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Modélisation et analyse spatio-temporelle en géographie

Les travaux regroupés sous cet axe accordent une attention particulière à la dimension évolutive des systèmes spatiaux, et privilégient une démarche de modélisation. L'enjeu épistémologique des modélisations spatio-temporelles est de hiérarchiser les processus qui sont susceptibles de faire émerger des entités durables, constituant des niveaux intermédiaires de structuration géographique, entre les individus et le monde. Il s'agit aussi de comprendre comment ces structures émergentes (villes, réseaux, régions…) évoluent, sur quelles échelles de temps elles se maintiennent et comment elles se transforment. L'hypothèse qui sert de point de départ à nos modèles est qu'il est possible de formaliser la construction et l'évolution de ces structures émergentes, à partir du jeu des interactions entre les agents qui les composent, et qui doivent tenir compte des contraintes que représentent les autres acteurs et les structures collectives (résumées en entités agrégées).

L'approche par les systèmes complexes permet de renouveler et d'approfondir certaines questions, notamment celles portant sur les relations entre les différents niveaux d'organisation des systèmes spatiaux. L'émergence de structures ordonnées au niveau meso ou macro, par exemple l'organisation hiérarchique des systèmes urbains, à partir des interactions entre les individus au niveau micro, caractérisées par des fluctuations locales, constituera un axe privilégié dans nos recherches. Dans cette perspective, nous interrogerons les notions d'ordre et de désordre et le rôle joué (ou non) par l'intentionnalité des agents. Nous comptons poursuivre nos collaborations avec des collègues des sciences dures, notamment informaticiens et physiciens, mais aussi renforcer celles avec des modélisateurs d'autres sciences sociales (notamment des économistes) afin de confronter nos concepts et méthodes. A cet effet nous participerons à plusieurs réseaux d'échanges inter-disciplinaires (notamment dans le cadre de l'ACI complexité, des projets d'Institut de la complexité et du réseau européen S4-Simulation Spatiale pour les Sciences Sociales animé par notre laboratoire) parallèlement à nos collaborations bilatérales sur des projets précis (le Politecnico de Milan, et le Department of Social, Cognitive and Quantitative Sciences de l'université de Modène et Reggio Emilia en particulier).

La méthode privilégiée est celle des systèmes multi-agents (SMA), pour sa souplesse, pour les possibilités qu'elle offre de formaliser des interactions spatiales de portées et de formes variables, et pour la possibilité nouvellement introduite de concevoir des relations dynamiques, qui permettent de simuler les règles adaptatives et les fonctions d'apprentissages caractéristiques de l'évolution des systèmes sociaux. Ces modèles informatiques ont aussi l'avantage de permettre la prise en compte d'agents correspondant à des entités définies à différents niveaux d'échelle, spatiale ou temporelle, permettant de ce fait de combiner dans un même modèle des mécanismes relevant de logiques de niveau meso-géographique et de décisions d'acteurs urbains. L'objectif est de développer une plate-forme SMA dédiée à la construction de modèles de simulation de la dynamique des systèmes de villes. Cette plate-forme, inspirée du prototype SIMPOP développé précédemment par le laboratoire, est en cours d'élaboration en collaboration avec des informaticiens (Laboratoire LIP6 de l'Université Paris 6) et servira à élaborer plusieurs modèles. Depuis nos premiers travaux dans ce domaine, des progrès considérables ont été réalisés du point de vue technique, permettant d'une part de travailler sur des échantillons de villes plus nombreux (multiplié par 10) et d'autre part de mieux expliciter les processus d'interaction.

L'essentiel du travail des quatre années qui viennent va s'articuler autour de trois programmes de recherche, insérés dans deux programmes européens (TIGRESS et ISCOM ), et du prolongement et de la diffusion du projet Hypercarte :

