Bull OEPP lO(2): 61-68 (1980)

Les systemes automatiques d’acquisition de donnees meteorologiques et I’usage des banques de donnees

Automatic Data Acquisition and the Use of Meteorological Data Banks

ABTOMATHgECKHE CHCTEMbI HAKOlTIEHMII METEOPOJIOrW%CKUX mHHblX H COSnAHWE BAHKOB UH@OPMALJ,WM

par C. SAMlE INRA, Montfavet (France)

Devant la difficulte d‘assurer dune maniere continue l’observation visuelle des parametres climatiques, soit en raison de I’acces difficile des postes, soit du fait du cofit du financement des observateurs assurant la permanence des jours ch6mes et feries, beaucoup de services de recherches climatiques ont ete amenes a etudier la possibilite de passer a I’automatisation. C’est ainsi que sont apparus il y a plusieurs decennies les enregistreurs classiques, toujours utilises, tels que le thermographe, l’hygrographe et le pluviographe. Un pas en avant, vers l’automatisme de la mesure, a ete amorce par l’introduction de stations a enregistrements graphiques puis, avec I’apparition des convertisseurs analogiques/digitaux, par la mise en ceuvre sur le terrain des systemes dacquisition de donnees. La capacite et la potentialite de ces appareils electromeca- niques puis electroniques a deplace le probleme de I’acquisition vers le traitement des donnks. On y a fait face, soit par un traitement en temps reel au moyen d’integrateurs ou de moyenneurs capables de comprimer I’information, soit par un traitement en differe : par transfert de I’information sur support traitable (ruban perfore, bande magnetique, minicassettes, memoires programmables). Ces progres technologiques sont cependant tributaires des donnees metrologiques dont l’amelioration est necessaire. Parallelement a cette automatisation de l’acquisition des facteurs climatiques s’est donc developpee celle du traitement des donnees et on a abouti ainsi tres rapidement a la constitution d’importants fichiers spkcialises. La facilite de stockage des informations et de leur manipulation, que conferent les moyens informatiques, a conduit tout naturellement a la notion de <( banque de donnees N. Dans le contexte agronomique de I’INRA, en dehors des etudes purement climatiques visant a la caracterisation de l’environnement vegetal ou animal, les donnees climatologiques, ainsi mises dans le cadre de la <( banque n a la disposition des chercheurs, ne peuvent &tre valorisees que par I’acquisition simultanee et correlative de parametres biologiques pris au sens large du terrne : croissance, developpement, production qualitative et quantitative. C’est a cet objectif que s’est attele depuis quelques annees le S.T.E.F.C.E. grice a un important travail de concertation, de rationalisation et de normalisation, joint a une definition aussi exacte que possible de I’espece consideree et de celle de son environnement : sol, phytotechnie, situation parasitaire, etc.

The problems arising from the need to make continuous observations on climatic parameters (problems of access or of staffing on non-working days) have led many laboratories to look into automation as a solution. Classic recorders (thermograph, hygrograph, pluviograph) are still used many decades after their introduction, but there have been recent advances with the introduction of graphical recording stations and, with the development of analog/digital converters, of automatic data acquisition systems. The problem has now shifted from the hardware to the question of data processing. This can be achieved in real time by integrators or averagers which

1) Communication presentee a la Conference OEPP sur les previsions et avertissements pour la protection des vegetaux, Paris, 21-23 juin 1977.

