Etude InSavour - Interactions Savoureuses - v02.8

Sommaire

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Objectif pédagogique

Développer les capacités suivantes:

1. Manipuler des liens d’interactions entre espèces dans un écosystème.
2. Lire des données provenant de fichiers texte de type CSV.
3. Stocker et manipuler des graphes dans des structures de données.
4. Parcourir ces graphes pour calculer des chemins.

Objectif de l’étude et déroulement

Cette étude s’inscrit dans un projet collectif de création à l’INSA d’un petit guide Interactions Savoureuses: du Jardin à l’Assiette qui contiendra des fiches de recettes culinaires associées à des recommandations pour faciliter la culture des espèces végétales utilisées.

Pour le moment, nous nous concentrons sur les garnitures de crêpes et des galettes selon le déroulement proposé suivant:

• En binôme ou en trinôme, concevoir une recette de garniture de galettes/crêpes et un jardin pour cultiver les principaux ingrédients.
• Dans le jardin tenir compte des interactions entre espèces. Notamment pour former au moins un circuit le long duquel les plantes se favorisent entre elles. Voici un exemple de circuit de ce type (contenant ici certaines variétés imaginaires):

• Un tel jardin sera organisé en parcelles (une seule espèce par parcelle), en les disposant autour d’un tas de compost, comme sur le schéma suivant:

Le principe de cette disposition est très simple: si l’on passe d’une parcelle à l’autre, en tournant autour du tas de compost (en sens inverse du sens trigonométrique), chaque parcelle favorise l’espèce cultivée sur la parcelle suivante.

• Les données décrivant les interactions entre espèces sont fournies. Elles proviennent du site monpotagerorg.

• D’autres données à utiliser de façon optionnelle sont fournies. Elles proviennent du site bioindication (version éducation) et décrivent les conditions de culture favorables de certaines des espèces.

• A la fin de l’étude, avant de sortir la bêche et la brouette … la recette et le jardin seront proposés aux collègues sur l’intranet. Pour mettre à disposition votre contribution vous devrez vous positionner au choix dans une des trois catégories suivantes: (1) esthétique et gourmandise, (2) algorithmes et codage, (3) écosystème et interactions.

• La programmation s’effectuera en python, en tirant parti des cours sur les graphes et les fichiers.

Quelques détails

• Il n’est pas nécessaire de gérer les surfaces ni les coordonnées précises des bords des parcelles. Seule la disposition générale, c’est à dire l’adjacence entre parcelles, nous intéresse pour le moment. Les traitements à réaliser par programme porteront donc essentiellement sur la détermination d’un graphe indiquant les relations entre les espèces cultivées sur les différentes parcelles.
• Tous les ingrédients de la recette ne doivent pas nécessairement provenir du jardin, mais le jardin doit permettre d’obtenir au moins deux des ingrédients principaux.
• Le jardin doit comporter au moins quatre cultures différentes disposées autour du tas de compost.
• Une même culture peut être présente plusieurs fois, mais pas sur deux parcelles adjacentes.
• Le jardin peut contenir des plantations qui ne sont pas utilisées dans la recette. Toutefois on essayera tout de même de limiter le nombre d’espèces présentes pour éviter des cultures inutiles pour la recette proposée.
• Cette fiche n’est qu’un canevas global, pour votre études ne pas hésiter à faire vos propres hypothèses/choix, proposer des axes d’investigations, …

