De la conception d'un système d'observation à large échelle au déploiement et à l'exploitation de

493 Pages·2017·18.42 MB·French

by  Romain David

Thèse de Doctorat d’Aix-Marseille Université
Spécialité Ecologie Marine
Soutenue par Romain DAVID le Vendredi 6 Juillet 2018

De la conception d'un système d'observation à large échelle
au déploiement et à l'exploitation de son système d'information
Application à l'observation des habitats coralligènes et à la
colonisation de récifs artificiels (ARMS)

D. Ienco, IRSTEA, Montpellier (rapporteur)
T. Saucède, Biogéosciences, univ. Bourgogne, Dijon (rapporteur)
L. Berti-Equille, AMU, Marseille (examinateur)
T. Tatoni, AMU, I.M.B.E., Marseille (examinateur),
R. Vigne-Lebbe, M.N.H.N.-U.P.M.C., Paris (examinateur)
J.-P. Féral, C.N.R.S., I.M.B.E., Marseille (directeur)
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse Jean-Pierre Féral, de m’avoir
proposé ce sujet et m’avoir épaulé, y compris financièrement (sur ses contrats ou en obtenant
des crédits dédiés de la part de l’INEE), pendant ces années riches en expériences et en
formations. Il m’a aussi fait confiance en me proposant la direction d’un “work package” dans
le cadre du programme européen CIGESMED dont il était responsable.
J’ai pu, grâce à ce soutien et cet engagement, faire mes premiers pas dans le monde de la
recherche, et petit à petit comprendre l’organisation, les méthodes de travail, les tenants et
les aboutissants de la carrière d’un chercheur en écologie marine.
Je voudrais aussi remercier tous les membres de mon comité de thèse qui m’ont conseillé et
proposé de nouvelles orientations afin d’enrichir mon travail au cours de ces dernières
années, ces conseils et idées m’ont été précieux. Merci également à tous les membres du
jury d’avoir accepté de donner de leur temps et de leur énergie pour évaluer ce travail.

Ma gratitude se porte aussi tout particulièrement vers mes collègues et/ou étudiants de la
Station (anciens et actuels) avec lesquels j’ai eu le plus d’interactions, en particulier Anne
Chenuil, responsable du programme DEVOTES, avec qui j’ai eu le plaisir de mettre en place
l’expérience reposant sur les ARMS, Pascal Mirleau chercheur et plongeur, Abigail Cahill
(post-doctorante), Emilie Egea (Ingénieur de recherche), Giulia Gatti (post-doctorante et
plongeuse), Aurélien De Jode (Doctorant), Alexandra Weber (doctorante), Marjorie Selva
(technicienne) et Sandrine Chenesseau (Technicienne et plongeuse).
Un grand merci à mes collègues de l’axe thématique “gestion de la biodiversité et des
habitats naturels” avec lesquels j’ai collaboré sur de nombreux aspects de la DCSMM ou de
la gestion d’espaces naturels à savoir Xavier Fizzala, Florent Renaud, Sandrine Serre,
Pauline Vouriot chargés de mission DCSMM pour le descripteur 4 et Laure Thierry de Ville
d'Avray (doctorante). Un coup de chapeau spécial aux étudiants qui ont réalisé leurs stages
dans le cadre des programmes CIGESMED et DEVOTES et qui se sont investis sans
compter pour assurer la récolte et l’analyse de données et d’échantillons de terrain (analyse
photo notamment) et/ou les différents traitements de matériel prélevé. Parmi eux, j’ai eu le
plaisir d’encadrer dans le cadre de leur stage Dorian Guillemain, Laure Thierry De Ville
D’Avray, Walid El Guerrabi, Jacky Dubar, Ohane Legendarme. J’ai aussi eu le plaisir de
travailler avec d’autres étudiants comme Zinovia Erga, Sophie Dubois (et pardon pour ceux
que j’oublie). Nous avons tous ensemble formé une équipe de choc : sans vous, ce travail
ne serait pas ce qu’il est.
