UNE PLATE-FORME DE MODELISATION DE LA VARIABILITE SPATIO-TEMPORELLE DES FLUX AU SEIN DU BASSIN

AMAZONIEN

Cochonneau Grard1, Gardoll Sbastien2, Bonnet Marie-Paule1.

1LMTG (IRD-CNRS-Univ. de Toulouse), IRD CP 7091, Lago Sul, 71619-970 Brasilia (DF), Brsil. 2LMTG (IRD-CNRS-Univ. de Toulouse) 14 av. Edouard Belin 31400 Toulouse.

RESUME

Dans le cadre de ses activits sur le bassin amazonien, le LMTG dveloppe une plate-forme permettant de quantifier et d'interprter les flux d'eau et de matires au sein du bassin amazonien diffrentes chelles de temps (journalire, saisonnire et inter-annuelle) et despace. En s'appuyant sur un systme d'informations gographiques et des bases de donnes et leurs traitements mis en place par ailleurs, il s'agit d'offrir un cadre facilitant l'intgration de modles hydrologiques de diffrents types par le moyen d'une plate-forme charge de l'IHM (interface homme-machine), de la fourniture des donnes d'entre aux modles (requtes gographiques, caractristiques physiques, sries chronologiques), de la connexion des modles sous forme de "plugin", de la restitution des entres et des sorties des modles. L'intrt d'un dveloppement coopratif, du partage des outils obtenus avec les partenaires du Sud et de la portabilit de l'outil dvelopp nous ont orient vers le choix d'un cadre de dveloppement privilgiant les logiciels libres et/ou open-source et respectant les standards de l'OGC, orientation conforme avec celle de la gomatique actuelle. Le choix de Java 2 Enterprise Edition (J2EE) comme standard de dveloppement permet de rpondre, notamment grce aux API (Interfaces de programmation) Servlets, EJB, RMI, JDBC, l'objectif d'un fonctionnement oprationnel dans le cadre de bases de donnes et d'applications rparties. Ont par ailleurs t retenus les IDE Eclipse et Netbeans comme environnements de dveloppement, un serveur Subversion pour grer le dveloppement collaboratif, un gestionnaire de base de donnes Postgresql et son extension Postgis et le SIG Udig. Le projet est conduit par une modlisation UML itrative dans le cadre dune mthode 2TUP (2 Track Unified Process) qui prsente aussi l'avantage de dcoupler les contraintes logicielles des contraintes techniques. Une application au bassin amazonien d'un modle Muskingum-Cunge intgr la plate-forme est prsente titre d'exemple. Pour nos partenaires du sud, la plate-forme permettra le partage des bases de donnes et des savoir-faire et sera un outil de formation efficace en particulier en modlisation grce la diversit des outils et modles proposs et la facilit de mise en uvre via linterface SIG. Les choix effectus sont cohrents avec la gnralisation de la plate-forme d'autres zones gographiques, son indpendance vis vis des serveurs de donnes, sa compatibilit avec d'autres SIG.

KEY WORDS: Java, J2ee, EJB, Udig, UML, 2TUP, Amazon Basin

INTRODUCTION L'quipe Eau-sols-environnement (ESE) du Laboratoire des Mcanismes et Transferts en Gologie (LMTG - UMR 5563 - UR 154 - CNRS/Universit Paul-Sabatier/IRD) a notamment pour ambition d'tudier les transferts d'eau et des lments associs (matires en suspension, lments majeurs et traces) la surface des continents et l'interface avec l'Ocan. La connaissance de la variabilit spatio-temporelle des flux deau et de matire au sein des

