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INRA
SCIENCE & IMPACT

VIGIE-MED :

Impact des changements climatiques à l'échelle régionale et
adaptation par la distribution spatiale des ressources
hydriques et des systemes de production végétal

Métaprogramme ACCAF

Rapport final : résultats pour la période 2012 –
2015

Version française

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12/ 2015
# VIGIE-MED : Impact des changements climatiques à l'échelle régionale et adaptation par la distribution spatiale des ressources hydriques et des systemes de production végétal.

Andre Chanzy, Denis Allard, Marc Bourotte, Philippe Clastre, Hendrik Davi, Jean-Luc Dupuy, Marta Debolini, Sébastien Garrigues, Martine Guerif, Ghislain Geniaux, et al.

► To cite this version:

Andre Chanzy, Denis Allard, Marc Bourotte, Philippe Clastre, Hendrik Davi, et al. VIGIE-MED : Impact des changements climatiques à l'échelle régionale et adaptation par la distribution spatiale des ressources hydriques et des systemes de production végétal. [Contract] auto-saisine. 2015, 39 p. hal-01607247

HAL Id: hal-01607247

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Submitted on 5 Jun 2020

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## SOMMAIRE

<table><tr><td>SOMMAIRE</td><td>2</td></tr><tr><td>PRESENTATION GENERALE DU PROJET</td><td>3</td></tr><tr><td>SYNTHESE</td><td>6</td></tr><tr><td>LISTE DES OPERATIONS DE VALORISATION</td><td>22</td></tr><tr><td>RESUME</td><td>29</td></tr><tr><td>EVALUATION</td><td>37</td></tr><tr><td>ANNEXES : TEXTES DES PUBLICATIONS</td><td>38</td></tr></table>
<figure><img src="image_2.png" /></figure>

INRA
SCIENCE & IMPACT

VIGIE-MED :

Impact of Climate Change at Regional scale and adaptation
through the spatial distribution of Water resource and crop
systems.

Metaprogram AAFCC

Final report: results from 2011 to 2014

English version

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Month / Year
# Présentation générale du projet

Titre : VIGIE-MED

Dates et durée du projet : 2011-2015

Budget ACCAF alloué pour le projet : 187k€

## Porteur(s) de projet

Nom : André Chanzy

Unité et Département : EMMAH département E&A

Contacts : achanzy@avignon.inra.fr

## Présentation du consortium

Autres unités impliquées : ECODEV, URFM, BioSP, MIA Toulouse, UMR MIA 518 INRA-Agro-Paristech

(Les contributions des unités ASTER, économie Publique et GSE n'ayant pas ou peu participé au projet n'ont pas été prises en compte dans le rapport).

Autres départements impliqués : EFPA, MIA

Effectifs impliqués :

* **Permanents :**

<table><tr><td>DR / CR</td><td>9</td></tr><tr><td>IR / IE</td><td>6</td></tr><tr><td>AI-B-C</td><td>8</td></tr></table>

* **Contractuels :**

<table><tr><td>CDD</td><td>1</td></tr><tr><td>Post-doctorants</td><td></td></tr><tr><td>Doctorants</td><td>1</td></tr><tr><td>Masters :</td><td>13</td></tr></table>

Hommes.mois mobilisés sur la durée du projet :

* **Permanents :**
# INDEX

<table><tr><td>INDEX</td><td>2</td></tr><tr><td>GENERAL PRESENTATION OF THE PROJECT</td><td>3</td></tr><tr><td>SYNTHESIS</td><td>6</td></tr><tr><td>EXECUTIVE SUMMARY</td><td>20</td></tr><tr><td>HIGHLIGHT(S) OF THE PROJECT</td><td>23</td></tr></table>
<table><tr><td>DR / CR</td><td>25</td></tr><tr><td>IR / IE</td><td>22.5</td></tr><tr><td>AI-B-C</td><td>75.5</td></tr></table>

• Contractuels :

<table><tr><td>CDD</td><td>6</td></tr><tr><td>Post-doctorants</td><td>0</td></tr><tr><td>Doctorants</td><td>36</td></tr><tr><td>Masters</td><td>72</td></tr></table>

Stagiaires accueillis (master, doctorants, post-doctorants) :

Master

Balde O., Analyse statistiques des choix de couverts agricoles à l'échelle parcellaire., stage de master II, 6 mois, Stage INRA M2, 2014.

Boyao, S., Modélisation micro-économétrique de l'abandon agricole et des choix cultureux à l'échelle parcellaire en paca., stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2012.

Drapier, L. Analyse de la causalité entre aménagement routiers et urbanisation., stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2015.

Feindouno, S., D'eterminants de l'abandon agricole en région paca, tech. rep stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2013.

Lopez-Kolkosky, J., Modélisation micro-économétrique de l'urbanisation en paca, stage de master I, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2013.

Wu, D. Propriété foncière et étalement urbain, stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2012.

Prat V. 2014, Détermination de la biomasse combustible à partir de scans LiDAR. Stage d'initiative personnelle, Télécom Saint Etienne, INRA-URFM, 22p.

Bornuat E. 2015. Détermination de la structure et de la biomasse combustible à partir de nuages de points acquis par un LiDAR terrestre. Mémoire de soutenance de Diplôme d'Ingénieur INSA Spécialité Topographie. 74p.

Cakpo CB 2015. Etude du bilan hydrique en contexte forestier méditerranéen, approche par géophysique, traçage isotopique, modélisation écophysiologique. Mémoire de fin d'étude. Master Sciences et Technologies du Vivant et de l'Environnement ; mention (Forêt
# General presentation of the project

Titre : VIGIE-MED

Dates et durée du projet : 2011-2014

Budget ACCAF alloué pour le projet : 187k€

## Porteur(s) de projet

Nom : André Chanzy

Unité et Département : EMMAH département E&A

Contacts : achanzy@avignon.inra.fr

## Présentation du consortium

Autres unités impliquées : ECODEV, URFM, BioSP, MIA Toulouse, UMR MIA 518 INRA-Agro-Paristech

(Les contributions des unités ASTER, économie Publique et GSE n'ayant pas ou peu participé au projet n'ont pas été prises en compte dans le rapport).

Autres départements impliqués : EFPA, MIA

Effectifs impliqués :

* **Permanents :**

<table><tr><td>DR / CR</td><td>9</td></tr><tr><td>IR / IE</td><td>6</td></tr><tr><td>AI-B-C</td><td>8</td></tr></table>

* **Contractuels :**

<table><tr><td>CDD</td><td>1</td></tr><tr><td>Post-doctorants</td><td></td></tr><tr><td>Doctorants</td><td>1</td></tr><tr><td>Masters :</td><td>15</td></tr></table>

Hommes.mois mobilisés sur la durée du projet :
Agronomie et Gestion des Ecosystèmes), spécialité : « Fonctionnement et Gestion des Ecosystèmes ».

Zhang Z., 2011. Analyse de l'évolution du parcellaire agricole : mise au point d'une méthode de classification fondée sur l'analyse d'images de télédétection et de données vectorielles de différentes natures. Mémoire de Master 1ère année « Génie de l'environnement », Institut EGID, Université Michel de Montaigne - Bordeaux 3, 26 p.

Lejail P., 2013. Création d'une typologie des systèmes agricoles de la région PACA et analyse de son évolution au cours du temps. Rapport de stage de 2eme année D.U.T. Statistiques et Informatique Décisionnelle, IUT d'Avignon, 34 p + annexes.

El Amraoui M., 2014. Les indicateurs écoclimatiques pour l'analyse de la faisabilité des cultures. Le cas d'étude de la vigne en Vaucluse. Rapport de Master « Ingénierie et Gestion des Territoires (IGT) », spécialité « Gestion Agricole et Territoires (GAT) », CIHEAM-IAM Montpellier, Université Montpellier 3, 66 p + annexes.

Ben Mustapha A., 2014. Les indicateurs écoclimatiques pour l'analyse de la faisabilité des cultures. Le cas d'étude du pommier et du cerisier en Vaucluse. Rapport de Master « Ingénierie et Gestion des Territoires (IGT) », spécialité « Gestion Agricole et Territoires (GAT) », CIHEAM-IAM Montpellier, Université Montpellier 3, 78 p + annexes.

Gundogdu U., 2015. Application of ecoclimatic indicators to analyse the quantity and quality feasibility of wine grape production in Vaucluse department (France). Mémoire de Master 2, European Master of Viticulture and Enology, Universidad Politecnica de Madrid, 68 p + annexes.

Thèse :

Bourotte M. Modèles et algorithmes pour un générateur de temps spatialisé (SWgen) prenant en compte les valeurs extrêmes. Co-direction, D. Allard (BioSP, INRA Avignon) et Liliane Bel (UMR MIA/AgroParisTech, Paris) Soutenance prévue en Février 2016.
• **Permanents :**

<table><tr><td>DR / CR</td><td>25</td></tr><tr><td>IR / IE</td><td>22.5</td></tr><tr><td>AI-B-C</td><td>75.5</td></tr></table>

• **Contractuels :**

<table><tr><td>CDD</td><td>6</td></tr><tr><td>Post-doctorants</td><td>0</td></tr><tr><td>Doctorants</td><td>36</td></tr><tr><td>Masters</td><td>75</td></tr></table>

Stagiaires accueillis (master, doctorants, post-doctorants) :

**Master**

Balde O., Analyse statistiques des choix de couverts agricoles à l'échelle parcellaire., stage de master II, 6 mois, Stage INRA M2, 2014.

Boyao, S., Mod'elisation micro-'econom'etrique de l'abandon agricole et des choix culturaux à l'échelle parcellaire en paca., stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2012.

Drapier, L. Analyse de la causalit'e entre am'enagement routiers et urbanisation., stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2015.

Feindouno, S., D'eterminants de l'abandon agricole en r'egion paca, tech. rep stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2013.

Lopez-Kolkosky, J., Mod'elisation micro-'econometrique de l'urbanisation en paca, stage de master I, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2013.

Wu, D. Propri'et'e fonci'ere et 'etalement urbain, stage de master II, 6 mois, INRA, UR 767 Ecod'eveloppement, 2012.

Prat V. 2014, Détermination de la biomasse combustible à partir de scans LiDAR. Stage d'initiative personnelle, Télécom Saint Etienne, INRA-URFM, 22p.

Bornuat E. 2015. Détermination de la structure et de la biomasse combustible à partir de nuages de points acquis par un LiDAR terrestre. Mémoire de soutenance de Diplôme d'Ingénieur INSA Spécialité Topographie. 74p.
VIGIE-MED

Métaprogramme « Adaptation au Changement Climatique de l'Agriculture et de la Forêt »
(ACCAF)

SYNTHESE

Nom du porteur de projet : André Chanzy

Autres partenaires scientifiques : Denis Allard, Marc Bourotte, Philippe Clastre, Hendrik Davi, Jean-Luc Dupuy, Marta Debollini, Sébastien Guarrigues, Martine Guerif, Ghislain Géniaux, Patrice Lecharpentier, Claude Napoléone, François Pimont, Hélène Raynal, Eric Rigolot, Albert Olioso
Cakpo CB 2015. Etude du bilan hydrique en contexte forestier méditerranéen, approche par géophysique, traçage isotopique, modélisation écophysiologique. Mémoire de fin d'étude. Master Sciences et Technologies du Vivant et de l'Environnement ; mention (Forêt Agronomie et Gestion des Ecosystèmes), spécialité : « Fonctionnement et Gestion des Ecosystèmes ».

Zhang Z., 2011. Analyse de l'évolution du parcellaire agricole : mise au point d'une méthode de classification fondée sur l'analyse d'images de télédétection et de données vectorielles de différentes natures. Mémoire de Master 1ère année « Génie de l'environnement », Institut EGID, Université Michel de Montaigne - Bordeaux 3, 26 p.

Lejail P., 2013. Création d'une typologie des systèmes agricoles de la région PACA et analyse de son évolution au cours du temps. Rapport de stage de 2ème année D.U.T. Statistiques et Informatique Décisionnelle, IUT d'Avignon, 34 p + annexes.

El Amraoui M., 2014. Les indicateurs écoclimatiques pour l'analyse de la faisabilité des cultures. Le cas d'étude de la vigne en Vaucluse. Rapport de Master « Ingénierie et Gestion des Territoires (IGT) », spécialité « Gestion Agricole et Territoires (GAT) », CIHEAM-IAM Montpellier, Université Montpellier 3, 66 p + annexes.

Ben Mustapha A., 2014. Les indicateurs écoclimatiques pour l'analyse de la faisabilité des cultures. Le cas d'étude du pommier et du cerisier en Vaucluse. Rapport de Master « Ingénierie et Gestion des Territoires (IGT) », spécialité « Gestion Agricole et Territoires (GAT) », CIHEAM-IAM Montpellier, Université Montpellier 3, 78 p + annexes.

Gundogdu U., 2015. Application of ecoclimatic indicators to analyse the quantity and quality feasibility of wine grape production in Vaucluse department (France). Mémoire de Master 2, European Master of Viticulture and Enology, Universidad Politecnica de Madrid, 68 p + annexes.

Thèse :

Bourotte M. Modèles et algorithmes pour un générateur de temps spatialisé (SWgen) prenant en compte les valeurs extrêmes. Co-direction, D. Allard (BioSP, INRA Avignon) et Liliane Bel (UMR MIA/AgroParisTech, Paris) Soutenance prévue en Février 2016.
## CONTEXTE GENERAL

Dans de nombreuses régions du monde, il est capital de préserver les capacités de productions végétales (services écosystémiques (SE) d'approvisionnement). Celles-ci sont fortement dépendantes des ressources en eau et en sol soumises à de fortes pressions (changement climatique, sécheresse, inondation, croissance démographique). Il est également important de pouvoir prévoir l'évolution des risques pouvant affecter ces services tels que les incendies de forêt. Certains des impacts du changement climatique sur les systèmes de production végétale concernent des territoires de dimension importante (aquifère, bassin versant, massif forestier) et l'échelon régional, au sens administratif du terme, est un niveau important pour prendre des décisions sur l'adaptation aux changements climatiques (Lois Grenelle, Agenda 21, schémas directeurs d'aménagement du territoire, gestion des ressources hydriques ...). Pour venir en appui des autorités locales et des professions agricole et forestière, nous proposons des indicateurs de durabilité territoriale permettant d'apprécier les SE d'approvisionnement, de régulation (stockage de carbone), les ressources hydriques, les risques d'incendie ou encore l'adaptabilité des territoires aux enjeux futurs relatifs aux besoins et conditions de production. Dans VIGIE-MED, l'adaptation est vue à travers l'allocation spatiale des systèmes de production végétale qui doit prendre en compte de manière explicite la répartition des sols, des ressources hydriques et des conditions bioclimatiques. Afin d'appréhender l'impact des mesures d'adaptation, il est important de comprendre les dynamiques territoriales induites en tenant compte d'autres facteurs tels que processus micro-économiques ou les forçages macro-économiques.

L'ambition générale du projet était de construire un cadre de modélisation régional permettant d'une part, de représenter les dynamiques territoriales d'usage des sols en fonction du contexte socio-économique et des options d'adaptation et d'autre part, développer un ensemble d'indicateurs décrivant le fonctionnement du territoire sur le plan de la production végétale, des risques associés (sécheresse, incendie) et des ressources hydriques. Le financement ACCAF devait servir de financement starter pour initier un projet d'ANR qui n'a malheureusement pas été retenu. De ce fait le projet a permis d'initier les briques nécessaires à la modélisation régionale sans avoir permis d'intégrer l'ensemble.

L'ancrage territorial a été la région PACA ouest qui regroupe les départements du Vaucluse et des Bouches-du-Rhône. Cette zone offre une diversification importante des usages des sols avec des mutations rapides d'un usage à l'autre (urbanisation, abandon, systèmes de cultures) et des perspectives de changements climatiques importantes, la région méditerranéenne étant souvent considérée comme un hot spot de changement. Le projet a surtout été porté par les unités de recherche du pôle « Adaptation aux Changements Globaux » du centre INRA -PACA et la plateforme géomatique GeOpen4S qui été mobilisée en support du projet.

## OBJECTIFS GENERAUX DU PROJET

Les orientations générales du projet énoncées dans la partie précédente se sont déclinées de manière plus précise autour des quatre axes :
VIGIE-MED

Metaprogramme “Adaptation of Agriculture and Forests to Climate Change” (AAFCC)

SYNTHESIS

Name of the project leader: André Chanzy

**Other scientific partners:** Denis Allard, Marc Bourotte, Philippe Clastre, Hendrik Davi, Jean-Luc Dupuy, Marta Debollini, Sébastien Guarrigues, Martine Guerif, Ghislain Géniaux, Patrice Lecharpentier, Claude Napoléone, François Pimont, Hélène Raynal, Eric Rigolot, Albert Olioso
* Consolidation de la base de données territoriale (usage des sols, socio-économiques, politiques, sols et climats) sur les départements du Vaucluse et des bouches-du-Rhône sur plateforme géomatique GeOpen4S.

