III MODELISATION III MODELISATION III MODELISATION III MODELISATION
B) Interaction architecture – environnement lumineu
3) Couplage du modèle de plante avec un modèle de transferts radiatifs : le modèle de radiosité hiérarchisé « nested radiosity » (Chelle et Andrieu,
1998).
L’algorithme de calcul des transferts radiatifs dans le couvert décrit dans la section précédente, reposant sur une approche projective simple, a révélé d’importantes limitations, en partie dues à la spécificité de l’organisation spatiale de la surface foliaire chez le ray-grass. Pour permettre de calculer des bilans énergétiques réalistes, un modèle plus performant a donc été adjoint au modèle de plante. Ce dernier, plus précis, inclut notamment un Z-buffer et un sous modèle de radiosité et permet donc la prise en compte des phénomènes de diffusion du rayonnement.
Au delà du gain pratique et technique que représente ce couplage, le but poursuivi est d’établir une communication du modèle de plante avec un environnement virtuel. Il s’agit donc ici de désenclaver le modèle (fig. IV.21.) de manière à rendre possible :
-le calcul de l’interception véritablement permise par l’architecture de la plante virtuelle -la réintégration de cette information sur l’énergie captée dans le modèle de plante afin de conditionner l’assimilation photosynthétique et les dynamiques photomorphogénétiques, en particulier relatives au tallage (Evers et al., 2007).
A plus longue échéance, ce couplage est une étape décisive dans la simulation des interactions entre l’environnement lumineux et le développement, permettant de reproduire des phénomènes relatifs à la compétition interindividuelle pour la lumière.
Environnement lumineux • Croissance (trophique)
• Photomorphogénèse
Figure IV.21. Le but ultime : une restitution mécaniste des interactions plante-environnement lumineux, permettant de simuler la compétition interindividuelle pour la lumière.
155 Le choix s’est porté sur l’application Caribu qui intègre le modèle de radiosité Canestra
(Canopy Nested Radiosity ; Chelle et Andrieu, 1998). La spécificité de ce modèle est de jouer sur les échelles d’analyses pour en optimiser les performances en termes de temps de simulation : un algorithme projectif associé à un Z-buffer et à un calcul de radiosité permet de déterminer les transferts radiatifs locaux, tandis que la contribution des phyto-élèmements lointains est déterminée par une approche multi-couche de type turbid-medium. Depuis son couplage avec les modèles ADEL (Fournier et Andrieu, 1999) ce modèle fait référence dans la communauté scientifique de la modélisation structure-fonction, au même titre que le modèle Quasi Monte Carlo (Mech et Prusinkiewicz, 1996 ; Cieslak et al., 2008). De plus, le développement de la plateforme VisuAlea (Pradal et al., 2008) sur lequel ce modèle est accessible, permet son interfaçage avec les modèles de plantes de façon simplifiée.
Matériels et méthodes
Le couplage est réalisé sur la plateforme OpenAlea/VisuAlea. Cette plateforme permet la connexion de modèles (représentés par des « briques ») par l’intermédiaire d’une interface graphique, laquelle est utilisée pour créer des graphes, appelés nœuds composites (fig. IV.22.). L’établissement des liens entre les briques permet la spécification des échanges de données entre les différents composants des nœuds.
Dans le cas présent, les deux entités fondamentales devant être connectées sont i) le modèle L- oliaom codé dans le logiciel L-Studio ii) le modèle Caribu intégré à la plateforme OpenAlea. Pour les faire communiquer il s’agit de mettre en place un échange de données i) sous une forme acceptable par chacune des parties et ii) émises de manière coordonnée. En effet, à chaque fois qu’une étape de calcul de l’interception est nécessaire, le déroulement du modèle de plante doit être interrompu, l’information sur l’architecture doit être envoyée vers l’environnement lumineux, lequel doit ensuite retourner l’information sur l’interception pour que le déroulement du modèle de plante puisse reprendre. Le développement des modules de communication environnementaux (noté ?E()) dans la plateforme L-Studio permet la communication des L- Systems avec des modèles extérieurs (Mech et Prusinkiewicz, 1996). Dans ce cas la gestion de la synchronisation des flux de données et du déroulement des programmes est directement prise en charge. Cependant, dans la perspective d’une intégration du modèle de plante directement dans la plateforme Openalea/VisuAlea, qui permettra sa plus grande portabilité et donc diffusion, une méthode valorisant pleinement les fonctionnalités de VisuAlea a été favorisée.
