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Virtual Prairie

Détails
Catégorie parente: Les Projets BOINC


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Comprendre les mécanismes naturels de multiplication végétative dans les systèmes écologiques complexes (du comportement individuel de la plante jusqu'aux interactions entre les espèces) par la reconstitution d'une prairie virtuelle (projet ViP)

INSCRIPTION

Télécharger BOINC (tutorial)

URL du projet : http://vcsc.cs.uh.edu/virtual-prairie/

Liens du Projet L'Alliance Francophone Statistiques
Marc Garbey (Chef de projet),Waree Rinsurongkawong (Doctorante) et Malek Smaoui (Doctorante)
Ce projet s’intègre dans un contexte où la mise en place de solutions rapides devient urgente pour compenser la dégradation de l’environnement occasionnée par l’homme. Un intérêt accru est observé pour les systèmes naturels dont on démontre désormais de manière flagrante les services écologiques associés tant au niveau de la dépollution des eaux et des sols que dans la régulation du réchauffement climatique. Les nouvelles réglementations environnementales incitent désormais à la création de nouveaux systèmes de ce type pour renforcer leur effet bénéfique sur l’environnement. Il s’agit cependant d’optimiser le design de ces nouveaux systèmes pour fournir le meilleur service écologique rendu. Le projet MODECOL vise à établir un modèle hybride réaliste permettant de modéliser un système herbacé (=prairie) par IBM relié par des boucles de rétroaction à une couche environnementale modélisée par EDP. Cette démarche vise constituer par la suite un laboratoire virtuel suffisamment réaliste pour tester des hypothèses écologiques au niveau de systèmes écologiques complexes.

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La première étape de travail consistera à réaliser un modèle IBM pour représenter le système prairial considéré comme l’intéraction de populations végétales (IBM(prairie)). Un des aspects novateurs de ce projet est i. de prendre en compte la particularité de toute plante pérenne de croître par reproduction végétative: c'est-à-dire qu’un individu de plante simplifié le plus souvent par un point, est en réalité un réseau de tiges connectées entre elles par des structures permettant le transfert de ressources nutritives ou d’information de stress.

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La prise en compte de cette colonisation de l’espace par le développement de réseaux est particulièrement originale. Les règles d’intéraction entre plantes feront appel à des aspects de théories des jeux. Enfin, l’établissement de la structure du modèle et sa validation fera appel à des expérimentations réalisées en conditions contrôlées et sur le terrain. Des techniques d’analyses d’image seront utilisées pour détecter les différents réseaux de plante entrelacés.

La deuxième étape du projet visera à coupler ce modèle IBM à un système d’EDP (Hybrid model) qui prendra en compte les variations spatio-temporelles de l’environnement (par ex une concentration en pesticides, en nitrate, etc.). Ce point met en jeux plusieurs réflexions liées 1. à la notion de couplage de modèles d’échelles de temps et d’espace différentes et 2. des aspects liés au rôle de l’échelle de perception de l’individu sur le déterminisme de sa croissance qui peuvent s’apparenter à l’écologie comportementale. La validation de ce modèle sera réalisée par des suivis in situ au niveau du site LTER de Pleine-Fougères.

La troisième étape du projet cherchera à établir un modèle aggrégé ayant pour but de servir de support à l’aide à la décision pour les gestionnaires. Basés dans un premier temps sur un système d’EDO, un système d’EDP calibré par les données issues de l’IBM sera réalisé. Une validation croisée avec les données issues de l’expérimentation sera également effectuée.

La quatrième étape visera à appliquer ce dernier modèle à une application concrète liée aux dernières directives agro-environnementales de la PAC. L’une des mesures phares de cette directive est la mise en place de bandes enherbées en bords de champs cultivés pour contribuer à l’épuration de l’eau. Nous utiliserons donc cet outil pour préciser le design optimal des bandes enherbées dans ce but. Cette tache sera réalisée en confrontation avec un comité de pilotage constitué de représentant de la chambre d’agriculture, d’agriculteurs et de chercheurs. Cette démarche participative permettra une bonne adéquation de ce travail avec la réalité agricole.