* Calcul des différents indicateurs à l'échelle régionale sur la production végétale (agricole et forestière), le risque incendie et les ressources hydriques et application, selon les indicateurs, sur la plaine de la CRAU (agrosystèmes), le massif du Ventoux (forêt) ou l'ensemble du territoire d'étude (aléa incendie).

* Modélisation des changements d'usage des sols et des systèmes de production agricole en fonction des déterminants micro-économiques, sociaux, politiques, géographiques et les potentialités agricoles et leur évolution dans un cadre de changement climatique.

* Pour mieux appréhender la variabilité climatique, nous avons développé un outil de simulation capable de générer des séries météorologiques multivariées et multi-sites, avec une reproduction adéquate des événements extrêmes. Nous nous sommes limités pour l'instant à la simulation multi-sites de chroniques stationnaires.

# METHODOLOGIE

## A) CONSTITUTION D'UNE BASE DE DONNEES REGIONALE

### Contribution au développement d'un outil collectif pour la gestion des données

Les ressources de la plateforme GeOpen4S (service géomatique du centre INRA PACA) ont été utilisées pour héberger les données (base postgre ou serveur de stockage NAS), les porter à connaissance via un outil de catalogage (Geonetwork), et publier certaines de ces données afin de simplifier leur usage au sein de la communauté VIGIE-MED (Lizmap et Geoserver). Sur ce plan, la mise en œuvre de VIGIE-MED a été à l'initiative de travaux d'ingénierie autour des outils proposés par la plateforme. En particulier, nous avons exploré les liens entre le serveur cartographique et le catalogue qui offrent la possibilité à un utilisateur identifiant une donnée via le catalogue, de la visualiser immédiatement sur un fond cartographique sans passer par un outil tiers. Ce travail a permis de démocratiser l'usage du catalogue pour les données dites "spatiales" et est maintenant régulièrement exploité par d'autres utilisateurs de la plateforme GeOpen4S qui souhaitent valoriser ce type de données.

### Constitution des données pour l'analyse des dynamiques territoriales d'usage des sols

Un premier travail a porté sur l'enrichissement de la base parcellaire développée par ECODEV pour mieux suivre les évolutions du parcellaire et les facteurs qui jouent sur les changements d'occupation des sols (OS) en partenariat avec les équipes impliquées dans le projet Urbansimul (voir fait marquant "Partenariat"). L'ensemble des millésimes des Plans Cadastraux Informatisés (PCI) de 2007 à 2014 ont été mobilisés pour construire un cadastre historique assurant une meilleure géolocalisation des informations sur la propriété foncière (biens fonciers et immobiliers - données MAJIC) et des
## GENERAL CONTEXT

In many parts of the world, it is vital to preserve vegetation production capacities (provisioning Ecosystem Services (ES)). These are highly dependent on water and soil resources subjected to strong pressures (climate change, droughts, floods, population growth). It is also important to be able to predict the evolution of risks that may affect these services, such as forest fires. Some of the impacts of climate change on crop production systems involve large areas (aquifer, watershed, forest) and the regional level, as an administrative entity, is an important level to make decisions on the adaptation to Climate Change (Grenelle's laws, Agenda 21, master plans of the territory, water management ...). In order to support local authorities and agricultural and forestry occupations, we provide territorial sustainability indicators to assess provisional and regulation ES, water resources, the risk of fire or adaptability to future territorial issues related to the needs and production conditions. In VIGIE-MED, adaptation is seen through spatial allocation of vegetation production systems that must take into account the distribution of soils, water resources and bioclimatic conditions, explicitly. To understand the impact of adaptation measures, it is important to understand land dynamics induced by taking into account other factors such as micro-economic processes or macroeconomic forcing.

The general aim of the project was to build a regional modelling framework to represent on the one hand, the dynamics of land use with respect to socio-economic context and adaptation options and on the other hand, a set of indicators describing land functioning in terms of vegetation production, the associated risks (drought, fire) and water resources. The ACCAF funding was to be used as starter to initiate an ANR project, which has unfortunately not been selected. Thus the project helped to initiate the necessary bricks regional modelling without allowing to integrate all.

The territorial base was the western PACA region, which includes the districts of Vaucluse and Bouches-du-Rhône. This area offers significant diversification of land uses with rapid changes from one use to another (urbanization, abandonment, crop systems) and prospects of significant climate change, the Mediterranean being often considered as a hot spot for changes. The project was mainly carried out by the teams of "Adaptation to Global Changes" pole of the INRA -PACA centre and the geomatics platform GeOpen4S was mobilized to support the data base.

## GENERAL OBJECTIVES

The general orientations of the project outlined in the previous section have been developed according to four axes:

* Consolidation of the territorial database (land use, socio-economic, political, soils and climates) in the departments of Vaucluse and bouches-du-Rhône on the Geomatics platform GeOpen4S.

* Calculation of different indicators at the regional level on crop production (agriculture and forestry), the fire risk and water resources and application, according to the indicators, on the plain of CRAU (agrosystems), the massif of Ventoux (forest) or the entire study area (fire hazard).

* Modeling land use changes and agricultural production systems based on micro-economic, social, political, geographical and agricultural potential and their development in a context of climate change.
structures des exploitations agricoles (données RPG1, CCMSA, et MSA2 – mutualité agricole), assurant un taux de géolocalisation des informations foncières de 99,91 %. L'ensemble des documents d'urbanisme ont été intégrés au format vectoriel sur la période 2000-2015. Ainsi, sur la zone PACA, ont pu être reconstitués les changements annuels des 4,5 millions de parcelles (bâti ou pas, surface physiquement et/ou réglementairement constructible, nature de culture, culture irriguée, évolution du parcellaire, mutation foncière et prix).

Une seconde tache consistait à enrichir la série historique du parcellaire d'informations sur les facteurs jouant à différentes échelles spatiales et temporelles sur les changements d'usage du sol. Pour chaque parcelle, une trentaine de variables de plus courte distance (au noyau villageois, équipements publics, réseaux, aménités ou désaménités environnementales, ...), de configuration spatiale (forme, nombre de parcelles à traverser pour atteindre une route...) et sur le type des propriétés (privé, public, taille propriété... ). A l'échelle de la commune, une série d'indicateurs clés, issus des RGA3 2000 et 2010, a été développée sur les pratiques agricoles (assolement, rentabilité économique, pratiques telles que l'irrigation et conversion traditionnelle/bio). Les données RGA collectées au niveau de l'exploitation ont permis d'obtenir des classifications par type d'exploitation et offrent une profondeur historique plus importante (1970-2010) que celle des bases telles que la MSA (limitée à 10 ans).

Un troisième travail a porté sur l'évaluation de la qualité des données parcellaires MSA pour servir de référence dans une procédure de classification objet de données satellitales s'appuyant sur l'usage couplée des limites du parcellaire agricole et des classifications de type de culture dans la base de données parcellaires MSA d'un côté et des données satellites sur les couverts. Si les données MSA présentent l'intérêt de raccorder des parcelles à une exploitation, information intéressante pour certaines analyses, leur apport dans la classification par télédétection n'a pas été convaincant du fait d'erreurs dans les données MSA et des classes pas toujours appropriées. Parallèlement deux chantiers de classification plus classiques ont été réalisés. Le premier dédié à la cartographie des combustibles en faisant un inventaire des formations forestières à partir d'images à haute résolution rapideye (5 mètres). La classification a abouti à une douzaine de catégories d'occupation du sol et de structures de végétation du type boisé dense, peu dense, non boisé, sur lesquelles on distingue au mieux feuillu ou résineux. Le second consistait à faire une série d'usage des sols à 6 dates sur la période 1975 à 2014 réalisée sur la plaine de la CRAU.

Caractérisation du milieu biophysique

Les données météorologiques SAFRAN (historique [1960-2013]) et les projections climatiques du scénario QQA1B [1960-2100]) ont été intégrées dans une base de données, et un outil permet aux utilisateurs d'obtenir des fichiers climatiques compatibles avec nos modèles biophysiques en précisant les mailles d'intérêt et la période requise. Concernant la carte des sols un important de travail de numérisation des profils pédologiques de référence (~800 sur le Vaucluse) a été réalisé dans la base

<footnote n="1">¹ Registre du parcellaire agricole. Cette base de données recueil tous les ilots des exploitations qui ont fait demande de subvention à la Communauté Européenne dans le cadre de la politique agricole communautaire.</footnote>

<footnote n="2">² Mutualité agricole. Cette base recueil les déclarations des exploitants pour les services de la mutualité.</footnote>

<footnote n="3">³ Recensement Général Agricole</footnote>
* To better represent climate variability, we developed a simulation tool able to generate sets of multivariate meteorological series, multi-site, with proper reproduction of extreme events. We limited ourselves for the moment to stationary chronics.

*

# METHODOLOGICAL ELEMENTS (AND POSSIBLE DIFFICULTIES)

## A) ESTABLISH A REGIONAL DATA BASE

### Contribution to the development of a collective tool for data management

The resources of the GeOpen4S platform (Geomatics Service of the INRA PACA centre) has been used to host the data (postgre data base, NAS storage server), bring them to knowledge through a cataloging tool (GeoNetwork), and publish some of the data to make their use within the community VIGIE-MED, easier (Lizmap and Geoserver). In this regard, the implementation of VIGIE-MED was at the initiative of engineering work around the tools offered by the platform. In particular, we explored the links between the map server and catalog offering to a user, identifying a given data via the catalog, the immediate view on a basemap without using a third party tool. This work has helped democratize the use of the catalog for “spatial” data and is now regularly used by other users of the platform who want to valorize such data.

### Constitution of a database for the analysis of land use change dynamics

A first work focused on the improvement of the parcel database developed by ECODEV to better monitor the parcel changes and the factors driving land use changes (LUC), in partnership with the other teams involved in the Urbansimul project (see highlight “Partenariat”). All the existing plots from the French land registry databases (PCI, MAJIC) from 2007 to 2014 have been acquired in order to obtain a historical land registry ensuring a better geo-localization of land tenure information and on farm structure (RPG<fnref n="1" />, CCMSA and MSA<fnref n="2" /> databases). The acquisition of these different data sources guaranteed a geo-localization rate of about 99%. Moreover, all the planning documents were integrated on vector format for the years 2000-2015. Thus, in the PACA Region, changes on 4.5 million parcels could be assessed (built or not, physically or statutorily building, crop type, irrigation, evolution of the plots, changes on land tenure and price).

A second task consisted on the improvement of the parcel database historical series for the factors driving the LUC at different spatial and temporal changes. For each parcel, around thirty variables have been acquired going from the distances (from the villages, public equipment, road networks, environmental hotspots), spatial configuration (shape, number of parcels to be crossed in order to reach the main roads) and land tenure type (private, public, size of the property). At the municipality level, a series of key indicators have been obtained from the RGA<fnref n="3" /> database of 2000 and 2010 about agricultural practices (crop rotation, economic return, irrigation, conventional or biological

<footnote n="1">¹ Parcel identification system (Common Agricultural Policy declarations of farmers)</footnote>

<footnote n="2">² Agricultural health Assurance system. This database includes yearly individual information on farms and farmers (restricted access)</footnote>

<footnote n="3">³ Genaral agricultural census</footnote>
DONESOL d'INFOSOL<fnref n="4" />. Ces données permettent de caractériser les propriétés hydrauliques des sols via des fonctions de pédotransfert.

## B) CARACTERISATION DES INDICATEURS SUR LA PRODUCTION VEGETALE ET LES RESSOURCES HYDRIQUES

Les indicateurs recherchés concernaient la production végétale, le drainage pour caractériser la restitution d'eau au milieu, le bilan hydrique des aquifères et l'aléa incendie. L'enjeu du projet est de produire ces indicateurs à l'échelle de temps annuelle et à haute résolution spatiale (< km) pour rendre compte de l'hétérogénéité spatiale complexe en milieu méditerranéen. Pour la partie incendie, des cartes d'aléas ont été produites. Celles-ci sont des éléments nécessaires à l'évaluation des pertes de production ou de la dégradation de certains services écosystémiques liés aux incendies de forêt. Elles fondent aussi les politiques réglementaires de protection des biens et des personnes.

### Indicateurs sur la production végétale et les ressources hydriques

L'approche suivie est de mettre en œuvre des modèles à base écophysiologique pour représenter par une approche multilocale la production végétale, la mortalité dans le cas des couverts forestier et les échanges d'eau avec le milieu (irrigation, drainage). Les modèles utilisés ont été le modèle de culture STICS pour les grandes cultures et les prairies, le modèle CASTANEA pour les forêts et le modèle ISBA-Gs sur les autres types de surface. Deux zones ont été modélisées : le Ventoux pour les forêts et la plaine de la Crau pour les zones cultivées. Dans ce dernier cas, un couplage du modèle de surface (regional STICS<fnref n="5" />) a été réalisé avec le modèle de nappe MODFLOW pour appréhender l'impact des changements climatiques sur le niveau de la nappe.

Nous avons travaillé sur l'adaptation des modèles aux couverts considérés et en particulier le modèle CASTANEA. Nous l'avons paramétré sur quatre des espèces (Chêne vert, Chêne pubescent, Hêtre et Sapin) et un travail d'analyse bibliographique a permis de déterminer les caractéristiques écophysiologiques de deux essences supplémentaires (Pin sylvestre et Cèdre) qu'il sera aisé d'inclure dans nos analyses ultérieures. Le modèle a été validé sur les données de croissance pour le Sapin et un module de mortalité a été développé et validé (Davi et Cailleret soumis).

Les travaux ont porté sur la mise en œuvre de ces modèles en cherchant à représenter la variabilité spatiale en s'appuyant sur l'utilisation des couches d'information disponibles. La caractérisation des sols est toujours un point délicat à l'échelle régionale. Dans le cas des forêts, nous avons estimé les réserves en eau de surface à partir d'une réanalyse des données issues de 86 fosses pédologiques. La forte teneur en éléments grossiers (65±16%) et la faible profondeur des sols (5-21cm) conduisent à des très faibles réserves utiles en surface (RU=30±6mm). Néanmoins, par analyse isotopique, nous avons montré que le Hêtre, le Sapin et le Chêne vert sont capables de puiser jusqu'à 50% de leur eau dans l'épikarst (Cakpo 2015). En tenant compte de ces réserves, les RU s'élèvent à 51 Pédologie des sols de la plaine de la Crau, nous avons réalisé une analyse de variance sur les observations des profils pédologiques, ce qui nous a permis d'identifier 5 classes de sols, pour lesquelles nous avons appliqué des paramètres moyens. Pour le climat, il n'existe pas de produits spatialisé adapté aux zones de

<footnote n="4">⁴ Unité de service INRA dédiée aux bases de données sol françaises (Orléans)</footnote>

<footnote n="5">⁵ https://www6.inra.fr/agadapt/Regional-planning/Model/Regional-STICS</footnote>
management). The RGA data at farm level allowed to obtain a classification of farm system typology
ad they offer a greater historical depth (1970-2010) than the databases like the MSA which are limited
to 10 years.

A third work focused on the assessment of the MSA database quality at the parcel level, as a reference for the validation of remote sensing classification based on the combined use of the agricultural parcel boundaries and crop type classifications. MSA data have the advantage to connect plots and farms, which is relevant information for many analyses. However, their use for remote sensing validation was not considered as satisfying because of the errors in farm's declarations and of inappropriate land-use classification. At the same time, two classification procedures have been realized. The first one is focused on the fuel mapping starting from an inventory of the forest formation from high-resolution images rapideye (5 meters). The obtained classification has around twelve LU and vegetation structure classes going from the type dense woodland, sparse, unoaked, on which we can distinguish hardwood or softwoods. The second one consisted of a LU class series on 6 time laps for the period from 1975 to 2014 realized for the Crau plain.

Characterisation of the biophysical environment

The SAFRAN meteorological data (historical serie from 1960 to 2013]) and climate projections
QQA1B scenario [1960-2100]) were included in a database, and a tool allowing users to get files
compatible with our climate models biophysical specifying the grids of interest and the required
period. Regarding the soil map, the reference profiles (~ 800 on Vaucluse) were digitalized in the
DONESOL data base handled by INFOSOL<fnref n="4" />. From these data, the soil hydraulic properties were
estimated via pedotransfer functions.

B) PLANT PRODUCTION AND WATER RESOURCES INDICATOR CHARACTERIZATION

The desired indicators were the vegetation production, the drainage to characterize the aquifer recharge, the water balance of aquifers and the fire hazard. The aim of the project is to produce such indicators at the annual time scale and with high spatial resolution (<km) to account for the complex spatial heterogeneity in Mediterranean environment. For the fire part, hazard maps were produced. These are the required elements for the assessment of production losses or degradation of some ecosystem services related to forest fires. They are also used as the foundation of regulatory policies to protect property and people.