Figure IV.22. Exemple de nœud de la plateforme de modélisation Visualea. Les briques bleues représentent différents programmes. Les liens correspondent à la spécification des flux de données entre ces différents composants. L’utilisation de cette interface permet donc la communication et la collaboration de programmes séparés.
156 La question de la synchronisation des programmes est gérée comme suit :
Le programme L-system est non seulement stoppé mais fermé après chaque envoi de l’information sur la structure de la plante virtuelle. Pour qu’il puisse reprendre son déroulement après les calculs du modèle Caribu, la « mémoire » de son état de développement : la chaine L- System, est exportée sous la forme d’un fichier au format texte *.txt. A la réouverture suivante du programme L-system, cette chaine (Chaine.txt) est réintégrée comme « état initial du système », c’est à dire comme l’axiome (noté #include Chaine.txt). Le modèle de plante virtuelle peut alors reprendre son déroulement au stade précis de son arrêt.
Concernant les données échangées entre les programmes Caribu et le simulateur de plante, différentes étapes peuvent être distinguées.
Echanges plante > Caribu
Le modèle Caribu calcule les transferts radiatifs d’une maquette tridimensionnelle triangulée à partir d’un fichier de format spécifique (*.can) dans lequel sont notamment spécifiées les coordonnées tridimensionnelles de chaque primitive graphique. Pour créer ce fichier à partir du modèle de plante, un fichier intermédiaire d’exportation de la géométrie de la plante est d’abord généré. L’écriture de ce fichier (Géometrie.txt) est réalisée dans un groupe de production spécifique du programme L-system. Ce dernier reprend la décomposition des feuilles en modules élémentaires entre lesquels sont insérés des capteurs d’orientation (voir méthodologie de l’algorithme de défoliation). A chacun de ces modules inscrits dans le fichier Geometrie.txt sont associées les coordonnées de ses vecteurs directeurs et normaux, ainsi que les indices correspondant à sa généalogie (plante, talle, feuille d’appartenance).
A partir de ce fichier de spécification de la géométrie, la structure de la plante est recréée dans l’environnement graphique du logiciel PlantGL (Pradal et al., 2007) par une application développée spécifiquement pour traduire le fichier Geometrie.txt en un fichier standard *.geom (Lsys_to_geom). A partir d’une scène tridimensionnelle de ce type, des utilitaires permettant la conversion en fichier *.can sont disponibles (Scene_to_can). A la fin de cette chaine de traitement, la structure de la plante virtuelle est donc disponible pour le calcul des transferts radiatifs par le modèle CARIBU, sous la forme d’un fichier énumérant l’ensemble des primitives, leurs coordonnées tridimensionnelles et leur indice généalogique.
Echanges Caribu > Plante
La sortie du programme Caribu consiste en un « dictionnaire » (sensu langage de programmation python) qui associe à chaque primitive son coefficient de projection sur le sol. Des applications permettant les transformations de ces données pour qu’elles soient lisibles depuis le programme L-System ont été developpées. Ces dernières convertissent ce dictionnaire en fichiers *.txt, écris comme une déclaration de tableau dans le langage L+C. Par exemple :
lumiere[1][1][61][0]=0.020795; lumiere[1][1][60][0]=0.01369; lumiere[1][1][59][0]=0.0135325;
Avec les chiffres entre crochets correspondant à l’indice généalogique de chacun des éléments (successivement rang de la talle, de la feuille, de la position dans la feuille et de la plante) dont
le coefficient de projection est donné par l’égalité.