Etapes de l’étude

1. Constituer les binômes/trinômes.
2. Passer en revue, au moins rapidement, l’ensemble des informations et indices fournis dans la suite du document. S’organiser par rapport à la durée globale de l’étude qui inclut 6h de séances encadrées. Prévoir les rendus, dont l’esquisse de jardin à envoyer après les deux premières heures (cette pré-version pourra évoluer fortement ensuite).
3. Explorer un peu les deux sites monpotagerorg et bioindication à partir de la prise en main rapide de monpotagerorg et de celle du site bioindication. Ceci pourra se poursuivre en dehors des séances encadrées.
4. Choisir $X$ et $Y$ deux ingrédients principaux pour la recette parmi l’ensemble de sommets suivant:
   genet, topinambour, pissenlit, cassis, lin, carotte sauvage, cumin, cerfeuil commun, melisse citronnelle, groseillier, sauge, moutarde, morelle de balbis, ciboulette chinoise, anis, panais, courgette, cornichon, bourrache officinale, sarriette, feve, melon, tournesol, echalote, thym, romarin, achillee millefeuille, prunier, framboisier, cerisier, rue fetide, navet, roquette, chicoree, epinard, artichaut, persil, agrume, lavande, rosier, tanaisie commune, courge, origan, vigne, poirier commun, trefle blanc, mache, potiron, mais, haricot, pasteque, cosmos, tomate, basilic, fenouil, celeri, betterave, coriandre, pois, camomille allemande, kiwi, pomme de terre, asperge, concombre, aneth, chou, laitue, oignon, fraisier des bois, souci, phacelie, pommier, ciboulette, pecher, ail, carotte, poireau, cresson, radis

Cette ensemble n’est pas quelconque. Il a été choisi afin que pour tout sommet $A$ de l’ensemble et pour tout sommet $B$, on puisse toujours aller de $A$ à $B$ en utilisant une séquence d’arcs favorise (on parle de chemin allant de $A$ à $B$).
Ainsi, en choisissant $X$ et $Y$ comme deux des ingrédients principaux de la recette dans cet ensemble, nous sommes sûr qu’il existe un chemin de $X$ à $Y$ et aussi de $Y$ à $X$, ces deux chemins étant formés d’arcs favorise. Ces deux chemins vont constituer un circuit tels que ceux que nous cherchons pour concevoir notre jardin.

5. Pour le couple $(X,Y)$ choisi, utiliser/adapter les données et les codes fournis pour calculer des chemins parmi les plus courts de $X$ à $Y$ et de $Y$ à $X$. Les sommets situés sur ces chemins vont fournir un canevas de base pour choisir et placer les parcelles.
6. Envisager différentes recettes en essayant d’autres paires d’ingrédients principaux.
7. Une fois qu’un premier jardin et une première recette ont été conçus, poursuivre l’étude en développant un ou plusieurs autres programmes. Quelques pistes d’extension sont proposées ci-dessous:
   • Evaluer combien d’auxiliaires sont attirés par les plantes du jardin. Choisir entre plusieurs recettes celle ayant un jardin qui attire le plus d’auxiliaires.
   • Agrandir le jardin en essayant d’inclure plus d’ingrédients de la recette et en tirant avantage des arcs favorise partant des ingrédients déjà présents pour ajouter de nouvelles parcelles adjacentes (mais pas forcément placées autour du tas de compost).
   • Utiliser les données de bioindication fournies pour certaines espèces et évaluer si les conditions de culture favorables sont homogènes entre les différentes parcelles prévues, par exemple pour la lumière ou l’humidité.
   • Utiliser des données permettant de pondérer les arcs, comme par exemple les données fournies de coût en compost, et implémenter des traitements tels que l’algorithme de Djikstra pour calculer des chemins de poids minimal.

Un des objectifs pédagogiques principaux étant la manipulation de graphes, pour ces extensions privilégier la réalisation de nouveaux programmes parcourant les arcs et les sommets. Il est bien sûr possible d’utiliser directement les sites monpotagerorg et bioindication pour alimenter les réflexions ou vérifier des résultats obtenus par les programmes (attention toutefois à la correspondance entre les noms vernaculaires^[1] des espèces qui n’est pas de 100% entre les sites).

Enfin, noter que ces pistes d’extensions ne sont que quelques propositions, ne pas hésiter à essayer d’autres investigations à partir des données fournies ou en utilisant d’autres sources d’informations.

