Le but des systèmes de recherche d'images est de diriger rapidement l'utilisateur vers des contenus qui sont pertinents par rapport à la requête qu'il a formulée. Après une présentation de la problématique et un état d'art du domaine, cette thèse présente nos contributions dans le cadre de l'apprentissage avec très peu d'exemples qui est propre à l'imagerie satellitaire. Ces contributions se situent principalement autour de l'utilisation de méthodes semi-supervisées pour exploiter l'information contenue dans les données non-labellisées et pallier en quelque sorte la faiblesse et la non-exhaustivité des bases d'apprentissage. Nous présentons deux scénarios d'utilisation de méthodes semi-supervisées. Le premier se place dans le cadre d'un système d'annotation automatique d'images. Le but est alors de détecter les structures inconnues, c'est à dire les ensembles cohérents de données qui ne sont pas représentées dans la base d'apprentissage et ainsi de guider l'utilisateur dans son exploration de la base. Le second scénario concerne les systèmes de recherche interactive d'images. L'idée est d'exploiter une structuration des données, sous la forme d'un clustering par exemple, pour accélérer l'apprentissage (i.e. minimiser le nombre d'itérations de feedback) dans le cadre d'un système avec boucle de pertinence. La nouveauté de nos contributions se situe autour du fait que la plupart des méthodes semi-supervisées ne permettent pas de travailler avec de gros volumes de données comme on en rencontre en imagerie satellitaire ou alors ne sont pas temps-réel ce qui est problématique dans un système avec retour de pertinence où la fluidité des interactions avec l'utilisateur est à privilégier. Un autre problème qui justifie nos contributions est le fait que la plupart des méthodes semi-supervisées font l'hypothèse que la distribution des données labellisées suit la distribution des données non labellisées, hypothèse qui n'est pas vérifiée dans notre cas du fait de la non-exhaustivité des bases d'apprentissage et donc de l'existence de structures inconnues au niveau des données non labellisées. La dernière partie de cette thèse concerne un système de recherche d'objets à l'intérieur d'un schéma de type apprentissage actif. Une stratégie de type "coarse-to-fine" est introduite pour autoriser l'analyse de la base d'images à une taille de patch beaucoup plus "fine" tout en maintenant un nombre raisonnable d'évaluations de la fonction de décision du classificateur utilisé à chaque itération de la boucle d'apprentissage actif. L'idée est d' élaguer de grandes parties de la base de données à une échelle d'analyse dite "grossière'', afin de réserver un traitement plus complexe et plus coûteux sur des zones restreintes et plus prometteuses des images.

Les tâches de vision artificielle telles que la reconnaissance d’objets demeurent irrésolues à ce jour. Les algorithmes d’apprentissage tels que les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), représentent une approche prometteuse permettant d’apprendre des caractéristiques utiles pour ces tâches. Ce processus d’optimisation est néanmoins difficile. Les réseaux profonds à base de Machine de Boltzmann Restreintes (RBM) ont récemment été proposés afin de guider l’extraction de représentations intermédiaires, grâce à un algorithme d’apprentissage non-supervisé. Ce mémoire présente, par l’entremise de trois articles, des contributions à ce domaine de recherche. Le premier article traite de la RBM convolutionelle. L’usage de champs réceptifs locaux ainsi que le regroupement d’unités cachées en couches partageant les même paramètres, réduit considérablement le nombre de paramètres à apprendre et engendre des détecteurs de caractéristiques locaux et équivariant aux translations. Ceci mène à des modèles ayant une meilleure vraisemblance, comparativement aux RBMs entraînées sur des segments d’images. Le deuxième article est motivé par des découvertes récentes en neurosciences. Il analyse l’impact d’unités quadratiques sur des tâches de classification visuelles, ainsi que celui d’une nouvelle fonction d’activation. Nous observons que les RNAs à base d’unités quadratiques utilisant la fonction softsign, donnent de meilleures performances de généralisation. Le dernière article quand à lui, offre une vision critique des algorithmes populaires d’entraînement de RBMs. Nous montrons que l’algorithme de Divergence Contrastive (CD) et la CD Persistente ne sont pas robustes : tous deux nécessitent une surface d’énergie relativement plate afin que leur chaîne négative puisse mixer. La PCD à "poids rapides" contourne ce problème en perturbant légèrement le modèle, cependant, ceci génère des échantillons bruités. L’usage de chaînes tempérées dans la phase négative est une façon robuste d’adresser ces problèmes