• Aucun résultat trouvé

partie I M´ ethodes et Mod` eles d’´ etudes ´ ecologiques

8.2 Les m´ ethodes g´ eostatistiques multivari´ ees

8.2.1 Les mod`eles de co-r´egionalisation lin´eaire

En g´eostatistiques multivari´ees, chaque variable r´egionalis´ee Z

i

(x), i = 1, . . . , p est

consid´er´ee comme une r´ealisation d’une fonction al´eatoire {Z

i

, x ∈ D}. Ces fonctions

al´eatoires peuvent ˆetre d´ecompos´ees en une s´erie Z

ki

(x);k= 0, . . . , S composants spatiaux

non corr´el´es :

Z

i

(x) =

S

X

k=0

Z

ki

(x) +m

i

. (8.1)

Les variogrammes reli´es entre eux (i.e. variogrammes crois´es) vont rendre possible

l’ana-lyse des structures spatiales conjointes des variablesZ

i

(s) telles que :

γ

ij

(h) = 1

2N(h)

n

X

α=1

[z

i

(x

α

+h)−zi(x

α

)·(z

j

(x

α

+h)−z

j

(x

α

)]. (8.2)

Le nombre total de variogrammes et de variogrammes crois´es exp´erimentaux estp(p+1)/2

o`u p est le nombre de variables pris en consid´eration. Les variogrammes simples et crois´es

vont pouvoir ˆetre mod´elis´es par les mod`eles de cor´egionalisation lin´eaires. Les mod`eles

lin´eaires de cor´egionalisation (LMC) (Goovaerts, 1997; Wackernagel, 2003) sont une

exten-sion multivari´ee des mod`eles de variogrammes emboˆıt´es.

Ce type de mod`ele permet de prendre en compte explicitement la structure spatiale de

la variable r´eponse et des variables explicatives pour mod´eliser les relations entre variables

`

a plusieurs ´echelles, c’est-`a-dire que les LMC permettent une mod´elisation globale des

va-riogrammes simples et crois´es. L’utilisateur choisit le nombre et la famille des mod`eles de

variogrammes apr`es avoir examin´e la forme des variogrammes exp´erimentaux simples et

crois´es. Ainsi chaque mod`ele de variogramme a une port´ee diff´erente et peut appartenir `a

une famille diff´erente.

En d’autres termes, un LMC est une s´erie de mod`eles de variogrammes simples et crois´es

compos´e d’une combinaison lin´eaire de la mˆeme s´erie de structure ´el´ementaire. Un LMC

avec k= 1, . . . , S structures peut ˆetre ´ecrit :

γ

ij

(h) =b

1ij

g

1

(h) +b

kij

g

k

(h) +. . .+b

Sij

g

S

(h), (8.3)

o`u γ

ij

(h) est un mod`ele de variogrammes emboˆıt´es pour la variable i et j (pour i =j

un variogramme simple est obtenu),b

kij

est la variance partielle du ijthvariogramme pour

la structure spatiale k (i.e ´echelle spatiale caract´eristique). En utilisant les LMC on fait

l’hypoth`ese que les structures du LMC sont mutuellement ind´ependantes.

8.2 Les m´ethodes g´eostatistiques multivari´ees 55

La fl´exibilit´e des LMC (c’est-`a-dire la capacit´e `a mod´eliser une s´erie de variogrammes

exp´erimentaux) est bas´ee sur le nombre total de structures du LMC (nombre d’´echelles

spatiales mod´elis´ees), sur les port´ees des corr´elations spatiales et sur les variances partielles

pour chaque mod`ele de variogramme et pour chaque structure.

Les variances partielles peuvent changer en fonction des variogrammes et des

vario-grammes crois´es, mais la port´ee de chaque structure spatiale g

(k)

(h) reste la mˆeme pour

tous les variogrammes c’est-`a-dire, les p(p+ 1)/2 variogrammes.

Le mod`ele de cor´egionalisation peut ˆetre exprim´e en notation matricielle telle que :

C(h) =

S

X

k=0

B

k

ρ

k

(h), (8.4)

o`uρ

k

(h) est une covariance tel que ρ

k

(0) = 1.

Et o`u les coefficients des LMC (i.e. variance partielle) sont regroup´es sous forme de

matrice pour construire des matrices de cor´egionalisation B

k

pour chaque structurek.

Les matrices de cor´egionalisation sont sym´etriques de dimension (pxp) et doivent ˆetre

semi-d´efinies positives, avec respectivement sur les diagonales et en dehors des diagonales ,

les coefficients des variogrammes et des variogrammes crois´es :

b

k 11

. . . b

k 1p

. . . ... . . .

b

kp1

. . . b

kpp

.

L’estimation des coefficients de port´ee partiels b

kij

est r´ealis´ee `a partir de l’algorithme

d´evelopp´e par Goulard & Voltz (1992). Une matrice de cor´egionalisation pour chaque

struc-ture kqui de par ses propri´et´es ´enonc´ees pr´ec´edemment peut ˆetre consid´er´ee comme

l’ana-logue d’une matrice de variance-covariance sp´ecifique `a chaque structurek.