Indicators on crop production and water resources

The approach taken is to implement ecophysiological based models to represent, though a multi-local
approach, the vegetation production, mortality in the case of forest cover and water exchange with the
environment (irrigation, drainage). The models used were the STICS crop model for arable crops and
grassland, the CASTANEA model forests and model ISBA-Gs on other types of surface. Two zones

<footnote n="4">⁴ French soil survey service</footnote>
montagne. Les gradients altitudinaux de température, d'humidité de l'air et précipitations ont été caractérisés à partir d'un réseau de stations climatiques. Les données SAFRAN ont été utilisées en plaine de CRAU. Sur des variables telles que les précipitations, ces données s'avèrent être plus précises que des interpolations entre stations. Enfin les itinéraires techniques, et en particulier la gestion des prairies irriguées a fait l'objet de développements spécifiques pour produire leur représentation spatio temporelle.

Des développements informatiques ont été réalisés pour transférer dans RECORD les codes informatiques pour la simulation du climat et la représentation des zones cultivées par le modèle STICS. La méthodologie a consisté à s'appuyer sur les services suivants offerts par la plate-forme RECORD<fnref n="6" />: i) couplage dynamique ii) le module de modélisation décisionnelle et iii) le paquet encapsulant le modèle le modèle de culture STICS. Afin de pouvoir externaliser la représentation des itinéraires techniques agricole, qui pourraient être le résultat de processus complexes intégrant l'organisation spatiale du territoire et l'évolution du climat, nous avons couplé STICS à un module de décision. Par ailleurs, un workflow a été conçu et développé pour gérer les multisimulations du modèle couplé STICS-Décision. Le workflow pré-existant étant basé sur Matlab, une interopérabilité entre RECORD et Matlab a dû être conçue et implémentée au préalable. Une difficulté rencontrée a concerné les temps d'exécution des modèles couplés qui sont en cours de résolution.

## Evaluation de l'aléa incendie

Le chêne pubescent est la première essence feuillue de la région PACA. La combustibilité des formations à chêne pubescent est peu connue, or on s'attend, dans le contexte du changement climatique, à une augmentation du risque d'incendie dans ces formations. Dans le cadre du projet VigieMed les principales formations à chêne pubescent du Vaucluse ont été visitées avec l'appui de la DDT du Vaucluse et trois sites représentatifs et contrastés ont été installés (Mont Ventoux, Monts du Vaucluse et Luberon). Sur chaque site, un inventaire de tous les éléments combustibles a été réalisé afin d'en caractériser le comportement au feu. Dans un objectif de généralisation, des relations allométriques prédisant la biomasse par classe de diamètre de combustible ont été établies sur le chêne pubescent (Figure 1) et sa végétation accompagnatrice comme le genévrier commun. Ce travail a permis d'affiner la caractérisation des principaux types de combustible à intégrer dans la carte d'aléa feu de forêt.

Pour remplacer à terme cette approche par « inventaire », coûteuse en temps, nous avons développé une méthode qui a permis pour la première fois d'estimer la distribution 3D de la biomasse foliaire sur des petites placettes à partir de données LiDAR. Combinant théorie et calibration légère, elle pourrait devenir une méthode de référence pour la caractérisation du combustible fin et le suivi non destructif de la végétation dans le contexte des changements globaux. Notre méthode a permis de reproduire les distributions verticales de biomasse foliaire sur quatre placettes de chênes pubescents de hauteurs et de densités variées. Les distributions produites par la méthode « LiDAR » sont très proches de celles obtenues avec la « méthode d'inventaire » (Figure 1).

<footnote n="6">⁶ Plateforme de modélisation dédiées au agrosystèmes (https://www6.inra.fr/record)</footnote>
were modeled: the Ventoux for forests and the plain of the Crau for cultivated areas. In the latter case, a coupling of the surface model was done with the aquifer MODFLOW model for understanding the impact of climate change on the water table.

We have been working on the adaptation of the models and namely CASTANEA to the plant covers taken into account. CASTANEA was parametrized for 4 species (Quercus ilex, Quercus pubescens, Fagus sylvatica and Abies alba) and literature review enable us to determine the ecophysiological characteristics of two additional species (Pinus sylvatica and Cedrus atlantica) facilitating their inclusion in our future analysis. The model was validated on fir growth data and a mortality module was developed and validated (Davi and Cailleret submitted).

Our efforts were focused on the implementation of these models trying to take into account the spatial variability using the available information layers. Soil characterisation is still a critical point at the Regional level. Regarding forests case, surface water reserves were estimated by re-analysing data from 86 soil pits. High content of coarse material (65±16%) and low soil depth (51±21cm) lead to very low surface available water capacity (AWC=30±6mm). Nevertheless, through isotopic analysis, we showed that Beech, Fir and evergreen oak are able to draw up to 50% of their water needs in the epikarst (Cakpo 2015). Taking these reserves into account, available water capacity increases to 51±13mm. For soils of the plain of Crau, we performed an analysis of variance on observations of soil profiles, which allowed us to identify five soil classes, for which we applied the average parameters. For the climate, there are no spatial products adapted to mountain areas. Altitudinal gradients of temperature, humidity of the air and precipitation were characterized from a weather station network. The SAFRAN data were used in CRAU plain. In that case, variables such as precipitation have been found to be more accurate than interpolations between stations. Finally cropping practices, in particular the management of irrigated grass has been the subject of specific developments to produce their spatial and temporal representation.

Developments have been made to transfer in the RECORD modelling platform the informatics codes of the climate generator (WACS-GEN) and Regional-STICS<fnref n="5" /> model. The methodology has been to rely on the following services offered by the RECORD platform: i) dynamic coupling ii) decision modeling module and iii) the package encapsulating the STICS crop model. To be able to externalize the representation of cropping practices that could be the result of complex processes integrating the spatial organization of the territory and climate change, we coupled the STICS model with a decision module. Furthermore, a workflow was designed and developed to manage multisimulations the resulting coupled model STICS/Decision. As a pre-existing workflow was developed on Matlab, interoperability between RECORD and Matlab had to be designed and implemented beforehand. A difficulty encountered concerned the execution time of coupled models. This problem is being resolved.

<footnote n="5">⁵ https://www6.inra.fr/agadapt/Regional-planning/Model/Regional-STICS</footnote>
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1. Profils de masse volumique des feuilles en fonction de la hauteur dans 2 placettes de Chêne pubescent estimées par les méthodes « LiDAR » (lignes continues et intervalle de confiance en pointillés) et « inventaire » (extrait de Pimont et al. 2015).</figcaption></figure>

L'élaboration de la carte d'aléa feux de forêt du Vaucluse a été réalisée à partir de la carte des formations végétales boisées mentionnée précédemment. Un post traitement a été fait afin de corriger certaines erreurs au moyen de bases de données spatialisées d'occupation des sols ainsi que de certains indices dérivés de l'image satellite tel que le NDVI. A l'aide du fond BD topo et de la base cadastrale, le post traitement a également permis de préciser certains types à l'interface habitat-forêt n'ayant pas le même comportement au feu selon la densité de l'habitat et la végétation interstitielle. Le croisement avec la couche IFN a enfin permis d'identifier les espèces forestières dominantes. La caractérisation de la combustibilité des types de végétation identifiés a été réalisée au moyen de données de la littérature ou des résultats acquis sur les zones à Chêne pubescent. L'évaluation de la combustibilité des couverts végétaux a été étendue à l'ensemble du département. A cette étape, les facteurs combinés de vent et de pente ont été intégrés pour estimer une vitesse attendue de propagation du feu dans les conditions de référence (vent et niveau de sécheresse), puis l'évaluation d'une puissance de front de feu en chaque point de la carte de végétation.

### C) REPRESENTATION DES FORCAGES INDUITS PAR LES CHANGEMENTS GLOBAUX

#### Développement du simulateur de Climat

Développer un générateur stochastique multi-site et multivarié a nécessité de définir de nouveaux modèles statistiques spatio-temporels multivariés, qui soient à la fois non triviaux et suffisamment riches pour décrire les interactions parfois complexes entre espace, temps et variables. Les développements ont été validés sur deux jeux de données en Bretagne et sur la zone d'étude VIGIE-MED.

Par ailleurs, le générateur de données météorologiques WACS-Gen, développé à l'INRA au sein de l'unité BioSP et précurseur du générateur développé dans VIGIE-MED a été implémenté dans RECORD. Ce générateur permet la simulation journalière de cinq variables climatiques et comprend une partie « estimation » pour caractériser les statistiques du générateur et une partie « simulation ».

#### Modélisation des changements d'usage et de la dynamique des systèmes de production agricole

Cette phase du projet a l'objectif d'arriver au développement d'un outil de modélisation intégrant à la fois les changements entre espace agricole et urbain (ou naturel) et aussi les changements intra-agricole. Ainsi, on cherche à représenter des processus d'urbanisation ou d'abandon agricole et leur possible évolution future dans un territoire comme celui du bassin Méditerranéenne où l'on observe à la fois un fort mouvement de périurbanisation et la poursuite de l'abandon agricole dans les zones marginales. Par ailleurs, on voudrait aussi essayer de comprendre et représenter d'autres processus plus spécifiques des espaces agricoles, comme ceux de l'intensification des pratiques agricoles, de la
## Fire hazard assessment

Quercus pubescens is the first deciduous species of PACA Region. Combustibility of Pubescent oak communities is little known, but, in the climate change context, an increased fire risk is expected in these communities. In the framework of the VigieMed project, the main Quercus pubescens forests have been visited with the support of the Vaucluse Forest Service and three representative and contrasted plots have been installed (Mont Ventoux, Monts du Vaucluse and Luberon). On each site, an exhaustive fuel inventory has been carried out aiming at characterising potential fire behaviour. For generalisation purposes, allometric relationships for biomass assessment by fuel diameter classes have been fitted on Quercus pubescens and associated shrub species like Juniperus. This work enabled to get a deeper knowledge of the most representative fuel types to be integrated in the fire hazard map.

A new method based on LiDAR data was implemented to replace this time consuming inventory approach. It enabled for the first time to assess the 3D distribution of foliar biomass on small plots. Combining water ng theory and light calibration, it could become a reference method for fine fuel characterisation and non destructive vegetation monitoring in the global change context. Our method succeeded in reproducing vertical distributions of foliar biomass on 4 pubescent oak plots with various tree heights and densities. LiDAR based distributions are quite close from those obtained with the "inventory method" (Figure 1).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 1. Leaf bulk density profiles estimated on 4 Quercus pubescent plots with the LiDAR-based (solid line and confidence intervals in dashed lines) and inventory-based methods (extract from Pimont et al. 2015).</figcaption></figure>

Vaucluse fire hazard map drawing up was based on the above mentioned forest types map. A post treatment was performed to refine vegetation types allocation using geo-referenced land use data bases as well as indices derived from satellite pictures like NDVI. Using a topographic map background and a land registry, post treatment also enabled to refine some vegetation types at the wildland-urban interface with different fire behaviour resulting from both habitat density and in between vegetation. Crossing with IFN layer finally made possible the identification of dominant forest tree species. Vegetation types combustibility was assessed using existing knowledge from literature or new results from this project namely on pubescent oak areas. Fire hazard map was built on the whole Vaucluse department by combining on each point of the vegetation map the expected wind speed and local topography to estimate fire line intensity as well as fire rate of speed under reference conditions (wind and drought level).

## C) REPRESENTATION OF GLOBAL CHANGES DRIVERS

### Stochastic Weather Generator

Developing a multi-site, multivariate stochastic weather generator has necessitated to build and define new multivariate spatio-temporal class of stochastic models. This new, flexible class allows to model
fragmentation des parcelles ou de l'extensification des systèmes agricoles. Ces processus de transition ont en fait des effets très importants sur les territoires et sur les fonctions fournies par les paysages agricoles. La compréhension de ces processus en cours facilitera la compréhension des systèmes d'adaptation susceptibles de maintenir dans le futur les fonctions agricoles et écosystémiques d'intérêt.

Un premier travail a porté sur la caractérisation des systèmes de production agricole à l'échelle des exploitations agricoles visant à identifier des trajectoires de changement qui ne soient pas seulement des changements d'usage, mais qui tiennent également compte de la structure de l'exploitation agricole. Pour cette raison nous avons utilisé les données du recensement agricole à l'échelle de l'exploitation. La méthode développées comprend quatre étapes : 1) définition d'une typologie des systèmes agricoles, 2) analyse des dynamiques spatio-temporelles des systèmes agricoles (trajectoires de changement), (3) identification des déterminants et des variables qui expliquent les dynamiques passées et (4) mise en relation de l'évolution des déterminants avec la distribution spatiale des changements de systèmes agricoles pour une explication des changements passés et une prédiction des changements futurs d'usage du sol. Le terrain d'étude initial pour tester cette méthode a été le département de Vaucluse du fait de la bonne disponibilité de données. Par ailleurs l'échelle départementale permet d'avoir une bonne variabilité de systèmes agricoles identifiés. Le modèle en développement s'appliquera principalement aux échelles de l'exploitation agricole, en représentant les trajectoires des systèmes agricoles, et communale donnant le taux de changement des exploitations agricoles.

Un second travail a été mené sur la caractérisation de l'évolution du parcellaire (propriété, structure, couvert). L'évolution de la structure du parcellaire (fusion, division, extension, ...) entre 2007 et 2014 a été réalisées en 8 classes par l'analyse géomatique de l'évolution des géométries des parcelles et des unités foncières : ces évolutions sont souvent des précurseurs d'opération d'urbanisation ou d'installation d'équipement. Un travail similaire a été menée sur la caractérisation de la propriété selon le type et le nombre de propriétaires, le type de droit et sur les mutations (nombre de vente, prix). Enfin les évolutions sur le bâti (bâtie/non-bâtie, nombre de locaux, hauteur et construction sur-étage, type de local résidentiel-commercial-industriel). Le croisement de ces trois types d'évolution a permis de dresser un inventaire exhaustif et très détaillé des évolutions de l'état du parcellaire sur plus de 4 millions de parcelles constituant une base de données unique en France permettant de caractériser tous les chemins d'évolution conduisant à différentes formes de production de locaux. Ces données doivent servir de base à des modèles statistiques de changement d'état à l'échelle de la parcelle en s'appuyant en grande partie sur les travaux menés au sein du projet Urbansimul<fnref n="7" /> en élargissant les approches binomiales, à des approches multinomiales, permettant de prendre en compte plusieurs évolutions possibles d'une parcelle.

<footnote n="7">⁷ URBANSIMUL est un outil d'analyse et de simulation de l'occupation du sol et de sa régulation à l'échelle parcellaire sur l'ensemble de la région Provence-Alpes-Côte d'Azur autour duquel sont organisés plusieurs projets de recherche du centre INRA PACA sur la modélisation des changements d'occupation du sol (vigie-med ACCAF, Lumecos, PRECOS). Il traite toutes les informations géographiques et foncières actuellement disponibles et la grande majorité des contraintes physiques et légales existantes, selon une série de règles statistiques et géomatiques, et les met à disoposition des acteurs publics de la gestion de l'urbanisme via un serveur web sécurisé. Les données intégrées par Urbansimul sont consolidées en continu grâce à un module permettant aux utilisateurs de corriger et déposer des données. Urbansimul propose aux acteurs publics de la planification urbaine et de la prospection foncière un repérage automatique des parcelles intégralement ou en partie disponibles pour l'urbanisation.</footnote>
the complex multivariate interactions between space, time and the variables. This model has been
validated on two datasets, in Britany and on the VIGIE-MED study area.

In addition, the generator WACS-gen that was previously developed at BioSP has been implemented
on the RECORD platform. This generator allows the daily simulation of five weather variables. It is
divided in an “estimation” part for characterizing the parameters of the generator, and a “simulation”
part which does the actual simulation for a given set of parameters.

Land use change and agricultural system change modeling

This phase of the project aims to develop a modeling tool that integrates both the changes between
agricultural and urban lands (or natural) and also the intra-agricultural changes. Thus, it seeks to
represent the process of urbanization or agricultural abandonment and their possible future
development in an area such as the Mediterranean basin, where we observe at the same time a strong
urbanization dynamic and the abandonment of agricultural production in marginal areas. Moreover,
this phase would also try to understand and represent more specific agricultural processes, such as the
intensification of agricultural practices, parcel fragmentation or extensification of agricultural systems.
These trajectories have relevant effects on the landscapes and on the ecosystem services provided by
agricultural areas. Understanding these ongoing processes can facilitate the understanding of adaptive
systems that maintain in the future agricultural and ecosystem functions of interest.

