PODYAM et MODPEST Deux outils pour la modélisation des dynamiques de plusieurs bioagresseurs à l'échelle du paysage

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1 PODYAM et MODPEST Deux outils pour la modélisation des dynamiques de plusieurs bioagresseurs à l'échelle du paysage Muriel Valantin-Morison, Corentin Barbu, Yassine Sohbi, Marie Gosme UMR Agronomie Congrès Iale Dijon (France) octobre

2 Contexte scientifique Beaucoup de modèles épidémiologiques/dynamiques de populations historique: modèles analytiques (Malthus 1798, Lotka-Volterra 1925, Vanderplank 1963), modèles de simulation numérique (Hughes 1968, Waggoner 1969) Quelques modèles à l'échelle du paysage exple: SIPPOM-WOSR (Pelzer 2010), MOSAIC-PEST (Vinatier, 2012) mais représentent une seule culture et 1 ou 2 bioagresseurs Ce qui ne permet pas de représenter les effets antagonistes entre les bioagresseurs De plus en plus de représentations théoriques de chaines trophiques dans les agro-systèmes : Caron-Lormier (2011), Bianchi (2010) 2 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

3 Besoin d'une structure de modélisation flexible modéliser n'importe quelle culture, bioagresseur, ennemi naturel prendre en compte l'effet des pratiques de différentes façons, selon la précision des connaissances disponibles Avec une structure la plus générique possible se concentrer sur la structure du modèle (quelles espèces représenter, quels processus prendre en compte?) comprendre le fonctionnement de modèles existants et à les adapter à ses propres besoins proposant du «contenu» à remobiliser remobiliser les modèles existants profiter des connaissances sur les organismes bien étudiés et extrapoler pour les organismes orphelins 3 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

4 PODYAM + MODPEST, Pour quoi faire? Une structure de modélisation pour aider à la conception de modèles spatialement explicites Pour plusieurs Bioagresseurs Pour représenter et tester des pratiques culturales variées dans le paysage agricole Sam M. Cook 3 years Ambition : Outils «collectifs collaboratifs» Congrès Iale - Dijon octobre

5 PODYAM + MODPEST, C est quoi? Podyam - Outil de modélisation Un formalisme générique pour la représentation de l'espace et des populations, des processus biologiques Une librairie de fonctions de sous-processus «classiques» Une interphase graphique pour guider l'utilisateur dans la construction En phase de test avec divers ModPest - Base de données Equations et paramètres des modèles existants sur la base d'articles publiés Classement selon les mêmes processus que Podyam Les Traits ou caractéristiques biologiques des bioagresseurs concernés Une interface de saisie pour ajouter de nouvelles données En phase d alimentation sur les modèles traits => Mise à disposition d'un outil pour construire facilement des modèles Congrès Iale - Dijon octobre 2014

6 PODYAM (POpulation DYnamics of Agricultural Mosaics) Structure 6 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

7 Représentation de l espace : plusieurs niveaux de résolution Pixels carrés de différentes tailles emboités pixels homogènes représentés par un seul pixel Pour pouvoir représenter chaque organisme à un niveau pertinent Pour représenter des paysages de grande étendue avec une résolution fine sans avoir à faire les calculs sur des milliards de pixels Pour simplifier la dispersion Image initiale: pixels Choix de l'utilisateur: Discrétiser en 4 niveaux de 5x5 pixels Après simplification: pixels Exemple: parcellaire de 5x5Km avec pixels de 4m de côté 7 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

8 Représentation des organismes et du milieu Variables d'état du modèle: Abondance ou biomasse des organismes: chaque espèce est subdivisée en «stades» (vrais stades de développement ou organes ou compartiments), avec une valeur par pixel du niveau pertinent 1 espèce = 1 matrice de pixels x stades Les variables environnementales sont aussi définies chacune à son niveau pertinent environnement = liste (un élément par niveau de résolution) Exemples : météo 8 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