Le nombre total de matrices B

k

`a analyser est ´egal au nombre de structures spatiales

(´echelle spatiale) pris en consid´eration.

8.2.2 Coefficients structuraux de corr´elation

Des coefficients structuraux de corr´elationr

kij

peuvent ˆetre d´eriv´es des coefficients partiels

b

kij

pour quantifier le lien spatial entre les organismes et l’environnement :

r

ijk

= b

k ij

q

b

kii

b

kjj

. (8.5)

8.2.3 L’analyse krigeante

A partir de la mod´elisation des variogrammes et des variogrammes crois´es par un LMC,

l’utilisation de l’analyse krigeante va nous permettre de r´esumer les relations spatiales entre

les organismes et les variables environnementales `a diff´erentes ´echelles (fig. 8.5).

L’analyse krigeante s’effectue en deux ´etapes successives : la premi`ere ´etape r´ealise la

d´ecomposition des fonctions al´eatoires en une somme de facteurs ind´ependants ; la seconde

proc`ede `a l’estimation par cokrigeage de ces facteurs au point x

0

.

Etape 1 : D´ecomposition d’une fonction al´eatoire multivari´ee

Chaque composant spatial Z

ki

(x) peut lui-mˆeme ˆetre repr´esent´e par une combinaison

lin´eaire de facteurs non corr´el´esY

kj

(x) associ´es `a des coefficientsa

ijk

:

Z

ki

(x) =

p

X

j=1

a

ijk

Y

kj

(x), (8.6)

les coefficients a

ijk

sont des coefficients de transformation inconnus correspondant au

ji`eme facteur r´egionalis´e de lai`eme variable de laki`eme structure. En fait, seule la matrice

de cor´egionalisation B

k

peut ˆetre estim´ee :

B

k

=A

k

A

0k

.

Cependant, une analyse en composantes principales (ACP) peut permettre d’obtenir la

determination de la matriceA

k

. De mani`ere plus sp´ecifique, l’ACP appliqu´ee s´epar´ement `a

chaque matrice de cor´egionalisation B

k

, permet d’obtenir une s´erie dep valeurs propres λ

et leur vecteur propre associ´ev

j

:

B

k

=Q

k

V

k

Q

0k

,

o`u Q

k

est une matrice orthogonale de vecteur propre, V

k

est une matrice diagonale

contenant les valeurs propres de la matrice B

k

. La matriceA

k

peut alors ˆetre estim´ee :

A

k

=Q

k

1k/2

.

Les facteurs r´egionalis´esY

kj

(x) sont des ´equivalents des composantes principales obtenues

avec une ACP.

Une ACP r´ealis´ee sur chaque matrice de cor´egionalisation B

k

offre la possibilit´e de

r´esumer les relations entre les variables, chaque matrice B

k

est d´ecompos´ee en vecteurs

propres et valeurs propres afin de projeter les variables dans des cercles de corr´elations.

8.2 Les m´ethodes g´eostatistiques multivari´ees 57

Pour cela, les vecteurs propres des deux principaux axes sont convertis en corr´elation entre

la variable originale et les composantes principales :

c

kij

=v

ij

s

λ

j

b

kij

, (8.7)

o`u c

kij

est la valeur de la corr´elation, k fait r´ef´erence `a chaque structure spatiale (i.e. k

peut faire r´ef´erence aussi `a chaque matrice de cor´egionalisation),v

ij

est leii`eme ´el´ement du

ji`eme vecteur propre, et j est la ji`eme valeur propre etb

kij

correspond aux coefficients de

la matrice de cor´egionalisation B

k

.

Etape 2 : Cartographie des facteurs r´egionalis´es par cokrigeage

Quel que soit le point x ∈ D, on estime la valeur des facteurs spatiaux Y

kj

(x) par

cokrigeage `a partir des donn´ees ´echantillonn´ees. Pour chaque variable Z

i

, on utilise les i

voisins ´echantillonn´es les plus proches de x et l’estimateur du facteur Y

kj

(x) en un point

x∈Dest de la forme :

ˆ

Y

kj

(x) =

p

X

i=1 n

X

α=1

w

αi

Z

i

(x

α

). (8.8)

Dans le cas o`u toutes les variables sont stationnaires, de moyennes m

i

inconnues, on

utilise les fonctions de covariance et le syst`eme de cokrigeage qui d´etermine lesw

αi

, s’´ecrit :

p

X

j=1 n

X

β=1

w

iβ

C

ij

(x

α

−x

β

)−µ

i

=a

ijk

ρ

k

(x

α

−x

0

) pour i= 1, . . . p, α= 1. . . , n

n

X

β=1

w

βi

= 0 pour i= 1, . . . , p

(8.9)

.

Fig. 8.2. Sch´ematisation des diff´erentes ´etapes de la mod´elisation de variogrammes simples et crois´e pour 2 variables `a partir des mod`eles de cor´egionalisation suivie d’une analyse krigeante.