A first work focused on the characterization of farming systems at the farm level, in order to identify
trajectories that are not only changes in land use, but also take into account the structure of the farm
and its management. For this objective, the agricultural census data at farm level have been analyzed.
The applied method consisted on four phases: 1) definition of a farming system typology; 2) analysis of
spatio-temporal dynamics of farming systems (farming system trajectories); 3) identification of the
factors driving the past dynamics and 4) statistical regression analysis of the relation between the
drivers and the spatial distribution of the farming system changes, in order to explain the past changes
and develop a forecast for possible future changes. The case study for the phase is the Vaucluse
department, because the relevant amount of data available in this area. Moreover, the department is
characterized by a high level of farming system variability. The developing method will be applied
mainly at the farm scale, representing the farming system trajectories, and also at the municipality
level, giving the change rate on the existing farming.

A second part of the work was focused on the characterization of the parcel evolution (land tenure,
structure, land cover). The structural evolution of the parcel system (fusion, division, extension)
between 2007 and 2014 was realized for 8 classes through the geographic analysis of the parcel
geometry ad land tenure units: these evolutions are frequently precursors of urbanization or
equipment installations. A similar work was carried out on the land tenure characterization depending
on the type and number of owners, the right type and mutations (number of sales and prices). Finally,
developments on the urban areas were assessed (built / non-built, number of rooms, height and built-
in floor, type of residential-commercial-industrial local). The intersection of these three types of
evolution has enabled a very detailed and comprehensive inventory over 4 million parcels changes,
constituting a unique database in France to characterize all paths of changes leading to different local
# RESULTATS OBTENUS

## A) CARACTERISATION DES INDICATEURS SUR LA PRODUCTION VEGETALE ET LES RESSOURCES HYDRIQUES

### Devenir de la production agricole et les ressources hydriques sur la plaine de la CRAU

Le simulateur composé de modèles de surface (Regional STICS) et du modèle de nappe (MODFLOW) a été évalué sur des données recueillies sur plusieurs exploitation (pour la production agricole et l'irrigation des prairies à l'échelle de l'exploitation), les relevés de débit à l'entrée et l'exécutoire des canaux (pour évaluer l'eau prélevée par l'irrigation à l'échelle du périmètre irrigué) et la piézométrie pour l'évaluation du bilan de la recharge et des prélèvements dans la nappe. Les résultats montrent que les ordres de grandeur sont respectés et que le simulateur représente bien la variabilité interannuelle (Figure 2). On voit bien notamment la baisse du niveau piézométrique au cours des années 2004-2007 correspondant à une succession d'années sèches et le retour à une situation normale par la suite avec des années plus pluvieuses. Le cycle annuel observé sur le puits P42 est lié à l'irrigation gravitaire et illustre bien le poids de celle-ci dans le mécanisme de recharge.

Des simulations sur l'impact des changements climatiques ont été réalisées sur une période 2030-2050 avec les scénarios A1B et le RCP8.5. Ces scénarios ont été couplés avec des changements d'usage des sols correspondant à différents scenarios de développement conduisant à une réduction de 6 à 11 % des prairies irriguées et avec une baisse de 30% de la dotation en eau venant du système Durancien. Cette baisse est jugée réaliste si on considère différentes évolutions possibles, telles que la diminution des précipitations sur les massifs alpins, l'augmentation du débit réservé ou encore des arbitrages d'allocation en eau moins favorables à l'agriculture.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 : comparaison du niveau piezométrique mesuré et simulé</figcaption></figure>

Si on considère le changement climatique seul, le changement le plus significatif concerne l'évapotranspiration en particulier sur les prairies (7%), les zones humides, les vergers et les forêts en supposant qu'il n'y a pas de limitation d'eau du fait de la proximité de la nappe et la possibilité d'irriguer sans contraintes. Pour les cultures annuelles l'évapotranspiration n'augmente que très légèrement du fait de la réduction du cycle de culture. Dans le cas des prairies, l'augmentation de la demande climatique engendre une augmentation des besoins en irrigation qui n'a pas d'impact sur la recharge de la nappe. En ce qui concerne les précipitations sur la zone, le cumul annuel reste stable de même que la variabilité inter-annuelle. Sur le plan de la production végétale, la production d'herbe est
forms of building production. This data can be the base for a statistical modeling of parcel state, largely based on the work within the project Urbansimul<fnref n="6" />, which enlarges the binomial approaches to multinomial ones, allowing to consider multiple possible evolution of a single parcel.

# OVERVIEW OF THE RESULTS

## A) INDICATORS CHARACTERIZATION ON VEGETATION PRODUCTION AND WATER RESOURCES

### Agricultural production and water resources on the plain of CRAU

The simulator consisting of the surface model (Regional STICS) and the aquifer model (MODFLOW) was evaluated on data collected at several farms (for agricultural production and irrigation of grasslands at the farm level), water flow records at the channel inlet and outlet (to assess water taken from irrigation throughout the irrigated area) and piezometry for balance of water recharge and withdrawals at the aquifer level. The results show that the orders of magnitude are respected and that the simulator represent the interannual variability (Figure 2). In particular, one can see the drop in groundwater level in the years 2004-2007 corresponding to a succession of dry years and a return to normality thereafter with more rainy years. The annual cycle observed in the wells P42 is related to gravity irrigation and illustrates the weight of it in the recharge process.

Simulations on the impact of climate change were performed on a 2030-2050 period with the A1B and RCP8.5 scenarios. These were coupled with changes in land use for different development scenarios leading to a reduction of 6 to 11% of irrigated grass and with a 30% drop of water allocation from the Durancian system. This decline is realistic considering various possible evolutions such as reduced rainfall on Alpine mountains, increasing the minimum flow or water allocation less favorable to agriculture.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 2: comparison of measured and simulated piezometric levels in two wells of the Crau Plain.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<footnote n="6">⁶ URBANSIMUL is a tool for analyze and simulate land use cover and its tenure at parcel scale for the whole PACA Region. Around this project, many research initiatives are organized in the INRA PACA center for the land use modeling (Vigie-med ACCAF, Lumecos, PRECOS). This tool handles all geographic and land information currently available and the vast majority of existing physical and legal constraints, in a series of statistical and geographic rules, and it makes them available for public actors in charge for local management through a secure web server. The data used for URBANSIMUL are continuously validated through a module allowing to the users (public land policy managers and urban planners) to correct and insert new data. Urbansimul provide to public actors for urban planning an automatic identification of parcels fully or partially available for urbanization.</footnote>
plutôt impactée positivement avec une augmentation de 10% de la production principalement liée à l'augmentation de la température et l'allongement du cycle végétatif.

La réduction de la dotation en eau pour l'agriculture de 30% se répercute sur la recharge avec un impact très fort sur la nappe puisqu'on pourrait observer un rabattement de plusieurs mètres dans les zones de prairie irriguée. La redistribution de l'eau libérée par les pertes de surfaces cultivées sur les parcelles restantes n'enraye que de manière très partielle le processus.

## Effet du changement climatique sur la croissance des forêts du Mont Ventoux

Nous avons simulé la croissance des principales essences d'intérêt de 1960 à 2100 (Scénario A1B) en prenant des bandes altitudinales de 200m. Ces simulations ont été faites pour 3 réserves utiles et 3 niveaux de fermeture du couvert à partir du premier quartile, de la moyenne et du troisième quartile des valeurs mesurées. Suivant le scénario A1B, les températures augmentent de 3.7°C entre la période actuelle et après 2080, induisant une augmentation de 25% du stress hydrique. Nos simulations indiquent que la photosynthèse du Hêtre augmenterait de 21% et celle du Sapin de 25%, mais les respirations augmenteraient respectivement de 110 et 75%. Nous projetons une forte baisse de croissance de 35% pour le Hêtre et de 43% pour le Sapin. Mais avant 2080, des seuils létaux (réserves négatives) sont franchis (Figure 3). Le Sapin disparaitait totalement d'ici 2030 et le Hêtre d'ici 2050. Le dépérissement sera plus rapide à basse altitude pour le Sapin, alors que nous n'avons pas trouvé d'effets significatifs de l'altitude pour le Hêtre. Néanmoins, nous n'avons pas ici pris en compte les potentialités d'acclimatation et nous avons travaillé que sur une seule cohorte.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3: Projection du niveau de réserves du Hêtre (trait pointillé) et du Sapin (trait continu) avec le scénario A1B sur les gammes d'altitudes où les essences sont présentes (1100-1500 pour le Sapin et 900-1700 pour le Hêtre)</figcaption></figure>
Considering climate change alone, the most significant change concerns the evapotranspiration especially on grassland (7%), wetlands, orchards and forests assuming there is no limitation of water. For annual crops, evapotranspiration only increases slightly due to the reduction in the crop cycle. In the case of grasslands, increased global demand will result in increased irrigation needs, which has no impact on groundwater recharge. With regard to the precipitation area, cumulative rainfalls remain stable as well as the inter-annual variability. In terms of crop production, grass production was rather positively impacted with a 10% increase in production mainly due to the increase in temperature and the lengthening of the growing season.

The reduction in water allocation for agriculture by 30% strongly affects the aquifer water recharge. A drop of the piezometric level is then foreseen under irrigated grassland areas. The redistribution of water released by the loss of cultivated land plots on the remaining will very partially mitigate the process.

## Climate change effect on Mont-Ventoux forest growth

Growth of the main tree species of interest was simulated from 1960 to 2100 (scenario A1B) by 200 meters altitudinal strips. Simulations were carried out on 3 available water capacities and 3 levels of vegetation cover closure from first quartile, mean and last quartile of measured values. Following scenario A1B, temperatures are expected to increase 3,7°C by 2080, leading to a 25% water stress. Our simulations showed that Beech and Fir photosynthesis would increase 21% and 25% respectively, when respirations would increase 110% and 75% respectively. We expect a strong growth decrease, estimated to 35% for the Beech and 43% for the Fir. But before 2080, lethal thresholds (negative available water capacities) are expected to be crossed (Figure 3). Fir should totally disappear from Mont-Ventoux by 2030 and Beech by 2050. Fir decline will be quickest at low elevation, whereas we didn't find any elevation effect regarding Beech. Nevertheless, acclimatization potentialities were not taken into account in this study, which is focused on a single cohort.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 3: Projection of Beech (dashed line) and Fir (solid line) available water capacities with scenario A1B on the elevation ranges where species are present (1100-1500 m for the Fir and 900-1700 m for the Beech)</figcaption></figure>
Incendie de forets

La classification réalisée sur l'image du Vaucluse d'août 2010 aboutit à distinguer 34 types de végétation (Figure 4). La puissance locale du feu caractérise une composante de l'aléa de feu de forêt, à savoir l'intensité : très faible (0 – 350 kw/m) ; faible (350 – 1500 kw/m) ; moyen (1500 – 3500 kw/m) ; fort (3500 – 7000 kw/m) et très fort (>7000 kw/m). Au-delà de 7000 kW/m, on considère qu'un feu n'est plus maîtrisable même avec des moyens aériens, sauf dans sa phase initiale de démarrage. Les formations forestières de la zone d'étude présentent une intensité de feux de forêt classée fort à très fort, sauf pour les milieux naturels situés en altitude, essentiellement localisés dans le Vaucluse. Avec le changement climatique, on anticipe une remontée en altitude des espèces plus thermophiles qui pourrait conduire, à dire d'experts, à un aléa plus fort aux altitudes moyennes ou élevées. Pour des espèces déjà présentes en moyenne montagne, on s'attend aussi à un aléa plus fort : ainsi en Catalogne espagnole,

l'étage du chêne pubescent a déjà été touché par des méga-feux (Solsona, 24 000 ha en 1998). Les dépérissements annoncés dans l'étage du Hêtre et du Sapin pour la fin du siècle préfigurent de profonds changements de la combustibilité de ces formations forestières. Les outils développés à l'URFM (modélisation de la dynamique des peuplements, des bilans hydriques et du feu) permettront à moyen terme de réaliser les simulations nécessaires dans une large gamme de scenarios climatiques et de formations végétales. Les verrous à lever sont pour cela de mieux comprendre et prédire la réponse des plantes (arbres, mais aussi arbustes et strate herbacée) à la sécheresse et ses conséquences en termes de biomasse, de teneur en eau et de structure du combustible. Cette carte ne prend pas en compte une autre composante de l'aléa, l'occurrence du feu (probabilité de passage en un point de la carte), liée à la fréquence des départs de feu et leur surface. La fréquence des feux est beaucoup plus élevée dans les Bouches du Rhône que dans le Vaucluse. En première approche, cela est lié aux différences de densités de population et des réseaux de transport, qui doivent être prises en compte pour une évaluation complète de l'aléa Des approches statistiques permettent de modéliser la fréquence des feux en fonction de ces facteurs liés à l'activité humaine et de réaliser des projections sous des scénarios d'utilisation du territoire.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4 Carte d'aléas feux de forêt du Vaucluse et des Bouches-du-Rhône</figcaption></figure>

B) REPRESENTATION DES FORCAGES INDUITS PAR LES CHANGEMENTS GLOBAUX
Forest fires

Vegetation classification carried out on Vaucluse
satellite picture dated from August 2010, resulted in
34 different vegetation types. Local fire line intensity
is a component of fire hazard : very low (0 –
350 kw/m) ; low (350 – 1500 kw/m) ; medium (1500 –
3500 kw/m) ; high (3500 – 7000 kw/m) and very high
(>7000 kw/m). Above 7000 kW/m, it is admitted that
a fire cannot be controlled any more, even with aerial
means, except in the initial phase. Forest
communities of the study area showed fire intensities
ranging from high to very high, except on high
elevation areas mostly localised in Vaucluse. An
elevation lift up of thermophilous species is expected
under climate change which could lead to a fire
hazard increase at medium or high elevation. A
higher hazard is also expected for species already
present at medium elevation: Quercus pubescent level
of Spanish Catalonia has already been affected by
mega-fires (Solsona, 24 000 ha in 1998). Declines
expected at the Beech and Fir levels by the end of the
century prefigure deep combustibility changes in
these forest communities. Tools implemented by URFM (stand dynamics, water balance and fire
models) will make possible in a near future the necessary predictions on a wide range of both climatic
scenarios and vegetation communities. For this purpose, there is a need to better understand and
predict plant response to drought (tree, but also shrubs and grasses) and its consequences on plant
biomass, water content and structure. The map produced by the project doesn't take into account
another fire hazard component, fire occurrence (the probability of fire spread on a given point of the
map), resulting from fire ignitions frequency and surface. Fire frequency is much higher in Bouches-
du-Rhône than in Vaucluse. This is mainly due to population density and transportation network
differences. These factors should be integrated for a complete fire hazard assessment. Fire frequencies
can be modelled by statistical approaches as a function of factors related to human activities,
producing projections under different land use scenarios.

Figure 4 Fire hazard map for Vaucluse
and Bouches-du-Rhône

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 4 Fire hazard map for Vaucluse
and Bouches-du-Rhône</figcaption></figure>

B) REPRESENTATION OF GLOBAL CHANGE DRIVERS

Development of the Stochastic Weather Generator

In Bourotte et al. (2015, submitted to Spatial Statistics), a new valid, non-separable, flexible class of
multivariate spatio-temporal covariance functions has been defined. This mathematical result opens a
new modeling avenue for the analysis of all kinds of multivariate spatio-temporal data. A new
estimation method, based on pairwise composite likelihood has been tested with success. Compared to
Développement du simulateur stochastique de climat

Dans Bourotte et al. (2015, soumis à Spatial Statistics) nous avons construit une nouvelle classe, valide, non séparable et flexible, de fonctions de covariance spatio-temporelles et multivariées. Ce résultat de nature mathématique est nouveau et à la pointe de la recherche actuelle dans le domaine des méthodes statistiques multivariées. Une méthode d'estimation, basée sur la vraisemblance composite par paire, a été testée avec succès. Sur deux jeux de données différents, on a pu montrer que ce nouveau modèle améliorait tous les critères de performance en termes de prédiction et de simulation. Un code prototype a été développé et testé sur la zone d'étude du projet VIGIE-MED.

Le travail réalisé dans le projet a permis aux unités impliquées (BioSP, UMR MIA/AgroParisTech) de participer pleinement à la communauté des chercheurs qui, en France et à l'étranger, travaillent sur le développement et l'utilisation des générateurs stochastiques de données météorologiques. Le soutien d'ACCAF dans ce projet a donc été un élément déterminant de ce programme de recherche sur les générateurs stochastiques.

Modélisation des changements d'usage et de la dynamique des systèmes de production agricole

Pour ce qui concerne les changements intra-agricoles, dans la zone d'étude trois trajectoires principales ont été identifiées :

* spécialisation de la production pour évoluer vers des systèmes plus rentable, parfois labélisées (par exemple de vigne pour la production de vin de table vers des vignes pour production AOP ou IGP) et moins diversifiés

* intensification sur certains systèmes agricoles, avec une utilisation de plus en plus fort d'intrants et d'irrigation

* l'extensification de l'agriculture. Cette trajectoire assez spécifique de l'agriculture en zone à forte demande touristique, conduit à privilégier d'autres services (tourisme rural, paysage).

