Éclairer le long terme des villes par une approche prospective : ce que disent nos modèles de la métropole de Bordeaux

Enlightening the long-term future of cities through a prospective approach : what our models say about the Bordeaux metropolitan area

• Auteur / Autrice : Matthieu Denoux
• Direction : Nadia Maïzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Contrôle, optimisation, prospective
• Date : Soutenance le 02/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Blanc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Maïzi, Vincent Viguié
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valéry Masson, Jacques Teller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Urbanisme

Urbanisme durable

Mots clés libres

Modélisation prospective

Urbanisme

Modèle TIMES

Optimisation

Analyse de données

Réseaux de neurones

Environnement

Futur des villes

Prospective modeling

TIMES model

Urban planning

Optimization

Data analysis

Neural networks

Environment

Future of cities

Résumé

Les villes sont au coeur de l'organisation de l'habitat humain et concentrent une part croissante de la population mondiale. Logiquement, elles doivent faire face aux enjeux environnementaux et sociaux que rencontre l'humanité. Elles sont ainsi victimes de la crise climatique et environnementale, subissant les conséquences de la pollution de l'air, des canicules, des inondations, des ouragans, et autres événements intenses. Mais elles sont aussi actrices de ces problématiques parce qu'elles rassemblent souvent les pouvoirs économiques, politiques et sociaux. En outre, la construction des milieux urbains se fait dans la durée, les bâtiments restant en place plusieurs décennies voire siècles et les formes urbaines créant une trame difficilement réversible. Dans ce contexte, il est primordial que les parties de villes que nous construisons aujourd'hui intègrent à la fois les aspects courts termes (financiers, esthétiques, d'adéquations aux besoins des propriétaires ou des commanditaires) mais aussi leurs impacts sur le long terme. Plusieurs visions de la ville telle qu'elle devrait tendre à être ont émergé depuis quelques décennies, de la ville technologique (ou smart-city) à la ville durable en passant par une ville collective. Dans ce cadre, ce travail propose d'appliquer les principes de la modélisation prospectives aux problématiques d'aménagement urbain pour contribuer à la prise en considération des questions environnementales. Pour nourrir nos modèles, nous décrivons une méthodologie réplicable de création d'archétypes quantitatifs de formes urbaines et de bâtiments à partir de données publiques françaises. Cette approche, basée sur des techniques classiques (analyse en composantes principales et k-means), confirme quelques caractéristiques urbaines comme la difficile définition du périurbain. Notre modèle prospectif est constitué d'un modèle d'optimisation bottom-up basé sur le framework TIMES dont l'originalité réside dans la représentation du sol et de ses usages, d'un deuxième modèle de projection spatiale utilisant des cartes de contraintes et enfin d'un réseau de neurones à convolution servant à estimer les impacts relatifs sur la température des modifications urbaines calculées. Cette chaîne de modélisation est ensuite appliquée à quelques scénarios prospectifs sur la métropole de Bordeaux dont l'impact d'une politique de zéro artificialisation nette.

Cities are at the heart of the organization of the human habitat and concentrate a growing share of the world's population. Logically, they must face environmental and social challenges that humanity is experiencing. They are thus victims of the environmental crisis, suffering the consequences of air pollution, heat waves, floods, hurricanes, and other intense events. But they are also actors of these problems as they often bring together economic, political and social powers. In addition, the construction of urban systems is a long-term process, with buildings remaining in place for several decades or even centuries, and urban shapes drawing a grid not easily reversible. In this context, it is essential that parts of cities that we build today integrate both the short-term aspects (financial, aesthetic, adapting to the needs of owners or clients) and their long-term impacts. Several visions of future city, at least how it should tend to be, have emerged over the last few decades, from a technological city (or ''smart city'') to a sustainable city through a collective city. Within this framework, this work proposes to apply the principles of prospective modeling to urban planning issues in order to contribute to the consideration of environmental issues. To feed our models, we describe a replicable methodology for creating quantitative archetypes of urban shapes and buildings from French public data. This approach, based on classical techniques (principal component analysis and k-means), confirms some urban characteristics such as the difficult definition of the peri-urban area. Our prospective model then consists of a bottom-up optimization model based on the TIMES framework whose originality lies in the representation of the soil and its uses, a second spatial projection model using constraint maps and finally a convolutional neural network used to estimate the relative impacts on temperature of the calculated urban modifications. This modeling chain is then applied to a few prospective scenarios for the Bordeaux metropolitan area, including on the impact of a zero net artificialisation policy.