et mène à de meilleurs modèles génératifs. / High-level vision tasks such as generic object recognition remain out of reach for modern Artificial Intelligence systems. A promising approach involves learning algorithms, such as the Arficial Neural Network (ANN), which automatically learn to extract useful features for the task at hand. For ANNs, this represents a difficult optimization problem however. Deep Belief Networks have thus been proposed as a way to guide the discovery of intermediate representations, through a greedy unsupervised training of stacked Restricted Boltzmann Machines (RBM). The articles presented here-in represent contributions to this field of research. The first article introduces the convolutional RBM. By mimicking local receptive fields and tying the parameters of hidden units within the same feature map, we considerably reduce the number of parameters to learn and enforce local, shift-equivariant feature detectors. This translates to better likelihood scores, compared to RBMs trained on small image patches. In the second article, recent discoveries in neuroscience motivate an investigation into the impact of higher-order units on visual classification, along with the evaluation of a novel activation function. We show that ANNs with quadratic units using the softsign activation function offer better generalization error across several tasks. Finally, the third article gives a critical look at recently proposed RBM training algorithms. We show that Contrastive Divergence (CD) and Persistent CD are brittle in that they require the energy landscape to be smooth in order for their negative chain to mix well. PCD with fast-weights addresses the issue by performing small model perturbations, but may result in spurious samples. We propose using simulated tempering to draw negative samples. This leads to better generative models and increased robustness to various hyperparameters.

Les avancés dans le domaine de l’intelligence artificielle, permettent à des systèmes informatiques de résoudre des tâches de plus en plus complexes liées par exemple à la vision, à la compréhension de signaux sonores ou au traitement de la langue. Parmi les modèles existants, on retrouve les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), dont la popularité a fait un grand bond en avant avec la découverte de Hinton et al. [22], soit l’utilisation de Machines de Boltzmann Restreintes (RBM) pour un pré-entraînement non-supervisé couche après couche, facilitant grandement l’entraînement supervisé du réseau à plusieurs couches cachées (DBN), entraînement qui s’avérait jusqu’alors très difficile à réussir. Depuis cette découverte, des chercheurs ont étudié l’efficacité de nouvelles stratégies de pré-entraînement, telles que l’empilement d’auto-encodeurs traditionnels(SAE) [5, 38], et l’empilement d’auto-encodeur débruiteur (SDAE) [44]. C’est dans ce contexte qu’a débuté la présente étude. Après un bref passage en revue des notions de base du domaine de l’apprentissage machine et des méthodes de pré-entraînement employées jusqu’à présent avec les modules RBM, AE et DAE, nous avons approfondi notre compréhension du pré-entraînement de type SDAE, exploré ses différentes propriétés et étudié des variantes de SDAE comme stratégie d’initialisation d’architecture profonde. Nous avons ainsi pu, entre autres choses, mettre en lumière l’influence du niveau de bruit, du nombre de couches et du nombre d’unités cachées sur l’erreur de généralisation du SDAE. Nous avons constaté une amélioration de la performance sur la tâche supervisée avec l’utilisation des bruits poivre et sel (PS) et gaussien (GS), bruits s’avérant mieux justifiés que celui utilisé jusqu’à présent, soit le masque à zéro (MN). De plus, nous avons démontré que la performance profitait d’une emphase imposée sur la reconstruction des données corrompues durant l’entraînement des différents DAE. Nos travaux ont aussi permis de révéler que le DAE était en mesure d’apprendre, sur des images naturelles, des filtres semblables à ceux retrouvés dans les cellules V1 du cortex visuel, soit des filtres détecteurs de bordures. Nous aurons par ailleurs pu montrer que les représentations apprises du SDAE, composées des caractéristiques ainsi extraites, s’avéraient fort utiles à l’apprentissage d’une machine à vecteurs de support (SVM) linéaire ou à noyau gaussien, améliorant grandement sa performance de généralisation. Aussi, nous aurons observé que similairement au DBN, et contrairement au SAE, le SDAE possédait une bonne capacité en tant que modèle générateur. Nous avons également ouvert la porte à de nouvelles stratégies de pré-entraînement et découvert le potentiel de l’une d’entre elles, soit l’empilement d’auto-encodeurs rebruiteurs (SRAE). / Progress in the machine learning domain