Méthode et formalisme pour la construction de simulateurs biophysiques «plantes en interaction avec leur environnement»

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1 Projets RTRA «LandMod» Modélisation intégrative Plateforme pour la simulation d'écosystèmes Méthode et formalisme pour la construction de simulateurs biophysiques «plantes en interaction avec leur environnement» AMAP, EPI DigiPlante Thème : Paysage fonctionnel V. le Chevalier (ECP), M. Jaeger (CIRAD) INRIA-SACLAY 1

2 Introduction Digiplante: Modélisation de la croissance et de l'architecture des plantes Modèle plante individuel structure fonction basé sur des cohortes d'organes Modèle mathématique Modèle ouvert à la pression environnementale Une approche extensible à des cultures homogènes mono-spécifique Quid des autres cultures? Quid du feed back environmental? 2

3 Le Modèle Digiplante. Interaction avec la ressource en eau. 3

4 Explorer/visualiser des simulations spatialisées Water + biomass Soil Water content Mix &/or Combinaison Biomass DEM + Water + biomass DEM Realistic rendering «Effects plug-ins» 4

5 1.Question/problématique QUOI: On dispose d'un modèle de plante structure fonction (pilotage par cycle de croissance) Le modèle arbre (culture) est sensible à l'environnement On veut: - fournir une valeur d'environnement dynamique, réaliste au sens biophysique - impacter l'environnement (feedback) - spatialiser (mixte de cultures) COMMENT: - construire un environnement qui abrite des modèles biophysiques qui interagissent AVEC QUOI? - rien. Programmation from scratch en langage C ou C++ 5

6 2.Référents théoriques FORMULATION Plantes: Le modèle GreenLab Eau dans le sol: le modèle pilote, les modèles de diffusions COMMENT: Un cadre style DEVS appelant des modules spécialisés partageant des données: les ressources (eau, température, etc) AVEC QUOI: - En fait aucun formalisme «initial» n'est adapté (en particulier nécessité de convertir tous les modèles sur des pas de temps compatibles) => développement théoriques et simulatoires nécessaires - L'environnement de simulation est un pb en soi. En particulier la gestion des compétitions non synchrones et spatialisées des ressources => développement théoriques ad hoc. 6

7 3. Observations / Données (et 5. Mise en formes des données ) QUOI: Etude théorique donc sans contraintes à ce niveau. Cependant exploitation de données locales réèlles COMMENT Données acquise du WEB: - MNT (Mt St helen US). - Météo données sur Montpellier (valeurs mensuelles) converties en journalières. Plante : données sur le coton (Chine). Données de la littérature: Modèle de sol avec leurs paramètres Conversion par sur échantillonnage Conversions de données linéaires en cartes (température corrigées selon altitude et orientation) OUTILS: WEB, tableurs, développement d'outils spécifiques 7

8 4.Modélisation conceptuelle QUOI: Construire une approche permettant de générer une plateforme de simulation bio-physique COMMENT: - En interagissant avec des collègues du méme labo - en dialoguant avec des collègues d'autre disciplines (hydrologie) - en s'intéressant aux systèmes complexes et dynamiques en automatisme et autre domaines techniques - en cherchant à formaliser mathématiquement la relation modèle-ressources AVEC QUOI: Dialogue interne Paper board Présentations croisées Diagrammes simples Diagrammes style UML Equations mathématiques Document de présentation des équations 8

9 5.Mise en formes des données (cf 3) 9

10 6.Modélisation formelle QUOI: 2 volets à développer: A l'echelle plateforme: la formalisation des interaction modèle-ressource A l'échelle de chaque modèle: permettre un fonctionnement en continu si possible pour s'affranchir des pb de fonctionnement par cycles COMMENT (volet 1 uniquement) - Proposer une approche ou les modèles déterminent le temps en fonction de la disposition des ressources AVEC QUOI: Volet 1: Formalisme mathématique ad hoc, style automatisme classique Sur volet 2: pricipalement usage d'équations dynamiques et de résolutions plus poussées qu'euler 10

11 7.Programmation QUOI On ne construit pas une plateforme mais une approche et des briques formelles et logicielles pour créer des plateformes. COMMENT Définition de classe spécifiques (Modèle, Caches) et d'un système de supervision simple (Manager qui est un modèle spécifique). AVEC QUOI Langage C++. 11

12 8.Simulation QUOI. Une instance de l'outil permet la construction d'une application de simulation biophysique COMMENT. On construit des modèles et des caches que l'on abonne au Manager. AVEC QUOI. Une implémentation maison du formalisme (C++ de base sans environnement spécifique, donc multi-plateforme) 12

13 9.Sorties/visualisation QUOI: 2 types de sorties - des sorties pour la conception (par exemple diagramme proche d'uml) - sur une application donnée on peut construire un modèle de sortie spécifique - un modèle générique de données cartes (raster) a été conçu COMMENT - sorties par fichiers générés par l'outil maison: graphe et cartes raster (un jeu de carte journalier, 8 à 64 layers) => 0.5 à 5 Giga par simulation AVEC QUOI - visualiseur maison de surfaces orienté paysage fonctionnel (visualisation de 4 cartes simultanément parmi n, avec une dynamique journalière) 13

14 10.Calibration QUOI:??? COMMENT:??? AVEC QUOI:??? 14

15 11.Vérification QUOI: Vérifier l'approche par la construction de simulateur particuliers dans des conditions «environnementales» simples avec des modèles «simples» COMMENT: Des plateformes types: - une plateformes pompes d'arrosage (silos et arroseurs) - une plateforme végétation spécifique (on implémenta le modèle plante en utilisant l'outil) AVEC QUOI: La plateforme en question Des résultats de la littérature (pompe) Des résultat et propriétés du modèle plante classique (usuel) 15

16 12.Validation données. Sans objet 13.Validation experts QUOI. Avoir l'oeil critique d'expert potentiellement utilisateur de l'approche à terme Avoir l'avis de spécialistes sur les aspects plateforme COMMENT. Par la coopération scientifique Par le suivi de thèse Par la soumission de papier ( reviewing ) 14.Validation acteurs. Sans objet 16