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condense the information, or in deferred time by transfering the information to paper tape, magnetic tape, minicassettes or programmable memories. Nevertheless, these technological advances still depend on the improvement of existing measuring equipment. Automation has thus been accompanied by the development of data processing and this has led to a rapid accumulation of specialized files. The easy storage and processing of data by computer methods has led naturally to the idea of

data banks D. As far as the agronomic work of INRA is concerned, climatological data banks may be used simply for the characterization of the environment of animals and plants, but should be supplemented and correlated with biological parameters : growth, development, qualitative and quantitative production. This target has been adopted for several years by STEFCE, which has carried out a considerable task of coordination, rationalization and normalization to define as closely as possible each species considered and its environment : soil, husbandry, parasite situation,

Introduction

Deux preoccupations concomitantes ont entraine la mise en ceuvre dequipements automatiques de mesure des parametres meteorologiques : c’est d’une part la diffculte d’acces de certains postes et celle dassurer une permanence totale de l’observation meteorologique dans le cadre social de la vie moderne, d’autre part le desir d’associer etroitement ces parametres entre eux ou avec d’autres donnees physiques et biologiques. Le probleme de l’automatisation des mesures s’est ainsi trouve lie a celui de la centralisation des donnees pour deboucher sur deux realisations : les stations meteorologiques automatiques qui assurent elles-mCmes la transmission des mesures meteorologiques qu’elles effectuent automatiquement et les stations climatologiques automatiques qui ne font qu’assurer I’enregistrement des elements qu’elles acquierent en vue dune utilisation a posteriori, generalement statistique. Nous insisterons plus particulierement sur ce dernier type d’acquisition et de centralisation. Cette automatisation a permis le traitement en temps reel ou differe des donnees climatiques et a abouti tres rapidement a la constitution dimportants fichiers specialises. La facilite de stockage de ces informations, de leur manipulation et de leur duplication que confere l’outil informatique a conduit tout naturellement a la notion de M banque de donnees D.

Les stations clirnatologiques autornatiques

On peut dire que I’automatisation des observations meteorologiques est apparue il y a environ un siecle avec les enregistreurs classiques, tels que thermographe, hygrographe, barographe, pluviographe, et il demeure toujours diffcile d’etablir une distinction nette entre ces appareils, toujours utilises et developpes, et les stations climatologiques automatiques.

Les performances croissantes de ces materiels sont liees, d’une part, aux progres realises dans les domaines de l’acquisition, du traitement et du stockage des donnees et, d’autre part, au developpement de nouveaux capteurs meteorologiques. Nous etudierons successivement ces differents aspects du probleme en nous inspirant tres largement de I’analyse et des conclusions du groupe de travail de la commission des instruments et des methodes d’observations de IOrganisation Meteorologique Mondiale (Treussart er al., 1963) ainsi que des communications presentees a la conference sur les stations meteorologiques automatiques (WMO, 1967).

La saisie de /’information climatique

Enregistrement analogique

Tres utilisee dans le passe, cette forme de saisie qui allie la fonction d’acquisition a celle de stockage est encore employee et mime developpee, tant du point de vue du nombre de capteurs connectables que de la duree possible des enregistrements. Elle est cependant consideree comme une solution peu elegante en raison des difficultes soulevees par l’enregistrement simultane, sur un m&me diagramme, de plusieurs variables (chevauche- ment des courbes, sequence des saisies, pluralite des systemes de coordonnees) et surtout par les faibles possibilites qu’elle offre dans le domaine du traitement automatique des donnees malgre les progres realises dans le domaine des lecteurs optiques de courbes. Le Canada, le Japon et la Republique federale dAllemagne ont realise des stations climatologiques automatiques enregistrant les elements mesures sous forme de courbes.

L‘enregistrement par compteurs est a rattacher a cette rubrique ; il ne constitue pas, en soi, une forme de centralisation et dacquisition de donnees mais peut Ctre partie d’un tout. I1 est particulierement adapte au comptage d’impulsions electriques provenant, soit directement d’un capteur (pluviometre a augets basculants, anemometre, anemogirouette),

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soit d’un dispositif d’integration (rayonnement, duree de mouillage, somme de temperatures, etc.).

