Constraint-based systematic conservation planning, a generic and expressive approach : application to decision support in the conservation of New Caledonian forests

Justeau-Allaire Dimitri. 2020. Constraint-based systematic conservation planning, a generic and expressive approach : application to decision support in the conservation of New Caledonian forests. Montpellier : Université de Montpellier, 195 p. Thèse de doctorat : Planification de la conservation : Université de Montpellier

Titre français : thèse suivante Planification systématique de la conservation basée sur les contraintes, une approche générique et expressive : application à l'aide à la décision pour la conservation des forêts de Nouvelle-Calédonie

Encadrement : Birnbaum Philippe, Lorca Xavier

Résumé : In the context of the global biodiversity crisis, human activities are the principal cause of natural habitat degradation, fragmentation, and destruction. Globally, the species extinction rate has reached an unprecedented level in human history and about one million species are nowadays threatened with extinction. Conservation biology is a multidisciplinary research area which attempts to address the current biodiversity crisis challenges. The development of practical approaches to promote conservation and reduce the research-implementation gap is one of its objectives. Last decades, systematic conservation planning (SCP) emerged in this direction as a framework relying on optimization and computer science research. Its main target is to provide decision support in the planning of conservation actions through the integration of ecological targets along with socio-economical constraints. In this PhD thesis, we introduced a formal approach for modelling and solving SCP problems based on constraint programming, a method from artificial intelligence based on automated reasoning. The main motivation of this approach was to provide more expressiveness into SCP (i.e. extend the breadth and variety of problems that users can represent and solve), notably through the integration of advanced spatial constraints and landscape indices. Formal approaches are often more demanding to implement and scale up than heuristic approaches. However, they provide satisfiability and optimality guarantees on the produced solutions. The insights offered by these guarantees can substantially improve the quality of decision support. We evaluated the methods developed in this thesis on real data from New Caledonian forests. As the smallest biodiversity hotspot in the world, New Caledonia has to struggle with many conservation challenges. Moreover, the developed, insular and low populated New Caledonian context allows high proximity between conservation stakeholders, which makes it an appropriate field of study to experiment novel approaches. We illustrated this particularity through a real case study, conducted in close collaboration with the managers of the “Côte Oubliée – 'Woen Vùù – Pwa Pereeù” provincial park. In this study, we aimed to provide decision support in a reforestation project, with an emphasis on reducing fragmentation and improving structural connectivity. Overall, we demonstrated the genericity, flexibility, and expressiveness of the constraint-based approach to SCP. Our results also opened new perspectives for decision support in New Caledonia, systematic conservation planning, and constraint programming.

Résumé (autre langue) : A l'ère de la crise mondiale de la biodiversité, les activités humaines sont la principale cause de dégradation, de fragmentation et de destruction des habitats naturels. À l'échelle mondiale, le taux d'extinction des espèces a atteint un niveau sans précédent, et environ un million d'espèces sont aujourd'hui menacées d'extinction. La biologie de la conservation est un domaine de recherche multidisciplinaire qui tente de relever les défis de cette crise. Le développement d'approches pratiques promouvant la conservation tout en réduisant le fossé entre la recherche et l'implémentation est l'un de ses objectifs. Ces dernières décennies, la planification systématique de la conservation (PSC) a émergé dans cette direction comme un cadre reposant sur l'optimisation et l'informatique. Son principal objectif est de fournir une aide à la décision dans la planification des actions de conservation en intégrant les objectifs écologiques avec les contraintes des gestionnaires. Dans cette thèse de doctorat, nous avons introduit une approche formelle pour modéliser et résoudre des problèmes de PSC basée sur la programmation par contraintes, une méthode issue de l'intelligence artificielle et basée sur le raisonnement automatique. La motivation principale de cette approche était d'apporter plus d'expressivité à la PSC (i.e. d'accroître l'étendue et la variété des problèmes qui peuvent être représentés et résolus), notamment par l'intégration de contraintes spatiales avancées et d'indices du paysage. Les approches exactes sont souvent plus exigeantes à implémenter et à transposer à large échelle que les approches heuristiques. Cependant, elles fournissent des garanties de satisfaction et d'optimalité sur les solutions produites qui peuvent améliorer considérablement la qualité de l'aide à la décision. Nous avons évalué les méthodes développées dans cette thèse sur des données réelles issues des forêts de Nouvelle-Calédonie. Point chaud de la biodiversité, la Nouvelle-Calédonie doit faire face à de nombreux défis pour la conservation de sa biodiversité. De plus, le contexte développé, insulaire et peu peuplé de cet archipel permet une grande proximité entre les différents acteurs de la conservation, ce qui en fait un terrain d'étude approprié pour expérimenter de nouvelles approches. Nous avons illustré cette particularité à travers un cas d'étude mené en étroite collaboration avec les gestionnaires du parc provincial de la "Côte Oubliée - Woen Vùù - Pwa Pereeù". Dans cette étude, nous avons fourni une aide à la décision dans un projet de reforestation, en mettant l'accent sur la réduction de la fragmentation et l'amélioration de la connectivité structurelle. Dans l'ensemble, nous avons démontré le caractère générique, la flexibilité et l'expressivité de l'approche basée sur les contraintes appliquée à la PSC. Nos résultats ont également ouvert de nouvelles perspectives pour l'aide à la décision en Nouvelle-Calédonie, la PSC, et la programmation par contraintes.

Mots-clés Agrovoc : conservation des forêts, aide à la décision, réhabilitation des forêts, fragmentation de l'habitat, protection de la forêt, conservation biologique, dégradation des forêts, modélisation environnementale

Mots-clés géographiques Agrovoc : Nouvelle-Calédonie, France

Classification Agris : K70 - Dégâts causés aux forêts et leur protection
P01 - Conservation de la nature et ressources foncières
U10 - Informatique, mathématiques et statistiques

Auteurs et affiliations

• Justeau-Allaire Dimitri, CIRAD-BIOS-UMR AMAP (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/599126/)

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