2
J’ai rencontré des personnes remarquables, professionnelles et humaines à la fois à l’OSU
Pythéas, à la station marine d’Endoume et à l’IMBE. Ceux-ci, dans des contextes bien
différents, ont été à mon égard d’une bienveillance souvent rassurante. Pour cette attention,
je remercie tout particulièrement Cyrille Blanpain, Carole Borchellini, Alrick Dias, Dominique
Estival, Giulia Gatti, Christian Marschal, Emmanuelle Renard, Léïta Tschanz, Marc Verlaque,
Lilita Vong. Un remerciement tout particulier à Joëlle Massei, notre gestionnaire pour m’avoir
aidé avec bienveillance et patience dans la gestion administrative des programmes et actions
que j’ai pu mettre en œuvre ces dernières années.
J’ai aussi des remerciements spéciaux à faire, notamment à Bernard De Ligonnès, pilote du
pointu l’Armandia et d’une aide et d’une disponibilité à toute épreuve. Bonne retraite à toi, je
garderai un souvenir impérissable de tous ces moments passés sur l’eau ou ailleurs avec toi
: sans aucun doute parmi mes meilleurs souvenirs de ces années.

Cette thèse a aussi pu avancer grâce à des financements institutionnels. La construction du
premier prototype pour le consortium IndexMed a été financée par l’INEE qui a soutenu le
projet "CHARLIEE" (CHAnger de Regard En Liant dans IndexMed l’Environnement et les
Étoiles - PEPS Blanc) en 2014, puis par le CNRS via le défi "VIGI-GEEK (VIsualisation of
Graph In transdisciplinary Global. Ecology, Economy and Sociology data-Kernel)" en 2015,
enfin par un financement alloué directement par la direction pour l’interdisciplinarité du
C.N.R.S. en 2016. En 2017 et 2018, c’est l’action GRAMINÉES qui a été labellisée et
soutenue par le GDR MaDICS. Ce soutien a permis d’obtenir un cofinancement de la F.R.B.
Les données utilisées dans le cadre de cette thèse ont été obtenues dans le cadre du projet
européen CIGESMED <www.cigesmed.eu> (conventions ANR n° 12-SEAS-0001-01, 02 et
03 pour la France, GSRT-12SEAS-12-C2 pour la Grèce, projet TUBITAK No : 112Y393 pour
la Turquie). En complément, en 2016, 2017 et 2018, le Labex DRIIHM a soutenu un
programme propre aux OHM, et cofinancé les séminaires et ateliers IndexMEED. Merci aussi
pour leur soutien aux séminaires au labex OT-Med, à l’OHM Littoral Méditerranéen, à l’OSU
Pytheas, à la Fédération de Recherche Eccorev et à la Fondation pour la Recherche sur la
Biodiversité.
Je souhaite adresser mes plus vifs remerciements aux partenaires des différents
programmes de recherche CIGESMED* et DEVOTES**, avec lesquels j’ai pu interagir. Ces
programmes ont été un cadre riche et motivant pour effectuer ce travail.
Mes remerciements aux contributeurs les plus actifs lors des séminaires organisés dans le
cadre de CIGESMED, français, grecs et turcs qui, lors de nos débats et lors de séminaires
intensifs ont contribué à améliorer le protocole et faire avancer les travaux de ce programme.

3
Le soutien de France Grilles et notamment de Vincent Breton, Geneviève Romier et Yannick
Legré a permis d'expérimenter et d’utiliser les ressources informatiques sur l'Infrastructure
Grid Nationale et ont financé une partie des formations et séminaires sur les outils de calculs
parallélisés auxquels j’ai pu assister. Dans ce cadre, je souhaite dire ma reconnaissance à
Gergely Sipos, Jan Bot et Roberta Piscitelli pour le soutien utile fourni lors de l'atelier “design
your e-infrastructure” EGI <www.egi.eu>.