allows computational system to address more and more complex tasks associated with vision, audio signal or natural language processing. Among the existing models, we find the Artificial Neural Network (ANN), whose popularity increased suddenly with the recent breakthrough of Hinton et al. [22], that consists in using Restricted Boltzmann Machines (RBM) for performing an unsupervised, layer by layer, pre-training initialization, of a Deep Belief Network (DBN), which enables the subsequent successful supervised training of such architecture. Since this discovery, researchers studied the efficiency of other similar pre-training strategies such as the stacking of traditional auto-encoder (SAE) [5, 38] and the stacking of denoising auto-encoder (SDAE) [44]. This is the context in which the present study started. After a brief introduction of the basic machine learning principles and of the pre-training methods used until now with RBM, AE and DAE modules, we performed a series of experiments to deepen our understanding of pre-training with SDAE, explored its different proprieties and explored variations on the DAE algorithm as alternative strategies to initialize deep networks. We evaluated the sensitivity to the noise level, and influence of number of layers and number of hidden units on the generalization error obtained with SDAE. We experimented with other noise types and saw improved performance on the supervised task with the use of pepper and salt noise (PS) or gaussian noise (GS), noise types that are more justified then the one used until now which is masking noise (MN). Moreover, modifying the algorithm by imposing an emphasis on the corrupted components reconstruction during the unsupervised training of each different DAE showed encouraging performance improvements. Our work also allowed to reveal that DAE was capable of learning, on naturals images, filters similar to those found in V1 cells of the visual cortex, that are in essence edges detectors. In addition, we were able to verify that the learned representations of SDAE, are very good characteristics to be fed to a linear or gaussian support vector machine (SVM), considerably enhancing its generalization performance. Also, we observed that, alike DBN, and unlike SAE, the SDAE had the potential to be used as a good generative model. As well, we opened the door to novel pre-training strategies and discovered the potential of one of them : the stacking of renoising auto-encoders (SRAE).

Cette thèse porte sur une classe d'algorithmes d'apprentissage appelés architectures profondes. Il existe des résultats qui indiquent que les représentations peu profondes et locales ne sont pas suffisantes pour la modélisation des fonctions comportant plusieurs facteurs de variation. Nous sommes particulièrement intéressés par ce genre de données car nous espérons qu'un agent intelligent sera en mesure d'apprendre à les modéliser automatiquement; l'hypothèse est que les architectures profondes sont mieux adaptées pour les modéliser. Les travaux de Hinton (2006) furent une véritable percée, car l'idée d'utiliser un algorithme d'apprentissage non-supervisé, les machines de Boltzmann restreintes, pour l'initialisation des poids d'un réseau de neurones supervisé a été cruciale pour entraîner l'architecture profonde la plus populaire, soit les réseaux de neurones artificiels avec des poids totalement connectés. Cette idée a été reprise et reproduite avec succès dans plusieurs contextes et avec une variété de modèles. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons les architectures profondes comme des biais inductifs. Ces biais sont représentés non seulement par les modèles eux-mêmes, mais aussi par les méthodes d'entraînement qui sont souvent utilisés en conjonction avec ceux-ci. Nous désirons définir les raisons pour lesquelles cette classe de fonctions généralise bien, les situations auxquelles ces fonctions pourront être appliquées, ainsi que les descriptions qualitatives de telles fonctions. L'objectif de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension du succès des architectures profondes. Dans le premier article, nous testons la concordance entre nos intuitions---que les réseaux profonds sont nécessaires pour mieux apprendre avec des données comportant plusieurs facteurs de variation---et les résultats empiriques. Le second article est une étude approfondie de la question: pourquoi l'apprentissage non-supervisé aide à mieux généraliser dans un réseau profond? Nous explorons et évaluons plusieurs hypothèses tentant d'élucider le fonctionnement de ces modèles. Finalement, le troisième article cherche à définir de façon qualitative les fonctions modélisées par un réseau profond. Ces visualisations facilitent l'interprétation des représentations et invariances modélisées