La théorie des graphs et les modèles de distribution d
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La théorie des graphs et les modèles de distribution d’espèces au service de la cartographie prédictive des communautés végétales des milieux ouverts alpins Denis Maréchal, Alexis Mikolajczak, Vincent Thierion, Marc Isenmann, Thomas Sanz, Sandra Luque EcoVeg11, 27 mars 2015, Grenoble Contexte • Cartographie des végétation naturelles et semi-naturelles sur le territoire national pour 2025: qualité des habitats et mesures de conservation Intégration de données multi-sources Intégration:: • • Intégration Objectif Contexte Physionomie (Télédétection) + + Compartiments écologiques (Modélisation/Clustering) = = Habitats (Alliances phytosociologiques) Compartiments écologiques Espèce de la communauté 1 Espèce de la communauté 3 Espèce de la communauté 2 Portion de territoire Compartiments écologiques Espèce de la communauté 1 Espèce de la communauté 3 Hypothèse: Compartiments écologiquement homogènes, favorables au développement des espèces de chaque communauté Espèce de la communauté 2 Portion de territoire Modéliser les compartiments écologiques Compartiments écologiques: Portion de territoire: 1. Présentant une homogénéité des gradients écologiques 2. Accueillant une succession végétale particulière Hypothèses: Les communautés végétales (plus que les espèces) sont de bons indicateurs de conditions écologiques homogènes (théorie de la niche commune) Modélisation de la distribution des compartiments écologiques Site d’étude Milieux ouverts français Chambery Grenoble 20Km Massifs cristallins isérois (Belledonne, Grandes-Rousses, Ecrins, Oisans) Surf: 5000 km². Domaines sub-alpin et alpin (1.500m-4000m) Plan A. METHODE 1. Création de communautés végétales par la théorie des graphs 2. Modèles de distribution d’espèces: principes 3. Variables environnementales 4. Les compartiments écologiques B. RESULTATS 1. Cartographie des compartiments écologiques 2. Première approche pour la cartographie des habitats: le couplage C. CONCLUSIONS METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales La théorie des graphs permet la construction de communautés végétales écologiquement cohérentes en utilisant la co-occurrence des espèces Données espèces-placettes Pl. A Pl. B Espèce 1 1 1 Espèce 2 1 … Réseau d’espèces Pl. Z 1 Noeud: une espèce … Espèce n 1 • Données: présences/absences ou recouvrement • Surface homogène de 25 à 100m² Lien: Degré de co-occurrence entre deux espèces METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Graphe du réseau Compartiment 1 Probabilité d’occurrence des espèces Espèce 9 Espèce 3 Espèce 4 Espèce 8 Espèce 5 Compartiment 1 Gradient écologique Compartiment 2 Compartiment supérieur Compartiment 2 Compartiment supérieur Structure de réseau (co-occurence, frequence, modules) Compartiments écologiques « Meta-niche » METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Sous partie du réseau 4 communautés représentées par différentes espèces Sous partie Belledonne-Ecrins (CBNA) METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Sous partie du réseau 3 communautés distinctes avec espèces centrales METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Liens intra & inter modules Espèces centrales? Espèces indicatrices représentant le comportement du module vis-à-vis des gradients écologiques utilisés METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Liens intra & inter modules Espèces centrales? Espèces indicatrices représentant le comportement du module vis-à-vis des gradients écologiques utilisés METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Sous partie du réseau 3 communautés distinctes avec espèces centrales Une communauté transitionnelle METHODE: Théorie des graphes et communautés végétales Modules et espèces centrales • Module 1 (subalpin frais): Sous partie du réseau Agrostis agrostiflora & Imperatoria ostruthium • Module 2 (subalpin mésophile): 3 communautés distinctes Arnica montana, Potentilla aurea, Pseudoarchis albida avec espèces centrales • Module 3 (subalpin thermophile): Une communauté Potentilla grandiflora, Senecio