Je souhaite par ailleurs remercier l’équipe de la F.R.B. et particulièrement Aurélie Delavaud,
Anna Cohen Nabeiro, Robin Goffaux et leur direction pour avoir permis par leurs appuis
financier, technique, administratif et scientifique la réalisation des ateliers et séminaires de
IndexMEED ces deux dernières années et ainsi avoir tant favorisé son développement. Merci
aussi à tous les organisateurs, membres du conseil scientifique d’IndexMEED, intervenants
et participants aux différents séminaires, et aux ateliers cartographie de compétences,
curation puis visualisation de données (IndexMed puis IndexMEED) : sans votre
investissement et votre confiance, nous n’aurions pas réussi à atteindre les ambitieux
objectifs que nous nous étions fixés (notamment Anne-Sophie Archambeau, Fanny Arnaud,
David Auber, Nicolas Bailly, Loup Bernard, Cyrille Blanpain, Vincent Breton, Denis Couvet,
Alrick Dias, Sophie Gachet, Robin Goffaux, Karina Gibert, Manuel Herrera, Dino Ienco,
Romain Julliard, Julien Lecubin, Yannick Legre, Michelle Leydet, Grégoire Loïs, Victor
Méndez Muñoz, Jean-Charles Meunier, Isabelle Mougenot, Sophie Pamerlon, Jean-Claude
Raynal, Geneviève Romier, Dad Roux-Michollet, Alison Specht, Christian Surace, Thierry
Tatoni, et tant d’autres).
Merci aussi à l’équipe technique du S.I.P. (Service Informatique de l’O.S.U. Pytheas)
notamment Cyrille Blanpain, Julien Lecubin et Alrick Dias sans qui le développement du
prototype n’aurait pas pu aboutir et sur qui j’ai aussi pu compter pour m’aider à organiser puis
animer les différents ateliers interdisciplinaires.

Et enfin, ce qui compte le plus pour moi, ma famille : merci à mes grands-parents, cousins et
cousines d’avoir constitué l’univers dans lequel j’ai pu me construire et puiser les exemples
dont j’ai eu besoin lors de ce travail. Merci à ma famille, particulièrement mes parents, et ma
fratrie (Sophie, Emilie, Julie, Benjamin, Marie et Quentin) ; J’ai bien conscience pendant ces
six années de vous avoir délaissés ; vous êtes mon véritable chez moi, et j’en avais déjà
largement conscience, s’il ne devait me rester plus qu’un seul dernier soutien, ce serait bien
de vous qu’il proviendrait. Plus particulièrement, Merci à David, mon beau-frère, Marie et
Emilie, mes soeur, Sophie ma cousine et Dr Sophie Gachet pour leurs relectures attentives
et leurs conseils avisés. Merci à mon frère Benjamin pour son soutien moral et financier, et
pour la droiture, le courage et la volonté que tes aventures t’ont demandés, ils ont été pour
moi un exemple. Pour conclure, merci à Doriane, compagne de vie de ces 12 dernières
4
années, pour tes encouragements, ta détermination et ta volonté dans ta nouvelle profession
qui ont été pour moi un moteur pour terminer ce travail.

5
Sommaire
Remerciements 2
Sommaire 6
Résumé 12
Summary 16
Avant-propos 19
Chapitre 1 : Introduction : éléments de contexte et enjeux concernant l’observation en milieu marin côtier et les
systèmes d’information à large échelle 23
1. Concepts généraux et enjeux concernant l’observation en milieu marin côtier 23
1.1 L’utilisation des navires, bouées appareillées et satellites pour l’observation 23
1.2 L’observation in situ des fonds sous-marins 24
Les variables concernant le benthos 24
Les méthodes d’étude destructrices 25
Les méthodes non destructrices reposant sur la plongée 28
1.3 La gestion de la donnée scientifique d’observation sous marine : état des lieux d’un domaine peu
développé 33
2. Enjeux de l’observation du benthos de substrat dur en milieu côtier sur de grandes échelles
géographiques 39
2.1 Généralités sur l’observation à large échelle 39
2.2 Les limites actuelles de l’observation automatisée des habitats benthiques durs en milieu côtier 41
2.3 La nécessaire utilisation de données d’interprétation 42
2.4 L’échantillonnage pour l’observation basée sur des études « moléculaire », de nouvelles méthodes de
suivi ? 43
2.5 Analyses et approches comparatives / intégratives 44
2.6 L’unité taxonomique, chaînon nécessaire pour la compréhension systémique du niveau d’intégration du
