Observer, modéliser, anticiper : les jumeaux numériques du système Terre
Dans le monde de l’industrie, de la santé ou des transports, les jumeaux numériques révolutionnent la conception et la gestion de systèmes complexes. Ces répliques numériques dynamiques d’objets, de procédés ou de territoires, nourries en continu par de la donnée, permettent de simuler, tester et optimiser le comportement d’un système avant même d’intervenir sur le terrain.
Appliqué à la planète Terre, ce concept prend une toute autre dimension. Les jumeaux numériques du système Terre visent à reproduire notre environnement pour mieux en comprendre le fonctionnement et anticiper son évolution. L’intérêt de ces outils résident dans le fait qu’ils peuvent agir à l’échelle locale pour une ville comme à l’échelle globale pour l’étude du climat.
Répliquer la Terre pour mieux la comprendre
Ces répliques numériques combinent un ensemble de modèles physiques et environnementaux avec des données issues de multiples sources. L’objectif est de représenter le plus fidèlement possible les mécanismes naturels à l’œuvre, dans l’océan, l’atmosphère ou sur les terres émergées.
En Europe, cette vision se concrétise par l’initiative Destination Earth (DestinE) qui ambitionne de construire un double numérique de notre planète afin d’explorer différents scénarios climatiques et environnementaux. En ajustant les paramètres d’entrée, on peut ainsi simuler les effets d’une politique publique, de trajectoires d’émissions ou d’évènements climatiques extrêmes. Cet outil permet donc de comprendre et anticiper ce qui pourrait se produire demain en testant virtuellement des futurs possibles.
Le spatial, source essentielle de connaissances
Les jumeaux numériques du système Terre s’appuient sur un apport fondamental : les données spatiales. Grâce aux satellites d’observation, il devient possible de générer des répliques numériques couvrant un vaste territoire, avec une continuité temporelle et une précision jusqu’alors inégalée.
Les missions spatiales fournissent des observations homogènes sur des décennies, essentielles pour analyser les tendances à long terme en étudiant par exemple l’évolution du trait de côte, la déforestation, les températures de surface, l’humidité des sols, etc. Elles permettent aussi d’observer les territoires mal instrumentés ou difficilement accessibles, garantissant une vision globale et cohérente du système Terre.
Ainsi, le spatial constitue la colonne vertébrale des jumeaux numériques en offrant les données nécessaires pour construire les modèles et valider les simulations.
Anticipation et adaptation : de nouveaux horizons
La force des jumeaux numériques réside dans leur capacité à projeter le présent dans le futur. En croisant données réelles et modélisations, ils permettent de simuler des scénarios à court terme, comme une crue ou une submersion marine, ou à long terme en intégrant les effets du changement climatique.
Ces outils deviennent de véritables aides à la décision pour accompagner les politiques d’adaptation : gestion du littoral, aménagement de territoires urbains, préservation des ressources, etc. Ils permettent aussi d’évaluer l’efficacité des solutions envisagées, qu’elles soient fondées sur la nature ou sur des infrastructures artificielles.
Le CNES, en lien avec le Space for Climate Observatory (SCO), développe cette approche à travers plusieurs projets concrets sur les littoraux. Ces initiatives démontrent l’intérêt d’une approche locale et opérationnelle du jumeau numérique, directement utile aux territoires.
La Digital Twin Factory : construire les jumeaux de demain
Pour encourager cette dynamique le CNES a lancé la Digital Twin Factory, un programme visant à promouvoir et à diffuser des logiciels capables de tirer parti des données spatiales pour créer des jumeaux numériques.
Cette initiative vise à rendre ces outils accessibles à l’ensemble des acteurs de l’industrie, de la recherche, des institutions publiques et des collectivités afin de favoriser la co-construction d’applications et de services adaptés aux enjeux climatiques et environnementaux.
Cette boite à outils fournie des briques intégrées allant de la collecte de données multimodales (satellites, in-situ, statistiques), des fonctions de transformations ou de modélisation 3D, de simulation et d’interaction.
Après la construction du jumeau numérique géospatial à partir des briques DTF, voici le parcours d’utilisation prévu pour l’utilisateur final :
1. Collecter la donnée (EODag, GEODES, Hydroweb.next)
On commence par aller chercher toutes les informations utiles : images satellites, mesures sur le terrain, jeux de données publics, etc. Le module Data Collect sait se connecter à chaque source, en particulier les portails de données CNES, et récupérer automatiquement ce qui servira au jumeau numérique.
2. Mettre la donnée au bon format (ARTEMIS)
Une fois les données récupérées, l’étape Data Transform les prépare : on les convertit, on les aligne et on les rend compatibles entre elles pour qu’elles puissent être croisées et visualisées facilement.
3. Produire de la valeur ajoutée (BULLDOZER, CARS, MODELES AI4GEO, BATHYMAKER)
L’étape Data Processing applique les traitements spécialisés du CNES pour transformer la donnée brute en information utile (Usage des sols, topographie, bathymétrie, indicateurs, etc.). À ce stade, l’ensemble des données – brutes, préparées ou traitées – est rassemblé dans le “réplica numérique”, la base de référence du jumeau numérique.
4. Explorer et interagir (COCKPIT)
Grâce au Cockpit, l’utilisateur peut ensuite visualiser toutes ces données, comprendre l’état actuel du système et créer des scénarios : « que se passe-t-il si… ? ».
5. Lancer des simulations (SYMPHONIE*, TELEMAC*)
Pour répondre à ces questions, certaines données du réplica sont préparées pour alimenter un modèle physique. La simulation est ensuite lancée sur un supercalculateur pour prédire ce qui pourrait arriver.
6. Comprendre les impacts (COCKPIT)
Les résultats de la simulation reviennent enrichir le réplica numérique. Depuis le Cockpit, l’utilisateur peut alors comparer différents scénarios, analyser les effets et prendre de meilleures décisions.
*briques non CNES ;
**Les briques présentées ici sont les premières intégrées dans la DTF ; la plateforme est conçue pour s’enrichir progressivement de nouveaux modules tout au long du projet.
En associant l’expertise spatiale et les technologies de pointe, la Digital Twin Factory construit une nouvelle génération d’outils pour comprendre, prévoir et agir face aux transformations du système Terre.
