Can satellites help organic crops certification? | Les satellites peuvent-ils aider la certification de l'agriculture biologique?

英语. Organic agriculture products are in increasing demand globally principally because, compared to conventional products, organic food is seen to be healthier and organic farming is more respectful of the environment by avoiding the use of synthetic chemical fertilizers and pesticides, and it excludes genetically modified organisms. Organic labelled farming products have to comply with established international standards and rules, and, in particular, organic producers have to be certified annually by organic certification bodies. One of the challenges of this certification process is the efficient targeting of the relatively small percentage of fields declared to be organic that must effectively be subject to an in situ inspection. The main objective of the present research, the first of its kind, is to assess how spatial remote sensing may support the organic crop certification process. This research is based on the hypothesis that the differences in treatments between organically and conventionally managed crop fields, primarily the differences in fertilization and crop protection, would result in biochemical and biophysical differences between the fields. Among these differences, some are supposed to be observable by spatial remote sensing derived indices. Consequently, these indices could be used at the beginning of the field certification process to target for priority in situ control fields declared as organic but that would show on satellite imagery an appearance that is closer to conventional fields. Such a technique would provide organic certification bodies with a supplementary and independent means of control which might be particularly useful for large farms and in production regions located in remote areas where the certification process might be more difficult and costly. In order to address this objective, 3 case studies were elaborated. The first case study focuses on wheat and maize in central-eastern Germany and consists of an exploratory approach combining a wide range of both in situ measurements and satellite sensors of various spatial and spectral resolutions. The second case study has a main purpose to assess the robustness of the method developed in the first case study over years and regions. It consisted in repeating the method on the German study site for the following cropping season for wheat and maize, and, for wheat exclusively, on a region located in central France. Near operational conditions were simulated by a limited use of satellite images. The third case study focuses on organic cotton in Burkina Faso and has a primary purpose of assessing the method’s efficiency in the context of a developing country where rural areas are sometimes more difficult to reach, making the use of remote sensing particularly relevant. Results show that the efficiency of the proposed method varies greatly depending on the situation. Indeed, in some situations, it appeared that biochemical and biophysical differences between organically and conventionally managed fields may exist at given crop growth stages and are sufficiently pronounced to enable a complete discrimination between organic and conventional management modes through various simple indices derived from multispectral satellite images. In other situations however, the discrimination appeared to be far more difficult and required the complementarity of different types of indices integrated in multivariate linear models. Given these mixed results and the limited representativeness of the 3 case studies compared to the diverse contexts where the developed method is supposed to be used in operationally, it appeared that there is simultaneously both room for optimism but also considerable uncertainty with regard to whether spatial remote sensing could effectively contribute to ensuring that crop fields declared as organic are truly organic.

法语. Les produits issus de l’agriculture biologique rencontrent une demande mondiale croissante principalement parce que, en comparaison aux produits conventionnels, la nourriture biologique est perçue comme étant plus saine et que l’agriculture biologique est plus respectueuse de l’environnement en évitant l’utilisation de fertilisants et pesticides chimiques de synthèse et en excluant l’utilisation d’organismes génétiquement modifiés. Les produits issus de l’agriculture biologique, pour être labélisés comme tel, doivent respecter une série de réglementations et normes internationales, et, en particulier, les producteurs biologiques doivent être certifiés annuellement par les organismes de certification biologique. Un des défis de ce processus de certification est le ciblage efficace du relativement faible pourcentage de champs déclarés biologiques qui doivent effectivement faire l’objet d’une inspection in situ. La présente étude, la première en son genre, a pour objectif global d’évaluer dans quelle mesure la télédétection spatiale pourrait appuyer le processus de certification de l’agriculture biologique. Cette recherche est basée sur l’hypothèse que les différences de traitements appliqués aux cultures biologiques et conventionnelles, principalement concernant la fertilisation et la protection des cultures, résulteraient en des différences biochimiques et biophysiques des champs. Parmi ces différences, certaines sont supposées être observables via des indices dérivés de la télédétection spatiale. En conséquence, ces indices pourraient être utilisés au début du processus de certification des champs afin de cibler pour un contrôle in situ prioritaire les champs déclarés biologiques mais dont l’apparence sur les images satellites se rapprocherait de celle de champs conventionnels. Une telle technique fournirait aux organismes de certification biologique un moyen de contrôle supplémentaire et indépendant qui pourrait s’avérer particulièrement utile pour les grandes exploitations agricoles et dans les régions de production situées dans des zones reculées pour lesquelles le processus de certification peut se révéler plus difficile et coûteux. Dans le but d’atteindre cet objectif, 3 études de cas ont été élaborées. La première étude de cas se concentre sur le blé et le maïs dans le centre-est de l’Allemagne et consiste en une approche exploratoire combinant une large gamme de mesures in situ et de capteurs satellites de diverses résolutions spatiales et spectrales. La seconde étude de cas a pour but principal d’évaluer la robustesse annuelle et géographique de la méthode développée dans la première étude de cas et consiste en une répétition de la méthode sur le site d’étude allemand pour la saison agricole suivante pour le blé et le maïs, et, pour le blé exclusivement, sur une région localisée dans le centre de la France. Des conditions presque opérationnelles ont été simulées par une utilisation limitée d’images satellites.   La troisième étude de cas se concentre sur le coton biologique au Burkina Faso et a pour but principal d’évaluer l’efficacité de la méthode dans le contexte des pays en développement dans lesquels les campagnes sont parfois plus difficiles d’accès, rendant l’utilisation de la télédétection particulièrement pertinente. Les résultats montrent que l’efficacité de la méthode proposée varie fortement selon les situations. En effet, dans certaines situations, il est apparu que des différences biochimiques et biophysiques peuvent exister entre les champs biologiques et conventionnels à certains stades de croissance des cultures et être suffisamment prononcées que pour permettre une discrimination complète entre les modes de gestion biologique et conventionnel à travers divers indices simples dérivés d’images satellites multispectrales. Dans d’autres situations cependant, la discrimination est apparue beaucoup plus difficile et a nécessité la complémentarité de différents types d’indices intégrés dans des modèles multivariés linéaires. Etant donné ces résultats mitigés et la représentativité limitée des 3 études de cas par rapport à la diversité de contextes dans lesquels la méthode développée est supposée être utilisée opérationnellement, il est apparu qu’il y a à la fois lieu d’être optimiste mais qu’il reste également une importante incertitude quant au fait de savoir si la télédétection spatiale pourrait effectivement contribuer à assurer que les champs déclarés de culture biologique sont réellement biologiques.

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