Données fournies

Les données sont fournies sous la forme de fichiers texte au format CSV. Ces données sont des versions nettoyées et homogénéisées, elles ont été préparées à partir des données disponibles sur les sites monpotagerorg et bioindication. Dans les fichiers les lettres majuscules ont été remplacées par des minuscules, et les accents^[2] ont été supprimés pour simplifier les traitements ultérieurs. Enfin, dans le fichier data_sommets_bioindicateurs.csv, obtenu par prétraitement du site bioindication, les noms des espèces ont été uniformisés pour correspondre aux noms provenant du site monpotagerorg.

Fichier nécessaire data_arcs.csv

Provenance des données: Par prétraitement sur les données de monpotagerorg.

Ce fichier contient 845 interactions. Chaque interaction est décrite par une espèce source, le type d’interaction et une espèce cible. Il y a 4 types d’interactions: favorise, defavorise, attire et repousse.

Exemples d’interactions présentes dans ce fichier:

Fichier optionnel data_sommets_categories.csv

Provenance des données: Par prétraitement sur les données de monpotagerorg.

Il contient les noms des 156 espèces utilisées dans data_arcs.csv et pour chaque espèce sa catégorie, parmi 8 catégories possibles:
auxiliaire (espèces plutôt favorables aux plantes), nuisible (espèces en général plutôt défavorables), arbre, aromate, cereale, fleur, fruit, legume.

Remarque: Le terme nuisible est employé ici au sens de pouvant nuire aux cultures. C’est une notion discutable et subjective.

Exemples d’espèces décrites dans le format du fichier:

Fichier optionnel data_arcs_poids.csv

Provenance des données: Fichier obtenu à partir du fichier data_arcs.csv complété avec des poids aléatoires pour les arcs favorise. Ces poids ne sont pas réalistes.

Ce fichier contient les mêmes interactions que le fichier data_arcs.csv avec en plus un poids pour chaque arc. Les arcs de type defavorise, attire et repousse ont un poids de 0. Le poids des arcs de type favorise représente la quantité de compost nécessaire lorsque l’on souhaite ajouter la parcelle de l’espèce cible à coté de la parcelle contenant l’espèce source.
Remarque: Pour des raisons de temps, nous simplifions le problème en considérant qu’il s’agit d’ajouts de parcelles de tailles standards pour les espèces cibles, sans prendre en compte les rendements attendus ni les quantités réelles d’ingrédients que l’on souhaite obtenir.

Exemples d’interactions et de poids dans le format du fichier:

Fichier optionnel data_sommets_bioindicateurs.csv

Provenance des données: Par prétraitement sur les données de bioindication.

Ce fichier contient des indicateurs concernant les environnements propices au développement de certaines espèces. Ces indicateurs ont tous été normalisés sur une échelle de 1 et 9, sauf pour l’indicateur correspondant à l’humidité du sol qui varie ici de 1 à 12.

Remarque: Ce fichier est incomplet. Les indicateurs sont présents pour environ la moitié des espèces du fichier data_arcs.csv.

Les différents indicateurs sont:

1. lumière: 1 très sombre à 9 très ensoleillé.
2. température: 1 très froide à 9 très chaude.
3. humidité: humidité du sol de 1 très sec à 12 très humide.
4. pH du milieu: 1 très acide à 9 très basique (ce n’est pas l’échelle classique de pH).
5. niveau trophique: 1 pauvre en nutriments à 9 riche en nutriments.
6. texture: texture du sol allant de 1 texture très fine (argile) à 9 texture très grossière (dalle).
7. matière organique: 1 pauvre en matière organique à 9 riche en matière organique.

Le détail de ces échelles de valeurs est fourni en annexe.