grands bassins fluviaux et de leur volution sous limpact de la pression anthropique laquelle ceux-ci sont soumis est un enjeu majeur pour comprendre la dynamique globale de la plante et son volution future (Baumgartner et Reichel, 1975 ; Degens et al., 1991). Lobservation prenne de ces grands bassins et le dveloppement doutils danalyse et dinterprtation des donnes acquises sont donc essentiels la comprhension de leur fonctionnement. Dans cette optique l'quipe ESE, en s'appuyant sur l'Observatoire de Recherche pour l'Environnement HYBAM (ORE-HYBAM) (Guyot, 2005 ; Cochonneau et al., 2006) et les observatoires hydro-climatiques nationaux, mne plusieurs actions de recherche dans le bassin amazonien, le plus vaste de la plante, qui fournit 15% de l'eau fluviale dverse dans les ocans. Ces travaux supposent une analyse des donnes disponibles diffrentes chelles de temps (journalire, saisonnire, inter-annuelle) et despace et font intervenir des communauts scientifiques diffrentes mais complmentaires (climatologues, hydrologues, pdologues, gochimistes, godynamiciens ) disposant doutils et de mthodes spcifiques. Cependant, bien que les outils mis en jeu soient diffrents, de nombreuses donnes et informations ncessaires leur mise en uvre sont communes, ainsi que certaines mthodes d'analyse ou de modlisation. Ceci a conduit le LMTG proposer la mise au point d'une plate-forme capable dunifier les bases de donnes rparties disponibles sur le bassin amazonien et de mutualiser les outils de traitement de donnes et de modlisation afin de faciliter les diffrents travaux d'analyse et de modlisation en cours et venir. L'objectif est d'offrir un cadre facilitant l'intgration de modles hydrologiques, hydrodynamiques de diffrents types par le moyen d'une plate-forme charge de l'IHM (interface homme-machine), de la fourniture des donnes d'entres aux modles (requtes gographiques, caractristiques physiques des objets modliss, sries chronologiques issues des observatoires), de la connexion des modles sous forme de "plugin", de la restitution des entres et des rsultats des modles. La plate-forme doit donc tre un systme ouvert, capable d'accueillir de nouveaux modles, moyennant des adaptations invitables dans la plupart des cas, mais compenses par les fonctionnalits offertes par la plate-forme. Le programme CASH (Contribution de l'Altimtrie Spatiale l'Hydrologie), financ par le rseau RTE (Rseau Terre Espace) et pilot par le LMTG, avait permis en 2005/2006 la mme quipe de participer une rflexion sur les outils utiliser pour satisfaire des objectifs voisins. Cette exprience a donc t utilise comme point de dpart de la rflexion sur les choix techniques retenir pour le dveloppement de la plate-forme.

MATERIEL ET METHODES

Des bases de donnes acquises in-situ, satellitaires, gographiques. Les diffrents pays du bassin amazonien oprent des rseaux d'observation hydro-climatiques depuis plusieurs dizaines d'annes. Ces donnes acquises in-situ sont rgulirement mises jour et accessibles dans des bases de donnes, diffrents pas de temps : journalier, mensuel ou annuel dans la plupart des cas mais parfois infrieur la journe. Un observatoire de recherche pour l'environnement, l'ORE-HYBAM, oprationnel depuis 2003 permet de suivre d'autres paramtres sur une quinzaine de sites de mesures du bassin amazonien. La base de donnes de l'observatoire (www.ore-hybam.org) regroupe ces observations de concentration de surface en sdiments, de concentrations en lments majeurs et traces, en carbone, en certains isotopes. Enfin les diffrentes campagnes de mesure ralises sur le bassin depuis 1994 par le projet Hybam et les projets de recherche actuels ont galement produit un important volume de donnes mises disposition de la communaut scientifique (Cochonneau et al., 2004).

Une base de donnes d'altimtrie radar est en cours d'laboration pour complter le rseau des stations hydromtriques in-situ. Chaque intersection des traces de satellite avec un cours d'eau suffisamment large est considre comme une station virtuelle o des mthodes d'interpolation spatiale et temporelle permettent d'obtenir une srie de cotes journalires (Roux et al., 2008). Diffrentes couches d'information sont regroupes dans une base de donnes gographiques, comme par exemple la nature et l'occupation des sols, la lithologie, un modle numrique de terrain, des vignettes extraites d'images du satellite MODIS un pas de temps de 8 jours, pour mettre en relation la couleur de l'eau et la concentration de sdiments sur des sites d'tudes choisis (Martinez et al., 2007). Le gestionnaire de base de donnes retenu pour les tests et l'utilisation de la plate-forme sur le bassin amazonien est Postgresql et son extension Postgis adapte la gestion d'objets gographiques.