doronicum, Centaurea uniflora transitionnelle • Module 4 (alpin chionophile): Veronica alpina, Omalotheca sapina • Module 5 (alpin cryophile): Festuca halleri, Minuartia sedoïdes Plan A. METHODE 1. Création de communautés végétales par la théorie des graphs 2. Modèles de distribution d’espèces: principes 3. Variables environnementales 4. Les compartiments écologiques B. RESULTATS 1. Cartographie des compartiments écologiques 2. Première approche pour la cartographie des habitats: le couplage C. CONCLUSIONS METHODES: Modèles de distribution d’espèces METHODES: Modèles de distribution d’espèces Plateforme BIOMOD : 10 modèles statistiques disponibles: - GLM - GAM Régressions - MARS - FDA - CTA Arbre de décision - RF - GBM Régression sur arbre - SRE Enveloppes - ANN Par apprentissage - MAXENT Plan A. METHODE 1. Création de communautés végétales par la théorie des graphs 2. Modèles de distribution d’espèces: principes 3. Variables environnementales 4. Les compartiments écologiques B. RESULTATS 1. Cartographie des compartiments écologiques 2. Première approche pour la cartographie des habitats: le couplage C. CONCLUSIONS METHODE: Variables environnementales 1. Objectifs: Modéliser les compartiments écologiques au 1/25000 dans un contexte alpin 2. Végétation d’altitude: principalement influencée par la durée de la couverture neigeuse et la rapidité de fonte importance de l’influence topographique (température, rayonnement solaire, accumulation) 3. Données climatiques: à cette échelle: disponibilité limitée, peu informative (1km²) et très corrélée au MNT Utilisation de dérivées du MNT≈ proxy de variables écologiques/climatiques influentes METHODE: Variables environnementales MNT (25m): IGN Degré de convexité (r:500m) Insolation totale Wetness Index Degré de convexité (r:500m) Position géographique METHODE: Variables environnementales METHODE: Variables environnementales Variables dérivées de MNT…: • Liées aux ressources (radiation solaire: insolation totale, teneur en eau: Wetness Index, température: altitude & topographie…) Généralisation • Résolution relativement adaptée (25m) pour une cartographie au 1/25000 Plan A. METHODE 1. Création de communautés végétales par la théorie des graphs 2. Modèles de distribution d’espèces: principes 3. Variables environnementales 4. Les compartiments écologiques B. RESULTATS 1. Cartographie des compartiments écologiques 2. Première approche pour la cartographie des habitats: le couplage C. CONCLUSIONS METHODE: Compartiments écologiques Compartiment Ecologique 1 3 communitées distinctes: Compartiment Ecologique 2 La présence d’une communauté indique l’absence de toutes les autres Compartiment Ecologique 3 METHODE: Compartiments écologiques 3 communitées distinctes: La présence d’une communauté indique l’absence de toutes les autres Cartographie des compartiments écologiques accueillant les communautés modélisées METHODE: Compartiments écologiques « Cœurs » des compartiments écologiques Chevauchements entre compartiments: transitions Transition = p(Module A) – p(Module B) <= 0.2 Plan A. METHODE 1. Création de communautés végétales par la théorie des graphs 2. Modèles de distribution d’espèces: principes 3. Les compartiments écologiques 4. Variables environnementales B. RESULTATS 1. Cartographie des compartiments écologiques 2. Première approche pour la cartographie des habitats: le couplage C. CONCLUSIONS RESULTATS: Compartiments écologiques sur Belledonne-Ecrins N 20Km RESULTATS: N 5 Km RESULTATS: Module 1 N 5 Km RESULTATS: Modules 1 & 2 N 5 Km RESULTATS: Modules 1, 2 & 3 N 5 Km RESULTATS: Modules 1, 2, 3 & 4 N 5 Km RESULTATS: Modules 1, 2, 3, 4 & 5 N 5 Km RESULTATS: Tous modules & transition 4-5 N 5 Km RESULTATS: Tous modules & toutes transitions N Zones modélisées (> 800m altitude) < 800m d’altitude Zones non modélisées (> 800m d’altitude) 5 Km RESULTATS: Statistiques Bilan premiers résultats: Indices ROC, sensibilité/spécificité 0.91 86 0.9 84 82 0.89 80 78 0.88 76 74 0.87 72 70 0.86 1 2 Sensibility 3 Modules 4 5 Specificity • Même hiérarchisation des gradients pour tous les modules • Altitude & insolation ++ • Topographie + ROC ROC