Enregistrement digital

La conversion analogique digitale des informations brutes fournies par les capteurs a permis la mise en ceuvre d‘une nouvelle generation d‘appareils connus sous le vocable d’cc acquisition de donnees )) ; cette conversion peut Stre, dans certains cas, precedee par une transformation analogique du phenomene (variation de tension en remplacement d‘un deplacement ou d’une rotation de Yequipage mobile du capteur) ou du signal (amplification, linbrisation, f&age, etc.).

- prelevement de I’information analogique au niveau du capteur, eventuellement

- multiplexage analogique (scrutation des differentes voies commandbe par la base de

- conversion analogique digital (voltmetre numerique) ; - enregistrement de la variable codee, eventuellement decodage pour sortie en clair

L‘utilisation generalisk sur le terrain de ces enregistreurs de donnees, places et laisses pendant de longs mois dans des emplacements depourvus de toute protection contre les elements et devant fonctionner de maniere autonome, mais avec une fiabilite certaine, n’a ete rendue possible que par l’utilisation recente des semi-conducteurs a faible consommation et peu sensibles aux conditions ambiantes, par la conception et la realisation de convertisseurs analogue/digital de tres faible consommation et d’interfaces de capteurs de grande robustesse et fiabilite, sans compter le support de l’information que nous allons evoquer dans le paragraphe suivant.

Dans tous les cas les operations suivantes sont realisables :

transformation ;

temps) ;

(impression, transmission).

Le stockage de I’information codde

La methode d’enregistrement d’une station climatologique automatique est en general choisie en fonction de son lieu d‘utilisation (autonomie energetique, frequence des releves, environnement, etc.) et des conditions d‘exploitation ulterieure de l’information stock& ; elle utilisera le plus souvent comme support traitable la bande perfork ou la bande magnetique, mais des technologies nouvelles laissent entrevoir d‘autres possibilites.

La bande perforee

C‘est le support informatique le plus ancien apres la carte perforee dont il decoule inevitablement, il est relativement peu coOteux, se prkte aisement a la saisie de l’information codee mais peut donner lieu a de nombreuses sources d‘erreurs allant du support lui-meme au dispositif de perforation tres influence par la temperature et l’humidite ; enfin comme tout dispositif electro-mecanique il est gros consommateur d‘energie electrique. Peu de stations climatologiques utilisant ce mode d’enregistrement ont ete raisees jusqu’a ce jour. Nous ne pouvons citer que la c( Rauchfuss Instruments )) en Australie et la (c T.F.D.L )) aux Pays-Bas.

La bande magnetique C‘est evidemment le support informatique ideal car il offre la possibilite

denregistrer, suivant plusieurs codes, aussi bien en serie qu’en parallele ou combine ; il presente toutefois un certain nombre dinconvenients tels que la sensibilite aux phenomenes magnetiques et aux basses temperatures ; sa consommation electrique est loin

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d’gtre negligeable. Plusieurs stations climatologiques utilisent ce mode d’enregistrement ; nous avons pour notre part utilise avec satisfaction la station norvegienne (( AANDERAA DLI )> qui permet l’acquisition des donnees de 12 capteurs suivant un mode de scrutation programmable de 1 a 240 min ; l’enregistrement sur bande magnetique sous forme lineaire permet I’acquisition de l’ensemble des capteurs pendant un mois avec une scrutation toutes les 10 min ; enfin, detail non negligeable, son prix est tres competitif et il y a possibilite de transmission radio.

La minicassette Ce support assez recent derive evidemment du precedent, son avantage reside dans

sa rusticite et sa lkgerete qui influe sur son prix de revient et sa consommation electrique. Son defaut majeur est actuellement la proliferation des formats et des caracteristiques aussi bien du point de vue logique que physique, et ceci malgre la definition de la norme ECMA 34 issue de la norme internationale IS0 3407 de 1976. On peut dire, sans grand risque de se tromper, que toutes les acquisitions de donnees de terrain (dites (( ecologiques et les stations climatologiques actuellement proposees par les constructeurs americains et europeens utilisent ce mode d’enregistrernent.

