simulation des écoulements surfaciques des eaux par automate cellulaire dans les systèmes...

Simulation des écoulements surfaciques des eaux par Automate Cellulaire dans les

Systèmes d'Information Géographiques

Présenté par: Hédia SammariSupervisé par: Mir Abolfazl Mostafavi

Bernard MoulinGeneviève Pelletier

Plan

• Mise en contexte

• Problématiques

• Objectifs

• Méthodologie

• Résultats

Introduction• Les problèmes environnementaux• Préoccupation majeure de notre époque• Sur le plan scientifique + social

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Introduction

Représentation Phénomènes dynamiques et complexes Outil d’aide à la décision

• gestion du territoire• protection de l’environnement• développement durable.

Catégorie spécifique des phénomènes dynamiques complexes Les processus spatio-temporels

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Processus Spatio-temporels Les processus spatio-temporels

• Fonction à valeur unique F= f(x, y, z, t)• Ensemble de règles - éléments locaux -

comportement global du processus.

Exemples de Processus Spatio-temporels

• Érosion• Réchauffement climatique• Inondation• Croissance urbaine / démographique • Évolution de l’occupation du sol

On étudie le cas de l’écoulement surfacique des eaux5

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

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dimensionMode de représentation ( discret

/ continu)échelles

Caractéristiques des processus spatio-temporels

Exemple : Écoulement Surfacique des Eaux

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Représentation dans les SIG

Représentation dans les SIG

métrique topologie géométrieinteraction des

objetsévolution

temporelle

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

• Limitations SIG:– Modélisation des données continues PST ESE– Manque de fonctionnalités représentation, analyse,

simulation– Structures de données Raster actuelles

statiques, grille régulières, Pas de mouvement faciles entres les échelles

Couplage SIG - Outils de simulation

SIGOutils de

Simulation

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

• Comment simuler les PST (ESE) dans les SIG ?

DimensionType de

voisinage

Structure du maillage

Mécanisme de transition

Automate Cellulaire

Couplage SIG - Outils de simulation

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Couplage faible

Couplage fort

Couplage total

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

AC

Problématique Générale

Complexités de simulation des

processus spatio-temporels dans

les SIG

Découpage de l’ espace

Évolution temporelle et pas de

temps

Modélisation 3D

Gestion de la topologie

multi-échelles

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

• Comment on peut Représenter les Processus spatiotemporels : modéliser et simuler

• Limites dans les SIG

Prendre en compte l’irrégularité

Les différentes échelles

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Problématiques de la recherche

1- Représentation multi-échelle

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Passage d’une échelle à une autre dans la même

tessellation

Représentation multi-échelle

Interactions locales entre les objets Comportement global du processus nécessité d’une représentation multi-échelle

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

1- Représentation multi-échelle

• Exemple En hydrologie

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

2- Discrétisation de l’espace

Unités Hydrologiques Relativement Homogènes: utilisées pour modéliser le processus d’écoulement surfacique des eaux

Objectif Général

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Apporter des améliorations aux capacités des SIG à représenter les processus spatio-temporels tels que les phénomènes hydrologiques

Proposer une structure de données capable de prendre en compte les différentes caractéristiques pertinentes à la représentation de ces processus: Continuité, irrégularité, multi-échelles

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Objectifs Spécifiques

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

-1- Développer une structure de données à grille irrégulière dans les SIG qui permet de représenter un processus spatio-temporel

-2- Hiérarchiser la structure développée.

-3- Développer une méthode de simulation de l’écoulement surfacique des eaux par Automate Cellulaire basée sur la structure développée.-4- Valider la structure développée et l’approche Automate Cellulaire dans un contexte hydrologique.

Méthodologie

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Phase 1• Inventaire et analyse de l’existant

Phase 2• Solution proposée = Approche

Phase 3• Conception du système

Phase 4• Réalisation

Phase 5• Validation/ expérimentation

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Démarche d’analyse des processus spatio-temporels

• Le processus étudié = écoulement surfacique des eaux

Aspect spatial on modélise l’espace ( les objets, les interactions, le voisinage

Aspect temporel l’évolution dans le temps, la simulation de l’écoulement

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Phase 2 : solution proposée - approche

Phase 2 : solution proposée - approche

La modélisation spatiale

• Les objets tous les éléments de l’espace qui doivent être considérés:

• Bassin versants

• sous bassins,

• exutoires,

• plans d’eau,

• pixel de données d’altitude,

• stations météo

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Phase 2 : solution proposée - approche

Les interactions

On définit les lois hydrologiques qui régissent les relations entre les objets

Fonction de calcul du débit

Fonction de calcul de l’écoulement et du temps d’écoulement

règles de transition pour l’outil Automate cellulaire

on utilise plusieurs manières de représentation des processus spatio-temporels

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Échelle Niveau spatial Géométrie

Micro-échelle Modèle Numérique d’Altitude MNA

Grille régulière

Méso-échelles petits sous bassins versants

Géométrie irrégulièrevoronoi

Macro-échelle Régions et Bassins versants

Géométrie irrégulière

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Phase 2 : solution proposée - approche

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Structures Géométriques

dans les SIG• Grille

irrégulière

Approche Automate Cellulaire

• Règles de transition

Application en Hydrologie

Phase 2 : solution proposée - approche

SIG - AC - Hydrologie

Phase 3: Conception du système

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

• Proposer une manière de discrétiser l’espacepour chaque niveau hiérarchique identifié.

• Cette discrétisation dépend essentiellement :

– des données disponibles et/ou nécessaires (MNT,MNA, cartes géographiques, images satellitaires,etc.)

– du niveau du détail désiré.

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Échelle Données

Micro Topographie ( MNT, MNA, données Lidar)

Meso

+

Macro

- Limites des bassins versants

- données météorologiques

- Type de sol- Occupation du sol

Phase 3: Conception du systèmeContexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

• Simulation AC à l’échelle la plus fine : micro-échelle (MNA)

• Le calcul de l’écoulement de surface - formule de Manning:

• vélocité = coef.M * pente1/2 * profondeur 2/3

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Type de sol –occupation du sol

topographieDonnées météo

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Phase 4: Réalisation

Micro scale Meso scale Macro scale

Contexte Problématiques Objectifs RésultatsMéthodologie

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Contexte Problématiques Objectifs RésultatsMéthodologie

Phase 4

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• Pour la validation, on dispose de données in situ de débit dans le bassin expérimental de la forêt montmorency.

Contexte Problématiques Objectifs RésultatsMéthodologie

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Contexte Problématiques Objectifs RésultatsMéthodologie

Merci

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Automate Cellulaire

• Un automate cellulaire est un ensemble d’éléments possédantdes attributs qui changent au cours du temps et qui permetd’effectuer des simulations de grande envergure sur la base derègles simples

DimensionType de

voisinage

Structure du maillage

Mécanisme de transition

Automate Cellulaire

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Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Automate Cellulaire

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DimensionType de

voisinage

Structure du maillage

Mécanisme de transition

Automate Cellulaire

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Automate Cellulaire

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DimensionType de

voisinage

Structure du maillage

Mécanisme de transition

Automate Cellulaire

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Automate Cellulaire

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DimensionType de

voisinage

Structure du maillage

Mécanisme de transition

Automate Cellulaire

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie

Automate Cellulaire

• Il est déterministe si l’état d’une cellule dépend directement del’état du voisinage au pas de temps précédent,

• L’automate est dit stochastique si c’est une fonction deprobabilité qui détermine la transition.

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DimensionType de

voisinage

Structure du maillage

Mécanisme de transition

Automate Cellulaire

Contexte Problématiques Objectifs Résultats attendusMéthodologie