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Journal Articles Revue Internationale de Géomatique Year : 2018

Time Space Simulation of Land Use changes by stochastic modeling

Simulation temporelle et spatiale des changements d'occupation du sol par modélisation stochastique

(1, 2) , (3, 3) , (3)
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Abstract

The landscape patterns are the results of the human activity that adapts the land cover and its use (LUC) to constraints or economic opportunities encountered by various actors. The temporal and spatial arrangement of LUC has a strong influence on environmental risks. Its knowledge allows to develop prospective simulation models to assess the impact of different scenarios on the evolution of the land use and land cover change (LUCC). This paper presents a methodology based on stochastic models to identify, locate and simulate the temporal LUCC of regions differentiated by their successions by means of " neutral " models. The concept of a " neutral " model has been introduced in ecology for describing the characteristics of coexisting populations in a territory. Every individual-whatever its species it belongs to in the ecosystem-undergoes the same constraints without taking precedence over another. The result is a balance that is regulated by processes whose dynamics do not vary. In the framework of spatially explicit models coupled to a geographical information system according to the categorization defined by [AGG + 00], the territory is described as an assembly of homogeneous discontinuous units-called patches-represented by a regular grid of pixels. We propose a territorial simulation method that takes into account the dynamics of temporal and spatial patterns of previous successions observed in different sub-regions. We carry out a classification of the territory in homogeneous patches with respect to their LUC. The simulation of the LUC succession is then made on these patches at the pixel level taking into account the rotations / successions that were practiced the previous two years. The differences between simulated and observed data make it possible to detect breaks in the process of developing the territory according to the constraints or opportunities for farmers. Differences are measured using the pixel recognition rate on a rasterized representation of the territory. We assess our method on data that come from surveys in the Vittel-Contrex´eville territory (East of France) which is subject to water quality issues.
L'organisation d'un territoire est le reflet de l'activité humaine qui y adapte la couverture du sol et son usage en fonction des contraintes ou opportunités économiques. L'arrangement temporel et spatial des occupations du sol a une forte influence sur les risques environnementaux. Sa connaissance permet d'élaborer des modèles de simulation prospective afin d'évaluer l'impact de différents scénarios d'évolution de la couverture du sol. Cet article présente une méthodologie à base de modèles stochastiques pour identifier, localiser et simuler les occupations temporelles des régions différenciées par leurs successions de culture dans la perspective de construction d'un modèle ``neutre''. Le concept de modèle ``neutre'' a été introduit en écologie pour décrire les caractéristiques des populations coexistant dans un territoire. Les individus -- quelque soit leur nature -- endurent les mêmes contraintes sans qu'une espèce ne prenne le pas sur une autre. Il en résulte un équilibre qui est régulé par des processus dont la dynamique ne varie pas. Nous nous plaçons dans un cadre de définition de modèles spatialement explicites couplés à un système d'information géographique selon la catégorisation définie par Agarwal {agarwal2000}. Le territoire est décrit comme un assemblage d'unités homogènes discontinues -- appelées patchs -- lesquelles sont constituées d'une grille régulière de pixels. sous la forme d'une image raster. Nous effectuons préalablement une classification du territoire d'étude en patchs homogènes vis à vis des successions de culture qui s'y pratiquent. La simulation de la succession est ensuite faite sur ces \patchs au niveau du pixel en tenant compte des rotations / successions qui se pratiquaient les deux années précédentes. Nous proposons ainsi une méthode de simulation du territoire qui tienne compte des dynamiques temporelles et spatiales des successions précédentes observées dans différentes sous régions. L'écart entre données simulées et observées permet de déceler des ruptures dans le processus de mise en valeur du territoire en fonction des contraintes ou opportunités s'offrant aux agriculteurs. Les écarts sont mesurés à l'aide du taux de reconnaissance de pixels sur une représentation rasterisée du territoire. Les données utilisées dans cette étude proviennent d'enquêtes effectuées sur le territoire de Vittel-Contrexéville concernant la qualité des eaux souterraines.
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hal-01662140 , version 1 (13-12-2017)

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Cite

Jean-François Mari, Arnaud Gobillot, Marc Benoît. Simulation temporelle et spatiale des changements d'occupation du sol par modélisation stochastique. Revue Internationale de Géomatique, 2018, Revue Internationale de Géomatique, 28 (2), pp.219 - 242. ⟨10.3166/rig.2018.00051⟩. ⟨hal-01662140⟩
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