée par LED bleue, l’Artec Space Spider est un appareil de scan 3D convivial, rapide et puissant qui génère des images numériques riches en haute résolution. Utilisé dans une multitude de secteurs, il peut capturer une vaste gamme de géométries, textures et couleurs complexes avec une précision de point 3D allant jusqu’à 0.05 mm. Pesant un peu moins de deux livres, ce scanner 3D extrêmement léger obtient d’aussi bons résultats en laboratoire que sur le terrain. Ceci faisait qu’il était particulièrement adapté pour la gamme de contextes de scan imaginés par les chercheurs de l’étude.

Dans leur article, les auteurs de l’étude ont immédiatement reconnu la corrélation entre la « compacité de grappe » et le risque de pourriture grise. De la même manière, d’autres études ont auparavant confirmé que plus les grappes étaient denses, plus il y avait de chance qu’une infection se produise. De nombreux viticulteurs sont en effet arrivés à la même conclusion, qui sous-tend leur préférence pour la culture et la reproduction de vignes qui ont une structure de grappe moins dense.

Lorsqu’on considère le problème sous l’aspect économique, éliminer une trop grande densité des vignes est logique, puisque des chances d’infestation des récoltes accrues par la pourriture grise peuvent s’avérer préjudiciables. Après tout, comme l’annonce l’étude actuelle dans sa page d’ouverture, « La vigne (Vitis Vinifera L. subsp. Vinifera) est une des récoltes les plus profitables au monde. »

Mais, du point de vue du viticulteur, prévenir la densité de grappe n’est pas une chose facile.

Tout d’abord, la composition physique des vignes est d’une complexité et d’une variété intimidantes. Les cultivateurs de vigne doivent prendre scrupuleusement des notes de traits physiques innombrables qui sont enracinés dans la structure génétique de chaque vigne. Ensuite, étant donné la composition « mosaïque » des vignes, une grappe seule peut générer d’énormes quantités de données, détaillant les informations telles que la quantité, taille, et l’âge des vignes. L’Organisation Internationale pour la Vigne et le Vin publie même un système de points pour classifier la morphologie de la vigne en se basant sur une série de caractéristiques. Néanmoins, ce type de méthode basée sur un score demande une quantité de temps et de ressources humaines disproportionnée. Et ce qui est peut-être le pire de tout est que les données qu’elle produit sont au final subjectives et remplies d’erreurs, selon les auteurs de l’étude.

Grappes de raison utilisées pour cette étude d’acquisition de données et d’extraction de paramètres

Par contraste, le Space Spider d’Artec 3D offre une approche exponentiellement plus efficace et objective pour évaluer l’architecture des grappes. Au laboratoire, les chercheurs de l’étude ont utilisé le Space Spider pour capturer des images de 10 raisins de table. Le processus de scan a été effectué 10 fois sous différentes vitesses de rotation. Ceci a permis aux chercheurs de valider la précision des données fournies par le Space Spider, car les différentes vitesses de rotation produiraient des densités de points différentes. Quand le Space Spider eut terminé de reproduire le nuage de points 3D des grappes, les chercheurs ont commencé à analyser les données en utilisant 3D-Bunch-Tool, une application logicielle conçue pour extraire les informations sur les grappes de raisin, telles que la taille et la quantité des grains.

L’outil 3D-Bunch-Tool, aussi connu sous le nom de « 3D-BT », est basé sur un algorithme modifié. Son processus de travail implique trois étapes. Tout d’abord, le nuage de points haute résolution est réduit dans le cadre de l’étape de post-traitement, ce qui aide à réduire le temps de calcul. Ensuite, les points du nuage sont segmentés en “régions”, qui sont chacune généralement limitées à la zone d’une seule grappe. Et finalement, une approche basée sur le RANSAC est utilisée pour construire des modèles sphériques basés sur les données. La visualisation numérisée de la grappe de raisin peut être alors ajustée dans l’étape de finalisation.

Interface Graphique Utilisateur (IGU) de 3D-Bunch-Tool (3D-BT)

Après que les chercheurs aient appliqué 3D-BT sur les données de nuage de point que le Space Spider avaient générées, les données de caractéristiques 3D étaient alors contre-vérifiées avec les données réelles au sol. Les chercheurs ont fait des découvertes positives à cette étape de l’expérimentation, indiquant que les comparaisons statistiques donnaient de hautes valeurs de corrélation sur toute l’étendue des séries de données. Ceci signifiait qu’il n’y avait que de très petites différences détectées entre les données 3D et les données du monde réel.

De manière significative, les chercheurs ont aussi pointé les bénéfices en temps et en argent de cette méthode de scan 3D. En comparant les approches de l’évaluation des caractéristiques de la vigne, ils postulent, « selon la taille de la grappe et le nombre total de grains, la procédure complète [lorsque d’autres méthodes sont utilisées] demande en moyenne de 10 minutes par grappe. Elle est donc très demandeuse en travail et invasive. Par comparaison, l’acquisition de nuage de points en utilisant l’Artec Spider et le stockage de données, demande [sic] en moyenne une minute et par conséquent elle représente une méthode 10 fois plus rapide, robuste et non-invasive. De plus, elle permet d’étudier l’architecture de la grappe dans sa structure 3D naturelle. »

Les chercheurs ont en plus souligné que, bien que les approches basées sur les images pour obtenir des nuages de points 3D existent depuis longtemps, elles demandaient souvent d’utiliser des technologies laser au prix exorbitant et impliquaient l’application de techniques invasives. Naturellement, leur coût élevé et leur limitation diminuaient leur attrait pour les chercheurs. C’est pourquoi ils se sont tournés vers les solutions d’imagerie Artec 3D. En particulier, ils ont loué le Space Spider pour sa souplesse et sa non-invasivité, disant, « Les applications de l’Artec Space Spider pour scanner les grappes directement dans le champ facilitent l’opportunité d’acquérir les caractéristiques 3D des grappes de manière non-invasive et rapidement. »

Application du pipeline phénotypique sur le terrain

Le bonus supplémentaire du poids léger et du design mobile du Space Spider signifie qu’il peut être employé dans pratiquement n’importe quel environnement et format de recherche, y compris des recherches sur le terrain. En effet les chercheurs voient de nombreuses promesses dans l’utilisation de ces méthodes basées sur l’image dans les examens sur le terrain, en particulier afin de conduire des évaluations comparatives de vastes parcelles de vie végétale de sortes les plus diverses. En s’appuyant sur les solutions de scan 3D telles que le Space Spider, les chercheurs peuvent aussi suivre et surveiller le développement de vignes dans différentes conditions environnementales sur des périodes de temps étendues.

Pour les viticulteurs, cette méthode de scan 3D leur permet de faire des choix plus avisés pour la sélection et la reproduction des vignes. Avec celle-ci, ils peuvent améliorer le rendement des récoltes en prenant des mesures actives et préventives contre les possibilités de maladies et infestations fongiques. Et tout ce que cela demande est d’appliquer des solutions d’imagerie 3D du 21^ème siècle à la science vieille de plusieurs millénaires de la viticulture.

Toutes les citations sont extraites de http://www.mdpi.com/1424-8220/18/3/763/htm