Pour illustrer ce type d’acquisition nous citerons la station pluviothermique de la Meteorologie Nationale (realisee par (( Automatisme et Systemes )) a Arcueil, qui, actuellement testee au Centre Technique et du Materiel a Trappes, est destinee a remplacer les postes climatologiques auxiliaires de la Meteorologie Nationale. Elle permet I’enregistrement de deux parametres a la cadence d’une scrutation toutes les six minutes. L’enregistrement est effectue sur cassette dont I’autonomie est de 40 jours (de mCme que l’alimentation par piles). La visualisation des donnees acquises est possible mais la transmission a distance n’est pas envisagee dans l’immediat. En revanche, celle-ci est prevue pour la station meteorologique automatique (( SIMOUN D, commercialisee par la societe Schlumberger a Velizy-Villacoublay, qui peut acquerir jusqu’a 64 parametres climatiques avec une scrutation pouvant passer de 1 a 10 a l’heure. Elle dispose d’une capacite de traitement permettant la linearisation, la mise a I’echelle, le calcul de moyennes, la determination de maximum ou de minimum de chacune des grandeurs issues des capteurs de mesure. Le stockage peut se faire sur bande magnetique a cassette aux normes ECMA 34.

Sans pouvoir i3re exhaustif, nous pouvons citer le M.A.T.E.R. (Magnetic Tape Event Recorder) mis au point au Canada pour equiper le reseau climatologique de ce pays. Ce systeme d’une autonomie mensuelle peut permettre la mise sur minicassette des donnees climatologiques actuellement saisies sur enregistreur analogique.

Les memoires programmables Dernier ne de la technologie informatique, ce systeme de memoires deconnectables

(memoires RAM avec batteries incorporees, memoires EEROM a effacement electrique, memoires PROM-REPROM a effacement U.V. et memoires FERRITE), associe au microprocesseur, ouvre de nouvelles possibilites dans le domaine de I’acquisition et du traitement de donnees in sifu. La structure generale des stations climatologiques automatiques peut desormais se concevoir sous la forme suivante : - systeme dacquisition (pretraitement eventuel), de multiplexage et de conversion A.D. , - memoire de travail et de programmation ; - processeur de traitement ; - memoire de stockage ; - systeme dinterrogation (visualisation, stockage externe sur cassette, transmission en

temps reel).

1) IS0 : International Organization for Standardization.

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BAtie sur cette structure, nous venons de realiser une station climatologique automatique a DELTA )) (Etablissement Aerazur a Montrouge) mise au point en commun avec la Meteorologie Nationale et devant equiper progressivement le reseau de I'INRA. Elle est prevue pour acquerir 12 parametres : - la temperature de I'air sous abri ; - l'humidite relative sous abri ; - la pluviometrie ; - la vitesse du vent ; - la valeur du rayonnement global ; - la temperature a l'air libre a + 50 cm ; - la temperature a l'air libre a + 10 cm ; - la temperature dans le sol a - 10 cm ; - la temperature dans le sol a - 50 cm ;

Trois voies restent pour le moment libres et sur l'une d'elles est envisagee l'adaptation du capteur de duree de rnouillage INRA/STEFCE I .

La specification du systeme est decrite ci-dessous : - Cadence de scrutation : 6 min. - Visualisation sur un pupitre arnovible de toutes les donnees delivrees par les capteurs

par selection et interrogation, visualisation des donnees comprimees des 5 jours precedents.

- Enregistrement des donnks traitees sur memoire statique inalterable (type PROM- REPROM) amovible et effaqable aux U.V. pour reutilisation, durant une periode de 3 1 jours au moins (basculement sur une deuxieme memoire en fin de mois).