L'identification spatiale de ces dynamiques (Fig 5) peut être un système d'appui à la programmation territoriale car on peut mettre en relation les dynamiques observées avec les potentialités agro-pedoclimatique de la zone et aussi avec une série de facteur socio-économiques. De plus, la proposition de possibles stratégies d'adaptation passe forcément par l'identification des dynamiques et de leurs déterminants, sur lesquels on peut agir.
previous models, prediction and simulation performances have been improved on two different
datasets. A prototype code has been written and tested on the VIGIE-MED study area.

Thanks to the VIGIE-MED project, the teams involved in this work have been put at the forefront of
the community of researchers working on stochastic weather generators. The support of ACCAF has
been a key element for pursuing a research program on this topic.

Land use change and agricultural system change modeling

Concerning the intra-agricultural changes, in the study area we identified three main trajectories:

* Specialization of the existing production, evolving through more rentable systems, sometimes using production labels (e.g. from vineyards for low-quality wine production to vineyards for AOP wine production) and less diversified.

* Intensification of some farming system types, with a stronger use of inputs and irrigation

* Extensification of agricultural production. This trajectory is quite specific for an area where there is a strong touristic demand, so the agricultural systems tend to go through other functions then production (rural tourism, landscape valorization).

The spatial identification of these trajectories (Fig. 5) can be considered as a land management tool,
because it is possible to link the observed dynamics with the agro-pedological potentiality of the area
and also with a series of socio-economic factors. Moreover, the proposal of possible adaptation
strategies necessarily involves the identification of dynamic in action and their determinants on which
we can act.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 5: maps of agricultural production systems at municipality level in the Vaucluse department for 2000 (left) and 2010 (right). Areas with strong changes are identified by the yellow circles.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 : cartographie des systèmes de production agricole sur le département du Vaucluse en 2000 (figure de gauche) et 2010 (Figure de droite). Les zones à fort changement sont identifiés par les cercles jaunes.</figcaption></figure>

Les outils et méthodes développés dans le cadre de la modélisation des occupations du sol s'appuient en grande partie sur les travaux menés au sein du projet Urbansimul. Les estimateurs statistiques, que nous pensions utiliser, s'appuyaient sur une extension de la méthode GMM linéarisée pour les modèles logit avec autocorrélation spatiale, qui avaient été étudiées dans leur version binomiale. Les extensions au cas multinomial et multinomial panel se sont révélées infructueuses (Diallo and Geniaux, 2012), avec une présence de biais dans l'estimation des paramètres de dépendance spatiale associés aux différents choix d'usage des sols. A l'issu du présent projet, en collaboration avec un post-doctorant INRA financé dans le cadre d'un autre projet à partir de fin 2014, nous avons finalement réussi à concevoir et valider un estimateur par maximum de vraisemblance approximé (méthode Mendel-Elston) adapté aux modèles binomiaux avec dépendance spatiale, estimable sur grands échantillons (Martinetti and Geniaux 2015, in prep), et dont l'extension au cas multinomial ne semble plus poser de difficulté majeure.

Les travaux empiriques portant sur l'identification des facteurs jouant sur les changements d'occupation du sol se sont essentiellement appuyés sur des modèles de probabilité de changement binomiaux visant à expliquer l'urbanisation des parcelles (non-bâtie/bâtie, non-constructible/constructible) (Diallo and Geniaux 2015). Un travail d'évaluation des effets de l'offre foncière (évolution des zonages des documents d'urbanisme) sur les prix a été menés Geniaux and al. 2015): Ce type de méthodes d'évaluation causale appliquées à des données spatiales ont par ailleurs vocation à être réutilisées pour calibrer les modèles de simulation de scénario dans les recherches à
The tools and methods developed in the modeling framework of soil occupations rely heavily on the works within the Urbansimul project. The statistical estimators we thought to use were based on an extension of the linearized GMM for logit models with spatial autocorrelation, which were studied for the binomial case. The extension to the multinomial case and the multinomial panel case were unsuccessful, with a presence of bias in the estimation of spatial dependence parameters associated with different choices in land use. At the end of this project, in collaboration with an INRA postdoctoral funded under another project from late 2014, we were finally able to design and validate a approximated maximum likelihood estimator (Mendel-Elston method) suitable for probit binomial with spatial dependence, estimable on large samples (submitted article), whose extension to the multinomial case does not seem to pose any major difficulties. An R package has been developed to make available to the scientific community this new type of estimator (the ProbitSpatial package will be posted on CRAN website at the beginning of 2016).

Empirical work on the identification of factors affecting the soil occupation changes have mainly relied on binomial probability models of change to explain urbanization plots (not built / constructed, non-building / Building) (see Diallo-Geniaux 2015 submitted). A work of evaluating the effects of land supply (changing zoning of urban planning documents) on prices was conducted (Geniaux et al. 2015): the causal assessment methods applied to spatial data were also intended to be reused to calibrate the scenario simulation models in future research on this topic.

Finally, the LUC model developed in Urbansimul, which relies Vigie-Med, has been redesigned to articulate a model of LUC probability at parcel scale (Diallo and Geniaux 2015) and a small area population forecast model (municipal scale) (Lopez-Kolkosky and Geniaux 2015) to estimate the volume of new housing and their spatial distribution.

To be able to produce land management scenarios and their impact on territorial indicators, we need to consolidate the tools developed in particular by finalizing the model of change based on a multinomial choice. To do so, the estimator of the maximum likelihood approach opens interesting prospects.

# IMPACT OF RESEARCH: PRACTICAL IMPLICATIONS, RECOMMENDATIONS, PRACTICAL OUTPUTS, EXPLOITATION AND DISSEMINATION

## *Practical implications:*

Developments made in the RECORD modelling platform have a generic scope, which increases the functionality of the platform (interface with Matlab, implementation of multi-simulation coupling STICS with a decision model and integration into a workflow for multi-simulation) and its relevance to address climate change.

The mathematical research established in Bourotte et al. (2015) is general. It opens a new modeling avenue for all kinds of multivariate spatio-temporal data.
venir sur ce sujet car elles permettent une évaluation plus robuste des effets de certaines variables,
notamment celles relatives à des actions publiques s'appliquant à la gestion des territoires.

Enfin, le modèle de simulation de l'évolution de l'OS intégré dans Urbansimul, sur lequel s'appuie
Vigie-Med, a évolué en articulant le modèle de probabilité de changement d'OS à l'échelle parcellaire
et un modèle de projection démographique à l'échelle communale, développé dans projet, pour
estimer le volume de nouveaux logements et leur répartition spatiale (Geniaux and Lopez-Koldosky
2015) Un package R, a été développé pour mettre à disposition de la communauté scientifique ce
nouveau type d'estimateur.

Pour être en capacité de produire des scénarios de gestion des territoires et leur incidence sur les
indicateurs territoriaux, nous avons besoins de consolider les outils développés notamment en
finalisant le modèle de changement basé sur un choix multinomial. Pour cela, l'estimateur du
maximum de vraisemblance approché ouvre des perspectives intéressantes.

IMPACT DE LA RECHERCHE: IMPLICATIONS PRATIQUES, RECOMMANDATIONS,
REALISATIONS PRATIQUES, VALORISATION

- Implications pratiques :

Les développements faits sur RECORD ont une portée générique qui augmente les fonctionnalités de
la plateforme (interfaçage avec Matlab, mise en œuvre de la multi-simulation, couplage de STICS avec
un modèle de décision et intégration dans un workflow pour la multi-simulation) et sa pertinence pour
traiter des changements climatiques.

Le résultat mathématique établi dans Bourotte et al. (2015) est un résultat générique important pour la
modélisation des données multivariées spatio-temporelles. Il ouvre de nouvelles voies de modélisation
dans tous les domaines d'application des statistiques pour les données spatio-temporelles.

- **Recommandations et limites éventuelles :**

Les résultats obtenus sur le Ventoux et la plaine de la Crau conduisent à des résultats très clairs sur le
devenir de certaines essences forestières (Hêtre, sapin) ou l'impact sur des changements climatiques
sur l'aquifère de la Crau à moyen terme (2030-2050). A cette échéance, le devenir de la nappe est plus
conditionné par l'arbitrage de la dotation d'eau de la Durance que l'impact du changement climatique.

- Réalisations pratiques et valorisation :

La suite logicielle Régional STICS-MODFLOW est maintenant implémentée au niveau du SYMCRAU,
syndicat de gestion de la nappe pour ses études prospectives. Une personne a été recrutée pour cela. Le
SICAS, gestionnaire du Canal des Alpines a pris contact avec nous pour savoir si une opération
identique à la Crau pourrait être menée sur leur territoire. Enfin la suite a été mobilisée par les
étudiants de l'Université d'Avignon pour une étude sur l'aquifère d'Avignon

Concernant le générateur stochastique multivarié et multisite, un code prototype, apportant la preuve
du concept, a été écrit. A l'issue de cette thèse et du projet VIGIE-MED, il restera du travail à effectuer
pour rendre ce code diffusable. Des ressources complémentaires devront être trouvées pour mener ce
travail à bien.
* **Recommendations and possible limits:**

The results of the Ventoux and the plain of the Crau lead to very clear results about the future of certain tree species (beech, fir) or the impact of climate change on the Crau aquifer at medium term (2030 -2050). At that term, the future of the aquifer is more conditioned by the arbitration of the water allocation of the Durance than the impact of climate change.

* **Practical outputs, exploitation and dissemination:**

The Regional STICS-MODFLOW software suite is now implemented at the SYMCRAU, the Crau aquifer management syndicate, for its prospective studies. One person has been hired for this. The SICAS, Canal des Alpines manager contacted us to see if a similar operation as that at the Crau could be carried out on their area. Finally, the modelling suite was mobilized by the students of the University of Avignon for a study on the aquifer Avignon.

Regarding the stochastic weather generator, a prototype code has been written, thereby providing a proof of concept. After the PhD thesis funded by the project VIGIE-MED, additional work will be required to transform this code into a publicly available code. Further funding will be need.

The Innovation in Agricultural event was dedicated to the adaptation of Mediterranean forests to climate change. The event was organized in Avignon in November 2015. It brought together 100 participants and led to the publication of Volume 47 of the journal Agricultural Innovations.

The results obtained in VIGIE-MED contributed strongly to the synthesis on climate change in the PACA region (coordinated by the GREC - PACA group) on water issues, agriculture and forest.

The project has contributed to improve the Urbansimul software that was selected by the PACA region as territorial dynamics analysis tools. An important IT development work will be carried out to make the software operational.

## PERSPECTIVES

The VIGIE-MED project was structuring at Avignon (less with more distant partners) to harmonize, within the "Adaptation to Global Changes" pole of the INRA-PACA centre, studies on various ecosystems related to territorial dynamics. There is a real willing to maintain this level of structuring to coordinate developments on the shared study area and on the geomatics Geopen4S platform.

Results obtained during the PhD funded by VIGIE-MED will be the basis for further developments. A PhD thesis has started on the definition of new stochastic models based on stochastic version of some PDEs modeling the atmosphere. Research will be undertaken for adding a multi-site module in WACSgen. The project DESIRES will provide funding for the development of publicly available codes based on the prototype obtained within the VIGIE-MED project.

Concerning the spatial dynamic analysis of landscapes, we have been involved in the VITAL project, which has been accepted as part of the FACCE-JPI call for projects. A project, A-WISEMED submitted to the ERANET med has unfortunately not been selected.
Le Carrefour de l'Innovation Agronomique sur adaptation des forêts méditerranéennes aux changements climatiques été organisé en Avignon en Novembre 2015. Il a rassemblé 100 participants et conduit à la publication du Volume 47 de la revue Innovations Agronomiques

Les résultats obtenus dans VIGIE-MED ont fortement contribué à la note de synthèse sur les changements climatiques en région (coordonné par le collectif du GREC - PACA) sur les aspects eau, agriculture et Forêt.

Le projet a contribué à améliorer le logiciel Urbansimul qui a été retenu par la région PACA comme outils d'analyse des dynamiques territoriales. Un important travail de développement informatique sera réalisé pour en faire un logiciel opérationnel

PERSPECTIVES

Le projet VIGIE-MED a été structurant au niveau d'Avignon (moins avec les partenaires plus éloignés) pour harmoniser au sein du pôle Adaptation aux Changements Globaux du centre PACA les travaux sur les différents écosystèmes en lien avec les dynamiques territoriales. Il y a une réelle volonté de maintenir ce niveau de structuration pour coordonner les développements sur le territoire d'étude partagé et le plateau géomatique Geopen4S.

Le travail initié sur les générateurs climatiques va se poursuivre. Dans le cadre d'une thèse, un développement porte sur la construction de modèles statistiques spatio-temporels inspirés par une version stochastiques d'EDP gouvernant l'évolution de l'atmosphère. Une autre action concerne le downscalling multi-site dans le cadre du générateur WACSgen. Enfin, le projet DESIRES nous donnera les moyens de poursuivre les développements informatiques issus de la thèse financée dans le cadre de VIGIE-MED.

Sur la composante dynamique des territoires, nous avons été associés au projet VITAL qui vient d'être accepté dans le cadre de l'AAP FACCE-Surplus. Un projet, A-WISEMED avait été déposé à l'ERANET med. Il n'a malheureusement pas été retenu.

Le projet VIGIE-MED a été l'incubateur du projet LiDARFORFUEL cofinancés par la région PACA et le département EFPA). Celui-ci devra permettre de développer une méthode opérationnelle de mesure non destructive de la structure du couvert végétal qui sera d'une grande utilité dans le contexte des changements globaux.

POUR EN SAVOIR PLUS (QUELQUES REFERENCES)

Bourotte M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) A Flexible Class of Non-separable Cross-Coavarince Functions for Multivariate Space-Time Data (submitted to Spatial Statistics). ArXiv 1510.07840.

Cakpo CB 2015. Etude du bilan hydrique en contexte forestier méditerranéen, approche par géophysique, traçage isotopique, modélisation écophysiologique. Mémoire de fin d'étude. Master Sciences et Technologies du Vivant et de l'Environnement ; mention (Forêt Agronomie et Gestion des Ecosystèmes), spécialité : « Fonctionnement et Gestion des Ecosystèmes ».
VigieMed project was an incubator of project LiDARFORFUEL co-founded by PACA Region and INRA. This project will develop an operational method for a non destructive measurement of vegetation structure which will be very useful in the global change context.

MORE INFORMATION

Bourotte M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) A Flexible Class of Non-separable Cross-Coavarince Functions for Multivariate Space-Time Data (submitted to Spatial Statistics). ArXiv 1510.07840.

Cakpo CB 2015. Etude du bilan hydrique en contexte forestier méditerranéen, approche par géophysique, traçage isotopique, modélisation écophysiologique. Mémoire de fin d'étude. Master Sciences et Technologies du Vivant et de l'Environnement ; mention (Forêt Agronomie et Gestion des Ecosystèmes), spécialité : « Fonctionnement et Gestion des Ecosystèmes ».

Diallo A. and G. Geniaux, (2015), Spatial logit for large samples with local spatial lag and regional spatial random effects using linearized gmm: an application to land use models, Submitted to Journal of Regional Science.

Géniaux, G., C. Napoleone, and B. Leroux, (2015) Les effets prix de l'offre foncière, Revue d'Economie Régionale et Urbaine.

GREC-PACA : Provence-Alpes-Côte d'Azur, une région face au changement climatique, note de synthèse coordonnée par J Guiot et B. Seguin, http://www.air-climat.org/wp-content/uploads/2015/05/GREC-PACA_EnjeuxCC_BD_10062015.pdf

Lopez-Kolkosky, J. and G. Geniaux, (2015) A spatial regression framework for small area population projection with census data, To be submitted.

Olioso, A., R. Lecerf, A. Chanzy, F. Ruget, F. Huard, A. Bailleux, P. Rosselo, P. Lecharpentier, F. Trolard, F. Charron, S. Ruy, M. Alkacem Alosman, A.-L. Cognard-Plancq, B. Seguin, D. Courault, B. Gallego-Elvira, and S. Guarrigues (2013), Bilan hydrique des agrosystèmes de Crau face aux changements globaux, in Ecologie er conservation d'une steppe méditerranéenne : La plaine de Crau, edited by L. Tatin, A. Wolff, J. Boutin, E. Colliot and T. Dutoit, pp. 266-288, editions Quae, Versailles
Diallo A. and G. Geniaux, (2015), Spatial logit for large samples with local spatial lag and regional
spatial random effects using linearized gmm: an application to land use models, Submitted to
Journal of Regional Science.

Géniaux, G., C. Napoleone, and B. Leroux, (2015) Les effets prix de l'offre foncière, Revue d'Economie Régionale et Urbaine.

GREC-PACA : Provence-Alpes-Côte d'Azur, une région face au changement climatique, note de synthèse coordonnée par J Guiot et B. Seguin, http://www.air-climat.org/wp-content/uploads/2015/05/GREC-PACA_EnjeuxCC_BD_10062015.pdf

Lopez-Kolkosky, J. and G. Geniaux, (2015) A spatial regression framework for small area population projection with census data, To be submitted.