par une architecture profonde. / This thesis studies a class of algorithms called deep architectures. We argue that models that are based on a shallow composition of local features are not appropriate for the set of real-world functions and datasets that are of interest to us, namely data with many factors of variation. Modelling such functions and datasets is important if we are hoping to create an intelligent agent that can learn from complicated data. Deep architectures are hypothesized to be a step in the right direction, as they are compositions of nonlinearities and can learn compact distributed representations of data with many factors of variation. Training fully-connected artificial neural networks---the most common form of a deep architecture---was not possible before Hinton (2006) showed that one can use stacks of unsupervised Restricted Boltzmann Machines to initialize or pre-train a supervised multi-layer network. This breakthrough has been influential, as the basic idea of using unsupervised learning to improve generalization in deep networks has been reproduced in a multitude of other settings and models. In this thesis, we cast the deep learning ideas and techniques as defining a special kind of inductive bias. This bias is defined not only by the kind of functions that are eventually represented by such deep models, but also by the learning process that is commonly used for them. This work is a study of the reasons for why this class of functions generalizes well, the situations where they should work well, and the qualitative statements that one could make about such functions. This thesis is thus an attempt to understand why deep architectures work. In the first of the articles presented we study the question of how well our intuitions about the need for deep models correspond to functions that they can actually model well. In the second article we perform an in-depth study of why unsupervised pre-training helps deep learning and explore a variety of hypotheses that give us an intuition for the dynamics of learning in such architectures. Finally, in the third article, we want to better understand what a deep architecture models, qualitatively speaking. Our visualization approach enables us to understand the representations and invariances modelled and learned by deeper layers.

La présente thèse s'intéresse à l'utilisation de méta-données textuelles pour l'analyse d'image. Nous cherchons à utiliser ces informations additionelles comme supervision faible pour l'apprentissage de modèles de reconnaissance visuelle. Nous avons observé un récent et grandissant intérêt pour les méthodes capables d'exploiter ce type de données car celles-ci peuvent potentiellement supprimer le besoin d'annotations manuelles, qui sont coûteuses en temps et en ressources. Nous concentrons nos efforts sur deux types de données visuelles associées à des informations textuelles. Tout d'abord, nous utilisons des images de dépêches qui sont accompagnées de légendes descriptives pour s'attaquer à plusieurs problèmes liés à la reconnaissance de visages. Parmi ces problèmes, la vérification de visages est la tâche consistant à décider si deux images représentent la même personne, et le nommage de visages cherche à associer les visages d'une base de données à leur noms corrects. Ensuite, nous explorons des modèles pour prédire automatiquement les labels pertinents pour des images, un problème connu sous le nom d'annotation automatique d'image. Ces modèles peuvent aussi être utilisés pour effectuer des recherches d'images à partir de mots-clés. Nous étudions enfin un scénario d'apprentissage multimodal semi-supervisé pour la catégorisation d'image. Dans ce cadre de travail, les labels sont supposés présents pour les données d'apprentissage, qu'elles soient manuellement annotées ou non, et absentes des données de test. Nos travaux se basent sur l'observation que la plupart de ces problèmes peuvent être résolus si des mesures de similarité parfaitement adaptées sont utilisées. Nous proposons donc de nouvelles approches qui combinent apprentissage de distance, modèles par plus proches voisins et méthodes par graphes pour apprendre, à partir de données visuelles et textuelles, des similarités visuelles spécifiques à chaque problème. Dans le cas des visages, nos similarités se concentrent sur l'identité des individus tandis que, pour les images, elles concernent des concepts sémantiques plus généraux. Expérimentalement, nos approches obtiennent des performances à l'état de l'art sur plusieurs bases de données complexes. Pour les deux types de données considérés, nous montrons clairement que l'apprentissage bénéficie de l'information textuelle supplémentaire résultant en l'amélioration de la performance des systèmes de reconnaissance visuelle.