Un systme d'informations gographiques. La plate-forme de modlisation s'articule autour d'un systme d'informations gographiques afin de profiter des fonctions de reprsentation, d'analyse et traitement de donnes spatialement rfrences qui y sont disponibles. L'objectif est d'utiliser le SIG pour la reprsentation du terrain d'tude, la slection des objets modliser, l'extraction des caractristiques des objets modliss partir de couches d'informations gorfrences et la prsentation des rsultats. Pour permettre une intgration correcte entre la plate-forme et le SIG, ce dernier doit tre suffisamment ouvert pour pouvoir y intgrer les modules de la plate-forme. Pour le dveloppement de la plate-forme, le SIG Udig (User-friendly Desktop Internet Gis) a t choisi en raison de son intgration avec l'environnement de dveloppement Eclipse dont il adopte l'architecture modulaire : hormis le noyau de l'application, tous les modules livrs sont dvelopps sous forme de plug-ins facilement intgrables grce au mcanisme d'extension fourni. Cette architecture est particulirement bien adapte notre objectif de pouvoir connecter de nouveaux modles et traitement de donnes au fur et mesure de leur dveloppement. L'interface avec les modles (couche de prsentation) ou d'autres modules de la plate-forme se fait par l'utilisation des View qui sont des fentres graphiques d'Udig. Le dveloppement des modules de la plate-forme est donc ralis dans l'environnement de dveloppement (IDE) Eclipse 3.3 (Eclipse Foundation).

Une mthode de dveloppement. 2TUP (Two track unified process) implmente le processus unifi, mthode de dveloppement qui considre le cycle de vie d'un logiciel sous-forme incrmentale et itrative afin de s'adapter aux changements continuels dans l'organisation du systme d'information reprsenter. Cette caractristique nous a paru importante, le travail de modlisation mathmatique des milieux naturels tant un travail de recherche pour lequel une modlisation informatique linaire serait peu adapte aux volutions constante des besoins des modlisateurs lors de la mise au point d'un modle. La mthode 2TUP (Roques et Valle, 2004) spare initialement les aspects techniques des aspects fonctionnels avant de les regrouper dans la phase de ralisation. La figure 1 dtaille les diffrentes phases du dveloppement.

Figure 1 : La schmatisation en Y utilise pour reprsenter la mthode de dveloppement 2TUP (Two Track Unified Process)(daprs Bassim, K.A. et Akaria, R., 2007).

Modlisation UML. Le langage UML est utilis pour formaliser la conception de chaque module de la plate-forme. Les diagrammes statiques permettent de reprsenter les lments du systme, les diagrammes comportementaux illustrent les interactions possibles entre les diffrents lments et les acteurs et enfin les diagrammes dynamiques refltent les enchanements successifs de ces interactions. En fonction du type d'application dvelopp, les 13 types de diagrammes ne sont pas tous utiles. En dehors de son utilit pour l'analyse des besoins et de la conception, cette modlisation est une documentation indispensable la maintenance future de l'application. L'IDE Netbeans version 6 (Netbeans Community) a t retenu pour la ralisation de la modlisation UML dans notre projet.

