Base 'Projets' - Résultats des programmes de recherche sur les risques naturels

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Projet PGRN 1994 - Burnet et al.
Titre Système de représentation de connaissances spatiales pour l'étude des risques naturels : le projet ARSEN
Programme Programme départemental CG38/PGRN
Durée 1994-1995

Objets et thématiques de recherche :

Types de risques Projet transversal
Mots-clés Risques naturels - Représentations spatiales - Développement d’applications - Système à base de connaissances - Outils d’aide à la décision - ARSEN
Thématiques Connaissance des phénomènes - Système d'information
Sites d'étude *

Partenaires, contacts :

Organisme pilote Cemagref Nivologie (continuation avec l'Unité de recherche ETNA...)
Partenaires ENTPE Dép. Mécanique et informatique
Coordination Roland BURNET (?) / Laurent BUISSON
Contacts à préciser (Cemagref ETNA)

Financement du projet :

Budget total ?
Financement (€) - Financement CG38 : 6,86 k€ (45 kF)
- Soutien du Programme Environnement du CNRS dans le cadre du projet « représentation de l’espace, dynamique qualitative et raisonnement spatial » (durée du projet : 3 ans) : 60 kF (sur une demande de 120 kF en 1993)
- Région Rhône-Alpes
Part (%) Part du financement CG38 : ?%

Contenu :

Résumé La prise en compte des phénomènes qui interviennent dans le domaine de l’environnement devient aujourd’hui une préoccupation majeure. Risques naturels et industriels, pollution, évolution des paysages, sauvegarde des espèces… autant de problèmes dont la résolution passe par une bonne appréhension de phénomènes ou de processus physiques ou biologiques à l’œuvre dans notre environnement.

Qu’il s’agisse de comprendre les phénomènes susceptibles de se produire, de les afficher ou bien encore d’agir sur eux, la simulation apparaît souvent nécessaire. Elle seule, en effet, peut fournir une description fidèle et exhaustive. Cependant, dès que des modèles de simulation apparaissent, il faut les tester dans différentes conditions puis les appliquer en multipliant les hypothèses sur de nombreux cas d’étude.

L’application répétitive de ces modèles se heurte systématiquement au problème de la représentation de l’espace. En effet, les phénomènes à prendre en compte se déroulent tous dans un espace naturel en général très complexe. Obtenir une bonne représentation de l’espace pour chacun se révèle donc nécessaire.

Le développement d’un système d’aide à la décision dans le domaine de l’environnement exige donc, le plus souvent, la création de représentations de l’espace. Il se trouve que de nombreuses applications ont été développées récemment en France, en particulier pour les risques naturels (avalanches, stabilité de pentes, feux de forêts, formation de congères, crues torrentielles…). Pour chacune de ces applications, les représentations de l’espace nécessaires ont été implantées de différentes manières.

Le but de ce projet est, à partir de l’expérience du développement de ces applications et à l’aide de techniques de représentations de connaissances, de construire, un noyau d’objets spatiaux et de méthodes associées pouvant être utilisé comme un outil de développement. Le nom donné à ce noyau est ARSEN (Aide à la Représentation Spatiale pour l’Environnement). Le projet ARSEN a pour origine un travail sur la représentation du terrain qui faisait partie de l’axe de recherche "méthodologie et connaissances" du programme Mouvements Gravitaires Rapides.

Objectifs Construire un noyau d’objets spatiaux et de méthodes associés pour développer un système de représentation de connaissances spatiales pour l'étude des risques naturels.

Les avantages principaux attendus d’un tel outil sont :
- permettre une intégration aisée de différents modèles concernant des phénomènes naturels, en proposant une aide à la construction des représentations spatiales nécessaires à l’application de ces modèles ;
- faciliter l’accès aux connaissances spatiales, quelle que soit la nature de ces connaissances (géométrique, topologique, qualitative…).

Méthodologie Les solutions retenues pour le développement d’ARSEN sont celles des bases de connaissances, reposant sur le concept d’objet.

1) Analyse des représentations de l’espace dans des applications existantes à partir d’exemples de systèmes à base de connaissances dédiés aux risques naturels

Ces exemples de systèmes experts ou de systèmes d’aide à la décision appliqués aux risques naturels possèdent une structure qui, outre les connaissances de spécialistes, intègrent à leur base de connaissance des bases de méthodes, des modules de maintien du raisonnement, ainsi qu’une ou plusieurs représentation(s) spatiale(s) permettant d’appliquer des modèles de type numérique (équations aux dérivées partielles, équations différentielles…) ou de type symbolique (raisonnement expert). Les exemples pris sont : ELSA (avalanches), ETCBC (crues torrentielles), XPENT (stabilité de pente), PiR3D (chutes de blocs sur un terrain défini de manière tridimensionnelle à l’aide d’un MNT).

2) Conception de l’architecture d’ARSEN

ARSEN est un noyau d’objets et de méthodes, conçu pour être un outil générique capable de fournir des solutions aux problèmes rencontrés en 1). Par des opérations de spécialisation, le système permet au développeur de définir une « palette » à partir du noyau d’objets et de méthodes. L’utilisateur peut alors charger cette palette pour obtenir la représentation spatiale du terrain, puis appliquer les méthodes et les modèles spécifiques, afin de simuler le phénomène naturel considéré.
La structure des données est organisée en 3 couches dans le but d’obtenir une représentation la plus complète possible de l’espace à étudier : couche géométrique (coordonnées, longueurs, surfaces), couche vectorielle et topologique (découpage spatial, relations de voisinage…), et couche utilisateur (objets géographiques dédiés, ponctuels, linéaires ou surfaciques…).