Depuis les années 2000, un progrès significatif est enregistré dans les travaux de recherche qui proposent l’apprentissage de détecteurs d’objets sur des grandes bases de données étiquetées manuellement et disponibles publiquement. Cependant, lorsqu’un détecteur générique d’objets est appliqué sur des images issues d’une scène spécifique les performances de détection diminuent considérablement. Cette diminution peut être expliquée par les différences entre les échantillons de test et ceux d’apprentissage au niveau des points de vues prises par la(les) caméra(s), de la résolution, de l’éclairage et du fond des images. De plus, l’évolution de la capacité de stockage des systèmes informatiques, la démocratisation de la "vidéo-surveillance" et le développement d’outils d’analyse automatique des données vidéos encouragent la recherche dans le domaine du trafic routier. Les buts ultimes sont l’évaluation des demandes de gestion du trafic actuelles et futures, le développement des infrastructures routières en se basant sur les besoins réels, l’intervention pour une maintenance à temps et la surveillance des routes en continu. Par ailleurs, l’analyse de trafic est une problématique dans laquelle plusieurs verrous scientifiques restent à lever. Ces derniers sont dus à une grande variété dans la fluidité de trafic, aux différents types d’usagers, ainsi qu’aux multiples conditions météorologiques et lumineuses. Ainsi le développement d’outils automatiques et temps réel pour l’analyse vidéo de trafic routier est devenu indispensable. Ces outils doivent permettre la récupération d’informations riches sur le trafic à partir de la séquence vidéo et doivent être précis et faciles à utiliser. C’est dans ce contexte que s’insèrent nos travaux de thèse qui proposent d’utiliser les connaissances antérieurement acquises et de les combiner avec des informations provenant de la nouvelle scène pour spécialiser un détecteur d’objet aux nouvelles situations de la scène cible. Dans cette thèse, nous proposons de spécialiser automatiquement un classifieur/détecteur générique d’objets à une scène de trafic routier surveillée par une caméra fixe. Nous présentons principalement deux contributions. La première est une formalisation originale de transfert d’apprentissage transductif à base d’un filtre séquentiel de type Monte Carlo pour la spécialisation automatique d’un classifieur. Cette formalisation approxime itérativement la distribution cible inconnue au départ, comme étant un ensemble d’échantillons de la base spécialisée à la scène cible. Les échantillons de cette dernière sont sélectionnés à la fois à partir de la base source et de la scène cible moyennant une pondération qui utilise certaines informations a priori sur la scène. La base spécialisée obtenue permet d’entraîner un classifieur spécialisé à la scène cible sans intervention humaine. La deuxième contribution consiste à proposer deux stratégies d’observation pour l’étape mise à jour du filtre SMC. Ces stratégies sont à la base d’un ensemble d’indices spatio-temporels spécifiques à la scène de vidéo-surveillance. Elles sont utilisées pour la pondération des échantillons cibles. Les différentes expérimentations réalisées ont montré que l’approche de spécialisation proposée est performante et générique. Nous avons pu y intégrer de multiples stratégies d’observation. Elle peut être aussi appliquée à tout type de classifieur. De plus, nous avons implémenté dans le logiciel OD SOFT de Logiroad les possibilités de chargement et d’utilisation d’un détecteur fourni par notre approche. Nous avons montré également les avantages des détecteurs spécialisés en comparant leurs résultats avec celui de la méthode Vu-mètre de Logiroad. / Since 2000, a significant progress has been recorded in research work which has proposed to learn object detectors using large manually labeled and publicly available databases. However, when a generic object detector is applied on images of a specific scene, the detection performances will decrease considerably. This decrease may be explained by the differences between the test samples and the learning ones at viewpoints taken by camera(s), resolution, illumination and background images. In addition, the storage capacity evolution of computer systems, the "video surveillance" democratization and the development of automatic video-data analysis tools have encouraged research into the road-traffic domain. The ultimate aims are the management evaluation of current and future trafic requests, the road infrastructures development based on real necessities, the intervention of maintenance task in time and the continuous road surveillance. Moreover, traffic analysis is a problematicness where several scientific locks should be lifted. These latter are due to a great variety of traffic fluidity, various types of users, as well multiple weather and lighting conditions. Thus, developing automatic and real-time tools to analyse road-traffic videos has become an indispensable task. These tools should allow retrieving rich data concerning the traffic from the video sequence and they must be precise and easy to use. This is the context of our thesis work which proposes to use previous knowledges and to combine it with information extracted from the new scene to specialize an object detector to the new situations of the target scene. In this thesis, we propose to automatically specialize a generic object classifier/detector to a road traffic scene surveilled by a fixed camera. We mainly present two contributions. The first one is an original formalization of Transductive Transfer Learning based on a sequential Monte Carlo filter for automatic classifier specialization. This formalization approximates iteratively the previously unknown target distribution as a set of samples composing the specialized dataset of the target scene. The samples of this dataset are selected from both source dataset and target scene further to a weighting step using some prior information on the scene. The obtained specialized dataset allows training a specialized classifier to the target scene without human intervention. The second contribution consists in proposing two observation strategies to be used in the SMC filter’s update step. These strategies are based on a set of specific spatio-temporal cues of the video surveillance scene. They are used to weight the target samples. The different experiments carried out have shown that the proposed specialization approach is efficient and generic. We have been able to integrate multiple observation strategies. It can also be applied to any classifier / detector. In addition, we have implemented into the Logiroad OD SOFT software the loading and utilizing possibilities of a detector provided by our approach. We have also shown the advantages of the specialized detectors by comparing their results to the result of Logiroad’s Vu-meter method.