Ces fichiers sont lus dans le programme L-System au moment de sa réouverture, si bien que chacun des modules unitaires est en mesure d’enregistrer la surface de sa projection propre. La
157 somme de ces projections donne accès à la projection totale de la plante et donc à son
interception.
La figure IV.23 résume les étapes et les fichiers d’échange mis en œuvre dans cette boucle.
Sorties.
La mise en œuvre de cette boucle permet de réaliser le calcul des transferts radiatifs dans des couverts (fig. IV.24.) et d’obtenir une cartographie fine de la distribution spatiale de l’interception possible. L-system Start Groupes: -Lecture - Cumul interception - Croissance - Ecriture Stop Chaîne.txt Geometrie.t xt Scene.can Lumière.txt Lumiereinit.tx t CARIBU groupOutput_elt + Ecriture_tab_lum 1. Lsys_to_geom 2. Scene_to_can Caribu_dict Fichiers d’échange Applications Flux de données
Figure IV.23. Diagramme des applications et fichiers d’échanges intervenant dans le couplage entre le simulateur L-oliaom et le modèle d’environnement lumineux CARIBU.
Angle de vue Elévation de la source de lumière 90° 60° 30° 90° 60° 30°
Figure IV.24. Cartographie de l’irradiance réalisée sur deux plantes virtuelles juxtaposées à l’aide de l’application Caribu, avec des sources de lumière placées à trois élévations différentes (30°, 60°, 90°). Les zones rouges figurent les éléments foliaires les plus exposés (à l’inverse des zones bleues, ombrées).
158 Pour s’assurer de la validité des sorties de cette boucle de calcul, les surfaces projetées totales de
plantes virtuelles correspondant à quatre stades de développement (340°C.j, 440°C.j, 540°C.j et 640°C.j) calculées par la boucle décrite ci-dessus et le logiciel VegeSTAR ont été comparées (pour trois élévations de la source lumineuse 30°, 60°, 90°). Les sorties des deux applications se sont révélées quasiment identiques (Fig. IV.25 ; coefficient de corrélation de 99%). La boucle de couplage développée ici représente donc un progrès très significatif par rapport au modèle projectif simple présenté en IV.B.2.
Il doit cependant être noté qu’une des limitations techniques de cette boucle est sa présente incapacité à considérer les gaines dans les calculs d’interception. Il peut s’agir d’un facteur limitant non négligeable demandant à être corrigé. Cependant les comparaisons des surfaces projetées révèle qu’il ne s’agit pas là d’une limite de nature à invalider les sorties.
La seconde limitation de cette boucle est le temps de « calcul » nécessaire pour réaliser une simulation. La majeure partie de ce temps est en fait consacrée aux étapes d’ouverture, écriture, lecture des fichiers de transfert. Ce problème pourrait être solutionné par le recours à des flux de données. Cette boucle est donc perçue comme une solution technique provisoire permettant de mettre en place des expérimentations virtuelles plutôt que comme une solution de couplage définitive.
In fine, cette boucle se révélant opérante malgré les limitations évoquées ci-dessus, cette dernière a été employée dans le cadre d’études des rapports entretenus entre l’organisation spatiale des plantes virtuelles et leur interception, pour l’analyse de sensibilité décrite au III.C.3 ainsi que dans la section expérimentale qui suit.
0 2000 4000 6000 8000 10000 0 2000 4000 6000 8000 10000 CARIBU V e g e S T A R 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 2000 4000 6000 8000 10000 CARIBU 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 2000 4000 6000 8000 10000 CARIBU
Figure IV.25. Comparaison des calculs de projection de plantes virtuelles (mm2) à quatre stades de développement (340, 440, 540, 640°C.j ; le stade 640°C.j ne figure pas sur C)(échelle) et selon trois élévations de la source lumière (A : 30°, B : 60°, C : 90°), réalisés par l’application VegeSTAR et la boucle décrite plus haut.
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