Modélisation cellulaire et simulation physique : contribution à l'analyse de la dynamique de population des insectes ravageurs

Cell Modeling and physical Simulation : contribution to the analysis of population dynamics of insect pests

• Auteur / Autrice : Mahamadou Traore
• Direction : Bernard Pottier, Ousmane Thiare
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/03/2018
• Etablissement(s) : Brest en cotutelle avec Université de Saint-Louis (Sénégal)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance - Laboratoire d'analyse numérique et informatique (Sénégal)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Rodin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Pottier, Ousmane Thiare, Vincent Rodin, Jean-Pierre Müller, Christophe Cambier, Alexandra Fronville, Moussa Lô
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Müller, Christophe Cambier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Modèles mathématiques

Populations

Insectes nuisibles

Mots clés libres

Modélisation environnementale

Simulation physique

Réseau de capteurs sans fil

Automate cellulaire

Environmental modeling

Physical simulation

Wireless sensor networks

Cellular automata

Résumé

Les insectes ravageurs constituent depuis longtemps une menace sérieuse pour l’agriculture dans plusieurs régions du monde. En particulier, les criquets pèlerins (Schistocerca Gregaria) sont les plus redoutés à cause des dégâts colossaux qu’ils peuvent infliger à une large variété de cultures. Ces derniers, dans leur milieu de reproduction et un ensemble de paramètres climatiques, peuvent être assimilés à un système biophysique. Un système biophysique associe plusieurs composants caractérisés par leur complexité propre et celle de leurs interactions. Par exemple la pluie apporte de l’humidité et le développement du couvert végétal qui sont critiques dans la dynamique de population du criquet pèlerin. Ces systèmes biophysiques peuvent être contrôlés par divers moyens, dont un réseau de surveillance couplant des capteurs sans fil. L’intégration des systèmes biophysiques et des réseaux d’observation peut être un des faits majeurs de cette décennie. Elle permet un échange entre les processus cycliques physiques et les systèmes d’information. Ces derniers permettent de collecter et de traiter les données de terrain et peuvent aussi agir sur le système physique par le biais de boucles rétro-actives. Cette intégration a été possible grâce aux avancées technologiques notées dans les domaines de la micro électronique et de la transmission sans fil. On la trouve dans des domaines émergents tels que l’agriculture fine. Cette thèse est consacrée à la modélisation cellulaire et à la simulation de systèmes physiques. Pour cela, un échantillonnage spatial et temporel d’une zone de reproduction des criquets pèlerins a été réalisé à l’aide d’outils spécifiques avec différentes résolutions, dans le but de générer les systèmes cellulaires. Ces systèmes cellulaires contiennent des informations telles que le vent, la température, l’humidité relative et la pluviométrie. L’échantillonnage spatial permet une représentation de migration et l’échantillonnage temporel permet de suivre l’évolution locale des individus dans une cellule.Les systèmes cellulaires sont transcrits en réseaux de processus communicant et évoluent de manière synchrone afin de reproduire et de simuler le phénomène de migration intercellulaire et le cycle de vie du criquet pèlerin dans une cellule. La construction de ces systèmes a été explorée en profondeur, en faisant varier leur contexte géographique, les critères de classification, la dimension des cellules, la connectivité entre les processus, les comportements collectifs. L’exploration a porté sur la génération de codes parallèles et les performances à l’exécution, essentiellement pour le cas des processus légers.Ce travail a abouti à la production de deux simulateurs paramétriques, le premier est destiné à la dynamique de population des criquets pèlerins en vue d’évaluer l’état de la situation acridienne par un couplage entre les réseaux de surveillance synchrones et les systèmes biophysiques. Le second permet de planifier le déploiement de réseaux de capteurs sans fil dans une zone afin de déterminer l’emplacement des capteurs.

Insect pests have long been a serious threat to agriculture in many parts of the world. In particular, desert locusts (Schistocerca Gregaria) are the most feared because of the colossal damage they can inflict on a wide variety of crops.The latter, in their breeding environment and a set of climatic parameters, can be assimilated to a biophysical system. A biophysical system associates several components characterized by their own complexity and that of their interactions. For example, rain brings moisture and canopy development that is critical in Desert Locust population dynamics. These biophysical systems can be controlled by various means, including a monitoring network coupling wireless sensors. The integration of biophysical systems and observation networks can be one of the major events of this decade. It allows an exchange between physical cyclical processes and information systems. These can collect and process field data and can also act on the physical system through feedback loops. This integration has been made possible thanks to technological advances noted in the fields of microelectronics and wireless transmission. It is found in emerging fields such as fine agriculture. This thesis is devoted to cellular modeling and simulation of physical systems. For this, a spatial and temporal sampling of a Desert Locust breeding area was carried out using specific tools with different resolutions, in order to generate the cellular systems. These cellular systems contain information such as wind, temperature, relative humidity and rainfall. Spatial sampling allows a migration representation and temporal sampling can track the local evolution of individuals in a cell.Cellular systems are transcribed into communicating process networks and evolve synchronously to reproduce and simulate the phenomenon of intercellular migration and the life cycle of the Desert Locust in a cell. The construction of these systems has been explored in depth, making vary their geographical context, the criteria for classification, the cells, connectivity between processes, collective behaviors.Exploration has focused on the generation of parallel codes and performance at the execution, mainly for the case of lite processes.This work has led to the production of two parametric simulators, the first of which is aimed at Desert Locust population dynamics with a view to assessing the state of the locust situation through coupling between synchronous monitoring networks and biophysical systems. The second allows you to plan the deployment of wireless sensor networks in an area to determine the location of the sensors.