Comparer les morphogenèses urbaines en Europe et aux Etats-Unis par la simulation à base d'agents : approches multi-niveaux et environnements de simulation spatiale, Comparing urban morphogenesis in Europe and in the United states through agent-based simulation : multilevel approaches and spatial simulation frameworks
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Thèse soutenue le 07 décembre 2010: Evry-Val d'Essonne
La comparaison, à différents niveaux (systèmes de villes, villes, quartiers), de l'organisation spatiale et hiérarchique des systèmes urbains dans le monde fait apparaître des propriétés universelles (loi rang-taille, structure centre-périphérie des villes, etc.) mais également une grande variété de formes (répartition des populations, densités, prix, activités, etc.). Si les théories évolutionnaires urbaines et celles d'économie spatiale offrent des schémas explicatifs de cette émergence de formes, les modèles qui en sont issus se sont jusqu'à présent focalisé sur un seul niveau d'organisation spatiale, qu'il soitintra ou inter-urbain. Dans une optique d'aménagement durable, il est crucial de disposer de modèles permettant de raisonner sur les inter-dépendances qu'entretiennent ces niveaux d'organisation du peuplement. Cette thèse présenteune famille de modèles entités-centrés et d'outils dédiés à l'étude de cette problématique par la simulation à base d'agents. Ils s'inscrivent dans le projet Simpop et sont mis en oeuvre sur la comparaison des morphogenèses urbaines en Europe et aux Etats-Unis, sur la période 1800-2000. Ils incluent notamment le simulateur simpopNano, accompagné d'un environnement modulaire construit autour d’un SIG pour une exploitation systématique, intelligente et collective de modèles spatiaux. Ensemble, ils confortent l'idée que la seule différence des maillages des réseaux viaires des villes suffit à exprimer des répartitions spatiales plus diffuses sur les grilles américaines que sur les plans radioconcentriques européens. Ce modèle intra-urbain est ensuite articulé avec le modèle de systèmes de villes Simpop2 dans un modèle multi-niveaux.
-Morphogenèses urbaines
The multilevel comparison of spatial and hierarchical organisations of urban systems over the world highlights some universal properties (rank-size law, center-periphery structure) but also a variety of more specific patterns (in terms of spatial repartition of populations, densities, prices, activities, etc.). The spatial economy and the urban evolutionnary theory both offer explanations of the emergence of such patterns, but the simulation models they support generally consider one level of spatial organisation only. Understanding and reconstructing those levels' interdependancies is a crucial issue for long-term sustainable urban planning. This thesis presents a set of models and tools that are dedicated to the study of this question through agent-based simulation. They have been developed in the context of the Simpop project, and particulary focus on the comparison of the morphogenesis of urban systems in Europe and in the United States over the period 1800-2000. These tools include the simpopNano agent-based model, and some experimentation modules integrated in an extensible, generic, GIS-based platform dedicated to a systematic, collective and intelligent exploration of spatial simulation models. Together, they reinforce the idea that difference of topology of the streets networks could be sufficient to generate some more diluted spatial repartitions, as observed in US cities when compared to european ones. This intra-urban model is then articulated with an inter-urban one, Simpop2, in a multilevel model. The latter serves to engage a comparison among a variety of approaches in agent-based simulation for coupling models of various levels of abstraction.
-Urban morphogenesis
Source: http://www.theses.fr/2010EVRY0013/document
N d’identification : 2010EVRY
´ ´UNIVERSITE D’EVRY-VAL-D’ESSONNE
U.F.R. SCIENCES FONDAMENTALES ET
´APPLIQUEES
`THESE
pr´esent´ee pour obtenir
le GRADE de DOCTEUR EN SCIENCES
´ ´DE L’UNIVERSITE d’EVRY
Sp´ecialit´e : INFORMATIQUE
par
Thomas Louail
Sujet : Comparer les morphogen`eses urbaines en
Europe et aux Etats-Unis par la simulation
`abased’agents—Approchesmulti-niveaux
et environnements de simulation spatiale.