moléculaire au paysage 44
3. Concepts généraux et questionnements concernant les systèmes d’information à large échelle sur la
biodiversité 45
3.1 Contexte : des données [de plus en plus] hétérogènes et multi sources 45
3.2 Le Big Data pour la biodiversité ? 48
3.3 La quête de l’interopérabilité 49
Contexte : des besoins d’agrégation dans un système très hétérogène 49
Définitions et concepts autour de l'interopérabilité 51
Evolution des cadrages et recommandations sur les plans français, européen et international 54
Etat des lieux de l’interopération dans le domaine de la biodiversité 54
3.4 Entrepôts de données et accès aux données 55
4. CIGESMED, premier programme cadre de cette étude 60
4.1 Objectif de la thèse dans le cadre de CIGESMED 60
“Le coralligène”, un patchwork d’habitats riches et variés 62
Interactions biotiques au sein des habitats coralligènes 64
4.2 Pourquoi les habitats coralligènes comme cas d’étude ? 64
Observation des habitats coralligènes, quels challenges à large échelle ? 66
5. DEVOTES, Deuxième programme cadre de cette étude 68
6. Questionnements, hypothèses et objectifs concernant l’observation à large échelle du benthos de substrat
dur en milieu côtier et les systèmes d’information associés 70
6
Chapitre 2 : Les travaux concernant les protocoles d'observation dans le cadre des programmes CIGESMED et
DEVOTES 73
1. Questionnements et hypothèses concernant l’efficacité des outils, méthodes et protocoles 73
1.1 Questionnements et hypothèses concernant la mise en oeuvre du protocole “Intercalibration” 73
1.2. Questionnements et hypothèses concernant le protocole “Cartographie des profils et peuplements”
(Module 1 du protocole CIGESMED) 75
1.3. Questionnements et hypothèses concernant la mise en oeuvre du protocole “Analyse d’images” dans
le cadre de CIGESMED 76
1.4. Questionnements et hypothèses concernant la mise en oeuvre du protocole “Analyse d’images” dans
le cadre de DEVOTES 79
2. Méthodes d’intercalibration, de cartographie et d’analyses d’images 80
2.1 Méthodes d’inter-calibration 83
Méthode de choix des variables mesurables et les modalités qu’elles peuvent prendre 84
Méthode d’étude de la variabilité due à l’échantillonnage 84
Méthode d’étude de la variabilité due à l’observateur 88
Méthode d’étude de la variabilité due à l’opérateur 89
Focus sur PhotoQuad 90
Méthode d’étude de la variabilité due au système d’observation 93
2.2 Méthode de cartographie 93
2.3 Méthode d’analyse d’image dans le cadre de CIGESMED 99
Liste des taxons utilisés 100
Traitement des photos 100
Contextualisation des quadrats photo lors de la mise en œuvre des relevés photographiques 101
Nomenclature et archivage des photos 101
2.4 Méthode d’analyse d’image dans le cadre de DEVOTES 102
Sites échantillonnés 102
Installation et récupération des ARMS 105
Analyses de photos 106
Facteurs environnementaux 107
Analyses statistiques 107
3. Résultats concernant l’efficacité et la mise en pratique des outils, méthodes et protocoles 109
3.1 Résultats concernant l’inter-calibration 109
Résultats concernant les choix de variables et les modalités qu’elles peuvent prendre 109
Résultats concernant l’étude de la variabilité due à l’observateur 122
Résultats concernant l’étude de la variabilité due à l’échantillonnage 124
Résultats concernant l’étude de la variabilité opérateur 124
Résultats concernant la variabilité technique du système d’observation 126
3.2 Résultats concernant la contextualisation reposant sur la cartographie du coralligène 127
3.3 Résultats concernant l’analyse d’image dans le cadre de CIGESMED 128
3.4 Résultats concernant l’analyse d’image dans le cadre de DEVOTES 130
4. Discussions et perspectives concernant l’efficacité des outils, méthodes et protocoles 138
4.1 Discussion concernant l’intercalibration 138
L’intercalibration des observateurs en plongée 138
Dynamiques et efficacité de l’inter-calibration 139
L’inter-calibration formatrice 140
Inter-calibration, un défi dépendant de nombreux facteurs humains 140
