Article :: Axe fédérateur modélisation en écologie
Publié par Olivier Troccaz
jeudi 05/01/2017 - 17:20:39

Pourquoi utiliser la modélisation ?

La dynamique de la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes sont des phénomènes complexes. Par la simplification de cette complexité, l’utilisation de la modélisation permet à la fois d’expliquer les mécanismes qui les sous-tendent et de les prédire. Elle permet notamment de dissocier les effets des différents processus dans les propriétés observées et de tester une large gamme de paramètres afin d’identifier les principaux seuils de bascule. Le développement de modèles réalistes permet aussi de prédire des dynamiques futures et/ou l’impact d’un changement, une perturbation par exemple, sur les processus écologiques étudiés. Chacun de ces objectifs – explication ou prédiction des processus– peut nécessiter différents types de modèles et différentes méthodologies pour les construire.

Les principaux objectifs de cet axe

Cet axe fédérateur a pour but de présenter les différentes familles de modèles existantes et de développer des collaborations croisées entre les chercheurs compétents en modélisation présents à ECOBIO et dans d’autres laboratoires rennais et les chercheurs ayant besoin de développer de telles approches théoriques. Il s’agira 1.) d’accompagner la formalisation des questions de recherche en vue du développement d’approches de modélisation ; 2.) de présenter les différentes familles de modèles et 3.) de développer les collaborations entre modélisateurs et écologues expérimentalistes ou de terrain.

 

Les principales familles de modèles abordées

  • Les équations différentielles (partielles ou ordinaires). Ces modèles sont basés sur des équations mathématiques qui relient une fonction donnée avec ses dérivées (i.e. traduisant un taux de changement). Elles sont notamment utilisées pour simuler des flux environnementaux, des interactions entre espèces, … etc.
  • Les modèles matriciels. Ils sont généralement utilisés pour étudier la dynamique des populations. Basés sur des systèmes de matrices, la modélisation de la dynamique de populations est le résultat d’événements de naissance, mort, immigration et émigration. Elle prend en compte éventuellement les différents stades phénologiques.
  • Les modèles individus centrés et les modèles multi-agents. Ces modèles comprennent à la fois des modèles informatiques et des modèles mathématiques dont l’objectif sera de simuler le comportement et les interactions entre agents (soit des individus ou des groupes d’individus) et d’en analyser les propriétés émergentes à l’échelle du système. Ces approches ont pris leur essor dans les années 90’s et donnent lieu à des simulations particulièrement réalistes, notamment en raison de la proximité entre leur mode de construction et la réalité des processus écologiques. Les modèles individus-centrés et multi-agents peuvent être notamment utilisés pour étudier la dynamique des populations et des communautés.
  • Les statistiques bayésiennes. Ces méthodes statistiques sont basées sur l'utilisation des informations contenues dans les données (même peu nombreuses) pour améliorer les connaissances sur un modèle défini préalablement. L’utilisation de ces méthodes est particulièrement pertinente pour la construction de modèles complexes avec différents types de données, et inclue systématiquement une incertitude sur les estimateurs. En outre, contrairement aux approches fréquentistes qui ne savent traiter que des grands échantillons (pour lesquels les résultats sont semblables au bayésien avec moins de calculs), les méthodes bayésiennens sont applicables même aux petits échantillons. L’utilisation de l’inférence bayésienne en écologie sera privilégiée dans une large gamme d’études : de la prédiction de la dynamique de populations à la compréhension des processus écosystémiques (Ellison, 2004).

 

Coupler différentes approches de modélisation

Toutes ces méthodes peuvent être par ailleurs couplées, en fonction de la complexité des processus modélisés. Par exemple, des modèles IBM peuvent être couplés à des modèles d’équations différentielles partielles pour simuler la dynamique des assemblages d’espèces en réponse aux conditions environnementales. Des modèles de populations peuvent aussi être basés sur des statistiques fréquentistes ou bayésiennes pour l’estimation des paramètres démographiques et des modèles matriciels de population. En plus de ces différentes méthodes, nous nous attacherons également à développer des techniques transversales telles que des méthodes d’analyses de sensibilité, de validation de modèle ou d’optimisation de paramètres.

 

Liens

Séminaire Introductif

 

Séminaires

2 février 2017 : Les équations différentielles

Programme :

9h30 Présentation générale des équations différentielles (Cédric Wolf)

10h00  Focus n°1 Modélisation des systèmes environnementaux à base d'EDP (Zahra Thomas)
10h20  Focus n°2 Réaction-Advection-Diffusion dans le paysage (Yoann Bourhis)

10h40 Pause café

11h00  Focus n°3 Temporal niche differentiation of parasites sharing the same plant host: oak powdery mildew as a case study (Frédéric Hamelin)
11h20 Focus n°4 Dynamique du Phytoplancton en rivière (Myriam Bormans)

12h-12h30: Atelier de discussion

 

3 avril 2017 : Les modèles matriciels

Programme :
9h30  Présentation générale des modèles en temps discret (modèles matriciels, chaine de Markov) (Pascaline Le Gouar)

10h00 Focus n°1 Etude de l'effet de la migration partielle sur la dynamique de population à travers une analyse de sensibilité (Lucie Montorio/ Marie Nevoux ESE Rennes)
10h20  Focus n°2 Applications de modèles en populations structurées pour la conservation d'espèces (Jean Baptiste Mihoub, CESCO UPMC)

10h40 Pause café

11h00  Focus n°3 Dynamiques de la diversité génétique dans les populations partiellement clonales (à l'aide de chaines de Markov) (Solenn Stoeckel IGEPP Rennes)
11h20 Focus n°4 Utilisation des matrices de transition pour la description des dynamiques végétales (Jérôme Sawtschuk, Géoarchitecture, Brest)
11h40 Focus n°5 Estimation des paramètres démographiques de populations de chauve souris via un modèle intégré de population (Pierre Loup Jan, ESE Rennes)

12h-12h30: Atelier de discussion

 

6 juin 2017 : les modèles individus-agents centrés

Programme :

9h30 Présentation générale des modèles individus/agents centrés (Cendrine Mony)

10h00 Focus n°1: Simulation d’assolement à l'échelle du paysage qui intègre explicitement le fonctionnement des exploitations agricoles - utilisation du modèle CAPFarm (Hugues Boussard, INRA BAGAP)
10h20 Focus n°2: Contribution incertaine des gélatineux dans l’export de Carbone: utilisation de «Statistical Model-Checking» pour l'inférence de paramètres (Damien Eveillard, Université de Nantes)

10h40: Pause Café

11h00 Focus n°3: Modélisation de la dynamique de la structure des sols cultivés : intégration de processus physiques et biologiques (Cédric Wolf, ECOBIO)
11h20 Focus n°4: Mise en place d'un IBM: exemple de la dispersion des papillons en milieux urbains (Benjamin Bergerot, ECOBIO)
11h40 Focus n°5: Influence des caractéristiques des paysages agricoles sur les mouvements des chevreuils : une approche par équations différentielles stochastiques (Nicolas Parisey, INRA IGEPP)

12h-12h30 Atelier de discussion






Cet article est de ECOBIO
( http://ecobio.univ-rennes1.fr/page/axe-federateur-modelisation-en-ecologie )