Apport de l’apprentissage automatique pour la modélisation et l’analyse des changements d’occupation du sol : application au développement urbain de la zone frontalière franco-allemande.

Machine learning for land use change analysis and modelling : an exploration of urban development on the French-German border area

• Auteur / Autrice : Valentine Judge
• Direction : Jean-Philippe Antoni, Olivier Klein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géographie et aménagement
• Date : Soutenance le 16/07/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec LISER (Luxembourg)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sociétés, Espaces, Pratiques, Temps (Dijon ; Besançon ; 2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Théoriser et modéliser pour aménager (THEMA) (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Bernhard Köppen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Antoni, Olivier Klein, Bernhard Köppen, Francisco Escobar, Giovanni Fusco, Guy Engelen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francisco Escobar, Giovanni Fusco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kehl (Allemagne)

Strasbourg (Bas-Rhin ; agglomération)

Utilisation du sol

Géomatique

Arbres de décision

Géographie urbaine

Croissance urbaine

Régions frontalières

Frontières

Aménagement du territoire

Mots clés libres

Occupation du sol

Automate cellulaire

Arbres de décision

Modélisation

Zone frontalière

Strasbourg-Kehl

Land use

Cellular automata

Decision tree

Modeling

Border area

Résumé

Le développement urbain apparaît distinct selon sa localisation géographique, le contexte socio-économique, politique ou culturel dans lequel il s’ancre. Néanmoins, l’action d’urbaniser s’appuie sur un seul et même principe : construire des bâtiments pour l’habitation et les activités humaines. Par conséquent, l’objectif principal de ce travail de recherche est de déterminer si une part universelle du processus de développement urbain peut se distinguer d’une part spécifique, liée à une localisation géographique. Cette recherche s’intéresse plus précisément aux changements d’occupation du sol sur la zone transfrontalière Franco-Allemande. En effet, le contexte transfrontalier renforce les différences au sein de la zone d’étude. Cependant, l’importance des frontières internes européennes en tant que séparation, a diminué parallèlement au renforcement des accords et de la coopération entre les pays membres de l’Union Européenne. Un questionnement sur le caractère éventuellement homogène de cette zone à travers l’étude des processus de développement urbain à l’œuvre, est donc d’autant plus pertinent. Pour une meilleure compréhension du processus de développement urbain, une méthode spécifique basée sur l’utilisation de l’apprentissage automatique par arbres de décision (AD) a été élaborée. Elle vise à générer et calibrer les règles de transition nécessaires à la simulation par automate cellulaire (AC). L’apprentissage s’appuie sur les caractéristiques d’occupation du sol dans le voisinage des cellules urbanisées entre 1990 et 2006, ainsi que sur les caractéristiques intrinsèques de ces cellules (accessibilité aux pôles urbains majeurs, localisation dans l’un ou l’autre des pays frontaliers). Les résultats obtenus par l’analyse du jeu de règles mettent en évidence une influence de la spécificité nationale et de l’occupation du sol initiale dans certaines règles. Cependant, il apparaît qu’une part du processus s’affranchit de l’une comme de l’autre des contraintes, tendant ainsi à une plus grande universalité. Une analyse plus détaillée de ces règles permet ensuite de dégager des critères de voisinage et d’accessibilité influençant positivement de l’urbanisation de chaque cellule, et de comparer leur importance suivant la nature des règles analysées (françaises, allemandes, transfrontalières). En résumé, l’apport de cette thèse se mesure à trois niveaux : (1) d’un point de vue théorique en proposant d’identifier un degré d’universalité dans les processus de développement urbain ; (2) d’un point de vue thématique en caractérisant l’influence de la localisation du développement urbain dans une zone frontalière ; et (3) d’un point de vue méthodologique en développant un modèle sur la base d’un couplage AD – AC qui a permis de générer et calibré automatiquement le modèles utilisé pour simuler le développement urbain dans ce travail de recherche.

Urban development can take different forms or features, depending on its geographical location and its socio-economic, political and cultural context. Nevertheless, the overall action relies on one fundamental principle: building construction in order to give people housing. Therefore, the main objective of this research is to determine whether an underlying universal aspect of the urban development process can be distinguished from a specific one, being the reflect of local specificities. Specifically, this research analyzes the land use change on the French-German cross-border area. Indeed, the border context enhances the difference within this territory. Nonetheless, the internal European border importance as a separation is getting lower while European Union agreement and cooperation are getting stronger. Consequently, we tend to question a potential homogeneity of such area according the urban development analysis. To gain a better understanding of the urban development in the French-German cross-border area, a specific method using a decision tree (DT) process to generate and calibrate urban transition rules for cellular automata (CA) has been developed. In order to define CA rules, the learning algorithm is provided with data of land use, from 1990 and 2006, accessibility to the main urban area and country location. The findings demonstrate that the rule set identified rules, which are constrained at different levels: from the initial land use state needed for urbanization to the geographical location in a specific country. The analysis therefore shows rules specific to France or Germany, as well as rules free from any state location constraints, which characterize a cross-border urbanization process. The latter is more influenced by the location toward main urban areas. Proper neighborhood and internal characteristic of urbanized cells depending of the nature of the rule (French, German or Cross-border) are explicitly defined. In conclusion, this research contribution can be summarized according to the following three orientations: (1) from a theoretical point of view, which propose to identify urban processes degree of universality, (2) from a thematic outlook, describing the influence of the urban development process location on the border area, (3) from a methodological point of view, pairing DT and AC to automatically design and calibrate the urban development model used in this research work.