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Complexification, calibration et validation de modèles informatiques : application à la modélisation de la dynamique de l'occupation du sol post-forestière en lisière ouest du corridor forestier de Fianarantsoa, Madagascar

Ratiarson Venot. 2011. Complexification, calibration et validation de modèles informatiques : application à la modélisation de la dynamique de l'occupation du sol post-forestière en lisière ouest du corridor forestier de Fianarantsoa, Madagascar. Fianarantsoa : Université de Fianarantsoa, 170 p. Thèse de doctorat : Informatique : Université de Fianarantsoa

Thesis
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Encadrement : Müller, Jean-pierre ; Ramamonjisoa, Andriatiana Bertin Olivier

Abstract : L'augmentation des surfaces cultivées est considérée comme l'une des causes majeures de la déforestation dans les pays tropicaux. A Madagascar, l'enjeu actuel pour les politiques environnementales est de concilier la conservation des forêts avec la production agricole, dans un contexte où la pression humaine sur les terres est de plus en plus forte. Dans la région de Fianarantsoa (Madagascar), deux parcs nationaux Ranomafana et Andringitra sont reliés par un corridor forestier assurant le maintien d'une biodiversité écologique. La lisière du corridor est occupée à l'Ouest par les populations Betsileo pratiquant la culture sur brûlis, la riziculture irriguée ainsi que l'agriculture vivrière sur les flancs de colline. Cette lisière se caractérise par une mosaïque paysagère hétérogène regroupée en 6 états d'occupation du sol : Forêt, Culture, Jachère, Herbe, Plantation et Rizière. Les transitions entre ces états sont gouvernées par des règles de changement d'états recueillies auprès des agriculteurs riverains de la forêt. Dans ce paysage, la parcelle est l'unité paysagère dont l'état évolue annuellement sous l'effet des pratiques culturales et des dynamiques écologiques. Des questions thématiques se posent: (1) les changements d'état des parcelles de forêt depuis l'année de leur première défriche, d'abord dans une phase culturale post-forestière, puis dans une phase post-culturale de successions végétales tendent-ils vers une mosaïque stable agriculture–forêt, ou une disparition des lambeaux forestiers encore en place; (2) au bout de combien de temps et selon quelles trajectoires obtiendrait-on cette mosaïque stable ou cette disparition de la forêt ?; (3) peut-on déterminer des règles moyennes, vers lesquelles tendent les pratiques de succession culturale des agriculteurs après le premier défrichement ?; (4) les décisions des agriculteurs peuvent-elles influer sur la dynamique de l'occupation du sol post-forestière ? Du point de vue informatique, la dynamique de l'occupation du sol représente un processus complexe, dans lequel interviennent de nombreux facteurs et entités mises en interaction, et que l'on se propose d'aborder avec des modèles informatiques en suivant une démarche du simple au complexe. Les objectifs de ce travail sont(1) d'élaborer divers types de modèles de la dynamique d'occupation du sol post-forestière, (2) de développer des méthodes de calibration et de validation sur ces modèles, et (3) de réaliser des implémentations informatiques de ces modèles. Trois modèles de cette dynamique ont été proposés dans un ordre méthodologique partant d'un modèle agrégé le plus simple jusqu'à un modèle détaillé plus complexe: un modèle markovien, un modèle d'automate temporisé et un modèle à base d'agents. Le modèle de Markov a été utilisé pour agréger les séquences temporelles et vérifier l'existence d'un état stable de la mosaïque paysagère. Le modèle d'automate temporisé a été proposé pour essayer d'expliquer les processus de changement d'états par des règles déterministes en supposant leur unicité et leur stabilité dans le temps. Le second modèle est paramétré par les durées de séjour en Jachère, Herbe, Culture et par le nombre de cycles culturaux depuis la première défriche. Le troisième modèle introduit un degré supplémentaire de complexification pour comprendre l'évolution du paysage post-forestier, un modèle à base d'agents pour expliciter l'effet des décisions des agriculteurs sur ce paysage. Nous disposons de 2 jeux d'historiques d'occupation du sol de parcelles en lisière initialement en Forêt, indépendantes et non spatialisées. L'originalité de ce travail réside dans la possibilité de calibrer et valider un modèle à base de règles, représentant la dynamique de l'occupation du sol, en s'appuyant sur la comparaison des matrices markoviennes par un test de χ2. Les résultats de ce travail, qui sont généralisables à l'ensemble du corridor forestier de l'Est malgache, présentent un intérêt pour la conservation de l'environnement et la gestion des ressources naturelles. (Résumé d'auteur)