Sensibilité/Spécificité (%) 88 • ROC index > 0.86 • Sensibilité/specificité hétérogènes Bilan modélisation • Bonne performance des modélisations (>0.86) et bonne représentation spatiale des compartiments écologiques Théorie des graphes & données de co-occurrences Variables dérivées de MNT • Meilleures performances: GLM continuum & gradient • Transitions: bien localisées, très peu d’incohérences (chevauchement de modules très distincts) • Faible % de zones non modélisées (homogénéité dans les zones restantes) • « Cœurs » & transitions : respect du principe de continuum de végétation Plan A. METHODE 1. Création de communautés végétales par la théorie des graphs 2. Modèles de distribution d’espèces: principes 3. Les compartiments écologiques 4. Variables environnementales B. RESULTATS 1. Cartographie des compartiments écologiques 2. Première approche pour la cartographie des habitats: le couplage C. CONCLUSIONS RESULTATS: intégration de la physionomie pour la caractérisation des habitats Physionomie Compartiments écologiques = Habitats (/Alliances) RESULTATS: intégration de la physionomie pour la caractérisation des habitats Couplage: Physionomie – compartiments écologiques Compartiments écologiques Physionomie A. Subalpin frais B. Subalpin mésophile C. Subalpin thermophile D. Alpin chionophile E. Alpin cryophile Senecionion leucophylli, Androsacion vandellii (pente > Cryptogrammetum crispae, Androsacion vandellii 45) (AE1), Cryptogrammetum Asplenion septentrionalis (pente > 45) A1 B1 C1 D1 Androsacion alpinae E1 (pente > 45) (AE1), 1. Eboulis - rochers Androsacion alpinae, crispae (C1_Parois), Androsacion alpinae Cryptogrammetum crispae Androsacion vandellii (pente > 45) (C1_Parois) Androsacion alpinae, Senecionion leucophylli, Salicion herbaceae, Adenostylion alliarae p.p., Cryptogrammetum Cryptogrammetum crispae, Senecioni incani Caricion curvulae, A2 Cryptogrammetum crispae, B2 crispae, C2 D2 E2 2. Herbacé-Minéral Festucion variae Caricetum curvulae, Androsacion alpinae Agrostietum agrostiflorae Nardion strictae (Cryptogrammetum crispae) Salicion herbaceae, Nardion strictae, Festucion variae, 3. Herbacée de faible et Adenostylion alliarae p.p., Senecioni incani A3 B3 Poion alpinae, C3 Poion alpinae D3 E3 Caricion curvulae Agrostietum agrostiflorae Caricetum curvulae, moyenne productivité Rumicion pseudalpini Poion supinae 4. Herbacée forte productivité A4 Adenostylion alliarae p.p. B4 5. Landes denses et mixtes A5 Vaccinio myrtilli Rhododendretum ferruginei B5 6. Fourré A6 7. FL A7 8. Bas-Marais Alnion viridis, (Vaccinio myrtilli B6 Rhododendretum ferruginei), (Adenostylion alliarae) Piceion excelsae p.p., Vaccinio myrtilli - Pinetum B7 cembrae B8 Poion alpinae, C4 Rumicion pseudalpini Centaureo uniflorae - Festucetum paniculatae Rhododendretum ferruginei - Vaccinio myrtilli C5 Juniperion nanae Jeunes épicéa et nanophanerophytes subalpins C6 Jeunes épicéa et nanophanerophytes subalpins Piceion excelsae p.p. C7 Piceion excelsae p.p., Cotoneastro integerrimi - Pinetum uncinatae p.p. Caricion fuscae (Rhododendro D5 ferruginei - Vaccinion E5 myrtilli) D8 Caricetum foetidae, Eriophorion scheuchzeri Loiseleurio procumbentis Vaccinion uliginosi RESULTATS: intégration de la physionomie pour la caractérisation des habitats Zone du Lac Blanc N (Belledonne) 20Km RESULTATS: intégration de la physionomie pour la caractérisation des habitats Zone du Lac Blanc (Belledonne) RESULTATS: intégration de la physionomie pour la caractérisation des habitats Zone du Lac Blanc (Belledonne) Modélisation 5 modules Subalpin frais Subalpin mésophile Subalpin thermophile Alpin chionophile Alpin cryophile RESULTATS: intégration de la physionomie pour la caractérisation des habitats Zone du Lac Blanc (Belledonne) Couplage 29 Alliances Conclusions • Méthode prometteuse pour la cartographie des compartiments écologiques et des habitats (couplage) • Bonne performance des modèles (validations statistiques/expertes) Théorie des graphs pour la construction des CV Choix des variables • Possibilités de généralisation MAIS besoin en données de végétation • Biodiversité, conservation, services écosystémiques [email protected]