La prévision des séries temporelles est un problème qui est traité depuis de nombreuses années. On y trouve des applications dans différents domaines tels que : la finance, la médecine, le transport, etc. Dans cette thèse, on s’est intéressé aux méthodes issues de l’apprentissage artificiel : les réseaux de neurones et les SVM. On s’est également intéressé à l’intérêt des méta-méthodes pour améliorer les performances des prédicteurs, notamment l’approche locale. Dans une optique de diviser pour régner, les approches locales effectuent le clustering des données avant d’affecter les prédicteurs aux sous ensembles obtenus. Nous présentons une modification dans l’algorithme d’apprentissage des réseaux de neurones récurrents afin de les adapter à cette approche. Nous proposons également deux nouvelles techniques de clustering, la première basée sur les cartes de Kohonen et la seconde sur les arbres binaires. / Time series forecasting is a widely discussed issue for many years. Researchers from various disciplines have addressed it in several application areas : finance, medical, transportation, etc. In this thesis, we focused on machine learning methods : neural networks and SVM. We have also been interested in the meta-methods to push up the predictor performances, and more specifically the local models. In a divide and conquer strategy, the local models perform a clustering over the data sets before different predictors are affected into each obtained subset. We present in this thesis a new algorithm for recurrent neural networks to use them as local predictors. We also propose two novel clustering techniques suitable for local models. The first is based on Kohonen maps, and the second is based on binary trees.

Le suivi, le contrôle et la surveillance (MCS) des pêches marines sont des problèmes essentiels pour la gestion durable des ressources halieutiques. Dans cette thèse, nous étudions le suivi spatial des activités des navires de pêche en utilisant les données de trajectoire du système de surveillance des navires (VMS) dans le cadre du projet INDESO (2013-2017). Notre objectif général est de développer une chaîne de traitement des données VMS afin de: i) effectuer un suivi de l'effort de pêche des flottilles de palangriers indonésiens, ii) détecter les activités de pêche illégales et évaluer leur importance. L'approche proposée repose sur des modèles de mélange gaussien (GMM) et les modèles de Markov cachés (HMM), en vue d'identifier les comportements élémentaires des navires de pêche, tels que les voyages, la recherche et les activités de pêche, dans un cadre non supervisé. Nous considérons différentes paramétrisations de ces modèles avec une étude particulière des palangriers indonésiens, pour lesquels nous pouvons bénéficier de données d'observateurs embarqués afin de procéder à une évaluation quantitative des modèles proposés et testés.Nous exploitons ensuite ces modèles statistiques pour deux objectifs différents: a) la discrimination des différents flottilles de pêche à partir des trajectoires des navires de pêche et l'application à la détection et à l'évaluation des activités de pêche illégale, b) l'évaluation d'un effort de pêche spatialisé à partir des données VMS. Nous obtenons de très bons taux de reconnaissance (environ 97%) pour la première tâche et nos expériences soutiennent le potentiel d'une exploration opérationnelle de l'approche proposée. En raison du nombre limité de données d'observateurs embarqués, seules des analyses préliminaires on pu être effectuées pour l'estimation de l'effort de pêche à partir des données VMS. Au-delà des développements méthodologiques potentiels, cette thèse met l'accent sur l'importance de la qualité de données d'observation en mer représentatives pour développer davantage l'exploitation des données VMS tant pour la recherche que pour les questions opérationnelles. / Monitoring, control and surveillance (MCS) of marine fisheries are critical issues for the sustainable management of marine fisheries. In this thesis we investigate the space-based monitoring of fishing vessel activities using Vessel Monitoring System (VMS) trajectory data in the context of INDESO project (2013-2017). Our general objective is to develop a processing chain of VMS data in order to: i) perform a follow-up of the fishing effort of the Indonesian longline fleets, ii) detect illegal fishing activities and assess their importance. The proposed approach relies on classical latent class models, namely Gaussian Mixture Models (GMM) and Hidden Markov Models (HMM), with a view to identifying elementary fishing vessel behaviors, such as travelling, searching and fishing activities, in a unsupervised framework. Following state-of-the-art approaches, we consider different parameterizations of these models with a specific focus on Indonesian longliners, for which we can benefit from at-sea observers¿ data to proceed to a quantitative evaluation. We then exploit these statistical models for two different objectives: a) the discrimination of different fishing fleets from fishing vessel trajectories and the application to the detection and assessment of illegal fishing activities, b) the assessment of a spatialized fishing effort from VMS data. We report good recognition rate (about 97%) for the former task and our experiments support the potential for an operational exploration of the proposed approach. Due to limited at-sea observers¿ data, only preliminary analyses could be carried out for the proposed VMS-derived fishing effort. Beyond potential methodological developments, this thesis emphasizes the importance of high-quality and representative at-sea observer data for further developing the exploitation of VMS data both for research and operational issues.