9 Représentation générique du temps et des processus Pas de temps au choix (1 jour, 10 jours, 30 jours) A chaque pas de temps, le modèle appelle successivement les fonctions représentant les différents processus (ordre au choix) chacune est appliquée successivement à chacun des "acteurs", et elle appelle sa(ses) fonction(s) de sous-processus (au choix) Structure générique de modélisation pour plusieurs bioagresseurs et auxiliaires: Pour chq espèce/stad e/condition Systèmes de culture Bibliothèque de fonctions et paramètres pour plusieurs organismes Congrès Iale - Dijon dispersion développement Croissance et mortalité dues au milieu interactions trophiques interaction entre plusieurs populations Bibliothèque de fonctions et paramètres pour plusieurs organismes 07/04/2014

10 Représentation des pratiques culturales Système de culture= rotation + ITK de chaque culture ITK = liste d'opérations, avec comme paramètres la date + des paramètres spécifiques (variété, dose, outil de travail du sol ) Chaque opération = une fonction qui modifie le milieu et/ou les populations et /ou les processus Pratiques déjà codées: rotation, variété, semis (y compris d associations), récolte (y compris partielle: fauche), labour, désherbage mécanique, traitements phyto, plantes pièges Sam M. Cook 3 years 10 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

11 Représentation des interactions trophiques Prédation = Flux de biomasse entre une proie (espèce.stade) et son ou ses prédateurs (espèce.stade), avec compétition entre prédateurs d'une même proie lorsque la quantité de proie est limitante Réseau trophique: la fonction de prédation est récursive (proieprédateurs de la proiesuper-prédateurs etc ) chaque espèce.stade.condition peut avoir une proie différente: Pour chaque espèce.stade.condition, la forme de la réponse fonctionnelle peut être choisie parmi plusieurs fonctions: ex: réponse de la prédation à la densité de proies 11 Séminaire Payote octobre 2014

12 Représentation de la dispersion Dispersion isotrope = "envol" des propagules d'un niveau de résolution vers les niveaux supérieurs, plusieurs fonctions au choix pour le kernel de dispersion Dispersion orientée = dispersion potentielle x attractivité des pixels x mortalité post-déplacement Plusieurs fonctions au choix pour gradient d'envies de se disperser en fonction de la distance attractivité des habitats mortalité post-dispersion 12 Séminaire Payote octobre 2014

13 Utilisations dans un proche avenir Analyse des synergies et trade-offs par évaluation de scénarios co-construits avec les acteurs concernés Application au cas de la gestion combinée du phoma du colza et des méligèthes et de leurs parasitoides Utilisation de Podyam pour simuler différents scénarios de gestion sur des terrains donnés. Retour vers les acteurs pour tester l'intérêt/la faisabilité d'ateliers de conception de stratégies spatialisées prenant en compte plusieurs bioagresseurs simultanément. 13 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

14 MODPEST MODels for PESTS Structure et exemples D'après la présentation de Claire LESUR-DUMOULIN au workshop "modelling platforms for sustainable management of crop health" Paris, Novembre Congrès Iale - Dijon octobre 2014

15 Objectifs Requête Processus Organismes Traits pertinents Traits Information disponible? Oui Non Récupérer les équations et Identifier trous de connaissance paramètres Interroger la BDD par proximité fonctionnelle Ingrédients nécessaires pour construire un nouveau modèle 15 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

16 Structure de la base References Crop management Tillage Cultivar Sowing date / density Irrigation Parameters conditions Models Name Description Spatially explicit Equations Name Description Parent equations Variables Parameters Parameters Processes Main process Sub process Traits Life-cycle Morphology Physiology Behaviour Organisms Agronomical Type Name conditions: Phylogeny Description Tillage Stage Unit Cultivar Phase Value Sowing date / density Min/Max Irrigation 16 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

17 Etat actuel Structure (structure déclarée en UML: modifiable) partie équations et paramètres: OK partie caractéristiques biologiques: presque fini partie effet des pratiques: à réfléchir contenu: 21 modèles, 336 équations, 1553 paramètres, 815 valeurs de paramètre type de bioagresseur nb modèles culture nb modèles fungi 17 blé 9 insects 2 pomme de terre 4 weeds 1 colza 2 virus 1 autres cultures 1 sans culture 2 TOTAL: 21 bioagresseurs TOTAL: 7 cultures Interface pour la saisie : OK interface web pour la visualisation/requêtes : en cours 17 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