4.2 Discussion concernant le protocole de cartographie 141
7
Qu’apporte la contextualisation basée sur la cartographie ? 141
4.3 Discussion concernant l’analyse des photos CIGESMED 142
4.4 Discussion concernant l’analyse des photos des faces de plaques des ARMS 144
4.5 Inter-calibration, une nécessité face aux directives internationales 149
Chapitre 3 : Utilisabilité des données et systèmes de gestion et d’entreposage des données 151
1. Généralités et questionnements concernant les systèmes de gestion et d’entreposage des données 151
1.1 Quelques observations sur les relations entre typologie et propriétés des données 151
Cadre légal du partage de la donnée en France et en Europe 152
Convention d’Aahrus 152
Directive INSPIRE 153
Identification des freins à la mutualisation de la donnée 153
1.2 La mise à disposition de la donnée avec les principes FAIR 157
Réalité de la mise en œuvre des principes FAIR et des textes associés 158
1.3 Cycle de vie de la donnée, à quelles conditions? 158
2. Structure de données dans le cadre de CIGESMED et de DEVOTES 161
3. Regard critique concernant les systèmes de gestion et d’entreposage des données dans le cas d’une
application aux données issues des programmes CIGESMED et DEVOTES 168
La métadonnée : un outil nécessaire mais pas suffisant 168
Objectifs de la métadonnée à large échelle, en général, puis pour les programmes CIGESMED et
DEVOTES 170
Méthode de cartographie des métadonnées dans le cadre de CIGESMED 171
Contenu des métadonnées dans le cadre de CIGESMED 172
4. Discussions et perspectives d’amélioration concernant les systèmes de gestion et d’entreposage des
données appliqués aux données d’écologie marine. 173
Cycle de vie des données et des métadonnées dans le cadre de CIGESMED et de DEVOTES 173
Chapitre 4 : Une architecture pour la ré-exploitation et la fouille des données hétérogènes en écologie 175
1. Généralités, questionnements et hypothèses concernant la ré-exploitation et la fouille des données 175
1.1 Objectifs à court et long terme concernant la donnée 175
1.2 Enjeux de la préservation de la donnée : 176
1.3 Qualifications de la donnée 178
La qualification, outil pour l’interopérabilité 178
La qualification comme outil d’enrichissement de la donnée 178
La qualification de données est souvent catégorielle 179
1.4 La fouille de données basée sur les graphes 179
Quelques notions sur les représentations basées sur les graphes 179
Le clustering : Analyser les regroupements de nœuds pour aller un peu plus loin 180
Utilisation en écologie/environnement : 181
L’analyse des contextes liés aux clusters de graphes 181
2. Méthodes de conception des processus de test 183
2.1. Conception de l’architecture et des services 183
2.2. Développement d’un prototype 186
2.3. Méthode d’animation d’ateliers concernant la curation et la visualisation sous forme de graphes 188
3. Résultats de la phase de conception des processus et de la phase d’expérimentation du prototype 189
3.1. Schéma décrivant l’architecture du système d’information 189
3.2. Le prototype et ses spécificités fonctionnelles 191
Présentation du prototype 191
8
Spécifications fonctionnelles du prototype : 192
3.3. Les graphes générés par le prototype d’IndexMed 196
3.4. Atelier sur la qualification et la curation des données : intérêts, méthodes, difficultés. 206
3.5. Ateliers visualisation et résultats préliminaires concernant la visualisation des clusters de photos de
plaques d’ARMS : 208
Premiers résultats de visualisation des clusters de photos de plaques d’ARMS 208
Prochaines étapes concernant le clustering et la visualisation des plaques ARMS 210
3.6. “How to do” 210
4. Discussion et perspectives concernant les méthodes de fouille de données environnementales basées
sur les graphes 211
4.1 Intérêts des représentations visuelles 211
4.2 Éléments de discussion concernant les utilisations possibles des graphes générés par le prototype
d’IndexMed et lors des ateliers 212
4.3 Les graphes utilisés par des environnementalistes : la nécessité absolue de travailler en ateliers 216