Exemples de bioindicateurs dans le format du fichier:

Exemples de codes pouvant être utiles

Lecture du fichier des arcs

import csv
with open("./data_arcs.csv", newline="") as csvfile:
    reader = csv.reader(csvfile, delimiter=";")
    
    adjacents = {} # Dictionnaire contenant comme clefs les sommets et
                   # comme valeurs la liste des sommets pouvant etre rejoints
                   # depuis le sommet designe par la clef.
                   # Seuls les arcs de type "favorise" sont retenus ici.
    
    for ligne in reader:
        source, interaction, cible = ligne
        if interaction == "favorise":
            if source not in adjacents: # si la clef n'existe pas encore
                adjacents[source] = [cible] # on cree l'entree
            else: # sinon on ajoute l'element a la liste des sommets adjacents
                adjacents[source].append(cible)
                

BFS - Test d’existence d’un chemin

Tester l’existence d’un chemin entre deux sommets dans un graphe orienté par un algorithme de type Breadth-First Search (BFS).

def existe_chemin_BFS(adjacents, depart, arrivee):
    a_explorer = [depart]
    deja_collectes = [depart]
    
    while len(a_explorer) != 0:
        courant = a_explorer.pop(0)
        
        if courant == arrivee:
            return(True)
        
        if courant in adjacents:
            for sommet in adjacents[courant]:
                if sommet not in deja_collectes:
                    a_explorer.append(sommet)
                    deja_collectes.append(sommet)
        
    return(False)

BFS - Calcul d’un plus court chemin

Déterminer un des plus courts chemins entre deux sommets dans un graphe orienté en utilisant un algorithme de type Breadth-First Search (BFS). Le programme renvoie None si il n’y a pas de chemin entre le sommet de départ et le sommet d’arrivée.

def calcul_chemin_BFS(adjacents, depart, arrivee):
    a_explorer = [depart]
    deja_collectes = [depart]
    chemins = {depart: [depart]}
    
    while len(a_explorer) != 0:
        courant = a_explorer.pop(0)
        
        if courant == arrivee:
            return(chemins[arrivee])
        
        if courant in adjacents:
            for sommet in adjacents[courant]:
                if sommet not in deja_collectes:
                    a_explorer.append(sommet)
                    deja_collectes.append(sommet)
                    chemins[sommet] = chemins[courant] + [sommet]
        
    return(None)

Dessiner un graphe avec le langage DOT

Il existe différents outils pour dessiner des graphes (logiciels, papier/crayons, modules de fonctions python, …) et le choix est libre pour cette étude.

Nous suggérons ici une façon simple d’obtenir des tracés raisonnablement lisibles de graphes, notamment pour des graphes calculés par programme. Elle consiste à décrire le graphe à l’aide du langage DOT et à utiliser ensuite un logiciel pour en obtenir le tracé (tel que la suite graphviz). Un dessin du graphe donné en introduction peut être obtenu par sa description en langage DOT suivante:

digraph {
    layout="circo"
    "thym d'hiver" -> granolle
    granolle -> tomate
    tomate -> zoumdaf
    zoumdaf -> millepertuis
    millepertuis -> "thym d'hiver"
}

Le mot digraph spécifie qu’il s’agît d’un graphe orienté. L’instruction layout=“circo” indique que les sommets doivent être préférentiellement placés en cercle. Ensuite, chaque ligne décrit un arc, en utilisant des délimiteurs guillemets pour encadrer les noms de sommets contenant des espaces. Enfin, la description se termine par une accolade, comme elle avait commencé.

Cette description est à écrire dans un fichier texte ou sur un site web de dessin de graphes en langage DOT. Nous allons illustrer ces deux possibilités, mais nous préconisons l’utilisation de la première telle que décrite dans la section suivante.

Obtention du dessin sur Linux

Sur le système Linux du bureau virtuel INSA un utilitaire est déjà installé et permet de produire le dessin d’un graphe (à partir de sa description DOT) en réalisant les étapes suivantes:

1. Copier la description dans un fichier texte, par exemple description_graphe_01.dot
2. Ouvrir une console de commande dans le dossier où se trouve ce fichier et exécuter la commande:

dot -Tpng description_graphe_01.dot -o dessin_graphe_01.png

Le nom de fichier description_graphe_01.dot désigne le fichier d’entrée. L’option -o indique le nom du fichier de sortie. L’option -Tpng indique le format de dessin souhaité (ici png, parmi les autres formats pdf est aussi possible). Pour les fichiers d’entrée, l’extension .dot est conseillée, mais ce sont de simples fichiers texte et d’autres extensions, telle que .txt sont aussi utilisables.