- Alimentation autonome par piles ou batteries (45 jours minimum) - Possibilite de transmettre les donnks a distance

- par voie filaire - par voie radio

niveau de la memoire denregistrement, n'etant retenus chaque jour que : - les temperatures extremes sous abri, - la temperature moyenne (moyenne des 240 scrutations), - la quantite de prkipitations en 24 heures, - le total du rayonnement global du jour (joules/cm*), - la vitesse moyenne du vent au cours des 24 heures, - les temperatures minimales a + 10 cm et + 50 cm, - les extremes de temperatures a - 10 cm, - la temperature a - 50 cm, - l'humidite relative moyenne (moyenne de 240 scrutations), - le nombre dheures ou l'humidite a ete < 40 % ou > 80 %

- Possibilite denregistrer toutes les donnees acquises sur enregistreur magnetique, au

Ces donnees agroclimatiques sont celles recueillies habituellement dans le reseau climatologique de l'INRA, mais au niveau de la programmation initiale du microproces- seur de la station il est possible de les modifier, ainsi dailleurs que les capteurs associes.

Cette centrale d'acquisition destinee a remplacer les stations classiques a ete conque dans ce but, ce qui explique en partie sa rigidite. Elle est prevue pour etre utilisee en tous lieux sans qu'aucune technicite ne soit requise pour son emploi. Les sorties par enregistrement sur bande magnetique, voie ftlaire (telephone, telegraphel, voie hertzienne, sont des complements possibles sur option.

1) STEFCE : Service Technique dEtudes des Facteurs Climatiques de I'Environnement.

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Autres modes d ’enregistrement

De nombreux autres modes denregistrement peuvent btre envisages mais la plupart d’entre eux fournissent des documents d’une exploitation difficile. Nous citerons par exemple l’enregistrement photographique periodique d‘une batterie de compteurs qui constitue la base de la station climatologique automatique (autonomie 54 heures) de la C.W. Thornthwaite - New Jersey.

Le traitement de /’information

Nous venons de voir, avec la mise en ceuvre des memoires programmables, l’apparition bient6t generalisee des dispositifs de traitement de I’information. Jadis reserves aux stations de reception ils suivent l’evolution des techniques informatiques qui visent a une compression de I’information a diffuser avec un traitement le plus pres possible du lieu d’acquisition. Ces systemes avaient deja fait leur apparition au sein des stations synoptiques automatiques ou des stations d’enqubte-surveillance qui sortent du domaine de notre analyse.

La diffusion de I’information

Bien qu’essentiellement reserves aux stations meteorologiques automatiques, les moyens de transmission peuvent btre associes aux stations climatologiques pour repondre a des besoins specifiques, tels ceux de la Protection des Vegetaux par exemple ; les moyens le plus couramment utilises sont les dispositifs radioelectriques et la ligne telephonique ou telegraphique. Ces derniers sont d u n usage courant en hydrometeorologie et constituent l’infrastructure des reseaux d’avertissement de crues.

Les capteurs meteorologiques

Les progres realises en metrologie sont loin d’atteindre ceux que nous venons d’analyser dans le domaine de l’acquisition des donnees meteorologiques.

La mesure de la temperature atmospherique ne presente aucun probleme, de mbme celle de I’eau de mer ou du sol ; elle se fait generalement au moyen de sonde de platine 100 ohm a ODC (aux normes DIN).

La mesure de I’humidite relative pose toujours de serieux problemes. La plupart des stations actuellement en service mesurent ce parametre au moyen d’un hygrometre a cheveux ; la mesure au moyen d’un psychrometre se heurte aux difficuftes de la bonne alimentation en eau du thermometre mouille et aux risques de gel. Les equipements electriques utilisant des resistances a fils de chlorure de lithium sont handicapes par la rapide deterioration de ces capteurs (nous utilisons cependant avec satisfaction une sonde VAISSALA de principe analogue dont la tension varie proportionnelfement a I’humidite relative). Le remplacement de la mesure de I’humidite relative par celle de la temperature du point de rosee se heurte a des problemes de prix de revient du capteur et de consommation d’energie electrique dans les dispositifs refroidis par effet Peltier.

