Comprendre
les mécanismes naturels de multiplication
végétative dans les systèmes
écologiques complexes (du comportement
individuel de la
plante jusqu'aux interactions entre les espèces) par la
reconstitution d'une prairie virtuelle (projet ViP)
Le
département informatique de l'Université
de
Houston (Etats-unis)
Marc
Garbey (Chef de projet),Waree Rinsurongkawong
(Doctorante) et Malek
Smaoui (Doctorante)
L'INRIA Sophia Antipolis -
Méditerranée
(l'institut national de recherche en informatique et automatique),
Modèle pour l'analyse des performances et le
contrôle des réseaux (MAESTRO)
Ce
projet
s’intègre dans un contexte où la mise
en place de solutions rapides
devient urgente pour compenser la dégradation de
l’environnement
occasionnée par l’homme. Un
intérêt accru est observé pour les
systèmes
naturels dont on démontre désormais de
manière flagrante les services
écologiques associés tant au niveau de la
dépollution des eaux et des
sols que dans la régulation du réchauffement
climatique. Les nouvelles
réglementations environnementales incitent
désormais à la création de
nouveaux systèmes de ce type pour renforcer leur effet
bénéfique sur
l’environnement. Il s’agit cependant
d’optimiser le design de ces
nouveaux systèmes pour fournir le meilleur service
écologique rendu. Le
projet MODECOL vise à établir un
modèle hybride réaliste permettant de
modéliser un système herbacé
(=prairie) par IBM relié par des boucles
de rétroaction à une couche environnementale
modélisée par EDP. Cette
démarche vise constituer par la suite un laboratoire virtuel
suffisamment réaliste pour tester des hypothèses
écologiques au niveau
de systèmes écologiques complexes.
La
première étape de travail consistera à
réaliser un modèle IBM pour
représenter le système prairial
considéré comme
l’intéraction de
populations végétales (IBM(prairie)). Un des
aspects novateurs de ce
projet est i. de prendre en compte la particularité de toute
plante
pérenne de croître par reproduction
végétative: c'est-à-dire
qu’un
individu de plante simplifié le plus souvent par un point,
est en
réalité un réseau de tiges
connectées entre elles par des structures
permettant le transfert de ressources nutritives ou
d’information de
stress.
La prise en compte de
cette colonisation de
l’espace par le
développement de réseaux est
particulièrement originale. Les règles
d’intéraction entre plantes feront appel
à des aspects de théories des
jeux. Enfin, l’établissement de la structure du
modèle et sa validation
fera appel à des expérimentations
réalisées en conditions
contrôlées et
sur le terrain. Des techniques d’analyses d’image
seront utilisées pour
détecter les différents réseaux de
plante entrelacés.
La deuxième étape du
projet visera à
coupler ce modèle IBM à un système
d’EDP (Hybrid model) qui prendra en compte les variations
spatio-temporelles de l’environnement (par ex une
concentration en
pesticides, en nitrate, etc.). Ce point met en jeux plusieurs
réflexions liées 1. à la notion de
couplage de modèles d’échelles de
temps et d’espace différentes et 2. des aspects
liés au rôle de
l’échelle de perception de l’individu
sur le déterminisme de sa
croissance qui peuvent s’apparenter à
l’écologie comportementale. La
validation de ce modèle sera réalisée
par des suivis in situ au niveau
du site
LTER de Pleine-Fougères.
La troisième étape du
projet cherchera
à établir un modèle
aggrégé
ayant pour but de servir de support à l’aide
à la décision pour les
gestionnaires. Basés dans un premier temps sur un
système d’EDO, un
système d’EDP calibré par les
données issues de l’IBM sera
réalisé. Une
validation croisée avec les données issues de
l’expérimentation sera
également effectuée.
La quatrième étape
visera à appliquer
ce dernier modèle à une
application concrète liée aux
dernières directives
agro-environnementales de la PAC. L’une des mesures phares de
cette
directive est la mise en place de bandes enherbées en bords
de champs
cultivés pour contribuer à
l’épuration de l’eau. Nous utiliserons
donc
cet outil pour préciser le design optimal des bandes
enherbées dans ce
but. Cette tache sera réalisée en confrontation
avec un comité de
pilotage constitué de représentant de la chambre
d’agriculture,
d’agriculteurs et de chercheurs. Cette démarche
participative permettra
une bonne adéquation de ce travail avec la
réalité agricole.
Les trois premières taches
nécessiteront i. des
outils d’écologie
numérique permettant la confrontation des données
issues des
simulations et des expérimentations. Ils viseront
à identifier les
patrons de distribution des individus, les corrélations
entre ces
patrons et les variations de l’environnement, la prise en
compte de la
notion d’échelles ; ii. des
avancées récentes en calculs scientifiques
permettant la réalisation de simulations à large
échelle pour des coûts
modestes en temps et en équipement. Nous utiliserons une
approche
originale de calcul distribué sur ordinateur par
l’utilisation de la
plateforme BOINC.
Ce projet présente ainsi une
démarche entrant
pleinement dans le cadre
de l’appel d’offre SYSCOM, originale par de
nombreux aspects mettant en
jeu une collaboration étroite entre écologues et
modélisateurs et
donnant lieu à une application concrète en prise
directe avec les
gestionnaires. Ce projet propose également un
modèle hybride assez
flexible qui pourra être appliqué après
modifications mineures à de
nombreuses problématiques liées à des
systèmes herbacés.