Obtention du dessin par un service en ligne

Il suffit dans ce cas de copier tout le texte de la description DOT du graphe sur un site offrant ce service de rendu graphique. Par exemple, copier ce texte dans la fenêtre d’édition sur le site https://edotor.net, qui fournit alors une visualisation du graphe. Sur ce site l’onglet Download permet ensuite d’obtenir une version png du dessin, et l’onglet Load sample permet d’accéder à différents exemples écrits dans le langage DOT.

Autres instructions DOT très utiles

Dans ce langage on peut placer des commentaires en débutant une ligne par #. Ceci permet ainsi de désactiver une instruction. Par exemple, un # devant l’instruction layout=“circo” va permettre de désactiver la présentation en cercle des sommets.

De nombreuse commandes sont disponibles. On notera en particulier qu’en début de description il est possible de spécifier une couleur par défaut pour tous les arcs:

# Par défaut tous les arcs seront bleus:
edge [color=Blue]

ou encore d’indiquer une étiquette par défaut sur tous les arcs:

# Par défaut tous les arcs porteront l'étiquette "favorise":
edge [label="favorise"]

Chaque arc pouvant ensuite avoir des caractéristiques de présentation qui lui sont propres. Ainsi un arc rouge avec une étiquette défavorise entre une espèce limace et zoumdaf peut être créé en ajoutant:

limace -> zoumdaf [color=Red, label="defavorise"] 

Voici le dessin obtenu avec ces différents ajouts (en désactivant également l’option layout=“circo”):

Génération par programme d’une description DOT

Voici un exemple de court programme générant dans la console (à l’aide d’instructions print) la description DOT d’un graphe aléatoire:

import random

random.seed(14)
print("digraph {")
for i in range(38):
    print(random.randint(1,24), "->", random.randint(1,24))
print("}")

Après l’avoir exécuté, on peut alors directement faire un copier/coller manuel de sa sortie. Il est aussi possible de remplacer les print par des écritures vers un fichier texte pour obtenir à l’aide du programme le fichier DOT lui-même.

A rendre

• A la fin des deux premières heures, envoyer à l’enseignant une proposition préliminaire de jardin, incluant le graphe des constituants et les arcs favorise les reliant. Envoyer le document au format pdf (ce peut être un scan d’un schéma réalisé à main levée).

• A la fin de l’étude, déposer sur l’intranet un document présentant votre recette et le jardin final. Le document sera au format pdf et comportera au plus trois pages (la taille recommandée est de deux pages en comptant les schémas et images éventuelles). Ce document inclura:

  • Le nom donné à la recette.
  • Les noms des contributeurs.
  • La catégorie dans laquelle l’étude est proposée: (1) esthétique et gourmandise, (2) algorithmes et codage, ou (3) écosystème et interactions.
  • La recette de préparation de la garniture.
  • La structure du jardin, en incluant les liens entre espèces sous la forme d’un graphe.
  • Les points forts et faibles de la proposition par rapport à la catégorie choisie.

  Le nom du fichier pdf indiquera le numéro de votre groupe de TD et les noms des participants à l’étude.

• Enfin, déposer également sur l’intranet par l’intermédiaire d’un autre lien un fichier .zip contenant les codes sources python des traitements que vous avez réalisés. Comme pour le nom du pdf, le nom de l’archive zip indiquera le numero de votre groupe de TD et les noms des participants.

Annexes

Visite rapide du site monpotagerorg

• Ouvrir la page monpotagerorg et au lancement créer un jardin vide en cliquant le bouton A partir de rien:
  

• Une petite séquence de manipulations pour tester la construction d’un jardin:

  • Chercher pommier:
    

    Cliquer pommier, dans la liste proposée, pour l’ajouter au jardin:
    
    Automatiquement apparaissent des pucerons, une espèce défavorable au pommier.

  • Ajouter framboisier qui n’a pas d’interaction avec les deux espèces précédentes.

