L'université de Fribourg compte parmi les meilleures universités d'Allemagne et est reconnue pour l'excellence de sa recherche et de son enseignement depuis 565 ans. En effet, 23 lauréats du prix Nobel ont mené des recherches, enseigné et étudié au sein de cette université. Markus Weiler, professeur d’hydrologie et titulaire de la chaire d’hydrologie à la Faculté de l’environnement et des ressources naturelles, explique pourquoi cette faculté jouit d’une si bonne réputation en matière de recherche.
« Nous sommes en quelque sorte uniques en ce sens que, généralement, un seul professeur supervise un petit département comptant entre 5 et 20 doctorants et d’autres chercheurs, ce qui nous permet de mener de nombreux projets de recherche différents. L’Allemagne dispose également d’un très bon financement externe pour la recherche universitaire. Le département d’hydrologie dispose actuellement de cinq bassins versants expérimentaux différents : l’un dans la Forêt-Noire, un autre en milieu rural, un autre encore en milieu urbain, et deux dans des bassins versants agricoles. À tout moment, nous menons entre 10 et 15 projets différents », a déclaré M. Weiler.
Ces projets de recherche génèrent d’importants volumes de données qui doivent être stockées et gérées par plusieurs personnes sur de longues périodes. Il est essentiel que ces données soient accessibles en un seul et même endroit afin que les chercheurs puissent les organiser et les analyser. En 2003, M. Weiler travaillait à l’Université de Colombie-Britannique, sur la côte ouest du Canada, où il a découvert pour la première fois Aquarius, un logiciel de gestion des données développé par Aquatic Informatics.
« J’apprécie la réflexion qui a présidé à la structuration des données dans Aquarius. Au lieu de se concentrer sur le capteur, Aquarius part de la localisation, car il faut bien plus qu’une mesure, des coordonnées et un horodatage pour évaluer la qualité des données. Il faut également inclure des métadonnées, par exemple si la lecture est manuelle ou numérique, ainsi que la fréquence des mesures. Cela permet de déterminer s’il y a une dérive ou si le capteur est défectueux. La dérive d’un capteur peut entraîner des relevés de mesure inexacts. Elle peut être causée par plusieurs facteurs, tels que la contamination environnementale, les vibrations ou les fluctuations extrêmes de température. L’utilisation d’un logiciel comme Aquarius nous fournit des données dont la qualité est garantie, ce qui constitue la base d’une bonne analyse », a déclaré M. Weiler.
Personnaliser un logiciel pour répondre aux besoins d’un projet
En 2012, la chaire d’hydrologie a obtenu une importante subvention de la fondation allemande pour la recherche, la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), afin d’installer 10 000 capteurs individuels dans différents bassins versants au Luxembourg pour mesurer le débit, l’humidité du sol, les variables météorologiques, la qualité de l’eau, les eaux souterraines et les isotopes. Aquarius a été utilisé pour gérer le volume important de données issues de cette surveillance continue et a nécessité quelques modifications sur mesure afin de s’adapter à l’ampleur du projet.
« À l’époque, Aquarius était principalement conçu pour les données de jaugeage, de débit et de qualité de l’eau ; nous avons donc collaboré avec les développeurs du logiciel pour ajouter de nouveaux paramètres de mesure concernant la teneur en eau du sol, les isotopes stables et les variables météorologiques. Ils ont également travaillé avec nous pour créer de nouvelles fonctionnalités nous permettant de gérer les données selon nos besoins. Par exemple, nous disposions de plusieurs stations équipées de grappes de capteurs, et nous souhaitions dupliquer les métadonnées pour toutes les stations plutôt que de configurer chacune d’entre elles individuellement. Le fait de pouvoir collaborer avec l’équipe d’Aquarius pour apporter ce type d’améliorations a été bénéfique pour nous deux. »
Une autre particularité de la chaire d’hydrologie est qu’elle fait partie de la Faculté de l’environnement et des ressources naturelles, ce qui permet à M. Weiler d’accéder à un large éventail d’expertises. Les projets impliquent notamment l’apport et l’utilisation de données provenant d’économistes, de politologues, d’ingénieurs, etc. Cette approche interdisciplinaire permet aux projets de recherche d’intégrer de nombreuses compétences et perspectives différentes, ce qui rend les résultats plus pertinents pour la société.