Olioso, A., R. Lecerf, A. Chanzy, F. Ruget, F. Huard, A. Bailleux, P. Rosselo, P. Lecharpentier, F. Trolard, F. Charron, S. Ruy, M. Alkacem Alosman, A.-L. Cognard-Plancq, B. Seguin, D. Courault, B. Gallego-Elvira, and S. Guarrigues (2013), Bilan hydrique des agrosystèmes de Crau face aux changements globaux, in Ecologie er conservation d'une steppe méditerranéenne : La plaine de Crau, edited by L. Tatin, A. Wolff, J. Boutin, E. Colliot and T. Dutoit, pp. 266-288, editions Quae, Versailles
# EXECUTIVE SUMMARY

## TITLE OF THE PROJECT

### VIGIE-MED

Impact of Climate Change at Regional scale and adaptation through the spatial distribution of Water resource and crop systems.

## SHORT SUMMARY

Vigie-MED aims to evaluate adaptation strategies to climate change by the location of vegetation production systems and the allocation of water resources at regional land level. The project aims to develop tools to represent changes by developing a spatiotemporal climate simulator and land use change model parameterized by socio-economic contexts and strategy of adaptation to global change. Adaptation option assessment is based on indicators characterizing the capabilities of crop production, water resources and hazards such as forest fires

## EXTENDED SUMMARY

Some of the impacts of climate change on crop production systems involve large areas (aquifer, watershed, forest) and the regional level, seen as an administrative entity, is an important level to make decisions on the adaptation to climate change. In order to support local authorities and the agricultural and forestry sectors, we provide territorial sustainability indicators to assess the plant production capacity, water resources, the risk of fire or adaptability to future territorial challenges related to the needs and production conditions. In VIGIE-MED, adaptation is seen through spatial allocation of plant production systems that must take into account the distribution of land, water resources and agro-pedoclimatic potential, explicitly. To understand the impact of adaptation options, it is important to understand the resulting land use dynamics by taking into account other factors such as micro-economic processes or macroeconomic forcing.

The conceptual framework of the approach in Vigie-Med is to consider land planning options (water infrastructure, zoning, development of a sector) and to study the impact on land use while taking account the dynamics specific to the area and those induced by external forcing. The land use map thus obtained is then mobilized in biophysical and hydrological models to calculate indicators on plant production, tree survival, the risk fire or the status of groundwater resources. The models are parameterized by the climate, it is then possible to make projections with climate scenarios and assess the consequences in the future of land planning options. This ambitious project had to rely on a broader project (submitted to ANR), which unfortunately was not accepted. Therefore, the project has made progress on the implementation of certain parts of the proposed framework without being able to put the entire implementation process. Therefore, the more specific objectives were as follows:

* Calculation of different indicators at the regional level on crop production (agriculture and forestry), the fire risk and water resources.
# LISTE DES OPERATIONS DE VALORISATION / ACTIONS OF PROMOTION (ARTICLES DE VALORISATION, PARTICIPATIONS A DES COLLOQUES, COMMUNICATION, ...)

## PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES / SCIENTIFIC PUBLICATIONS

* **Publications scientifiques parues / Published**

Ailliot P., Allard, D., Monbet V. and Naveau, P. (2015) Stochastic weather generators: an overview of weather type models. *Journal de la Société Française de Statistiques*, 156(1), 101-103.

Géniaux, G., C. Napoleone, and B. Leroux, (2015) Les effets prix de l'offre foncière, *Revue d'Economie Régionale et Urbaine*, 273-320, DOI : 10.3917/reru.151.0273

Garrigues, S., A. Olioso, J.-C. Calvet, E. Martin, S. Lafont, S. Moulin, A. Chanzy, O. Marloie, S. Buis, V. Desfonds, N. Bertrand, and D. Renard (2015), Evaluation of land surface model simulation of evapotranspiration over 12-year crop succession : impact of soil hydraulic and vegetation properties, *Hydrology and Earth System Science*, 19, 3109-3131

Pimont F., Dupuy J.L., Rigolot E., Prat V., Piboule A. 2015. Estimating leaf bulk density distribution in a tree canopy using terrestrial LiDAR and a straightforward calibration procedure. *Remote Sensing*, 7: 7995-8018

* **Publications scientifiques à paraître / In press**

Carrière S., Chalikakis K., Danquigny C., Davi H., Mazzilli N., Ollivier C., Emblanch C. In press. Role of porous matrix rock in water flow regulation within karst unsaturated zone - an integrated hydro-geo-physical approach. *Hydrogeology Journal*.

Cailleret M., Bigler, Bugmann H., Camarero J., Cufar K., Davi H., Mészáros I., Minunno F., Peltoniemi M., Robert E., Suarez ML., Tognetti R., Vilalta JM. In press. Towards a common methodology for assessing logistic tree mortality models based on ring-width data. *Ecological Applications*.

* **Publications scientifiques soumises / Submitted**

Allard D. (2015) Editorial to the Special Issue “Stochastic Weather Generators”, Annales de l’ISUP, 59, (1-2)

Bourotte M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) A Flexible Class of Non-separable Cross-Coavarince Functions for Multivariate Space-Time Data (*submitted to Spatial Statistics*). ArXiv 1510.07840.

Bailleux, A., A. Olioso, F. Trolard, A. Chanzy, R. Lecerf, P. lecharpentier, O. Banton, and F. Ruget (2016), Changements globaux : quels impacts sur l'aquifère de la Crau ?, Géologues, soumis.
* Modelling land use and agricultural production systems changes based on micro-economic, social, political, geographical and agricultural potential and their development in a context of climate change.

* To better understand climate variability, we developed a simulation tool able to generate sets of meteorological variables, multi-site, with proper reproduction of extreme events.

This work relied on the Mediterranean context considered as hot spot of changes. The study area covers the Vaucluse and Bouches-du-Rhône district with a focus on sub-entities (Vaucluse, Ventoux, Crau plain) depending on the work objectives. An important task of the project was to supply the spatial information system hosted by the GeOpen4S platform of INRA-PACA center. The main results are given below.

**Towards a multivariate climate simulator taking into account the spatial dependencies.** We built a new class of space-time covariance and multivariate functions, valid, non-separable and flexible. This mathematical result is new and at the forefront of current research in the field of multivariate statistical methods. An estimation method, based on pairwise composite likelihood, has been successfully tested. This opens the possibility to produce spatio temporal series of climate data reproducing temporal variability and the occurrence of extreme events while respecting the spatial coherence.

**Modeling of land use for the representation of territorial dynamics.** The scientific challenge was to represent all changes affecting our studied areas namely urbanization, agricultural abandon and changes in crop production systems. The approach being statistical, parcel database in the Vaucluse has been greatly enriched by gathering information from various sources. This gives us a base to better monitor changes in parcel use and the factors that influence the land use changes. At the farm scale, we identified the main paths in the last decade showing a specialization on high-value crops, intensification of production systems or extensification where there are tourism issues. At the field scale, progress on statistical estimators binomial (simulating a choice between two options such as urbanization or maintaining agriculture) allow us to consider addressing multinomial choices necessary to represent crop production changes. The URBANSIMUL model simulating urbanization was improved adopted by the region and an important development is underway to make it operational for local authorities. The challenge now is to understand the weight of soil and climatic factors in the changes and to assess the relevance of simulations when an adaptation option has to be considered.

**The future of the Crau aquifer depends mainly on arbitration of water allocation for irrigation.**
The scientific and methodological issue was to parameterize the STICS crop model over a regional area, taking into account the spatial variability of the climate, soil and farming practices. A modeling suite was developed (Regional STICS/MODFLOW) and evaluated on historical data. Simulations show in 2050 an increase of the water needs of about 3-12% depending on the crop. However, the increase was partly balanced at the area scale by the decrease of irrigated surface. By contrast, a 30% decrease of water allocation have a major impact on the aquifer.

**Beech and fir threatened on the Ventoux.** The CASTANEA model was parameterized on the main tree species and a new mortality module has been added and validated in the case of fir. Simulations according to the A1B climate scenario, with an increase of 3.7 °C between the current period and after
Davi H., Cailleret (2016) M. Assessing drought-driven mortality with a process-based model. Soumis à Ecological applications.

Debolini M., Geniaux G., Guerif M., (in preparation). Assessment and prospective on modeling agricultural land use changes: a review of existing approaches and future challenges. To be submitted to Agricultural Systems

Diallo A. and G. Geniaux, (2015), Spatial logit for large samples with local spatial lag and regional spatial random effects using linearized GMM: an application to land use models, Submitted to Journal of Regional Science.

## OUVRAGES / PUBLICATIONS

* <u>Ouvrages parus / Published</u>

Allard D. (2015, Editor) Special Issue “Stochastic Weather Generators”, Annales de l’ISUP, 59, 148p.

Olioso, A., R. Lecerf, A. Chanzy, F. Ruget, F. Huard, A. Bailleux, P. Rosselo, P. Lecharpentier, F. Trolard, F. Charron, S. Ruy, M. Alkacem Alosman, A.-L. Cognard-Plancq, B. Seguin, D. Courault, B. Gallego-Elvira, and S. Guarrigues (2013), Bilan hydrique des agrosystèmes de Crau face aux changements globaux, in *Ecologie et conservation d'une steppe méditerranéenne : La plaine de Crau*, edited by L. Tatin, A. Wolff, J. Boutin, E. Colliot and T. Dutoit, pp. 266-288, éditions Quae, Versailles

## COLLOQUES / SEMINARS

* <u>Participations passées à des colloques / Attended conferences</u>

a. *En tant qu'intervenant / as contributor*

### Présentations orales / Oral presentations

Bourotte, M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) Estimation by pairwise likelihood for multivariate spatio-temporal Gaussian random fields. *Spatial Statistics Conference*, Avignon 9-12 juin 2015. (+ Résumé)

Bourotte, M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) Estimation by pairwise likelihood for multivariate spatio-temporal Gaussian random fields. *47eme Journées de Statistiques de la SFdS*, Lille 1-5 juin 2015. (+ Résumé long)

Bourotte M., Allard, D. and Porcu E. (2014) A New Parametric Class Of Cross-Covariance Functions For Multiivariate Spatio-Temporal Random Fields. *10th International Conference on Geostatistics for the Environment*, Paris, 8-11 juillet 2014 (+ Résumé)

Bourotte M., Allard, D. and Porcu E.: (2014) A stochastic weather generator based on new spatio-temporal cross-covariance functions. Workshop on Stochastic Weather Generators, Avignon, 17 - 19 Septembre 2014. Debolini M. And Guerif M., (2015). Farming system dynamics and their drivers in Mediterranean landscapes: a case study on the Vaucluse department based on agricultural census
2080, led to an increase of water stress (25%) and a sharp decline in growth (35% beech and 43% for Sapin). But before 2080, the lethal thresholds (negative reserves) are crossed. Fires would disappear completely by 2030 and the Beech by 2050.

**A strong fire hazard that could extend to higher altitude areas.** The local fire power characterizes a component of the forest fire hazard. The forest types of the study area present a forest fire intensity ranked high to very high, except for natural areas located at the higher elevations. With climate change, we anticipate a rise in altitude of more thermophilic species that could lead, according to experts, to a stronger hazard at medium and high altitudes. The scientific challenge is now to establish the link between the state of forest stands simulated by ecophysiological models and the forest fire hazards.

**KEYWORDS:**

Forest, cropping systems, water resource, fire, land use, modelling, ecosystem services, plant production model; climate simulator; indicators, economy; retrospective analysis; Mediterranean environment
data (PACA Region, France). *5th International Symposium for Farming Systems Design*, 7-10 September 2015, Montpellier, France

Davi H. 2014. Risques de mortalité et potentialités d'adaptation des forêts aux changements climatiques. Réseau méditerranéen d'écoles pratiques en environnement. Ecole de Printemps / Cycle de séminaires. Dynamique climatique et risques naturels. 23-25 Avril. Barcelonnette.

Davi H. 2015. Impact des changements climatiques sur les écosystèmes forestiers de la région méditerranéenne. Carrefour de l'Innovation Agronomique, Avignon, Novembre 2015

Debolini M., Guerif M., Geniaux G., (2014). Assessment and prospective on modelling agricultural system dynamics: existing methods and future challenges. *Land Transformations: Between Global Challenges and Local Realities*. Berlin 19th - 21st March 2014

Debolini M. And Guerif M., (2015). Farming system dynamics and their drivers in Mediterranean landscapes: a case study on the Vaucluse department based on agricultural census data (PACA Region, France). 5th International Symposium for Farming Systems Design, 7-10 September 2015, Montpellier, France

Diallo A. and G. Geniaux. 2012 Spatial multinomial logit model for large samples. *In VI World Conference of the Spatial Econometrics Association - Salvator de Bahia - Brazil.*

Diallo A. and G. Geniaux. 2012 Spatial panel multinomial logit models for large samples : An application to land use change models. *In International Spatial Econometrics Workshop*, Avignon, 2012.

Dupuy J.L., Boivin T., Duché Y., Martin-StPaul N., Pimont F., Rigolot E. 2015. Impact du changement climatique sur les risques en forêt : le cas de l'incendie et de ses interactions avec la sécheresse et les pullulations d'insectes. Carrefour de l'Innovation Agronomique, Avignon, Novembre 2015

Geniaux. G., 2012. The double spatial lag model. *In International Spatial Econometrics Workshop*, Avignon, 2012.

Geniaux. G. 2012In search of W for the spatial lag model. *In VI World Conference of the Spatial Econometrics Association - Salvator de Bahia - Brazil, 2012.*

Geniaux. G., 2012. In search of W for the spatial lag model. In International Spatial Econometrics Workshop, Avignon, 2012.

Geniaux., G., 2012. L'analyse économétrique des effets des politiques zonales. *In Séminaire du Gretha - programme A*, 2012.

Geniaux, G., 2012. Urbansimul - v1.1 un outil de diagnostic et de simulation sur l'occupation du sol. *In Journée d'étude "mesure de l'étalement urbain" - Maison de la Recherche en Sciences de l'Homme, Dunkerque, 2012.*

Geniaux., G., 2012. La problématique du foncier dans la recherche française : un panorama orienté économie/agriculture. *In Programme PSDR - Agri-R et D Rhône-Alpes 2020 Quelles questions pour la recherche?*, 2012.
# HIGHLIGHT(S) OF THE PROJECT

**TITLE**

A flexible and non separable class of multivariate and spatio temporal covariance functions

**CATEGORY**

1. A result

**SUMMARY**

A new valid, non-separable, flexible class of multivariate spatio-temporal covariance functions has been defined. A new estimation method, based on the composite likelihood pairs, has been tested successfully. Over a series of simulation and on two different sets of data, it was shown that this new model improves all performance criteria in terms of prediction and simulation.

**CONTEXT AND ISSUES AT STAKE**

For the analysis of spatio-temporal multivariate data, it is necessary to have random field models consistent with the observed data. It is easy to construct covariance functions such fields by addition or multiplication simpler covariance functions, but the models obtained in this way fail to account for the complexity of interactions between space, time and variables. Having covariance models both flexible and rich enough to capture the complex interactions is an important issue for statistical spatiotemporal data.

**RESULTS**

A new valid, non-separable, flexible class of multivariate spatio-temporal covariance functions has been defined. Ce résultat, de nature théorique, est nouveau et à la pointe de la recherche actuelle dans le domaine des méthodes statistiques multivariées. Il ouvre de nouvelles voies de modélisation dans tous les domaines d'application des statistiques pour les données spatio-temporelles.

This theoretical result is new and at the forefront of current research in the field of multivariate statistical methods. It opens new modeling pathways in all areas of application of spatial and temporal data statistics.

**VALORISATION**

Bourotte M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) A Flexible Class of Non-separable Cross-Covariance Functions for Multivariate Space-Time Data (submitted to Spatial Statistics). ArXiv 1510.07840.

**KEYWORDS**

Composite likelihood, Matern covariance; multivariate random fields; separability; spatiotemporal process; spatiotemporal geostatistic
Geniaux, G. and B. Leroux, 2013. Les déterminants de la rétention foncière. *In Assise nationale du Foncier, La rareté, une légende foncière*, Bordeaux 17-18 octobre, 2013.

Geniaux, G. and D. Martinetti, 2015. Spatial econometrics model under misspecification: The case of spatially-varying covariates and spatial weight misspecification. *In Spatial Statistics: Emerging Patterns Conference*, Avignon, 2015.

Geniaux, G. and D. Martinetti, 2015. Spatial econometrics model under misspecification: The case of spatially- varying covariates and spatial weight misspecification. *In 8th Jean Paelinck Seminar of Spatial Econometric*, 2015.

Geniaux, G., C. Napoleone, and B. Leroux, 2013. The effect of developable land supply on land price. *InJournées INRA-SFER Angers*, 2013.

