Modéliser l’évolution de l’occupation du sol pour mieux décider

Une expérimentation réalisée dans le cadre du projet européen ASTUS

Le projet européen "Alpine Smart Transport and Urbanism Strategies" (ASTUS) vise à identifier les enjeux de mobilité et d’aménagement dans les territoires de montagne pour proposer des solutions moins émettrices de CO2, il se décline en différentes tranches ou "workpackage" [1].

Le "workpackage 2" prévoit la co-construction d’outils bas carbone et le développement d’outils d’aide à la décision sur les projets / actions des sites pilotes en s’assurant de la transférabilité européenne des outils.

Dans ce contexte, le Cerema Sud-Ouest a conduit une expérimentation d’outils de modélisation de l’étalement urbain sur les territoires de Thonon Agglomération en Haute-Savoie et du parc naturel régional (PNR) du Massif des Bauges.

Cette démarche exploratoire a permis de réaliser plusieurs modélisations de l’évolution de la tâche urbaine en essayant de représenter :

• d’une part une évolution tendancielle du territoire ;
• d’autre part une évolution voulue par le territoire et décidée dans les documents de planification de l’urbanisme de type schéma de cohérence territoriale (SCoT) ou plan local d'urbanisme intercommunal (PLUi).

Modéliser l’étalement urbain : pourquoi et avec quels outils ?

La planification de l’urbanisme a pour objectif d’assurer une utilisation économe du sol en veillant à un meilleur équilibre entre les espaces urbanisés et les espaces agricoles, naturels et les zones humides, et de prévoir les besoins en déplacements générés.

L'ambition du Cerema, dans le cadre du projet ASTUS, est de pouvoir modéliser l’évolution de l’occupation du sol et notamment les phénomènes d’étalement urbain. La modélisation va consister en une représentation simplifiée de la réalité pour en proposer une vision partielle mais suffisamment représentative pour être pertinente.

En matière de modélisation de l’évolution de l’occupation du sol, différents types de modèles existent et diffèrent selon qu’ils développent une approche exclusivement spatiale ou qu’ils essaient de traduire certaines interactions entre l’usage et l’occupation du sol. Il existe ainsi des modèles intégrés transport / occupation du sol capables de simuler l’évolution simultanée du système de transport et de l’occupation du sol considérant les deux comme indissociables. Intéressant d’un point de vue théorique, ces outils sont cependant très complexes et gourmands en données et donc difficiles à mettre en œuvre sur un territoire donné.

Dans le cadre du projet ASTUS, le Cerema a privilégié les automates cellulaires grâce auxquels le territoire est intégralement représenté par un réseau de cellules. Chaque cellule est définie par un état donné, un type d’occupation du sol par exemple, pouvant ensuite évoluer dans le temps en fonction d’une série de règles dites de transition.

Outils plus simples mais reconnus pour la qualité des modélisations produites, ils assuraient de pouvoir modéliser rapidement différents scénarios d’évolution du territoire en matière d’occupation du sol, y compris des comportements complexes, à partir de règles de fonctionnement très simples.

Deux logiciels ont été retenus pour l'expérimentation :

• Land Use Cellular Automata Simulation/LUCSIM, développé par l’Université de Bourgogne-Franche-Comté et le Laboratoire ThéMA ;

• FOREcasting Scenarios for citIes using GeograpHic daTa/FORESIGHT, développé par l’Université de Toulouse et directement hérité du modèle américain SLEUTH développé par Keith C. Clarke (Université de Californie, Santa-Barbara, département géographie).

Modélisations de l’étalement urbain sur les sites pilotes

À partir de LUCSIM

LUCSIM développe une approche purement géographique : chaque pixel, ou point élémentaire d'une image numérisée, est caractérisé par un type d’occupation du sol. Ce pixel peut évoluer à la condition que se situe, dans son environnement, un certain nombre de pixels de différents types d'occupation du sol. Il n'y a pas de limitation a priori sur la nomenclature utilisée pour décrire l'occupation du sol.

Les règles d’évolution sont toujours bâties sur ce principe et peuvent être écrites par l’utilisateur ou générées de manière automatique par le logiciel d'apprentissage par arbre de décision.

À partir de FORESIGHT

FORESIGHT simule, à partir d’un état initial de l’urbanisation, le phénomène d’étalement urbain en créant de nouveaux pixels d’urbanisation sur le territoire.

L’implantation de ces nouveaux pixels d’urbanisation dépend de données géographiques comme le relief ou le réseau viaire et d’une donnée probabiliste du type "carte d’attractivité du territoire". C'est-à-dire définissant la capacité du territoire à attirer l’implantation d’une nouvelle urbanisation.

L’implantation de ces nouveaux pixels d’urbanisation dépend également du type d’urbanisation généré par l’outil : urbanisation continue, linéaire ou en discontinuité de l’existant, et défini par l’utilisateur.

Modéliser l’étalement urbain : quels résultats ?

Avec ces outils, générer sur les territoires étudiés plusieurs modélisations de l’évolution de l’étalement urbain a été réalisable :

• à partir du logiciel FORESIGHT, l’observation des différences significatives entre un scénario tendanciel et un scénario stratégique a été possible, notamment en termes de dispersion de l’urbanisation sur le territoire. Ceci permet de tenir compte d’orientations politiques en matière de limitation de l’étalement urbain et de recentrage sur les principales polarités des territoires ;
• à partir de LUCSIM, si les modélisations se sont limitées à une représentation d’un scénario tendanciel, les résultats sont instructifs sur les formes d’étalement urbain reproduites par le logiciel.

Ces outils permettent de produire une image de ce que pourrait être l’avenir d’un territoire. Ils apportent une information pouvant directement intéresser les décideurs dans la mesure où l’ampleur de l’étalement urbain sur le territoire, l’impact dans les documents d’urbanisme de certaines orientations prises et de leurs effets conjugués à grande échelle sont rendus visibles.

Avec certaines précautions, une analyse à fine échelle de ces cartes peut être réalisée.

Cette approche permettrait alors d’étudier l’impact de cette nouvelle urbanisation sur les questions de réseaux, de mobilités, d’équipement et / ou de formes urbaines.

Pour en savoir plus

Site web consacré au projet : www.alpine-space.eu/projects/astus

Programme : Transnational Espace Alpin
Priorité 2 : Un espace alpin à faible émission de carbone
OS 2.2 : Proposer davantage d’options respectueuses de l’environnement pour le transport et la mobilité

Rôle de la Région Auvergne-Rhône-Alpes dans le projet : chef de file
Rôle du Cerema dans le projet : partenaire

Coût total du projet : 2 395 951 € dont financement Europe : 2 036 558 €
Coût total pour le Cerema : 182 096 € dont financement Europe : 154 781 €
Durée du projet : Novembre 2016 – Décembre 2019

[1] C'est le Cerema Centre-Est qui pilote ce projet.