Les trois premières taches nécessiteront i. des outils d’écologie numérique permettant la confrontation des données issues des simulations et des expérimentations. Ils viseront à identifier les patrons de distribution des individus, les corrélations entre ces patrons et les variations de l’environnement, la prise en compte de la notion d’échelles ; ii. des avancées récentes en calculs scientifiques permettant la réalisation de simulations à large échelle pour des coûts modestes en temps et en équipement. Nous utiliserons une approche originale de calcul distribué sur ordinateur par l’utilisation de la plateforme BOINC.

Ce projet présente ainsi une démarche entrant pleinement dans le cadre de l’appel d’offre SYSCOM, originale par de nombreux aspects mettant en jeu une collaboration étroite entre écologues et modélisateurs et donnant lieu à une application concrète en prise directe avec les gestionnaires. Ce projet propose également un modèle hybride assez flexible qui pourra être appliqué après modifications mineures à de nombreuses problématiques liées à des systèmes herbacés.

     

    Virtual Prairie


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    L'objectif de ce projet est d'étudier les mécanismes fondamentaux qui interviennent lorsque la végétation herbacée des prairies doit faire face à un stress (tonte récurrente, pâturage, pollution, ...). Ces modèles ont des applications, à commencer par la conception d'une prairie à haute valeur agronomique ou la préservation des écosystèmes à forte biodiversité. De nouvelles idées ont été récemment développées pour une utilisation écologique de ces végétaux (voyez par exemple une récente étude financée par la National Science Foundation (une agence gouvernementale indépendante des États-Unis d'Amérique, pour soutenir financièrement la recherche scientifique fondamentale) : "Les prairies mixtes humides sont une meilleure source de biocarburant que l'éthanol de maïs ou que les agro-carburants issus du soja" : http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=108206).

    Le projet ViP étudiera les effets des pratiques d'exploitation sur la compétition entre les plantes et la diversité génétique de la prairie.Le modèle se base sur des données expérimentales  obtenues par des mesures statistiques réalisées dans des prairies. Le projet utilise également une approche expérimentale pour contrôler la croissance de plants individuels se reproduisant par multiplication végétative sous différentes conditions environmentales. Un modèle individuel simule un ensemble de plants individuels qui se développent en ramets (chez les végétaux, chaque individu obtenu suite à un bouturage naturel ou non est appelé un ramet) mais il simule également les connexions (les cordons reliant les ramets et facilitant la propagation des plants sur le terrain).

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    La première phase a pour but d'étudier et de classer les caractéristiques de ces plants individuels et leur stratégie pour survivre dans un environnment concurrentiel. Les traits biologiques et la plasticité de chaque bouture est au coeur de cette question. Le principal objectif serait d'identifier une fonction rationnelle qui correspondrait à une stratégie de croissance optimale.

    La seconde phase du projet étudiera la comportement d'un mélange d'espèces dans une prairie. Les lois régissant les interactions entre les plantes seront ajoutées.
    Ces deux phases seront menées à bien par une simulation multi-échelle d'une prairie validée par des données expérimentales et calculée au moyen de l'outil informatique (in silico); la première phase s'achevera après la mise au point d'une application qui arrivera à modéliser les plants individuels et par la caractérisation d'un ensemble de lois à partir d'une série d'expérimentations controlées.
    L'espace des paramètres est extrêmement large et l'utilisation d'algorithmes évolutionnistes parait naturelle pour ce type d'étude écologique. Au cours de la seconde phase, les interactions entre des milliers d'individus devront être simulées pour observer les propriétés qui pourraient potentiellement émergées de ce complexe système écologique.
    Ces phases nécessitent des simulations à grande échelle et donc elles entrainent un parallélisme gênant qui devrait être facilement surmonté grâce à BOINC



    Selon les estimations, il faudra calculer environ 1.000.000 simulations, ce qui aurait pris 10 ans sur un ordinateur individuel. L'étude d'un seul parcours évolutionnaire prendrait au moins un an sur un PC individuel (phase1). Il existe des dizaines de parcours différents impliqués dans la dynamique évolutionniste. La simulation  est deux fois plus complexe pour une prairie (phase 2). Une phase de calcul qui pourrait tirer avantage de la capacité de calcul non utilisée de 10.000 PC durant un mois devrait apporter de nouveaux résultats dans la préservation des prairies, ces résultats n'ont encore jamais pu être obtenus par le passé

     

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