AUTOMATISATION DU PROCESSUS DE MODÉLISATION 3D EN

ERIC JANSSENS-CORON
AUTOMATISATION DU PROCESSUS DE
MODÉLISATION 3D EN HYDROGÉOLOGIE PAR
SYSTÈME EXPERT ET ONTOLOGIES
Proposé de recherche présenté
dans le cadre du programme de doctorat en Géomatique
DÉAPRTEMENT DE SCIENCES GÉOMATIQUES
FACULTÉ DE FORESTERIE ET DE GÉOMATIQUE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2007
© Éric Janssens-Coron, 2007

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Table des matières
Table des matières ................................................................................................................. ii
Liste des figures.................................................................................................................... iii
I – Contexte.............................................................................................................................4
I.1 Considérations générales...............................................................................................4
I.2 Les modèles hydrogéologiques .....................................................................................5
I.2.1 Définition................................................................................................................5
I.2.2 Les étapes de conception d’un modèle 3D hydrogéologique.................................6
II – Les difficultés de la modélisation hydrogéologique ......................................................11
II.1 Le cloisonnement des domaines d’expertise..............................................................11
II.2 La complexité de l’analyse des données ....................................................................12
II.3 Les experts : une ressource à géométrie variable.......................................................13
II.4 L’exemple d’une organisation : la Commission Géologique du Canada...................15
III – Problématique ...............................................................................................................16
IV – Les systèmes experts à la rescousse .............................................................................16
IV.1 Historique des systèmes experts...............................................................................16
IV.2 Les systèmes experts en géosciences........................................................................17
IV.3 Définition d’un système expert à base de règles ......................................................18
IV.4 Limitations et inconvénients des systèmes à base de règles.....................................20
IV.5 Les systèmes experts de seconde génération............................................................21
V – L’acquisition et la représentation des connaissances.....................................................23
V.1 Le problème de l’acquisition des connaissances .......................................................23
V.2 Le problème de l’intégration de connaissances multidisciplinaires ..........................24
V.3 Vers des éléments de solution....................................................................................26
V.3.1 Les graphes conceptuels .....................................................................................26
V.3.2 Les ontologies .....................................................................................................27
V.4 Exemples d’utilisation en modélisation géologique 3D ............................................28
V.4.1 Combinaison de systèmes experts RBR et CBR.................................................28
V.4.2 Combinaison entre un système expert RBR et une ontologie.............................29
VI – Définition du doctorat...................................................................................................30
VI.1 Hypothèse .................................................................................................................30
VI.2 Objectifs....................................................................................................................30
VI.3 Perspectives ..............................................................................................................31
VI.4 Méthodologie............................................................................................................32
VI.4.1 Phase 1 : Représentation des connaissances......................................................33
VI.4.2 Étapes de la phase 1...........................................................................................34
VI.4.3 Phase 2 : Conception et évaluation d’un système opérationnel.........................34
VI.4.4 Étapes de la phase 2...........................................................................................35
VI.5 Calendrier .................................................................................................................37
Bibliographie ........................................................................................................................38

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Liste des figures
Figure 1 Diagramme d’un système typique d'eaux souterraines ............................................5
Figure 2 Les étapes du processus de modélisation hydrogéologique .....................................6
Figure 3 Les étapes du processus de modélisation géologique ..............................................7
Figure 4 Exemple de structure géologique à deux couches sédimentaires et quatre failles
sub-verticales (Source : gOcad, 2004)............................................................................8
Figure 5 Exemples de représentations : A) par frontières, B) par voxels (Bédard 2006).......9
Figure 6 Quelques types de données exploités pour la modélisation hydrogéologique de la
moraine d’Oak Ridge, Ontario (Source NRCAN)........................................................13
Figure 7 Accroissement de la population au Canada entre 1996 et 2006 (Foot, 1998)........14
Figure 8 Deux zones de failles normales réelles pour un même cas générique....................22
Figure 9 Les connaissances impliquées dans les concepts Contact et Unité Géologiques...25
Figure 10 Un exemple d’interaction entre CBR et RBR dans un système expert................28
Figure 11 Exemple d’interaction entre ontologie et système expert. ...................................29