Geniaux, G., C. Napoleone, and B. Leroux., 2014 Les effets prix de l'offre foncière. *In Séminaire PUCA, Maîtrise de la croissance urbaine et régulation du foncier : Outils et impacts*, 2014.

Geniaux, G., C. Napoléone, and R. Vimal. 2012, An ecological-economic framework to project future impacts of urbanization on biodiversity using parcel scale data and endogenous land use (plan) zoning. *In ISEE Conference 2012 - Rio de Janeiro - Brazil, 2012.*

Lecharpentier, P., 2014, Multisimlib/optimiSTICS : utilisation pour une application de multisimulations spatialisées avec Record dans le projet VIGIE-MED, *Journées Record*, 31-01-2014

Martinettin M. and G. Geniaux, 2015. Implementation of fast and accurate algorithms for the approximation of mvn probabilities for big sample data: The case of spatial probit. In Spatial Econometrics and Statistics Workshop, Paris, 2015.

Olioso, A., R. Lecerf, A. Bailleux, A. Chanzy, F. Ruget, O. Banton, P. Lecharpentier, F. Trolard, and A.-L. Cognard-Plancq (2013), Modelling of drainage and hay production over the Crau aquifer for analysing impact of global change on aquifer recharge, *Procedia Environmental Sciences, Four Decades of Progress in Monitoring and Modeling of Processes in the Soil-Plant-Atmosphere System: Applications and Challenges*, 19, 691-700.

Pimont F., Dupuy JL., Piboule A., Rigolot E. 2013. Étude préliminaire de l'utilisation du T-LiDAR pour l'évaluation du combustible en forêt. Atelier T-LiDAR pour la communauté francophone, utilisation du système LiDAR terrestre en écologie forestière. Université de Marseille, Luminy, 8 octobre 2013

Pimont F., Dupuy J-L., Piboule A., Prat V., Rigolot E. 2014. Étude préliminaire de l'utilisation du T-LiDAR pour l'évaluation du combustible en forêt. Atelier T-Lidar pour la communauté francophone "Utilisation du système LiDAR terrestre en écologie forestière", 18 et 19 novembre 2014, Nancy

Pimont F., Dupuy J-L., Rigolot E., Prat V., Piboule A. 2015. Estimating leaf bulk density distribution in a tree canopy using terrestrial LiDAR and a straightforward calibration procedure. 14th conference on Lidar Applications for Assessing and Managing Forest Ecosystems (Silvilaser 2015), La Grande Motte, France, 28-30 Sept. 2015, 4p.Debolini M., and Guerif M., (2014). Integrating heterogeneous data sources for building farming system typology and assessing farm system dynamics. A case
**TITLE**

Module development in the RECORD modelling platform

**CATEGORY**

A technical innovation

**SUMMARY**

To address the multi-simulation in a regional context and climate change, generic modules were developed. The innovations focused on 1) simulation frameworks to represent the simulation units of an area, 2) the coupling of the STICS model with a decision model to have a flexible and open capacity to represent evolution of cropping systems in crop model and 3) the implementation of WACS-GEN climate simulator.

**CONTEXT AND ISSUES AT STAKE**

Regional simulation needs to manage a large number of cases of simulation to represent the spatial variability and simulate long periods. An existing software, MultiSimLib, developed under MATLAB, worked on the STICS standalone version. It has been adapted to use a RECORD model. Meanwhile, the representation of the future needs to address uncertainties. The number of available climate projections is not always enough, it is then necessary to generate climate series stochastically in order to get statistical sample of appropriate size. Finally, climate change has impacts on cropping practices. It is therefore necessary to introduce new decision rules. In order not to change the crop models, a decision module was created and coupled to STICS in order to manage in a flexible and scalable manner, the cropping events in future simulations.

**RESULTS**

The developments have produced the following components:

- Development of a MATLAB / VLE library to manage simulations from the MATLAB environment,

- Visualization feature of simulation data, spatially explicit integrated the Graphical User interface of
RECORD

- Implementation of the WACS-Gen climate series generator with a component "estimate" to analyze a past series and estimate the statistical parameters of the generator and "simulation" component to generate the series,

- Coupled model STICS / Decision to represent by an external model cropping event used by the STICS model taking into account the state of the simulated environment,

- Adaptation of the chain multisimulation "MultisimLib".
study on the Vaucluse Department (PACA Region, France). *Advances in Spatial Typologies: how to move from concepts to practice? IALE-Europe Thematic Workshop* 2014, July 4-5, 2014, Lisbon

## Posters

Cailleret M., Bigler C., Bugmann H., Davi H., Minunno F., Peltoniemi M., Martínez-Vilalta J. 2015. Towards a common methodology to assess tree-ring based growth-mortality relationships. Poster at EGU session.

Debolini M., Lejeail P., Guerif M., (2014). Building typologies of farming systems to understand agricultural landscape dynamics at regional level. Land Transformations: Between Global Challenges and Local Realities. Berlin 19th - 21st March 2014

Martinetti, D. and G. Geniaux, 2015. Implementation of fast and accurate algorithms for the approximation of MVN probabilities for big sample data. In *Spatial Statistics: Emerging Patterns Conference*, 2015.

Martinetti and G. Geniaux, 2015. Implementation of fast and accurate algorithms for the approximation of mvn probabilities for big sample data: The case of spatial probit. *In 26th EC2 conference : Theory and Practice of Spatial Econometrics*, Edinburgh, 2015.

## THESESES / THESIS

* Thèses en cours / Ongoing PhDs

Bourotte M. Modèles et algorithmes pour un générateur de temps spatialisé (SWgen) prenant en compte les valeurs extrêmes. Co-direction, D. Allard (BioSP, INRA Avignon) et Liliane Bel (UMR MIA/AgroParisTech, Paris) Soutenance prévue en Février 2016.

## MODELES - LOGICIELS / MODELS - SOFTWARES

* Outils développés / Developped tools

Implémentation de WACS Gen dans RECORD

Implémentation de la multisimulation dans RECORD

* Outils en cours de développement / Tools under construction

## ACTIONS DE VULGARISATION - TRANSFERT / ARTICLES OF VULGARIZATION - TRANSFER

* Articles de valorisation parus / Published
**PERSPECTIVES**

Improve computing performance of the coupled STICS / decision. Implementation of the spatio-
temporal simulator.

**KEYWORDS**

RECORD, STICS, simulation, climate generator, decision model, climate change
Allard, D. (2014). Des modèles stochastiques pour simuler le temps. In: Martin Andler, Liliane Bel, Sylvie Benzoni, Thierry Goudon, Cyril Imbert, Antoine Rousseau, Brèves de Maths. Paris, France : Nouveau Monde Éditions.

Davi H. 2015. Impact des changements climatiques sur les écosystèmes forestiers de la région méditerranéenne. Innovations Agronomiques, 48.

Dupuy J.L., Boivin T., Duché Y., Martin-StPaul N., Pimont F., Rigolot E. 2015. Impact du changement climatique sur les risques en forêt : le cas de l'incendie et de ses interactions avec la sécheresse et les pullulations d'insectes. Innovations Agronomiques, 48.

Lefèvre F., Fady B., Jean F., Davi H., Pichot C., Oddou-Muratorio S. 2015. Les processus biologiques de réponse des arbres et forêts au changement climatique : adaptation et plasticité phénotypique. Innovations Agronomiques, 48.

GREC-PACA : Provence-Alpes-Côte d'Azur, une région face au changement climatique, note de synthèse coordonnée par J Guiot et B. Seguin, http://www.air-climat.org/wp-content/uploads/2015/05/GREC-PACA_EnjeuxCC_BD_10062015.pdf

* Activités de transfert (séminaires, sessions de formation, ...) / Transfer activities (workshops, training, ...)

Allard, D. (2015) Ecole Chercheur « Statistical and mathematical tools for the study of climate extremes », Cargèse, 9 – 13 Novembre 2015. Session de cours + TD basés sur le package WACS 1.0

G. Geniaux. Exploitation des données dvf 2007-2015. In Club régional des Opérateurs Fonciers, 2015.

G. Geniaux. Urbansimul 1 un outil de d'analyse et de prospective sur le foncier. In 8ème assises régionale du Foncier, CR PACA - 20 décembre, 2012.

G. Geniaux. Urbansimul v2 : Un outil au service de l'analyse de la disponibilité foncière et de la simulation prospective de l'urbanisation. In SCoT et Consommation de l'espace - DREAL PACA, 2012.

G. Geniaux and B. Leroux. Urbansimul : Un outil serveur d'analyse et de prospective sur le foncier en région paca. In Journée technique COTITA, CEREMA, 2015.

## AUTRES ACTIONS VERS LES MEDIAS / OTHER ACTIONS TOWARDS MEDIA

* Actions vers les médias (interviews...) effectuées / Concluded actions

Hendrik Davi, Nicolas Martin, Nicolas Mariotte, Arnaud Jouineau. 1er décembre 2015. Journal Télévisé de 13h00 France 2 : Dépérissement des Forêts. Durée 3'. http://www.francetvinfo.fr/replay-jt/france-2/13-heures/jt-de-13h-du-mardi-1-decembre-2015_1190229.html (à 12'53'')

André Chanzy, Invité du Journal télévisé de 13h00 de France 3 Côte d'azur le 10/12/2016. https://intranet6.paca.inra.fr/Vie-du-centre/Vents-du-Sud/Numeros-precedents/Vents-du-Sud/2015/20-Special-COP21/PRESSE-ET-MEDIAS/Jeudi-3-decembre-France-3-Cote-d-Azur-JT-12-13-sur-la-COP21-avec-Andre-Chanzy
**TITLE**

Urbansimul

**CATEGORY**

A remarkable Parteneship

**SUMMARY**

The work carried out as part of VIGIE-MED have maintained a research effort on land use modelling in recent years leading to support the Urbansimul project. This project aims to provide a diagnostic tool and scenario simulation on urbanization in the PACA region to all public actors in charge of urban planning and housing. This tool integrates and analyzes annually more than 40 million record lines from a centralized spatial data on land registers, property and public regulation (zoning planning / environment / risk) in the frame of an agreement between six public partners in the PACA (INRA, Region, DREAL, the Regional Geographic Information Centre, the Etablissement Public Foncier and CEREMA Sud-est which is co-developer).

**CONTEXT AND ISSUES AT STAKE**

Urbansimul provides public players in charge of planning issues (with at the end over than 1500 potential users) pre-processed spatial data, diagnostic reports and simulations for daily implementation of their policy. All documents are available free to users of Urbansimul, which in turn participate in the verification and update of the data; for their part, INRA researchers benefit from this crowdsourcing approach in their prospective modelling of land use.

**PERSPECTIVES AND VALORISATION**

This partnership has been strengthened in 2015 with the inclusion of this project in the new state-region plan contract and with a funding of over 600 000 over three years enabling INRA unit Ecodevelopment to recruit three contractual engineers for three years, renew servers and cover the costs of high availability maintenance.

**KEYWORDS**

Land deposit, urban planning, urban sprawl simulation
* Actions vers les médias en cours / Ongoing actions
**TITLE**

Workshop « Stochastic Weather Generators », Avignon September 17 – 19 2015

**CATEGORY**

Event

**SUMMARY**

This conference brings together the international community of researchers and users of stochastic weather generators. It follows a first conference, held from 29 May to 1 June 2011 in Roscoff, FRance.

**CONTEXT AND ISSUES AT STAKE**

One goal of the conference was to consolidate a dispersed international community. To do this, a significant portion of the budget was used to invite speakers from Anglo-saxon countries at the forefront in the field: the United States, New Zealand, Great Britain. Also in order to promote the creation of a community, the aim was to maintain relatively low registration fees.

**RESULTS**

The symposium brought together 50 peoples and there were 27 oral presentations. They can be downloaded from the conference website: http://informatique-mia.inra.fr/swg2014. A special issue of the Annals of the ISUP (Allard, 2015) published a selection of articles from this conference.

**PERSPECTIVES**

Following the editions of 2011 and 2014 in Roscoff in Avignon, a third symposium will be held in May 2016 in Vannes.

**EXPLOITATION AND DISSEMINATION**

Allard D. (2015, Editor) Special Issue “Stochastic Weather Generators”, Annales de l'ISUP, 59, 148p.

**KEYWORDS**

Workshop, weather generator
# RESUME

## TITRE DU PROJET

### VIGIE-MED

Impact des changements climatiques à l'échelle régionale et adaptation par la distribution spatiale des ressources hydriques et des systemes de production végétal

## RESUME COURT

Vigie-MED vise à évaluer des stratégies d'adaptation aux changements climatiques par la localisation des systèmes de production et l'allocation des ressources hydriques au niveau d'un territoire de dimension régionale. Des outils sont développés pour scénariser les changements (simulateur spatiotemporel de climat, modèle de changement d'usage des sols en fonction des contextes socio-économiques et des stratégies d'adaptation aux changements globaux). L'évaluation des options d'adaptation s'appuie sur des indicateurs pour caractériser les capacités de production végétale, les ressources hydriques et les risques tels que les incendies de forêt.

## RESUME LONG

Certains des impacts du changement climatique sur les systèmes de production végétale concernent des territoires de dimension importante (aquifère, bassin versant, massif forestier) et l'échelon régional, au sens administratif du terme, est un niveau important pour prendre des décisions sur l'adaptation aux changements climatiques. Pour venir en appui des autorités locales et des professions agricole et forestière, nous proposons des indicateurs de durabilité territoriale permettant d'apprécier les capacités de production végétale, les ressources hydriques, les risques d'incendie ou encore l'adaptabilité des territoires aux enjeux futurs relatifs aux besoins et conditions de production. Dans VIGIE-MED, l'adaptation est vue à travers l'allocation spatiale des systèmes de production végétale qui doit prendre en compte de manière explicite la répartition des sols, des ressources hydriques et des potentialités agro-pédoclimatiques. Afin d'appréhender l'impact des mesures d'adaptation, il est important de comprendre les dynamiques territoriales induites par celles-ci en tenant compte d'autres facteurs tels que processus micro-économiques ou les forçages macro-économiques.

Le schéma conceptuel de l'approche dans Vigie-Med est de considérer des options d'aménagement du territoire (infrastructure hydraulique, zonage, développement d'une filière) et d'en étudier les conséquences sur l'occupation des sols tout en prenant en compte les dynamiques propres au territoire et celles induites par des forçages externes. La carte d'occupation du sol ainsi obtenue est ensuite mobilisée dans des modèles biophysiques et hydrologiques pour calculer des indicateurs sur la production végétale, la survie des arbres, le risque incendie ou encore l'état des ressources en eau souterraines. Les modèles étant paramétrés par le climat, il est possible de faire des projections avec des scénarios climatiques et évaluer les conséquences dans le futur d'une option d'aménagement. Ce projet ambitieux devait s'appuyer sur un projet de plus grande ampleur (soumis à l'ANR) qui malheureusement n'a pas été retenu. De ce fait, le projet a permis de progresser sur la mise en place de
certaines briques du dispositif envisagé sans avoir pu mettre l'ensemble de la démarche en œuvre.
Ainsi les objectifs plus précis ont été les suivants :

* Calcul des différents indicateurs à l'échelle régionale sur la production végétale (agricole et forestière), le risque incendie et les ressources hydriques.

* Modélisation des changements d'usage des sols et des systèmes de production agricole en fonction des déterminants micro-économiques, sociaux, politiques, géographiques et les potentialités agricoles et leur évolution dans un cadre de changement climatique.

* Pour mieux appréhender la variabilité climatique, nous avons développé un outil de simulation capable de générer des séries de variables météorologiques multivariées et multi-sites, avec une reproduction adéquate des événements extrêmes.

Ce travail s'est appuyé sur le contexte méditerranéen considéré comme un hot spot de changement. La zone d'étude couvre les départements du Vaucluse et des Bouches-du-Rhône en se focalisant sur des sous-entités (Vaucluse, Ventoux, plaine de la Crau) selon les travaux. Une tâche importante du projet a été d'alimenter le système d'information spatiale hébergée par la plateforme GeOpen4S du centre INRA PACA. Les principaux résultats sont donnés ci-dessous.

**Vers un simulateur de climat multivarié et tenant compte des dépendances spatiales.** Nous avons construit une nouvelle classe, valide, non séparable et flexible, de fonctions de covariance spatio-temporelles et multivariées. Ce résultat de nature mathématique est nouveau et à la pointe de la recherche actuelle dans le domaine des méthodes statistiques multivariées. Une méthode d'estimation, basée sur la vraisemblance composite par paire, a été testée avec succès. Cela ouvre la possibilité de produire des séries spatio temporelles de données climatiques reproduisant la variabilité temporelle et l'occurrence des événements extrêmes tout en respectant la cohérence spatiale.

