Modélisation de l'entretien du paysage par des herbivores en moyenne montagne : une approche multi-agents

L'abandon de l'utilisation des ressources herbagères par l'activité pastorale entraîne un appauvrissement de la diversité écologique et spécifique. A terme, cette évolution se traduit par le déplacement des activités humaines hors de ces zones et à un déséquilibre au niveau du territoire national. Un programme de recherche pluridisciplinaire, dans le cadre d'un Groupement d'intérêt Scientifique, a été mis en place dès 1994 pour élaborer de nouveaux modes de gestion qui concilient production agricole et entretien de l'espace en condition de sous chargement (peu d'animaux par unité de surface). Cet article s'inscrit dans une démarche d'acquisition de méthodes afin d'expérimenter des techniques de gestion de pâturage mixte bovins et chevaux selon une hypothèse de complémentarité entre ces deux espèces. La partie informatique présentée vise à simuler les dynamiques animales, végétales et paysagères futures et, à terme, proposer des protocoles de gestion aptes à répondre à ces nouvelles demandes. L'objectif de la modélisation que nous présentons est de simuler le fonctionnement de l'estive, afin de comprendre l'interaction entre l'évolution de la végétation, les déplacements et les actions des animaux en pâture. Un des modes de simulation utilise un système multi-agents. Le modèle conceptuel de la simulation est en cours de validation, il a été formalisé avec la notation graphique du langage de modélisation unifié (UML) et la version actuelle du logiciel est implémentée avec le langage de programmation Java. Pour suivre et enregistrer les localisations des animaux sur le terrain, ceux-ci sont équipés d'un récepteur satellite GPS (Global Positioning System). L'activité de pâturage des animaux est enregistrée par des colliers Ethosys. / The surrender of herbaceous resources by the grazing activity results in an impoverishment of both ecological and specific diversity. On the long term, this trend imposes the localization of human activities far from these zones and a national imbalance. A multidisciplinary research program was set up in 1994 with the aim of elaborating new ways of management, which would contribute to maintain both the productivity and the opened landscapes within the condition of low grazing pressure. This paper exposes the methods we elaborated in order to test several management techniques of grasslands by mean of cattle and horses within the hypothesis of complementarity between these two species. The computer science part of this paper presents the results of simulations of future dynamic behaviors of the animals, vegetation and landscape, in order to propound some management protocols. The simulator is based on a multi-agent system. The conceptual model, formalized with Unified Modeling Language graphical notation is actually in validation phase and the implementation of the software was done in the Java programming language. The following of the animals in the field was done by means of GPS equipments and the animal activity was recorded by Ethosys equipments

Modélisation de la croissance du Pin sylvestre en moyenne montagne sur substrat volcanique

