Vers une théorie cohérente des modèles statistiques de changement d’usage des sols

Les changements d’usage et de couverture des sols sont un des principaux moteurs des changements globaux. A ce titre, ils sont fréquemment modélisés dans les sciences de l’environnement dans l’objectif d’une part d’évaluer leurs impacts sur les écosystèmes ou leur contribution au changement climatique, et d’autre part d’informer les décideurs publics de la planification territoriale sur les impacts potentiels des politiques d’aménagement du territoire. Ces modèles sont mobilisés sur des territoires allant de l’entité paysagère jusqu’aux dimensions continentales, à des degrés divers de résolution spatiale, et sur un horizon de temps de quelques dizaines d’années au plus.

Plusieurs stratégies de modélisation sont disponibles à cet effet. L’une des plus courantes repose sur une approche statistique du problème. Les changements passés sont décrits de façon probabiliste, en
corrélant les changements observés avec différentes caractéristiques géographiques et/ou socio-économiques des territoires considérés, d’une façon spatialement explicite, et les changements sont alloués dans le futur de façon statistique sur la base de ces corrélations en fonction de scénarios globaux d’évolution du territoire. En pratique, plusieurs logiciels implémentent des stratégies de ce type.

Il est bien connu dans la littérature spécialisée que ces logiciels donnent des résultats différents et quelquefois incohérents sur un même problème à partir d’un même jeu de données, alors que la fiabilité des résultats obtenus est critique tant sur le plan scientifique que pour l’aide à la décision
publique. Toutefois, pour l’instant, l’origine de ces différences de comportement n’est pas identifiée, pour deux raisons principales :

1. les choix de modélisation implémentés dans ces logiciels sont différents au niveau même de la théorie des probabilités, et ne sont pas toujours explicités dans la littérature ou la documentation de ces logiciels ;
2. selon toute vraisemblance, les concepteurs de ces logiciels ne disposent pas d’une compétence suffisante en théorie des probabilités pour définir des stratégies de modélisation conceptuellement satisfaisantes tout en conservant un haut niveau de simplicité d’implémentation et de souplesse d’utilisation.

L’objectif de la thèse est multiple :

1. élaborer un cadre générique en théorie des probabilités qui définisse, sur le plan des principes, la formulation la plus cohérente et satisfaisante du problème ;
2. définir différents niveaux d’approximation permettant des implémentations plus ou moins complexes de ce cadre, de façon contrôlée et testable ;
3. identifier les erreurs théoriques et méthodologiques présentes dans les logiciels existants, en les illustrant sur des cas d’étude réels ;
4. proposer des alternatives et/ou corrections, en évaluant leur pertinence et leur efficacité sur des exemples variés.

En pratique, des résultats ont déjà été obtenus sur ces quatre points. Le travail du doctorant consistera à les systématiser et à développer des stratégies d’implémentation numérique adaptées,
ainsi que des démonstrations de principe dans des cas concrets. Il ne s’agit pas d’élaborer un nouveau logiciel de changement d’usage des sols, mais de mettre en évidence théoriquement et numériquement où les principaux logiciels existant introduisent des erreurs soit conceptuelles, soit
d’implémentation.

Ce travail de thèse vise donc directement l’un des principaux verrous théoriques et pratiques de la modélisation de changement d’usage des sols. L’intérêt potentiel de ce travail pour les communautés concernées est considérable (écologie et géographie quantitative, principalement).