Simuler l'évolution des villes européennes de 1960 à 2040 : le modèle EUROSIM
L'objectif de ce programme de recherche est double. Il s'agit d'abord d'identifier les processus de croissance des villes européennes et en particulier les mécanismes qui ont suscité une croissance différentielle durant les 40 dernières années. Le modèle sera ensuite utilisé afin de tester à l'horizon de 2040 les effets possibles de l'élargissement de l'Union Européenne sur la redistribution de la population urbaine et les effets de différentes politiques des pays européens en matière d'immigration.
L'originalité de ce modèle est la prise en compte simultanée de processus relevant de niveaux géographiques correspondant à des logiques et des temporalités différentes. D'un côté, suivant une voie que nous avons largement expérimenté précédemment, on formalise des règles au niveau des villes à partir de régularités observées au niveau meso-geographique. On a déjà montré que ces règles permettent de reproduire, non pas des prévisions exactes, mais plutôt des intervalles des futurs possibles pour les villes en fonction de leurs caractéristiques en termes de taille, d'accessibilité, de profil économique, touristique, culturel etc. A cette composante seront associées les décisions des acteurs locaux (acteurs politiques et économiques), ce qui permettra de rendre compte des effets d'une gouvernance urbaine, et d'évaluer quel poids elle peut représenter relativement à la composante meso-géographique. Ce modèle sera par la suite intégré dans une plate-forme multi-échelles et multi-sources (progiciel Geonamica, laboratoire RIKS de Maastricht et université de Newcastle).

Emergence et évolution d'un système de villes : le modèle SIMPOP2
La plupart des modèles de la dynamique des systèmes de villes concernent des périodes de quelques décennies seulement. Etant données la dynamique lente de tels systèmes (et donc une tendance à l'auto-reproduction sur le temps court) une telle période est insuffisante pour observer des changements à un niveau macroscopique (évolution d'une structure monocentrique à une configuration polycentrique par exemple), et les conditions initiales conditionnent largement les dynamiques observées. Dans ce projet SimPop2, l'ambition est de modéliser les processus de changement relevant du long terme et en particulier les phénomènes d'émergence, émergence des villes, des configurations urbaines, de systèmes de villes fonctionnant à différents niveaux géographiques (régional, national, supra-national). L'objectif est d'identifier les règles minimales mais fondamentales pour reproduire par simulation, à partir d'une répartition relativement homogène de la population, l'émergence d'un système de villes hiérarchisé et observant certaines régularités spatiales.
Il s'agit de tester les effets de différents contextes géo-historiques sur ces émergences. L'idée est d'identifier quelles règles, quels contextes, conduisent à des organisations hiérarchiques plus faibles, à des espacements plus ou moins importants entre les villes, à des structures plutôt monocentriques ou polycentriques. Nous testerons l'hypothèse selon laquelle la vitesse et l'efficacité des différents réseaux de communication sont des facteurs importants. Les simulations porteront sur l'Europe, les États-Unis, l'Inde et l'Afrique du sud.
Relativement au premier modèle SIMPOP, outre la généralisation spatiale et l'introduction d'une dimension comparative, l'effort portera sur les possibilités d'endogénéisation du processus d'innovation, en collaboration avec des spécialistes des réseaux d'entreprise (Université de Modène).

Hiérarchie et modèles de scaling
Une attention particulière sera portée à la question de l'organisation hiérarchique des systèmes complexes et de la quantification de certains effets d'échelles. Nous continuerons à faire l'inventaire des modèles de scaling qui ont été mobilisés pour expliquer les hiérarchies urbaines, afin de départager les interprétations en termes stochastiques de celles qui supposent des effets de contrainte ou d'optimisation. Ce travail participera à la préparation d'un ouvrage épistémologique sur les organisations hiérarchiques dans les sciences naturelles et dans les sciences sociales (publication prévue dans la collection Methodos chez Kluwer). En outre, la confrontation des approches par les réseaux (petits mondes), les fractales (processus de croissance) et de nos travaux géographiques quant à l'évolution des interactions spatiales sur le temps long (contraction espace-temps) nous permettent d'envisager la construction d'un nouveau modèle, en collaboration avec des chercheurs du Santa Fe Institute qui ont jusqu'à présent testé des processus généraux d'optimisation dans les systèmes biologiques pour rendre compte de phénomènes de " scaling ".

Le projet Hypercarte
Le premier module générique d'HyperCarte, d'Analyse Territoriale Multiscalaire, a été achevé et implémenté dans le cadre du projet ESPON sur une base de données socio-économique des régions européennes. Dans le cadre de deux autres projets (ACI Masse de Données et contrat MCRT), un deuxième module générique d'Analyse Spatiale Multiscalaire va être développé. Chacun de ces deux modules sera implémenté d'une part sur d'autres espaces (Cameroun, et Tunisie dans un premier temps) et d'autre part sur des espaces relevant d'échelles différentes (échelle régionale). Enfin, une réflexion sur un module d'analyse des dynamiques, intégrant la dimension temporelle dans ces analyses multiscalaires sera menée. Le travail de réflexion sur les représentations, sera mené conjointement avec le thème portant sur les représentations du changement.