Résumé (autre langue) : The increase of the cultivated areas is considered as one of the major causes of deforestation in tropical countries. In Madagascar, the current challenge for environmental politics is to reconcile forest conservation with agricultural production in the context where human pressure on land is getting stronger and stronger. In the region of Fianarantsoa (Madagascar), two national parks Ranomafana and Andringitra are connected by a forest corridor which ecologically ensures the maintenance of the regional biodiversity. The bordering area of the corridor is occupied in the west by the Betsileo population practising slash-and-burn farming, irrigated rice-farming and food crop farming on the slopes of the hills or hillsides. This bordering area is now characterised by an heterogeneous mosaic landscape made up of different land use states. We distinguish six types of land use states: Forest, Fallow, Cropping, Herb, Plantation and Paddy field, and the transitions between these land use states. These transitions are governed by a set of land use change rules defined by experts from qualitative observations and investigations conducted to farmers. In this landscape, the plot is the landscape unit whose state evolves annually under the effect of farming practices and ecological dynamics. The thematic questions are asked; (1) Can the land use state changes for forest plots since the year of their first clearing, first in a post-forest farming phase, then in a post-farming phase of vegetation successions, tend towards a stable forest-agriculture mosaic, up a disappearance of the forest fragment, still in place; (2) How long and through which paths would a stable mosaic be obtained? (3) Can the average transition rules be determined, which the farmer cropping succession practices tend to, after forest clearing?(4)Can the decisions of farmers have an influence on the post-forest land use dynamic? From the point of view of computer science, the land use dynamics represents a complex process in which many factors and interacting entities intervene. The objectives of this work are (1) to draw up various types of models from the post-forest land use dynamics; (2) to design calibration and validation methods and (3) to realize computer-based implementations. Three models of that dynamics were proposed in a methodological order starting from the most simple aggregated model to a more complex detailed model: a Markovian model, a model based on timed automaton and an agent-based model. Markovian model was used to aggregate the temporal sequences and check the existence of a stable state of the landscape mosaic. The timed automaton was proposed in order to try to explain the state change processes by determinist rules by supposing their uniqueness and their stability through time. The rules-defined model is parameterized by the time durations of Fallow, Crop and Herb states and the number of cropping cycles since first forest clearing. Land use historical data since first clearing are used from two samples of plots initially covered with Forest and considered independent and not spatially localized. The originality of this present work lies in the possibility of calibrating and validating a timed automat on representing the land use dynamics, relying on the comparison of the Markovian matrices by the x2test. With the aim of complexification, the agent-based model was introduced to account for the farmers' decisions in understanding the evolution of the post-forest landscape. This work will have an interest in environment conservation, in the management of natural resources and in the field of landscape ecology, and in order to generalize the results over on the whole forest corridor in the eastern part of Madagascar. (Résumé d'auteur)

Mots-clés Agrovoc : forêt tropicale, Modèle mathématique, Déboisement, Utilisation des terres, Terre agricole, couverture du sol, Dynamique des populations, Écosystème forestier, Politique de l'environnement, Politique de développement, protection de la forêt, Biodiversité

Mots-clés géographiques Agrovoc : Madagascar

Classification Agris : P01 - Nature conservation and land resources
U10 - Mathematical and statistical methods
K70 - Forest injuries and protection

Champ stratégique Cirad : Axe 6 (2005-2013) - Agriculture, environnement, nature et sociétés

Auteurs et affiliations

  • Ratiarson Venot, Université de Fianarantsoa (MDG)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/577225/)

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