Dveloppement J2EE et architecture multi-niveaux. La ncessit de produire un outil multi-plateforme (Windows, Unix, Linux) et d'accder des bases de donnes distribues nous a conduit au choix du langage java pour le dveloppement de la plate-forme et plus prcisment l'architecture J2EE (Java 2 Enterprise Edition). J2EE (Sun Microsystems) est particulirement adapt au dveloppement d'applications multi-niveaux qui permettent par exemple de sparer l'accs aux bases de donnes, l'interface avec l'utilisateur et la logique mtier. Cette sparation n'est pas seulement conceptuelle, elle peut tre aussi physique, chacun des niveaux tant implant sur des machines diffrentes. La norme J2EE fournit un ensemble de services dont l'accs est facilit par l'utilisation d'interfaces de programmation (API). Parmi les composants J2EE, les EJB3 (Enterprise JavaBeans version 3) sont largement utiliss pour le dveloppement de la plate-forme. Ces composants, dploys sur un serveur dapplications JBoss, permettent d'accder aux bases de donnes; on distingue les Entity Beans qui reprsentent des enregistrements des bases de donnes des Session Beans qui permettent l'application d'accder aux Entity Beans distance ou en local. La programmation de ces composants est grandement simplifie par

l'utilisation d'annotations java qui sont interprtes lors du dploiement des entits sur le serveur; ceci permet de rendre le dveloppement indpendant du serveur de base de donnes install sur le serveur. Nous avons retenu Netbeans 6 pour la gestion des EJB3.

Une des fonctionnalits de cette architecture (Figure 2) est de distribuer les calculs sur diffrentes machines. La charge de travail est alors rpartie, permettant soit de rduire les temps de modlisation soit d'autoriser laccs simultan plus dutilisateurs. Une grande puissance de calcul est ainsi potentiellement offerte aux utilisateurs. En outre, ceci pourrait contribuer offrir ultrieurement une solution "client-lger" (pages web dynamiques) qui permet de modifier les paramtres de modlisation, de dporter l'excution des procdures de calculs et de surveiller leur droulement. Cette solution constituerait une grande simplification du dploiement de la plate-forme chez ses utilisateurs.

Enfin toutes les technologies utilises sont des standards mrs de lindustrie informatique dont la maintenance est accompagne par de grands groupes (Sun, IBM) Elles sont assures dune certaine prennit et leur utilisation est massivement rpandue.

Le cas du SIG utilis est part car il est dvelopp par une communaut mais un des critres de la plate-forme est de rendre celle-ci le moins possible dpendante du SIG utilis. C'est pourquoi les fonctions de modlisation et de cration de sites dtude dveloppes dans la plate-forme sont compltement indpendantes.

Figure 2 : Vue globale de larchitecture de la plate-forme.

UN EXEMPLE D'INTEGRATION A LA PLATE-FORME : LE MODELE MUSKINGUM-CUNGE.

Muskingum-Cunge est un modle de transfert de flux qui estime l'hydrogramme la sortie dun tronon fluvial partir dun hydrogramme connu l'entre et des caractristiques physiques du tronon (Cunge, 1969). Le modle est bas sur la reprsentation 1D des quations de Saint-Venant et les paramtres de routage sont calculs, en particulier, partir de

la longueur des biefs, la pente et la largeur du canal. Dj utilis pour plusieurs tudes sur le rio Negro (un des constituants de l'Amazone), dans une version programme en dehors de la plate-forme et sans utilisation de SIG, ce modle a t retenu comme premire tentative d'intgration.

Figure 3 : Exemples de diagramme de cas d'utilisation.

Dans le respect de la mthode de dveloppement choisie, une analyse des besoins, mene avec un modlisateur, a permis d'tablir les contraintes fonctionnelles alors que l'analyse de l'existant (bases de donnes, spatialises ou non, distribues ou non) a servi dfinir les contraintes techniques. La figure 3 dcrit, en notation UML la dcomposition en cas d'utilisation adopte pour l'intgration de ce modle dans la plate-forme. On y distingue la partie haute qui se rapporte la dfinition ou au choix du site d'tude auquel sera appliqu le

modle et la partie ddie la simulation (application du modle) et l'exploitation des rsultats.