La prise de conscience des problèmes d'environnement et des effets directs et indirects des activités humaines a conduit à renforcer la surveillance haute fréquence des écosystèmes marins par l'installation de stations de mesures multicapteurs autonomes. Les capteurs, installés dans des milieux hostiles, sont sujets à des périodes de calibration, d'entretien voire des pannes et sont donc susceptibles de générer des données bruitées, manquantes voire aberrantes qu'il est nécessaire de filtrer et compléter avant toute exploitation ultérieure. Dans ce contexte, l'objectif du travail est de concevoir un système numérique automatisé robuste capable de traiter de tel volume de données afin d’améliorer les connaissances sur la qualité des systèmes aquatiques, et plus particulièrement en considérant le déterminisme et la dynamique des efflorescences du phytoplancton. L'étape cruciale est le développement méthodologique de modèles de prédiction des efflorescences du phytoplancton permettant aux utilisateurs de disposer de protocoles adéquats. Nous proposons pour cela l'emploi du modèle de Markov caché hybridé pour la détection et la prédiction des états de l'environnement (caractérisation des phases clefs de la dynamique et des caractéristiques hydrologiques associées). L'originalité du travail est l'hybridation du modèle de Markov par un algorithme de classification spectrale permettant un apprentissage non supervisé conjoint de la structure, sa caractérisation et la dynamique associée. Cette approche a été appliquée sur trois bases de données réelles : la première issue de la station marine instrumentée MAREL Carnot (Ifremer) (2005-2009), la seconde d’un système de type Ferry Box mis en œuvre en Manche orientale en 2012 et la troisième d’une station de mesures fixe, installée le long de la rivière Deûle en 2009 (Agence de l’Eau Artois Picardie - AEAP). Le travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration étroite entre l'IFREMER, le LISIC/ULCO et l'AEAP afin de développer des systèmes optimisés pour l’étude de l’effet des activités anthropiques sur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques et plus particulièrement dans le contexte des efflorescences de l’algue nuisible, Phaeocystis globosa. / Because of the growing interest for environmental issues and to identify direct and indirect effects of anthropogenic activities on ecosystems, environmental monitoring programs have recourse more and more frequently to high resolution, autonomous and multi-sensor instrumented stations. These systems are implemented in harsh environment and there is a need to stop measurements for calibration, service purposes or just because of sensors failure. Consequently, data could be noisy, missing or out of range and required some pre-processing or filtering steps to complete and validate raw data before any further investigations. In this context, the objective of this work is to design an automatic numeric system able to manage such amount of data in order to further knowledge on water quality and more precisely with consideration about phytoplankton determinism and dynamics. Main phase is the methodological development of phytoplankton bloom forecasting models giving the opportunity to end-user to handle well-adapted protocols. We propose to use hybrid Hidden Markov Model to detect and forecast environment states (identification of the main phytoplankton bloom steps and associated hydrological conditions). The added-value of our approach is to hybrid our model with a spectral clustering algorithm. Thus all HMM parameters (states, characterisation and dynamics of these states) are built by unsupervised learning. This approach was applied on three data bases: first one from the marine instrumented station MAREL Carnot (Ifremer) (2005-2009), second one from a Ferry Box system implemented in the eastern English Channel en 2012 and third one from a freshwater fixed station in the river Deûle in 2009 (Artois Picardie Water Agency). These works fall within the scope of a collaboration between IFREMER, LISIC/ULCO and Artois Picardie Water Agency in order to develop optimised systems to study effects of anthropogenic activities on aquatic systems functioning in a regional context of massive blooms of the harmful algae, Phaeocystis globosa.

