Regular tilings in interaction-graph-based modelling of spatial dynamics : conception, implementation, application Pavages réguliers et modélisation des dynamiques spatiales à base de graphes d'interaction : conception, implémentation, application

The modelling and simulation of spatial dynamics, particularly for studying landscape changes or environmental issues, raises the question of integrating different forms of spatial representation within the same model. Ocelet is an approach for modelling spatial dynamics based on the original concept of interaction graph. Such a graph holds both the structure of a relation between entities of a model and the semantics describing its evolution. The relationships between spatial entities are here translated into interaction graphs and these graphs are made to evolve during a simulation. The concepts on which Ocelet is based can potentially handle two known forms of spatial representation: shapes with contours (vector format) or regular grid cells (raster). The vector format is already integrated in the first version of Ocelet. The integration of raster and the combination of the two remained to be studied and carried out. The aim of the thesis is to first study the issues related to the integration of continuous fields and their representation by regular tiling, both in the Ocelet language and the concepts on which it is based. The dynamic aspects of this integration had to be taken into account and transitions between different forms of geographic data and interaction graphs had to be studied in the light of the concepts formalized. The concepts were then implemented in the Ocelet modelling platform, with the adaptation of both its compiler and runtime. Finally, these new concepts and tools were tested in three very different cases: two models on Reunion Island, the first simulating runoff in Ravine Saint Gilles watershed in the West Coast of the island, the other simulating the spread of invasive plants in the high plains inside the Reunion National Park. The last case describes the spatialisation of a crop model and is applied here to simulate the cereal crop yields in West Africa, in the context of an early warning system for regional crop monitoring. La modélisation et la simulation de dynamiques spatiales, en particulier pour l'étude de l'évolution de paysages ou de problématiques environnementales pose la question de l'intégration des différentes formes de représentation de l'espace au sein d'un même modèle. Ocelet est une approche de modélisation de dynamiques spatiales basée sur le concept original de graphe d'interaction. Le graphe porte à la fois la structure d'une relation entre entités d’un modèle et la sémantique décrivant son évolution. Les relations entre entités spatiales sont ici traduites en graphes d'interactions et ce sont ces graphes que l'on fait évoluer lors d'une simulation. Les concepts à la base d'Ocelet peuvent potentiellement manipuler les deux formes de représentation spatiale connues, celle aux contours définis (format vecteur) ou la discrétisation en grille régulière (format raster). Le format vecteur est déjà intégré dans la première version d'Ocelet. L'intégration du format raster et la combinaison des deux restaient à étudier et à réaliser. L'objectif de la thèse est d'abord étudier les problématiques liées à l'intégration des champs continus et leur représentation discrétisée en pavage régulier, à la fois dans le langage Ocelet et dans les concepts sur lesquels il repose. Il a fallu notamment prendre en compte les aspects dynamiques de cette intégration, et d'étudier les transitions entre données géographiques de différentes formes et graphe d'interactions à l'aide de concepts formalisés. Il s'est agi ensuite de réaliser l'implémentation de ces concepts dans la plateforme de modélisation Ocelet, en adaptant à la fois son compilateur et son moteur d'exécution. Enfin, ces nouveaux concepts et outils ont été mis à l'épreuve dans trois cas d'application très différents : deux modèles sur l’île de la Réunion, le premier simulant le ruissellement dans le bassin versant de la Ravine Saint Gilles s'écoulant vers la Côte Ouest de l'île, l’autre simulant la diffusion de plantes invasives dans les plaines des hauts à l'intérieur du Parc National de La Réunion. Le dernier cas décrit la spatialisation d'un modèle de culture et est appliqué ici pour simuler les rendements de cultures céréalières sur l’ensemble de l’Afrique de l’Ouest, dans le contexte d'un système d'alerte précoce de suivi des cultures à l'échelle régionale.