  • Dans le graphe, sélectionner le sommet pommier pour faire apparaître sa fiche descriptive à gauche. Sur la fiche cliquer +8 dans l’inventaire:
    
    La liste des espèces favorisées par le pommier apparaît à droite. Sélectionner trèfle blanc pour l’ajouter au jardin. Il repousse les pucerons.

• Commandes divers:

  • Cliquer en bas à droite Afficher la légende pour voir les codes utilisés pour représenter les catégories d’espèces et les interactions (favorise, défavorise, attire et repousse).
  • Pour zoomer dans le graphe utiliser la molette de la souris. Pour déplacer le graphe cliquer sur l’arrière plan du graphe.
  • Cliquer sur un sommet puis sur la corbeille dans sa fiche descriptive pour supprimer le sommet.
  • Pour de nombreuses espèces, en bas de la fiche se trouvent des liens permettant d’accéder à l’entrée wikipedia correspondante et à une base de données taxonomique.
  • Sauver le jardin courant en cliquant la flèche verte:
    
  • Réinitialisation ou récupération d’un jardin sauvegardé en cliquant la double flèche:
    

Visite rapide du site bioindication

• Ouvrir la page bioindication et choisir un nom d’espace de travail. Cet espace sera sauvegarder automatiquement sur le site.

• Un espace peu contenir plusieurs inventaires. Un inventaire va contenir les espèces observées sur une zone. Pour notre étude un inventaire pourra décrire un jardin (toutes les parcelles)^[3]. Créer un inventaire en cliquant sur la bouton AJOUTER à gauche.

• Ensuite cliquer sur le bouton AJOUTER du milieu pour ajouter des espèces dans l’inventaire. Ajouter par exemple le pommier (Malus domestica), le framboisier (Rubus idaeus) et le trèfle blanc (Trifolium repens). Lors de ces ajouts il n’est pas nécessaire d’indiquer la quantité observée (il s’agit d’une unité abstraite qui a pour objet simplement de permettre d’indiquer des abondances relatives entre espèces selon la quantité observée).

• Cliquer sur l’onglet Bioindication pour voir le profil moyen favorable aux espèces contenues dans l’inventaire. Pour chaque indicateur sa valeur moyenne au sein de l’inventaire est indiquée, ainsi que son écart type (entre crochets). Moyennes et écarts types sont également indiqués sous forme graphique en rose (lignes et pastilles)^{[4] [5]}.

• Dans l’onglet Observation les liens Voir fiche permettent d’obtenir les descriptifs des espèces et leurs indicateurs propres. Remarque: les indicateurs ne sont pas renseignés pour toutes les espèces. C’est le cas par exemple pour le framboisier de l’espèce Rubus sachalinensis si c’est celui-ci qui est ajouté dans l’inventaire (au lieu de Rubus idaeus).

• L’onglet Biodiversité donne un score abstrait de biodiversité entre les espèces de l’inventaire. Ce score reflète l’éloignement de ces espèces dans l’arbre du vivant lifemap (présentation lifemap). Le bouton ACCEDER Lifemap permet de voir dans cette arbre les positions des espèces de l’inventaire.

• La suppression et le renommage d’un inventaire sont possibles en passant par l’onglet Paramètres.

• L’onglet Suggestion n’est pas fonctionnel dans cette version du site pour l’enseignement.

Accessibilité des sites et URL

Si l’un des sites indiqués dans le document n’est pas accessible ou dysfonctionne prévenir l’enseignant qui fera remonter l’information pour intervention.

Site monpotagerorg: http://monpotagerorg.herokuapp.com/

Site bioindication: https://educ.bioindication.com/

Le site bioindication contient des liens permettant d’explorer l’arbre du vivant sur lifemap:

• Site présentation lifemap: https://planet-vie.ens.fr/thematiques/manipulations-en-svt/lifemap-l-explorateur-de-l-arbre-du-vivant
• Site lifemap: http://lifemap.univ-lyon1.fr

Légendes complètes des bioindicateurs

Listes données sur bioindication:

Notes de bas de page