Soutenue le DD MM 2010 devant le jury compos´e de :
Alexis Drogoul Rapporteur
Amal El Fallah Seghrouchni Rapporteuse
Anne Ruas Rapp
Fr´ed´eric Amblard Examinateur
Jean Laterasse
Anne Bretagnolle Encadrante
Guillaume Hutzler Encadrant
Jean-Louis Giavitto Directeur de la th`ese
Denise Pumain Directrice de la th`eseTable des mati`eres
Table des figures iii
1 Motivations et contributions 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Une collaboration interdisciplinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Simulation informatique et g´eographie urbaine 13
1 R´evolution th´eorique de la g´ et grands courants de mod`eles . . . . . . . 14
2 Syst`eme-ville et syst`emes de villes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Simulation urbaine dynamique et sans agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Sim dynamique, spatiale et `a base d’agents . . . . . . . . . . . . . 40
5 Illustration : Accessim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Formes et morphogen`eses urbaines en Europe et aux Etats-Unis 67
1 Des formes urbaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2 Formes urbaines en Europe et aux Etats-Unis : constats . . . . . . . . . . . . . . 71
3 Morphogen`eses urbaines en Europe et aux Etats-Unis : hypoth`eses . . . . . . . . 78
4 Questions abord´ees par simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 M´ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 Simuler les morphogen`eses des syst`emes de villes 99
1 Pr´eambule : entr´ee dans le projet Simpop2 et calendrier des r´ealisations . . . . . 101
2 Aspects informatiques de Simpop2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3 Exp´erimentations avec l’application Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 M´ecanismes sp´ecifiques pour l’application Etats-Unis . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Exp´erimentations avec Etats-Unis, et g´en´eralisation . . . . . . . . . 122
6 Outils d’exploitation existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7 Nouveaux outils d’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8 Conclusions du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5 Simuler les morphogen`eses des villes 147
1 Des questions de mod´elisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2 simpopNano, un mod`ele long-terme de ville en d´eveloppement . . . . . . . . . . . 157
3 R´ealisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4 Instanciation des r`egles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5 D´emarche et outils pour l’exp´erimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6 Exp´erimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
iii Table des mati`eres
7 Conclusions du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6 Aspects multi-niveaux dans les simulations `a base d’agents 187
1 Des questions en suspens... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
2 Multi-´echelles ou multi-niveaux? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3 Deux exemples de simulation multi-ni-veaux `a la loupe . . . . . . . . . . . . . . . 194
4 Simpop3 : simuler les morphogen`eses urbaines aux niveaux inter- et intra-urbain
simultan´ement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5 Vers des organisations multi-agents multi-niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6 Conclusions du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7 Conclusion g´en´erale 207
1 Bilan de la contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
2 Limites et poursuites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Table des mati`eres du document 233Table des figures
2.1 Carte de Minard figurant les pertes successives en hommes de l’arm´ee fran¸caise
dans la campagne de Russie (1812-1813) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Deux cartes mentales de l’Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Repr´esentations du mod`ele de Von Thunen¨ et de Christaller . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Evolution de Nˆımes et Montpellier au sein de la hi´erarchie des villes fran¸caises . 26
2.5 Repr´esentation des flux d’un syst`eme simple de Forrester . . . . . . . . . . . . . 29
2.6 Les classes d’automates selon Tobler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7 Voisinage g´eographique consid´er´e dans [WE93] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Evolution de l’attractivit´e avec la distance dans [WE93] . . . . . . . . . . . . . . 37
272.9 6.10 -`eme g´en´eration d’un motif de Life calcul´e efficacement par HashLife . . . 44
2.10 Composantes d’un mod`ele `a base d’agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.11 Niveaux d’organisation spatiale int´egr´es dans Accessim . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.12 Diagramme d’activit´es d’une it´eration d’Accessim . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.13 Connaissance accumul´ee sur le tableau noir d’un quartier dans Accessim . . . . . 61
2.14 Types de r´eseaux viaires utilisables dans Accessim . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.15 S´eance de jeu avec des enfants lors du salon de g´eomatique 2008 . . . . . . . . . 63
2.16 Evolutions compar´ees des stocks de deux services . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1 Trois niveaux d’organisation du fait urbain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Courbes rangs-tailles des syst`emes de villes europ´een et ´etats-unien. . . . . . . . 73
3.3 R´eseaux viaires des villes de Phoenix et Milan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4 Emprises spatiales d’Atlanta et Barcelone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5 La densit´e moyenne de population dans 49 aires m´etropolitaines mondiales . . . 77
3.6 Evolution de la densit´e de population en fonction de la distance au centre dans
trois villes europ´eennes et trois ´etats-uniennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7 Diff´erences entre approches from scratch et data driven . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1 Chronologie des activit´es des projets Simpop successifs . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Diagramme des classes de Simpop2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3 Interface de l’´editeur d’´equations du Navigateur Simpop . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4 Les applications de Simpop2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5 Trames spatiales simul´ee et observ´ee de l’Europe en 2000 . . . . . . . . . . . . . 117
4.6 Progression historique observ´ee du front pionnier ´etats-unien . . . . . . . . . . . 118
4.7 Localisations des gisements associ´es aux fonctions CYCLE dans l’application E.-U.119
4.8 Dictionnaire imbriqu´e utilis´e pour repr´esenter l’avanc´ee d’un front pionnier . . . 121
4.9 Les semis de villes observ´e (en 2000) et simul´e par Simpop2 (pas de temps final)
pour les Etats-Unis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.10 Gisements associ´es aux cycles d’innovation pour l’application Afrique du Sud . . 124
iiiiv Table des figures
4.11 Semis des villes sud-africaines observ´e et simul´e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.12 Diagramme entit´es-relations des concepts de l’exp´erimentation in silico . . . . . . 126
4.13 Interface graphique du Navigateur Simpop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.14 In du Navigateur Simpop en phase d’analyse d’une simulation . . . . . . . 128
4.15 Interfacedufront-end QGISauSIGGRASS,lorsdel’ouvertured’unetableconte-
nant les donn´ees d’une simulation g´eo-r´ef´erenc´ee de l’application Etats-Unis de
Simpop2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.16 Snapshots duwiki d’exp´erimentationapr`es ajoutpar unrobot Python d’´el´ements
de rapports de simulation, ´elabor´es avec R et `a partir de donn´ees issues d
