Axe transversal : spatialisation et modélisation multi-échelles des phénomènes biologiques naturels à partir de données images

Résumé:

Cet axe a un double objectif : (i) Collecte, stockage et fusion de données images, et mise à disposition pour croisement avec des données thématiques provenant du terrain (en relation étroite avec le point 4 du document qui évoque plus largement la mutualisation-pérennisation des données) ; (ii) mise au point de méthodes innovantes de modélisation et de simulation informatique des phénomènes biologiques (en références aux thématiques du PPR) à partir d’une modélisation de la géométrie 2D/3D des structures, question qui est jusque-là peu abordée.

Enjeux : La dynamique des phénomènes naturels se déroule le plus souvent dans des structures géométriques complexes. Les formes géométriques sont par exemple : la topographie naturelle, les couverts végétaux, l’espace poral dans un sol, les vaisseaux sanguins dans le corps humain… Les phénomènes dynamiques peuvent être : l’écoulement de fluides, la circulation sanguine, la décomposition microbienne, la croissance des végétaux, la transmission épidémiologique, la migration des espèces, flux de gènes… Ainsi, les relations entre la géométrie et les dynamiques constituent un enjeu scientifique clé dans nombre de domaines abordés par le PPR. La modélisation de la géométrie requiert une description initiale des espaces à l’aide de différents capteurs (caméras, lasers, tomographes, lidars, radars, sonars…) ainsi que la mise au point de méthodes demodélisation géométrique 3D basées sur la vision par ordinateur, la géométrie algorithmique et la morphologie mathématique. La modélisation des dynamiques s’appuie sur : la théorie des systèmes dynamique, la simulation algorithmique par graphe/réseau, les équations aux dérivées partielles, les systèmes multi agents… De nombreux travaux concernent les relations entre la géométrie des structures naturelles et des phénomènes mécaniques, géologiques, sismiques… Cependant, pour des raisons diverses, relativement peu d’efforts ont été consacrés à la spatialisation 3D des phénomènes biologiques à l’échelle macroscopique (croissance végétale, croissance organique, croissance racinaire…) et microscopique (décomposition microbienne,….). Cet axe de recherche transversal concerne plus précisément les relations entre la géométrie tridimensionnelle des structures naturelles à différentes échelles (de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique) et les dynamiques biologiques (croissance d’une forêt, dynamique d’une mosaïque forêt-savane, décomposition microbienne dans le sol…). L’objectif consiste à mettre au point des méthodes de simulation informatique des phénomènes biologiques à partir d’une modélisation de la géométrie des structures. Ces simulateurs informatiques permettront à terme d’évaluer des scénarios d’évolutions biologiques en fonction d’évènements naturels ou résultats de l’activité humaine. A notre connaissance, très peu de travaux abordent la simulation informatique de phénomènes biologiques complexes à partir d’une modélisation géométrique fine des structures à différentes échelles. La méthodologie de cet axe transversal repose donc sur les étapes suivantes : acquisition d’images décrivant les structures avec différents capteurs (caméras, lidars, radars, tomographies….), extraction et modélisation éventuellement multi échelle des structures géométriques 3D avec des méthodes de vision par ordinateur et de géométrie algorithmique, simulation des dynamiques biologiques avec des modèles mathématiques (équations aux dérivées partielles,….) et algorithmiques (graphes, réseaux…).

Objectifs : Dans le contexte du Programme Prioritaire Régional (PPR) « forêts tropicales humides » nous nous intéresserons, de manière naturelle, à la modélisation des phénomènes biologiques des forêts tropicales humides : croissance végétale, décomposition microbienne dans le sol… Plus précisément notre objectif sera la mise au point d’un simulateur informatique, déclinable en fonction des échelles et des processus biologiques, pour simuler leurs conséquences écologiques (séquestration du carbone, durabilité de la ressource…).

Activités : Ainsi les travaux de cet axe transversal recouvriront les points suivants :

- Collecte des données images : Les données images collectées concerneront des régions de forêts tropicales humides du Cameroun et du Gabon, et certaines régions des pays limitrophes. Ces images seront de plusieurs types : images aériennes ; images satellitales, comme GeoEye/Ikonos, Spot, Modis ; images lidar aéroporté ; Images radars (principalement bandes X ou L) ; modèles numériques de terrain en accès libre (SRTM) ; images tomographiques 3D d’échantillons de sol. L’antenne de réception satellite gabonaise dont la construction est prévue à Libreville à court terme dans le cadre d’un partenariat entre l’agence AGEOS-Gabon et l’IRD, devrait jouer un rôle important dans l’acquisition de certaines de ces images (Spot, radar, …)

- Stockage et mise à disposition des données images et autres données thématiques : Les données images seront stockées dans une base de données accessible en ligne et maintenue par un ingénieur informaticien. Le développement de l’aspect convivial de cette base de données pour les chercheurs sera un travail en soi, parfois délicat, à cause des différents codages des images. Elle devra notamment permettre le croisement avec les jeux de données de terrain provenant des diverses thématiques.

- Fusion des données images : La prise en compte des données images par des algorithmes de modélisation géométrique implique leur fusion préalable dans un même repère géométrique. Cette étape suppose l’implémentation et l’adaptation de méthodes dites de recalage (2D/2D, 2D/3D, 3D/3D) qui permettront de spatialiser dans un même repère euclidien les images issues des différents capteurs. Le résultat sera une première description géométrique et photométrique des différentes structures. Comme les deux premières étapes, ce travail plutôt d’ingénierie constitue un préalable important pour les points suivants qui relèvent de la recherche à proprement parler.

- Modélisation géométrique des structures à partir des données images fusionnées : La modélisation de structures géométriques 3D naturelles avec des méthodes de vision par ordinateur, à partir de représentations géométriques élémentaires, demeure un problème ouvert, qui fera l’objet de travaux innovants déclinant le problème par rapport à certaines thématiques du PPR. Nous mettrons en oeuvre des algorithmes permettant d’obtenir des descriptions par des primitives géométriques en adéquation avec les dynamiques biologiques afférentes.

- Modélisation mathématique et algorithmique des dynamiques biologiques à partir de la modélisation géométrique : L’objectif de cette étape, innovante par rapport à l’état de l’art, consiste à mettre en oeuvre des modèles informatiques (réseaux, graphes..) et mathématiques (équations aux dérivées partielles…) pour simuler les dynamiques biologiques sous la contrainte des représentations géométriques. Ces modèles simuleront des phénomènes autant à l’échelle macroscopique (croissance des végétaux) que microscopique (décomposition de la matière organique dans le sol, dégagement de carbone….).

- Formalisation de relations entre la géométrie des structures et les caractéristiques des processus biologiques : La simulation des dynamiques biologiques à partir de la géométrie permettra d’abord expérimentalement de mieux appréhender l’influence de la géométrie des structures sur les dynamiques biologiques. Cette étape consistera à essayer de formaliser, au moins dans un premier temps avec des mesures statistiques adéquates, les relations entre les caractéristiques des dynamiques biologiques et les propriétés géométriques des structures.

- Validation du simulateur de processus biologiques à partir de données réelles : L’ensemble des travaux de cet axe transversal débouchera sur un simulateur de dynamiques biologiques à partir de données images et de paramètres biologiques, notamment issus du terrain. Ce système sera validé avec des données réelles provenant de régions d’implication du PPR.