Simulation of realistic urban shapes of residential development, from the building scale to the entire urban area

L’étalement des agglomérations urbaines est un processus très critiqué pour de nombreuses raisons. Les dynamiques du développement résidentiel, principal facteur de cet étalement, sont très complexes car elles résultent de l’interaction de plusieurs sous-systèmes. De nombreuses lois et règlements sont supposés contrôler la construction des bâtiments afin de limiter les impacts négatifs de l’urbanisation. Il est toutefois difficile d’anticiper l’effet d’un tel corpus réglementaire. Sa nature multi-échelle, liée aux différents niveaux de réglementation, aux différentes thématiques réglementées et aux différentes parties mettant en œuvre ces règlements compliquent la prévision de leurs effets et des configurations spatiales qu’ils contribuent à créer. Nous proposons ici un modèle de simulation du développement résidentiel d’une agglomération urbaine. Il produit des configurations réalistes à partir d’une modélisation fine du territoire en respectant les orientations, les objectifs et les contraintes provenant des documents de planification et d’urbanisme. Pour ce faire, nous élaborons un couplage de deux modèles de simulation spatiale pré-existants. Ce couplage, nommé ArtiScales, procède d’une manière descendante en simulant la forme du développement résidentiel de l’ensemble de la zone d’étude, en sélectionnant des parcelles constructibles et en simulant le potentiel de construction de chaque emplacement. ArtiScales intègre le modèle MUP-City, qui permet de sélectionner des emplacements intéressants à urbaniser en fonction de la configuration bâtie de la zone d'étude et de divers points d’intérêt (réseaux de transports, commerces, services, etc.). Nous avons ensuite développé un modèle de gestion parcellaire, afin de sélectionner les parcelles existantes intéressantes à urbaniser et de les recomposer au besoin des scénarios et des situations particulières (densification, opérations spéciales). Nous utilisons enfin le modèle SimPLU3D afin de simuler la constructibilité de chaque parcelle. Ce modèle génère des configurations bâties en trois dimensions respectant les contraintes réglementaires provenant du Plan Local de l’Urbanisme (PLU). Nous concentrons l’analyse des résultats du couplage ArtiScales sur l’estimation de la création de logements et sa concordance avec les objectifs définis dans le Programme Local de l’Habitat, ainsi que sur la densité de logements par hectare et sa concordance avec les objectifs définis dans le Schéma de Cohérence Territoriale. Les modèles de simulation spatiale sont sujets à une forte variabilité pouvant mettre en cause la fiabilité des résultats de simulation. Le modèle MUP-City étant particulièrement soumis à cette variabilité, nous menons une analyse complète de ses résultats de simulation afin de caractériser les paramètres à l'origine de cette variabilité et comment elle se traduit en termes de formes produites. Nous distinguons deux types de variations : celles provoquées par les paramètres scénaristiques, permettant de simuler différentes formes de développement résidentiel, et celles issues des paramètres techniques internes au modèle, permettant de proposer des variantes à ces scénarios. La variabilité entre les variantes de scénarios d’ArtiScales est comparée avec la variabilité dans l’étude des résultats de MUP-City afin de constater si le couplage de modèle la résorbe ou l’amplifie. Le modèle ArtiScales (https://github.com/ArtiScales/ArtiScales) est disponible sous une licence ouverte et peut être utilisé pour de nombreuses applications. Un ensemble de simulations représentant différents scénarios ont été expérimentées sur le territoire du Grand Besançon (est de la France). Les simulations réalisées permettent de représenter un potentiel de développement résidentiel se conformant à toutes les réglementations en vigueur. Nous proposons également des simulations modifiant le zonage autorisant ou non la constructionThe process of urban sprawl of urban agglomerations is very often criticised for numerous reasons.The dynamics of residential developments, at the origin of urban sprawl, are very complex and result from the interaction of several phenomena. Many laws and regulations are supposed to control the construction of buildings in order to limit the negative impacts of urbanisation.It is nevertheless difficult to anticipate the effects of such a regulatory corpus. Its multi-scale nature, related to the different levels of regulation, the different regulated subjects and the different parties executing those regulations complicate the forecasting of their effects and the spatial configurations they contribute to create. Here, we propose a simulation model for the residential development of an urban agglomeration. It produces realistic configurations respecting the orientations, goals and constraints stemming from urban planning documents. To that end, we elaborate a coupling of two existing spatial simulation models. This coupling, named ArtiScales, follows a top-down approach in simulating the shape of the residential development of an entire study area by selecting the constructible parcels and by simulating the construction potential of each plot. ArtiScales integrates the MUP-City model, that allows us to select interesting locations with respect to the built configuration of the study area and to several points of interest (transportation networks, shopping facilities, services, etc.). We develop a parcel management model in order to select the existing parcels interesting for residential development and to recompose them when needed according to the chosen scenarios and to specific situations (densification, special operations). Finally, we use the SimPLU3D model to simulate the constructibility of each parcel. This model generates spatial configurations, in three dimensions, respecting the regulatory constraints originating from the local urban planning scheme (Plan Local de l’Urbanisme - PLU). We concentrate the analysis of the coupling results on the estimation of created housing units and its agreement with the goals defined by the local housing program (Programme Local de l’Habitat - PLH) and on the housing density by hectare and its agreement with the goals defined by the territorial coherence scheme (Schéma de Cohérence Territoriale - SCoT). Spatial simulation models are subject to an important variability that questions the reliability of simulation results. MUP-City being particularly subject to such variability, we conduct a complete analysis of its simulation results in order to caracterise the parameters responsible for this variability and how it translates to the produced spatial configurations. We distinguish two types of variations : the ones caused by scenaristic parameters, allowing to simulate different residential development forms, and those caused by technical parameters (internal to the model), allowing to propose variants of the scenarios. The variability between the variants is compared with the variability found in the study of MUP-City results in order to see if the model coupling absorbs or amplifies it. The ArtiScales model (https://github.com/ArtiScales/ArtiScales) is available as free and open source software and can be used in many applications. A set of simulations representing different scenarios has been explored on the Grand Besançon territory (East of France). Simulations carried out represent a potential for residential development conforming to all the regulations at work. We also propose simulations that modify the zoning authorising the construction or no