Virtual
Prairie
L'objectif
de ce projet est
d'étudier les
mécanismes fondamentaux qui interviennent lorsque
la végétation herbacée des prairies
doit faire face à un stress (tonte récurrente,
pâturage, pollution, ...). Ces modèles ont des
applications,
à
commencer par la conception d'une prairie à haute valeur
agronomique ou la préservation des
écosystèmes
à forte biodiversité. De nouvelles
idées ont
été récemment
développées pour une utilisation
écologique de ces végétaux (voyez par
exemple une récente étude financée par
la National Science
Foundation (une
agence gouvernementale indépendante des
États-Unis
d'Amérique, pour soutenir financièrement la
recherche
scientifique fondamentale) : "Les prairies mixtes humides sont une
meilleure source de biocarburant que l'éthanol de
maïs ou
que les agro-carburants issus du soja" : http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=108206).
Le projet ViP étudiera les
effets des
pratiques d'exploitation sur la compétition entre les
plantes et
la diversité génétique de la
prairie.Le modèle se base sur des
données
expérimentales obtenues par des mesures
statistiques
réalisées dans des prairies. Le projet utilise
également une
approche
expérimentale pour contrôler la
croissance de
plants individuels se reproduisant par multiplication
végétative sous différentes
conditions environmentales. Un modèle individuel simule un
ensemble de plants individuels qui se développent en ramets
(chez les végétaux, chaque individu obtenu suite
à un bouturage naturel ou non est appelé un
ramet) mais il simule également les connexions (les cordons
reliant les ramets et facilitant la propagation des plants sur le
terrain).
La
première
phase a pour
but d'étudier et de classer les caractéristiques
de ces
plants individuels et leur stratégie pour
survivre dans un environnment concurrentiel. Les traits
biologiques
et la plasticité de chaque bouture est au coeur de
cette
question. Le principal objectif serait d'identifier une
fonction rationnelle qui correspondrait à une
stratégie de
croissance optimale.
La seconde phase du
projet
étudiera la comportement d'un mélange
d'espèces dans une prairie. Les lois régissant
les
interactions entre les plantes seront ajoutées.
Ces deux phases seront menées à bien par une
simulation multi-échelle d'une
prairie validée par des données
expérimentales
et calculée au moyen de l'outil informatique (in
silico);
la première phase s'achevera après la mise au
point d'une application qui arrivera à modéliser
les plants individuels et par la caractérisation d'un
ensemble de lois à partir d'une série
d'expérimentations controlées.
L'espace des paramètres est extrêmement large et
l'utilisation d'algorithmes évolutionnistes parait naturelle
pour ce type d'étude écologique. Au cours de la
seconde phase, les interactions entre des milliers d'individus devront
être simulées pour observer les
propriétés qui pourraient potentiellement
émergées de
ce complexe système écologique.
Ces phases nécessitent des simulations à grande
échelle et donc elles entrainent un parallélisme
gênant qui devrait
être facilement surmonté grâce
à BOINC
Selon les estimations, il faudra calculer environ 1.000.000
simulations, ce qui aurait pris 10 ans sur un
ordinateur individuel. L'étude d'un seul parcours
évolutionnaire prendrait au moins un an sur un PC individuel
(phase1). Il existe des dizaines de parcours
différents impliqués dans la
dynamique évolutionniste. La simulation est deux
fois plus
complexe pour une prairie (phase 2). Une phase de calcul qui pourrait
tirer avantage de la capacité de calcul non
utilisée de
10.000 PC durant un mois devrait apporter de nouveaux
résultats
dans la préservation des prairies, ces résultats
n'ont encore jamais pu être obtenus par le passé
Cet article a été publié le 05-04-2008 21:39. Vous pouvez suivre les commentaires suscités par cet article grâce au fil RSS 2.0. Vous pouvez laisser un commentaire.
Dernière mise à jour 21-06-2009 18:40
Vos commentaires (3)
Posté par Korn57 06-09-2008 12:41,
...
Salut tout le monde,
je voulais commencé à participer à ce projet mais je n'ai pas de WUs à calculer! Le serveur semble hors fonction car quand je vais sur l'URL du projet : http://vcsc.cs.uh.edu/virtual-
prairie/ j'ai un message d'erreur.
Pareil que Frederic, je suis passé sur ce projet notamment pour faire gagner quelques points à la team au Formula Boinc 2008. Les unités partent très rapidement (mis à part qu'aujourd'hui le serveur est down)...
voici deja 15 jours environ que je fight sur ce projet consommant beaucoups de mémoire vive, aujourd'huit ce probleme est résolu pour le bonheur de plus amples machines, certains d'entre vous sen sont apercu et vous etes de plus en plus nombreux a venir sur ce projet, jen suis ravi, je vais continuer de cruncher au max pour les 15 prochains jours histoire de nous assurer une bonne place sur ce projet avant que vienne a l'idée d'autres teams de nous détroner, de plus c'est un sujet de saison le 21 juin les prairies vont commencer a s'achéchées...lol...broutons ensembles