**Modélisation des usages des surfaces pour la représentation des dynamiques territoriales.** L'enjeu scientifique était de représenter l'ensemble des changements affectant nos territoires d'études à savoir l'urbanisation, la déprise agricole et l'évolution des systèmes de production. La démarche étant statistique, la base de données parcellaire sur le Vaucluse a été considérablement enrichie en rassemblant des informations d'origines diverses. Nous disposons ainsi d'une base pour mieux suivre les évolutions du parcellaire et les facteurs qui jouent sur les changements d'occupation des sols. A l'échelle de l'exploitation agricole, nous avons pu identifier les trajectoires principales lors de la dernière décennie avec une spécialisation sur les cultures à forte valeur ajoutée, une intensification des systèmes de production ou une extensification, lorsque qu'il y a des enjeux touristiques. A l'échelle parcellaire, des progrès sur les estimateurs statistiques binomiaux (simulant un choix entre deux options comme l'urbanisation ou le maintien de l'agriculture) nous permettent d'envisager d'aborder les choix multinomiaux nécessaires pour représenter les changements de système de production. Le modèle URBANSIMUL, simulant l'urbanisation a été adopté par la région et un important développement est cours pour en faire un outil opérationnel pour les collectivités territoriales. L'enjeu est maintenant d'appréhender le poids des facteurs pédoclimatiques dans les changements et d'évaluer la pertinence des simulations lorsque qu'une option d'adaptation est apportée dans le champ des contraintes.

**Le devenir de l'aquifère de la Crau dépendra principalement des arbitrages sur la dotation en eau pour l'irrigation.** L'enjeu scientifique et méthodologique était de paramétrer à l'échelle du territoire le
modèle de culture STICS en tenant compte de la variabilité spatiale du climat, des sols et des pratiques agricoles. Une chaine de modélisation a été réalisée (Regional STICS/MODFLOW), incluant un couplage avec un modèle de nappe, a été mise en œuvre et évaluée sur des données historiques. Les simulations montrent à l'horizon 2050 une augmentation des besoins en eau d'environ 3 à 12% selon les cultures, mais qui sont en partie compensées au niveau du bilan de la zone par la diminution simulée des surfaces agricoles. Par contre une diminution de 30% de la dotation en eau aura un impact majeur sur la nappe.

**Le hêtre et le sapin menacés sur le Ventoux.** Le paramétrage du modèle CASTANEA a été réalisé sur les principales essences forestières et un module de mortalité a été ajouté et validé dans le cas du sapin. Les simulations réalisées selon le scénario climatique A1B, avec une augmentation de 3.7°C entre la période actuelle et après 2080, donnent une augmentation du stress hydrique (25%) et une forte baisse de la croissance (35% pour le Hêtre et de 43% pour le Sapin). Mais avant 2080, des seuils létaux (réserves négatives) sont franchis. Le Sapin disparaitrait totalement d'ici 2030 et le Hêtre d'ici 2050.

**Un aléa incendie fort qui pourrait s'étendre aux zones d'altitude plus élevée.** La puissance locale du feu caractérise une composante de l'aléa de feu de forêt. Les formations forestières de la zone d'étude présentent une intensité de feux de forêt classée fort à très fort, sauf pour les milieux naturels situés en altitude. Avec le changement climatique, on anticipe une remontée en altitude des espèces plus thermophiles qui pourrait conduire, à dire d'experts, à un aléa plus fort aux altitudes moyennes ou élevées. L'enjeu scientifique est maintenant de pouvoir établir le lien entre les états des peuplements forestiers simulés par les modèles écophysiologiques et l'aléa feux de forêt.

## MOTS-CLÉS :

Forêt, systèmes de culture, ressource hydriques, incendie, usage des sols, modélisation, services écosystémiques, production végétale, modèles; simulateur de climat; indicateurs, économie ; analyse rétrospective ; milieu méditerranéen
# FAITS MARQUANTS

## TITRE

Une classe non séparable et flexible de fonctions de covariance spatio-temporelle multivariée

## CATEGORIE

Un résultat mathématique et une avancée scientifique

## RESUME

Nous avons défini une nouvelle classe, valide non séparable et flexible, de fonctions de covariance spatio-temporelles et multivariées. Une méthode d'estimation nouvelle, basée sur la vraisemblance composite par paire, a été testée avec succès. Sur des séries de simulation et sur deux jeux de données différents, on a pu montrer que ce nouveau modèle améliorait tous les critères de performance en termes de prédiction et de simulation.

## CONTEXTE ET ENJEUX

Pour l'analyse de données spatio-temporelles multivariées, il est nécessaire de disposer de modèles de champs aléatoires compatibles avec les données observées. Il est aisé de construire des fonctions de covariance pour de tels champs par addition ou multiplication de fonctions de covariance plus simples, mais les modèles obtenus de cette façon ne permettent pas de rendre compte de la complexité des interactions entres espace, temps et variables. Disposer de modèles de covariance à la fois flexibles et suffisamment riches pour capturer des interactions complexes est un enjeu important en statistiques pour les données spatio-temporelles.

## RESULTATS

Nous avons défini une nouvelle classe, non séparable et flexible, de fonctions de covariance spatio-temporelles et multivariées, dont nous avons établi la validité mathématique. Ce résultat, de nature théorique, est nouveau et à la pointe de la recherche actuelle dans le domaine des méthodes statistiques multivariées. Il ouvre de nouvelles voies de modélisation dans tous les domaines d'application des statistiques pour les données spatio-temporelles.

## VALORISATION

Bourotte M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) A Flexible Class of Non-separable Cross-Covariance Functions for Multivariate Space-Time Data (submitted to Spatial Statistics). ArXiv 1510.07840.

## MOTS-CLES

Vraisemblance composite, covariance de Matern ; champs aléatoires multivariés ; séparabilité ; processus spatio-temporels ; géostatistique spatio-temporelle
## TITRE

# Développement de modules spécifiques dans RECORD

## CATEGORIE

Innovations techniques.

## RESUME

Pour faire face à la multi-simulation dans un contexte régional et de changement climatique, des modules génériques ont été développés. Les innovations ont porté sur une procédure de simulations multiples pour représenter les unités de simulation d'un territoire, sur le couplage du modèle STICS avec un modèle de décision pour prendre en compte de manière souple et ouverte l'évolution des systèmes de culture et sur l'implémentation du simulateur de climat WACS-GEN.

## CONTEXTE ET ENJEUX

La simulation régionale suppose de pouvoir gérer un grand nombre de cas de simulation pour représenter la variabilité spatiale et simuler de longues périodes. Un utilitaire développé sous MATLAB, MultiSimLib, fonctionnait avec la version STICS hors RECORD et il a été adapté afin d'utiliser directement un modèle de la platforme RECORD. Parallèlement, la représentation du futur suppose de pouvoir appréhender les incertitudes. Le nombre de projections climatiques n'étant pas toujours suffisant, il peut être nécessaire de générer des séries climatiques de manière stochastique afin d'appréhender les incertitudes sur un échantillon statistique de taille adaptée. Enfin, l'évolution du climat a des impacts sur les itinéraires techniques. Il faut donc introduire de nouvelles règles de décision. Afin de ne pas modifier les modèles de culture, un module de décision a été créé et adossé à STICS afin de pouvoir gérer de manière souple et évolutive les itinéraires techniques dans les simulations futures.

## RESULTATS

Les développements ont permis de produire les composants suivants :

- développement d'une bibliothèque MATLAB/VLE pour gérer des simulations depuis l'environnement MATLAB,

- fonctionnalité de visualisation de données de simulation, spatialement explicites intégrée à l'interface graphique de RECORD

- mise à disposition du générateur de série climatique WACS-gen avec une partie « estimation » permettant d'analyser une série passée et estimer les statistiques du générateur et une partie « simulation » pour générer les séries,

- modèle couplé STICS/Décision afin de représenter dans un modèle externe les itinéraires techniques utilisés par le modèle STICS en tenant compte de l'état du milieu simulé,

- adaptation de la chaine de multisimulation « MultisimLib ».
PERSPECTIVES

Amélioration des performances de calcul du modèle couplé STICS/décision. Implémentation à terme du simulateur spatial de climat.

MOTS-CLES

RECORD, STICS, simulation, générateur de climat, décision, changement climatique
## TITRE

Urbansimul

## CATEGORIE

Un partenariat exemplaire

## RESUME

Les travaux menés dans le cadre de VIGIE-MED ont permis de maintenir un effort de recherche sur la modélisation de l'occupation du sol ces dernières années qui a largement contribué à alimenter le projet Urbansimul. Ce projet vise à fournir un outil de diagnostic et de simulation de scénario sur l'urbanisation en PACA à destination de tous les acteurs publics en charge des questions de planification urbaine et de production de logements, en particulier les services déconcentrés de l'Etat et les collectivités territoriales. Cet outil intègre et analyse chaque année plus de 40 millions de lignes d'enregistrement provenant d'une centralisation des données spatiales sur les cadastres, la propriété et sa régulation publique (zonages urbanisme / environnement/ risque) dans le cadre d'une convention entre 6 partenaires publics en PACA (INRA, Région, DREAL, le Centre Régional de l'Information Géographique, l'Etablissement Public Foncier et le CEREMA sud-est qui est co-développeur).

## CONTEXTE ET ENJEUX

Urbansimul permet de mettre à disposition des acteurs publics en charge des questions d'urbanisme et d'aménagement de l'espace (avec à terme un potentiel de plus 1500 utilisateurs) des données spatiales prétraitées, des rapports de diagnostic et des simulations utilisables pour la mise en œuvre quotidienne de leur politique. Tous ces documents sont mis à disposition gratuitement aux utilisateurs d'Urbansimul, qui en retour participent à la vérification et la mise à jour en continu de la donnée ; de leur côté, les chercheurs de l'INRA bénéficient de cette démarche de crowdsourcing dans leurs travaux de modélisation prospective de l'occupation du sol.

## PERSPECTIVES ET VALORISATION

Ce partenariat vient d'être renforcé en 2015 avec l'inscription de ce projet dans le nouveau contrat de plan Etat-région et un financement de plus de 600 000 euros (Etat-Région-EPF) sur trois ans permettant à l'unité INRA ecodéveloppement de recruter 3 ingénieurs contractuels pendant 3 ans, de renouveler les serveurs et de bénéficier de la prise en charge de leurs coûts de maintenance en haute disponibilité.

## MOTS-CLES

Gisement foncier, planification urbaine, simulation de l'extension urbaine
## TITRE

Workshop « Stochastic Weather Generators », Avignon 17 – 19 septembre 2014

## CATEGORIE

un événement remarquable : colloque

## RESUME

Ce colloque a réuni la communauté internationale des chercheurs, praticiens et utilisateurs des générateurs stochastiques de conditions météorologiques. Il fait suite à un premier colloque, organisé du 29 mai au 1er juin 2011 à Roscoff.

## CONTEXTE ET ENJEUX

Un des objectifs du colloque était de consolider une communauté internationale dispersée. Pour ce faire, une partie significative du budget a servi à inviter des orateurs des pays anglo-saxons en pointe dans le domaine : Etats-Unis, Nouvelle-Zélande, Grande-Bretagne. Toujours dans le but de favoriser la création d'une communauté, l'objectif était de maintenir des frais d'inscription assez faibles.

## RESULTATS

Le colloque a réuni 50 personnes et il y eu 27 présentations orales. Elles peuvent être téléchargées sur le site du colloque : http://informatique-mia.inra.fr/swg2014. Un numéro spécial des Annales de l'ISUP (Allard, 2015) a publié une sélection d'articles issus de ce colloque.

## PERSPECTIVES

A la suite des éditions de 2011 à Roscoff et 2014 à Avignon, un troisième colloque sera organisé à Vannes en mai 2016.

## VALORISATION

Allard D. (2015, Editor) Special Issue “Stochastic Weather Generators”, Annales de l'ISUP, 59, 148p.
# EVALUATION

## QUELLE A ETE LA CONTRIBUTION DU METaproGRAMME ACCAF ?

* Quelles opportunités vous a apportées le métaprogramme ?

Le méta programme a permis d'animer un collectif au niveau du pole Adaptation aux Changements Globaux du centre INRA-PACA. Si les soumissions à l'ANR ont échouées, le projet a permis d'avancer sur quelques éléments essentiels de la démarche VIGIE-MED et garder un regard croisé entre changement d'usage et impact bioclimatique. Par ailleurs le programme a permis de maintenir une activité minimale sur des sujets qui sont maintenant financés par des programmes plus vastes (générateur climatique, modèles de changement d'usage, risque incendie).

* Avez-vous engagé des actions qui n'auraient pas pu avoir lieu sans le métaprogramme ? Si oui, lesquelles ?

Les travaux sur l'évolution des systèmes de culture, le développement du simulateur spatialisé de climat et les travaux sur l'aléa incendie ont été possibles grâce au métaprogramme.

* Vos attentes scientifiques par rapport au métaprogramme ont-elles été satisfaites ? Pourquoi ?

* Selon vous, le métaprogramme atteint-il ses objectifs en termes de multidisciplinarité ?

Oui, en tous les cas au niveau de VIGIE-MED

* Et en termes d'effet levier ?

Des projets ont essaimés et des actions de valorisation ont permis de donner de l'ampleur à certaines actions (transmettre).

* Voyez-vous des limites à l'action du métaprogramme ?

Coût de transaction élevé. Le financement peu motivant pour certains partenaires n'a pas permis de les impliquer à un niveau suffisant.

* Avez-vous des propositions concrètes pour améliorer l'animation du métaprogramme ?

* Seriez-vous prêt à porter une animation dans le cadre du métaprogramme ?

Certains membres du projet probablement.
Annexes : textes des publications

<table><thead><tr><td>File name</td><td>reference</td></tr></thead><tbody><tr><td>2015_Pimont_etal_LiDAR虫notesing-07-07995<br>2015_Pimont_etal_LiDAR虫notesing-07-07995-s001(1)</td><td>Pimont F., Dupuy J.L., Rigolot E., Prat V., Piboule A. 2015. Estimating leaf bulk density distribution in a tree canopy using terrestrial LiDAR and a straightforward calibration procedure. Remote Sensing, 7: 7995-8018</td></tr><tr><td>Ailliot_Allard_Monbet_Naveau_2015_JSFDS</td><td>Ailliot P., Allard, D., Monbet V. and Naveau, P. (2015) Stochastic weather generators: an overview of weather type models. Journal de la Société Française de Statistiques, 156(1), 101-103.</td></tr><tr><td>Allard_Editorial_ISUP_SWG2014.r</td><td>Allard D. (2015) Editorial to the Special Issue “Stochastic Weather Generators”, Annales de l'ISUP, 59, (1-2)</td></tr><tr><td>Bourrotte&al_2015_submitted</td><td>Bourrotte M., Allard, D. and Porcu, E. (2015) A Flexible Class of Non-separable Cross-Coavarince Functions for Multivariate Space-Time Data (submitted to Spatial Statistics). ArXiv 1510.07840</td></tr><tr><td>Debolini&Guerif_2015_FSD5</td><td>Debolini M. And Guerif M., (2015). Farming system dynamics and their drivers in Mediterranean landscapes: a case study on the Vaucluse department based on agricultural census data (PACA Region, France). 5th International Symposium for Farming Systems Design, 7-10 September 2015, Montpellier, France</td></tr><tr><td>Dialo&Geniaux_2015_submitted</td><td>Dialo A. and G. Geniaux, (2015), Spatial logit for large samples with local spatial lag and regional spatial random effects using linearized GMM: an application to land use models, Submitted to Journal of Regional Science.</td></tr><tr><td>Géniaux&al_2015_Revued'économieRégionaleeturbaine</td><td>Géniaux, G., C. Napoleone, and B. Leroux, (2015) Les effets prix de l'offre foncière, Revue d'Economie Régionale et Urbaine., 273-320, DOI : 10.3917/reru.151.0273</td></tr><tr><td>GREC-PACA-publication-complete-20.05.2015</td><td>GREC-PACA : Provence-Alpes-Côte d'Azur, une région face au changement climatique, note de synthèse coordonnée par J Guiot et B. Seguin, http://www.air-climat.org/wp-content/uploads/2015/05/GREC-PACA_EnjeuxCC_BD_10062015.pdf</td></tr><tr><td>Olioso&al_2013_ouvrage_CRAU</td><td>Olioso, A. et al. (2013), Bilan hydrique des agrosystèmes de Crau face aux changements globaux, in Ecologie er</td></tr></tbody></table>
<table><tr><td></td><td>conservation d'une steppe méditerranéenne : La plaine de Crau, edited by L. Tatin, A. Wolff, J. Boutin, E. Colliot and T. Dutoit, pp. 266-288, editions Quae, Versailles</td></tr><tr><td>OLIOSOetal_2013_procediaenviro nsceiences</td><td>Olioso, A., R. Lecerf, A. Bailleux, A. Chanzy, F. Ruget, O. Banton, P. Lecharpentier, F. Trolard, and A.-L. Cognard-Plancq (2013), Modelling of drainage and hay production over the Crau aquifer for analysing impact of global change on aquifer recharge, Procedia Environmental Sciences, 19, 691-700.</td></tr></table>