Dfinition ou choix du site d'tude. La figure 4 reprsente un diagramme d'activit qui dtaille le cas d'utilisation "dfinir ou modifier site d'tude". On y retrouve les 3 acteurs dj rencontrs dans le cas d'utilisation (l'utilisateur, le SIG, le module "Extraction"), le rle de chacun d'eux tant dtaill :

-l'utilisateur choisit, grce aux fonctions de slection du SIG, les stations hydromtriques amont et aval qui dlimitent le bief tudier;

-en utilisant des requtes spatiales, le module "Extraction" identifie les tronons fluviaux entre les 2 stations choisies ainsi que les stations hydromtriques (in-situ ou virtuelles) qui se trouvent sur ces tronons;

-le module "Extraction" constitue des couches d'informations avec les objets identifis ci-dessus et calcule leurs caractristiques (requtes spatiales); comme par exemple la longueur d'un tronon, sa pente moyenne en utilisant un MNT;

-l'utilisateur peut complter les caractristiques extraites par le module et dfinir les tributaires dont les flux apports au systme tudi devront tre pris en compte,

-le module constitue la couche de symboles qui reprsente les tributaires;

- tout moment, la demande de l'utilisateur ou du module "Extraction", le SIG affiche les couches ncessaires l'extraction ou cres par celle-ci.

La conception se poursuit par l'tablissement du diagramme de squences, qui reprsente une vue dynamique du systme et du diagramme d'tat-transition pour reprsenter les cycles de vie parallles des diffrents objets; ces diagrammes ne sont pas reprsents ici.

L'tape suivante du dveloppement est l'tablissement du diagramme de classes avant d'aborder l'implmentation elle-mme en langage java. La figure 5 expose le fonctionnement intgr de cette fonction de dfinition du site d'tude, aprs extraction automatique des objets modliser.

Application du modle et exploitation des rsultats. L'application du modle comprend les tapes prliminaires de vrification de la cohrence du site d'tude choisi :

-renseignement de toutes les caractristiques ncessaires au modle et de tous les paramtres ; -recherche dans la ou les bases de donnes, ventuellement distantes, des sries de donnes observes aux stations de contrle, les sries de contribution des tributaires ainsi que les contributions locales de chaque tronon lmentaire (entre deux stations) du bief tudi.

Aprs simulation par application du modle, les rsultats obtenus peuvent tre affichs sous forme graphique ou texte, exports sous forme de fichiers ou stocks, ainsi que la dfinition du site d'tude, dans une base de donnes o le tout pourra tre consult ultrieurement.

Sur la figure 6, la vue "Muskingum" affiche un exemple de graphique de rsultats pour illustrer l'intgration de la plate-forme dans le SIG.

Figure 4 : Exemple de diagramme d'activits.

CONCLUSION Dans l'tat actuel du projet, les choix techniques inhrents au dveloppement de la plate-forme ont t valids par lintgration au sein de la plate-forme dun modle de type Muskingum-Cunge. D'autres adaptations sont en cours, qui ncessitent le dveloppement de nouvelles interactions avec le SIG. L'utilisation exclusive de logiciels libres et/ou "open-source" facilite l'accs des partenaires du Sud l'utilisation mais aussi au dveloppement de la plate-forme, un autre objectif tant de l'ouvrir progressivement un dveloppement collaboratif pour y intgrer d'autres modles et analyses. Les mthodes de dveloppement, les standards et les technologies utiliss sont destins privilgier la prennit de l'outil produit et faciliter sa maintenance. Enfin, si dans un premier temps, cette plate-forme est ddie

lanalyse du fonctionnement hydrologique du bassin amazonien et sappuie sur lObservatoire de Recherche en Environnement HYBAM, elle est facilement transposable dautres sites et dautres quipes sintressant au fonctionnement des bassins de taille suprieure 1000 km.

Figure 5 : Module de dfinition du site dtude intgr au SIG Udig.

Figure 6 : Exemple de graphiques de rsultats du modle Muskingum-Cunge intgr au SIG Udig.

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