International audienceThe aim of this study was to set up a deterministic and individual-based growth model of natural Scots pine (Pinus sylvestris L.) forests on a volcanic mountain located in the French Massif Central. In order to take the trees' competitive status into account, isolated trees were first distinguished from trees within a stand. Then trees within stands were assigned to one of the three categories of competitive status: trees characterized by a maximum competitive advantage to their neighbors (dominant trees), trees with a maximum competitive disadvantage (suppressed trees), and trees undergoing an intermediate level of competition (co-dominant trees). The modeling was achieved in three steps: (i) Trees from the different categories were first measured and cores collected and analyzed in order to establish growth models of trunk-circumference, height, and crown-width. Radial growth curves for trees within a stand showed a similar pattern for the three competition categories, with a maximum growth value reached at age three. Growth values appeared to be strongly dependent on the tree's competitive status. Circumference curves were computed on the basis of radial increment values. Models predicting circumference and height with time were computed using a Von Bertalanffy/Chapman/Richard's model. Isolated tree-height and crown-width models were established using circumference as predictor. (ii) Competition was measured on four stands ranging from young and dense to old and sparse. Each tree of the stands was mapped by its X, Y coordinates and its dimensions were recorded. Eleven distance-dependent competition indexes based on vertical or horizontal angle sums were computed and their correlation to tree dimensions was analyzed for the four stands. (iii) Two competition indexes were selected and related to growth model parameters to produce a model predicting height and circumference from the age and the competition indexes.Le but de cette étude est de construire un modèle de croissance déterministe et individu-centré de peuplements spontanés de pin sylvestre (Pinus sylvestris L.) d'une montagne volcanique du Massif Central. Afin de prendre en compte le statut compétitif des arbres, les arbres isolés sont d'abord distingués des arbres en peuplement. Puis les arbres en peuplement sont répartis selon une des trois catégories de statut compétitif : les arbres caractérisés par un avantage compétitif maximum par rapport à leurs voisins (arbres dominants), les arbres caractérisés par un désavantage compétitif maximum (arbres dominés) et les arbres subissant un niveau intermédiaire de compétition (arbres codominants). Le modèle est réalisé en trois étapes : (i) Les arbres des différentes catégories sont d'abord mesurés et des carottes prélevées et analysées afin d'établir des modèles de croissance en circonférence du tronc, de la hauteur et de la largeur du houppier. Les courbes de croissance radiale des arbres en peuplement montrent une structure similaire pour les trois catégories de compétition considérées avec une croissance maximale à trois ans. Les valeurs de croissance s'avèrent fortement dépendantes du statut compétitif de l'arbre. Les courbes de croissance en circonférence sont calculées à partir des valeurs des incréments radiaux. Les modèles de circonférence et de hauteur en fonction du temps sont établis sur la base du modèle de Von Bertalanffy/Chapman/Richard. Les modèles de hauteur et de largeur du houppier des arbres isolés sont déterminés en utilisant la circonférence comme prédicteur. (ii) La compétition est mesurée dans quatre peuplements variant d'un peuplement jeune et dense à un peuplement âgé et clair. Chacun des arbres des peuplements est cartographié en X et Y, ses dimensions sont mesurées. Onze indices de compétition dépendant de la distance fondés sur des sommes angulaires verticales ou horizontales sont calculés et leurs corrélations avec les dimensions des arbres établies pour les quatre peuplements. (iii) Deux indices de compétition sont sélectionnés et reliés aux paramètres du modèle de croissance pour produire un modèle prédisant la hauteur et la circonférence à partir de l'âge et des indices de compétition

Modélisation de la croissance du bouleau à l'étage montagnard sur sols volcaniques

Spontaneous Silver Birch (Betula pendula) woodlands in two middle volcanic mountains (altitude 850 m and 1450 m) were studied in order to establish an individual growth model of birch taking into account competition factors. Height, radial increment and crown width were measured on both sites taking into account two situations : isolated birch of birch within a stand. For the latter case two categories were sampled considering the competition status of the tree : birch suffering the most severe competition conditions (suppressed tree) were distinguished from trees facing the lowest competition (dominant tree).Measures of competition were also carried out using plots where each tree was located by its coordinates and its height, trunk circumference and crown width recorded. Radial increment data were used to calculate circumference of trunk as function of the age of the tree. Models predicting circumference with time were then established for each category of trees (dominant, suppressed or isolated) using Chapman-Richards'model. Height and crown width models were produced using the circumference as predictor. Competition indices based on vertical or horizontal angles weighted by the distance were calculated for birches in stands. Indices using vertical angles appeared to be more resistant and robust to characterize the local competition. The competition index was then associated with the parameters of Chapman-Richards'model for the two sites and a model predicting the circumference -and subsequently height and crown width- from the age of the tree and its competition index is proposed.This determinist model which can be classified according to the " individual tree-based models " was set up to be included in a combined determinist/stochastic model (using the Discrete Event Simulation method) dealing with birch colonization and growth on Calluna heathlands integrating the simulation of the climatic modifications.Les boisements spontanés de bouleaux verruqueux (Betula pendula) ont été étudiés dans deux montagnes volcaniques (850m et 1450m) afin d'établir un modèle de croissance individuelle intégrant les facteurs de compétition. La hauteur, la croissance radiale et la largeur du houppier ont été mesurées sur les deux sites pour prendre en compte deux situations : le bouleau isolé et le bouleau en peuplement. Pour ce dernier cas, deux catégories ont été échantillonnées selon les conditions de compétition : les arbres subissant les conditions de compétition les plus sévères (ou arbres dominés) ont été distingués des arbres subissant une compétition la moins élevée (arbres dominants). Les mesure de compétition ont été réalisées sur des placettes où chaque arbre a été localisé par ses coordonnées ; la hauteur, la circonférence du tronc et la largeur du houppier ont été mesurées.Les incréments radiaux ont été utilisés pour calculer la circonférence du tronc en fonction de l'âge de l'arbre. Les modèles circonférence/âge ont été alors établis pour chaque catégorie (dominant, dominé, isolé) en utilisant le modèle de Chapman-Richards. La hauteur et la largeur du houppier ont été modélisées à partir de la circonférence. Des indices de compétition basés sur les couvertures angulaires verticales ou horizontales et pondérées par la distance ont été calculés dans des peuplements de bouleau. L'indice utilisant la couverture angulaire verticale apparaît plus robuste pour caractériser la compétition. L'indice de compétition a été alors associé avec les paramètres du modèle de Chapman-Richards pour les deux sites permettant ainsi de prédire la circonférence (et par la suite la hauteur et la largeur du houppier) à partir de l'âge de l'arbre et de son indice de compétition.Ce modèle déterministe, qui peut se classer parmi les modèles " arbres-centrés " a été établi afin d'être intégré dans un modèle déterministe et stochastique (utilisant la méthode de Simulation par Evénements Discrets) pour l'étude de la colonisation par le bouleau et la croissance des landes à Callune prenant en compte la simulation de modifications climatiques