Comprendre l’hydrologie pour mieux prévoir les impacts du changement climatique
Aujourd’hui, la chaire d’hydrologie travaille sur un vaste projet établissant un lien entre les flux de carbone et d’eau dans les forêts, entre les arbres, le sol et l’atmosphère. Des milliers de mesures sont effectuées sur un hectare de peuplements forestiers variés, et M. Weiler utilise Aquarius pour gérer, valider et analyser une grande partie de ces données. Il s’agit d’un projet complexe impliquant des mesures en 4 dimensions, qui inclut des données provenant de capteurs et d’échantillons actuellement collectées par des étudiants, mais qui seront bientôt recueillies par des robots conçus par le département d’ingénierie, ainsi que par des drones pour mesurer les conditions au sein de la canopée, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui permettent d’analyser les flux d’eau et de sève phloémique dans l’ensemble du système arboricole. La RMN en continu est une nouvelle méthodologie capable de quantifier le transport de l’eau et du carbone (isotopes) dans les arbres ; M. Weiler espère collaborer avec les développeurs d’Aquarius pour l’intégrer au logiciel.
En améliorant la compréhension des cycles du carbone et de l’eau dans les forêts, les scientifiques seront en mesure de mieux prévoir les effets de la chaleur extrême, de la sécheresse et des inondations qui menacent de plus en plus de nombreuses forêts à travers le monde. «Comme les forêts traitent une grande partie du carbone de la planète, leur survie est notre survie ; il est donc impératif que nous comprenions leur fonctionnement à différentes échelles afin de mieux prévoir l’état de santé des forêts dans 10, 20, 50 ou 100 ans et plus, alors que nous sommes confrontés aux effets du changement climatique », a déclaré M. Weiler.
Un autre projet de recherche nécessitant le traitement et le stockage de données issues d’une surveillance continue porte sur l’étude de la connectivité hydrologique et de son influence sur la formation du débit des cours d’eau au niveau des versants et des bassins versants. L’université dispose de 46 sites équipés de grappes de capteurs et de plus de 20 sites de mesure du débit dans le cadre d’un réseau de bassins versants imbriqués. Les mesures portent notamment sur l’humidité et la température du sol, le niveau et la température des eaux souterraines et de surface, le flux de sève, les précipitations, la température de l’air, l’humidité, la vitesse et la direction du vent, ainsi que le rayonnement global. Ces mesures représentent au total 2 664 séries chronologiques à intervalles de cinq minutes. Il existe également 60 caméras à intervalles réguliers et des observations ponctuelles qui peuvent être consignées dans les notes Aquarius pour chaque site.
Grâce à Aquarius, les chercheurs peuvent organiser et analyser les données, et mettre en évidence des relations entre différents paramètres, tels que l’humidité du sol et le niveau des eaux souterraines, le débit des cours d’eau et les isotopes, afin de mieux comprendre la quantité d’eau stockée par les bassins versants, la manière dont ceux-ci libèrent l’eau dans l’espace et dans le temps, ainsi que les liens entre les fonctions hydrologiques de collecte, de stockage et de libération de l’eau.
En approfondissant la compréhension de la connectivité au sein d’un bassin versant, les scientifiques sont en mesure de mieux prédire la réponse pluvie-ruissellement et son incidence sur la qualité de l’eau des cours d’eau, ainsi que ses impacts sur les écosystèmes riverains. Les épisodes de précipitations extrêmes devenant de plus en plus fréquents, ces recherches contribueront à comprendre l’interaction entre les eaux de surface et les eaux souterraines, mais aussi la propagation des polluants dans l’environnement.
Les avantages des solutions de gestion des données prêtes à l’emploi
Avant d’utiliser Aquarius, les données de recherche étaient dispersées dans divers emplacements et, au fil du temps, les ensembles de données perdaient souvent leur valeur car les informations permettant de définir ces données ou ces séries chronologiques disparaissaient lorsque la personne en charge du projet quittait ses fonctions. L’université a constaté que des années et des années d’informations précieuses étaient perdues lorsque les données étaient stockées dans divers formats de fichiers de projet et à différents emplacements.
« Comme la plupart des universités, nous comptons de nombreux data scientists et, bien sûr, ceux-ci ont tendance à vouloir développer leurs propres systèmes, estimant que c’est plus économique. Mais nous avons constaté au fil du temps que pour tirer le meilleur parti des données, une structuration experte est nécessaire, et dans notre cas, celle-ci doit être réalisée par des experts en hydrologie. Les logiciels évoluent sans cesse, tout comme nos méthodologies, nos besoins en matière de recherche et les paramètres de nos projets. Concevoir un nouveau système de gestion des données à partir de zéro pour s’adapter à ces changements n’a pas de sens. C’est pourquoi nous préférons utiliser un logiciel professionnel géré par des développeurs qui se consacrent exclusivement à l’optimisation de la gestion des données pour une meilleure analyse », a déclaré Markus Weiler.
Aujourd’hui, Aquarius est utilisé par des organismes de surveillance du monde entier pour acquérir, traiter, modéliser et publier des données, et il continue d’élargir ses fonctionnalités et son offre en s’appuyant sur les précieuses observations et les besoins de clients tels que Markus Weiler.
Cet article a été initialement publié dans Water Magazine