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I – Contexte
I.1 Considérations générales
Gouvernements et économistes du monde entier s’accordent aujourd’hui à dire que
l’exploitation et la qualité des ressources en eau sont deux des plus grands problèmes
auxquels l’humanité devra faire face dans les décennies à venir (Petit, 2004; NRCAN,
2006). L’exploitation des eaux souterraines en particulier est un enjeu capital pour de
nombreux pays. Ainsi au Canada 30.3% de la population dépend des eaux souterraines pour
ses besoins domestiques en eau (Rutherford, 2004).
La science qui s'intéresse à la recherche, au captage et à la circulation de ces eaux
souterraines est l’hydrogéologie (OQLF). De plus en plus souvent on distingue deux types
d’hydrogéologie (Pfannkunch, 1990). L’hydrogéologie fondamentale étudie et développe
d’un point de vue théorique les lois et les méthodes de quantification des écoulements des
eaux souterraines. L’hydrogéologie environnementale s’appuie sur ces lois et méthodes
pour étudier des systèmes aquifères réels, c’est-à-dire des formations géologiques qui
contiennent, conduisent et produisent de l'eau (Castany, 1997). Cette dernière doit remplir
deux missions principales (NRCAN, 2005). D’une part elle doit veiller à ce que
l’exploitation par pompage des eaux des systèmes aquifères pour les besoins humains ne
dépasse pas leurs capacités à se recharger. D’autre part elle doit suivre l’évolution des
produits contaminants (par exemple les pesticides employés en agriculture) au sein de ces
réservoirs, produits qui sont susceptibles d’être dangereux pour la consommation humaine
ou pour l’environnement. Pour remplir ses missions, l’hydrogéologie environnementale
s’appuie sur des modèles hydrogéologiques dont l’objectif général est de représenter les
écoulements des eaux dans les aquifères. Mais pour les représenter correctement il faut se
placer dans un contexte spatial plus large. En effet, les aquifères sont en relation avec une
ou des rivières, des lacs et d’autres éléments de surface qui influe sur les écoulements en
rechargeant (par ex. pluie) ou au contraire en déchargeant (par ex. puits) les aquifères
comme le montre la figure suivante.

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Figure 1 Diagramme d’un système typique d'eaux souterraines
Source : Environnement Canada. Notions élémentaires sur l'eau douce : Questions et
réponses. 5e édition. Ottawa. 2000.
Pour cette raison, l’ensemble aquifère – rivières – lacs est regroupé au sein d’une unité
spatiale fondamentale appelée bassin versant. Toutes les eaux situées dans le territoire du
bassin versant se déversent vers un lieu donné, généralement un cours d’eau. C’est dans ce
contexte de bassin versant que les modèles hydrogéologiques doivent représenter les
aquifères.
I.2 Les modèles hydrogéologiques
I.2.1 Définition
Les modèles hydrogéologiques sont des représentations théoriques simplifiées d'un système
aquifère. Ils comportent la définition d'une structure (le sous-sol), la formulation de lois
(relations déterministes ou probabilistes) reliant les entrées du système (par ex. des mesures
de débits) à ses sorties (par ex. diagrammes des flux des eaux souterraines), et la définition
des paramètres (constantes ou variables pouvant prendre des valeurs numériques comme les
coefficients de perméabilité des roches) entrant dans ces relations (Castany, 1997). Ils
cherchent à représenter l’écoulement de l’eau dans le sous-sol. Ce sont donc des modèles à
quatre dimensions (4D) incluant les trois dimensions de l’espace et le temps. Toutefois, on
s’intéressera plus particulièrement à l’aspect 3D de ces modèles mais tout en gardant à
l’esprit qu’il doit s’intégrer dans un modèle 4D.