3) Développement du système

Construction d’un noyau provisoire d’objets et de méthodes (notamment celles permettant de remplir les couches de la structure de données), à l’aide du langage Le-Lisp (société ILOG) et développement de l’interface graphique grâce au logiciel Masaï-2D, qui propose un stockage de l’information par "quadtree" (ce qui permet un accès rapide à une quantité importante d’information) et qui gère ainsi de manière optimisée l’affichage de lignes et surfaces polygonales, dont on peut calculer l’intersection…

4) Développement d’applications spécifiques (test du noyau sur des systèmes existants)

1/ Application d’ARSEN à ELSA : création des panneaux permettant d’appliquer le modèle de répartition de la neige sur la zone d’accumulation (objets définis : courbes de niveaux, arêtes, talwegs, zones de végétation). L’espace est représenté par triangulation.
2/ Application à PiR3D, pour obtenir l’altitude en toute intersection d’une grille régulière projetée sur le terrain : l’utilisateur saisit les lignes (arêtes, talwegs) et les zones (végétation) en indiquant l’altitude de chacun des points saisis, puis fait une interpolation.

Développement :

En phase de validation comme en phase d’utilisation, il est nécessaire de procéder à de nombreux changements d’hypothèses sur la représentation de l’espace et sur les paramètres des modèles, voire sur les choix des modèles eux-mêmes. L’utilisation d’une base de connaissance, pour intégrer des objets et des méthodes d’inférences spatiales mais aussi des modèles, permet une gestion particulièrement intéressante de la dynamique des inférences grâce aux techniques de maintien du raisonnement.

Résultats et produits de la recherche :

Résultats 1) Mise en évidence des besoins en représentation spatiale pour l’étude de phénomènes naturels impliqués dans des problèmes d’environnement.
Le problème principal rencontré dans l’utilisation des outils existants est qu’ils ne sont pas adaptés à l’application de modèles, en raison des procédures d’accès aux données (exportation) et d’intégration (importation des données), trop lourdes. Ainsi, ils conviennent dans un contexte "recherche", mais pas dans un contexte "ingénierie" ou "gestion de crise".

2) La structure d’ARSEN permet au développeur d’application de créer ses propres objets géographiques, vectoriels et topologiques ou géométriques, puis de définir ses propres méthodes sur ces objets. Cet outil de programmation est donc facilement adaptable à un problème particulier de représentation du terrain.

3) Phase de développement en cours à la remise du rapport.

4) Réalisation d’exemples d’application pour tester et améliorer le noyau d’ARSEN (extraction de polygone, interpolation…).

Livrables Logiciel / SIG ARSEN (Aide à la Représentation Spatiale pour l’ENvironnement) : système de représentation de connaissances spatiales pour l'étude des risques naturels)

Rapport au PGRN

Diffusion :

Publications et communications Publications et communications (à préciser) :

BUISSON, L., CLIGNIEZ, V. 1995. Development of a spatial knowledge base system for environment protection: the ARSEN project. Safety science, vol. 20, no1, 27-37. doi:10.1016/0925-7535(94)00064-A

Retombées :

MANCHE, Y. 1998. Cartographie multirisques: une méthode semi-automatique = Multi-risk mapping : a semi automatic method. Ingénieries, Cemagref / Congrès du Programme Fédérateur Risques, Séminaire de restitution, Paris, France (04/06/1998), pp. 115-119.

Pages web Cf. page "Modélisation" du Cemagref > La modélisation symbolique [archive web]

Débouchés du projet :

Produits de la recherche Logiciel & codes de calcul Rapport Système d’information géographique
Production scientifique - Méthodologie innovante
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Utilisateurs à préciser (chercheurs et gestionnaires des risques naturels)
Partenariats Partenariat Cemagref / ENTPE préexistant

Coopération envisagée avec d’autres équipes de recherche et pouvant donner lieu à des mises à disposition du noyau d’ARSEN (Equipe Intelligence Artificielle de l’Ecole des Mines de Paris à Sophia-Antipolis travaillant sur les incendies de forêt)

Retombées • Retombées à préciser :

Les résultats obtenus ont donné lieu à des communications dans des colloques ou des conférences et à des publications dans des revues scientifiques :

- Article de Vincent Cligniez présenté lors de la première conférence de TIEMES (The International Emergency Management and Engineering Society) à Miami au printemps 1994 (qui devait être publié dans la revue internationale "Safety Science".

- Article présenté à Lyon en octobre 1994 dans le cadre des "Journées de la recherche CASSINI" publié, après modification, dans la "Revue Internationale de Géomatique".

- Thèse de Vincent Cligniez, qui devait conclure et valoriser ces travaux…

• Perspectives :

A plus long terme, ce système devait permettre de développer plus rapidement et de façon plus formalisée de nouvelles applications relatives à d’autres risques naturels : écroulement rocheux, transport de sable par le vent, incendies de forêts…

• Utilisation d'ARSEN :

- Intégration de paramètres forestiers au logiciel ARSEN dans le cadre du projet PGRN de Berger et al. (1998) : "Etude et modélisation du rôle de protection des forêts contre les chutes de rochers".

- Mise en place d'une application du logiciel ARSEN pour développer une méthode semi-automatique de cartographie multirisques permettant d'avoir sous le même système la cartographie des aléas et celle de la vulnérabilité, et d'obtenir une représentation des risques (Manche 1998, cf. Publications).

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