Colonisation par le pin sylvestre (Pinus sylvestris L.) des terrains abandonnés en moyenne montagne sur sols volcaniques

Colonization of former pastoral lands by Scots pine is a frequent occurrence in the Chaîne des Puys, (volcanic mountains in the French Massif Central) because of the decline of the grazing pressure during the four past decades. Our study objectives were: i) mapping the extension of Scots pine, ii) establishing a typology, iii) producing model of Scots pine growth and extension. Three maps were constructed from aerial photographs taken during the years 1954, 1974 and 1991 and were digitized using a GIS. Eleven different land use categories were distinguished. The decrease of heathlands and lawns traditionally farmed for extensive sheep production is one of the major factors affecting landscape change. Classification of Scots pine stands was achieved on the basis of a multivariate analysis of 106 plots on which an exhaustive dendrometric and floristic inventory had previously been conducted. Four main categories were distinguished in which floristic composition was related either to the initial stages of the colonization process (heathlands of the Calluno-Ulicetea or lawns of the Mesobromion), or to the terminal stages (beech forests of the Fagion sylvaticae or mixted oak/beech forests of the Quercion). A Scots pine growth model, taking into account the trees competitive status, was established on the basis of the measurements of 276 trees. Circumference and height models were computed using Von Bertalanffy's model, and competition among trees was taken into account using spatial competition indices. This deterministic, individual-based growth model, which incorporates competition among trees, is combined with recruitment data to produce a discrete-event simulation model of Scots pine growth and extension.La colonisation, par le pin sylvestre, des terrains abandonnés est un phénomène fréquent dans la Chaîne des Puys lié à la baisse de la pression de pâturage au cours des quatre dernières décennies. Les objectifs de cette étude sont 1) cartographier l'extension des pins, 2) établir une typologie des peuplements spontanés de pin, 3) proposer un modèle de croissance et de colonisation du pin. Trois cartes, établies à partir de clichés aériens de 1954, 1974 et 1991, ont été digitalisées en utilisant un SIG. Onze catégories d'utilisation du sol ont été différenciées. Le déclin des landes et des pâtures, traditionnellement exploitées par le pâturage ovin extensif, constitue un changement majeur dans le paysage. La typologie des peuplements de pin a été réalisée sur la base de l'analyse multivariée de 106 placettes dans lesquelles un inventaire floristique et dendrométrique complet a été réalisé. Quatre types ont été distingués, dans lesquels la composition floristique a été reliée aux stades initiaux du processus de colonisation (landes du Calluno-Ulicetea ou pelouses du Mesobromion), ou aux stades terminaux (hêtraies du Fagion sylvaticae, chênaie/hêtraie du Quercion). Un modèle du croissance du pin, tenant compte de la compétition, a été construit à partir de la mesure de 276 arbres. Les modèles de circonférence du tronc et de hauteur ont été calculés en utilisant un modèle de Von Bertalanffy, la compétition entre arbres a été quantifiée à l'aide d'indices de compétition spatialisés. Ce modèle déterministe et individu - centré, intégrant la compétition, a été combiné avec des données sur la régénération, pour produire un modèle de croissance et d'extension du pin sylvestre en utilisant la simulation par événements discrets