4.4 Des défis à venir 217
Chapitre 5 : Recommandations, perspectives et conclusions 219
1. Discussion générale 219
1.1. Où en est-on ? 219
1.2. Besoins et perspectives générés par ce travail 220
1.3. Une nécessaire observation normalisée à long terme et à large échelle ... 223
1.4. … Puis le système d’information : a-t-on mis la charrue avant les bœufs ? 223
2. Recommandations [à ce stade] 224
2.1. Recommandations concernant les protocoles 224
2.2. Recommandations concernant l’inter-opération des systèmes d’informations 227
2.3. Recommandations concernant l’utilisabilité, l’utilisation / la réutilisation des données 230
Développer la culture des données et leur « réutilisabilité » 230
Mieux connaître le potentiel des données pour mieux inter-opérer 232
2.4. Recommandations concernant les traitements de données hétérogènes, la fouille de données et les
approches par les graphes 233
L’utilisation de la théorie des graphes pour exploiter des données environnementales se précise 233
Quelques recommandations concernant l’initiation aux traitements de données hétérogènes et aux
approches par les graphes 233
2.5. Recommandations concernant les facteurs humains 235
La qualité de l’information, une problématique liée aux facteurs humains 235
Une science mieux partagée 237
Des objectifs mieux compris et partagés pour l’aide à la décision 238
Quelle stratégie pour encourager le partage des données et l’augmentation de sa qualité (Rewarding
recommendation for Data Sharing) ? 240
2.6. Conclusions sur ces recommandations 244
Références bibliographiques 249
Glossaire 267
Sigles, Acronymes et Abréviations 281
Ressources 286
Annexes 291
Annexe 1 : Articles 291
Articles issus du travail de thèse soumis à / acceptés dans des revues à comité de lecture 291
Autres publications en relation avec le travail de thèse 293
9
Annexe 2 : liste des programmes et responsabilités associées 296
Programmes européens : 296
Financements obtenus dans le cadre du CNRS et responsabilités associées : 296
Autres implications dans des programmes de recherche : 297
Annexe 3 : Programme CIGESMED (Féral et al. 2016) 298
Présentation 298
Librairie de taxons utilisée avec photoquad pour l’analyse des quadrats photo CIGESMED en France 301
Données prétraitées (extrait) 308
Annexe 4 : Programme DEVOTES (Borja, 2017) 309
Présentation 309
Librairie de taxons utilisée avec PhotoQuad pour l’analyse des quadrats photo DEVOTES 310
Données prétraitées des fréquences de taxons issues des analyses ARMS 313
Matériel Supplémentaire 317
Annexe 5 : IndexMed 319
Contexte 319
Des projets chaque année 319
Objectif général 319
Annexe 6 : indexMEED 320
IndexMed est devenu IndexMEED 320
GRAMINÉES , une action labellisée et soutenue par le GDR MaDICS en 2017 et 2018 320
Ce qu’il est envisageable pour la suite 321
A plus long terme 321
Le projet GRAINE, une application concrète des travaux du consortium IndexMEED appliquée aux
problématiques « Homme-milieux » 322
Objectifs opérationnels de GRAINE Des OHMs 323
Résultats attendus 323
Annexe 7 : Activité scientifique en support ou en complément du travail de thèse 325
Articles dans une revue 325
Proceedings de communications à un congrès 327
Chapitres d’ouvrage 329
Communications 330
Présentations orales (séminaires internationaux) 330
Co-authoring de présentations orales internationales 334
Présentations orales (séminaires d’audience locale et nationale) 337
Conférence grand public 341
Posters 341
Organisation de séminaires et d’ateliers 349
Rapports liés au travail de thèse 350
Stages co-encadrés avec J.P. Féral pendant la thèse 351
Annexe 8. Résultat des ateliers : document “how to do” sur la curation 352
La curation de données environnementales étape par étape 352
Enjeux et principes de la curation de données 353
Préparer la curation de données nécessite la mise en place d’un protocole 354
Appliquer le protocole de curation de données en vue d’une représentation sous forme de graphes 356
Contrôle qualité de la curation de données 358
En perspective 360
10