18 Exemples de requêtes pour 1. Comparer des équations Exemple: Je veux voir pour quels organismes la dispersion longue distance est prise en compte (kernel de dispersion à queue lourde) 2. Trouver des formalismes Exemple: Je veux modéliser la rouille jaune 3. Trouver des valeurs de paramètres Exemple: Je veux simuler l'effet d'une diminution du travail du sol dans mon territoire 18 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

19 Premier exemple: comparer les kernels de dispersion Requête: équations (et leur description) concernant le sous-processus "dispersal kernel" du processus "Dispersal", et les modèles utilisant ces équations, et les organismes associés à ces équations Résultat: 19 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

20 Deuxième exemple: modéliser la rouille jaune Requête: modèles concernant "Yellow rust OR P. striiformis", et leurs processus et sous-processus Résultat: plusieurs modèles existants aucun ne prend en compte tous les processus aucun ne représente explicitement le développement 20 Congrès Iale - Dijon 07/04/2014

21 Troisième exemple: Simuler l'effet d'une diminution du labour Quels bioagresseurs sont influencés par le travail du sol? Quels modèles représentent ces bioagresseurs? Comment est pris en compte le travail du sol dans ces modèles? Requête1: organismes sensibles au travail du sol et les modèles représentant ces organismes 21 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

22 Merci de votre attention! Et merci à Rim Baccar, Claire Lesur-Dumoulin et Yassine Sohbi pour le travail sur MODPEST et à Laure Hossard, Julien Papaïx et Fabrice Vinatier pour leur aide dans le décorticage des modèles SIPPOM-WOSR, DEPCI et MOSAIC-PEST 22 Congrès Iale - Dijon octobre 2014

23 Points forts/originalité bioagresseurs multiples intégrés dans la démarche dès le début généricité démontrée: modèles existants concernant différents types d'organismes (champignon pathogène biotrophe, champignon pathogène hémibiotrophe, insecte ravageur, auxiliaire) construction incrémentale de la base de données permet de tester l'ergonomie/améliorer des modules alors que d'autres modules sont encore en cours de construction Interfaces MODPEST: deux types d'interfaces (saisie/consultation) construites avec deux technologies différentes (local/web) construites à partir d'un seul modèle conceptuel UML Interface PODYAM: interface de construcron d'un modèle ( interfaces habituelles qui permettent de faire tourner et/ou paramétrer un modèle) 23 Séminaire Interne 07/04/2014

24 Limites PODYAM codé en R: temps de calcul facilité de prise en main par un large public PODYAM: seul formalisme accepté = équarons aux différences ( temps conrnu, IBM, network) formalisme le plus utilisé MODPEST: pas terminé (bien sûr, pas exhaustif en termes de contenu, mais la structure elle-même n'est pas entièrement établie) manque de connaissances scientifiques sur la relation trait-fonction réflexion à continuer sur la représentation de l'effet des pratiques culturales Intégration des deux: pas d'intégration automatique choix délibéré pour éviter la construction de modèles en aveugle 24 Séminaire Interne 07/04/2014

25 Perspectives Terminer ce qui est en cours version 2 de l'interface PODYAM (XML) interface web de MODPEST (requêtes-types "à trous") Intégrer la partie "réponse aux pratiques" de façon intelligente dans la base pour l'instant: fichier excel donnant pour chaque couple bioagresseur/pratique, la direction de l'effet (+/-) et l'intensité de l'effet (0/+/++/+++) comment relier cet effet global aux différents processus? Démarche collaborative pour enrichir la base MODPEST interface web pour la saisie? diffuser PODYAM package R à construire puis à maintenir (correction de bugs, ajout de nouvelles fonctions): qui? 25 Séminaire Interne 07/04/2014