La mesure du vent et de sa direction ne pose pas de problemes particuliers, sauf en haute montagne (givrage). La plupart des girouettes et des anemometres a moulinet ou a helice utilises dans les stations normales peuvent ttre employes dans les stations automatiques.

L a mesure de la hauteur des precipitations est egalement resolue a partir des: materiels existants dans les stations normales, essentiellement pluviographes a augets basculeurs.

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La mesure du rayonnement solaire (rayonnement global ou diffus), bien que n’etant pas repandue, ne pose pas de problemes specifiques; le capteur le plus utilise est le pyranometre a thermopile de Moll. En revanche, celle de la duree d’insolation, bien qu’etant theoriquement resolue (cellules photoelectriques en opposition), n’est pas d’usage courant.

Enfin, la mesure de I’evaporation, dun tres grand interkt dans les etudes agronomiques, pose un double probleme technologique et methodologique ; en effet, dune part, les capteurs actuellement utilises (evaporornetres ou bacs d’evaporation) se prktent fort mal a une automatisation et, dautre part, ils n’apprehendent qu’indirectement le phenomene qui nous interesse; de grands progres restent a realiser dans ce domaine longtemps neglige.

Ce survol metrologique peut ktre utilement complete par la lecture de l’analyse instrumentale de Monteith (1 972).

Les banques de donnbes

L‘automatisation de I’acquisition des facteurs climatiques debouche tres rapidement sur la constitution d’importants fichiers specialises dont I’exploitation releve de I’outil informatique. Nous ne nous etendrons pas sur l’exploitation de la (( banque de donnkes D ainsi constituk,. mais nous devons insister sur la necessite absolue, des que l’intervention humaine et ses facultes de decision sont supprimees, d’une fiabilite totale ; le plus leger doute, la plus minime ambiguite sufft a annihiler la potentialite dun fichier spkialise. Parallelement a cet effort de detection automatique des erreurs il convient de constituer des fichiers descriptifs permettant de suivre et de reconstruire la vie des stations repertoriks : modification de I’environnement, changement de materiels, dobservateurs, etc. Dans le contexte agrobiologique qui est le &re, ces mesures climatiques ne peuvent ktre valoriskes, en dehors des etudes sur la caracterisation de l’environnement, que par l’exploitation simultank et correlee de donnks agronomiques et biologiques : phenologie, rendement qualitatif et quantitatif, phytotechnie, dynamique des populations, caracterisation temporelle et spatiale des attaques, etc. Ces renseignements existent et peuvent vraisemblablement &re trouves aupres des differents laboratoires de recherche ; I’INRA pour sa part consacre des efforts non negligeables a la valorisation de ces connaissances qui restent inutilisees dans les cahiers de notations des differents chercheurs. Mais, pour que les recherches plus ou moins fondamentziles ou appliqukes sur les relations climat- developpement-production-situation parasitaire puissent se developper, il est necessaire dutiliser des methodes compatibles, d’avoir un support coherent et d’acquerir de faCon identique les diverses donnees biologiques. A I’encontre de la tendance actuelle qui vise a concentrer en des questionnaires personnalises (enquktes) un certain nombre de renseignements relatifs aux productions et a la caracterisation de leur environnement (climatique, parasitaire, etc.), il nous semblerait preferable &adopter la demarche prise en metbrologie qui a abouti a une saisie exhaustive sans a priori des facteurs climatiques et de confier la defrnition de chaque fichier au specialiste concerne : pedologue, zoologiste, virologue, agronome, ingenieur phytosanitaire, notamment.

BlBLlOGRAPHlE

MONTEITH. J.L. (1972). Survey of instruments for micrometeorology. IPB Handbook no 22. TREUSSART, H. et el. (1963). Stations meteorologiques automatiques. WMO tech. Note 52 (WMO 136 TP 62). WMO (1967). Automatic weather stations. WMO tech. Note 82 (WMO 200 TP 104).

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