La plupart des systèmes de recommandation actuels se base sur des évaluations sous forme de notes (i.e., chiffre entre 0 et 5) pour conseiller un contenu (film, restaurant...) à un utilisateur. Ce dernier a souvent la possibilité de commenter ce contenu sous forme de texte en plus de l'évaluer. Il est difficile d'extraire de l'information d'un texte brut tandis qu'une simple note contient peu d'information sur le contenu et l'utilisateur. Dans cette thèse, nous tentons de suggérer à l'utilisateur un texte lisible personnalisé pour l'aider à se faire rapidement une opinion à propos d'un contenu. Plus spécifiquement, nous construisons d'abord un modèle thématique prédisant une description de film personnalisée à partir de commentaires textuels. Notre modèle sépare les thèmes qualitatifs (i.e., véhiculant une opinion) des thèmes descriptifs en combinant des commentaires textuels et des notes sous forme de nombres dans un modèle probabiliste joint. Nous évaluons notre modèle sur une base de données IMDB et illustrons ses performances à travers la comparaison de thèmes. Nous étudions ensuite l'inférence de paramètres dans des modèles à variables latentes à grande échelle, incluant la plupart des modèles thématiques. Nous proposons un traitement unifié de l'inférence en ligne pour les modèles à variables latentes à partir de familles exponentielles non-canoniques et faisons explicitement apparaître les liens existants entre plusieurs méthodes fréquentistes et Bayesiennes proposées auparavant. Nous proposons aussi une nouvelle méthode d'inférence pour l'estimation fréquentiste des paramètres qui adapte les méthodes MCMC à l'inférence en ligne des modèles à variables latentes en utilisant proprement un échantillonnage de Gibbs local. Pour le modèle thématique d'allocation de Dirichlet latente, nous fournissons une vaste série d'expériences et de comparaisons avec des travaux existants dans laquelle notre nouvelle approche est plus performante que les méthodes proposées auparavant. Enfin, nous proposons une nouvelle classe de processus ponctuels déterminantaux (PPD) qui peut être manipulée pour l'inférence et l'apprentissage de paramètres en un temps potentiellement sous-linéaire en le nombre d'objets. Cette classe, basée sur une factorisation spécifique de faible rang du noyau marginal, est particulièrement adaptée à une sous-classe de PPD continus et de PPD définis sur un nombre exponentiel d'objets. Nous appliquons cette classe à la modélisation de documents textuels comme échantillons d'un PPD sur les phrases et proposons une formulation du maximum de vraisemblance conditionnel pour modéliser les proportions de thèmes, ce qui est rendu possible sans aucune approximation avec notre classe de PPD. Nous présentons une application à la synthèse de documents avec un PPD sur 2 à la puissance 500 objets, où les résumés sont composés de phrases lisibles. / Most of current recommendation systems are based on ratings (i.e. numbers between 0 and 5) and try to suggest a content (movie, restaurant...) to a user. These systems usually allow users to provide a text review for this content in addition to ratings. It is hard to extract useful information from raw text while a rating does not contain much information on the content and the user. In this thesis, we tackle the problem of suggesting personalized readable text to users to help them make a quick decision about a content. More specifically, we first build a topic model that predicts personalized movie description from text reviews. Our model extracts distinct qualitative (i.e., which convey opinion) and descriptive topics by combining text reviews and movie ratings in a joint probabilistic model. We evaluate our model on an IMDB dataset and illustrate its performance through comparison of topics. We then study parameter inference in large-scale latent variable models, that include most topic models. We propose a unified treatment of online inference for latent variable models from a non-canonical exponential family, and draw explicit links between several previously proposed frequentist or Bayesian methods. We also propose a novel inference method for the frequentist estimation of parameters, that adapts MCMC methods to online inference of latent variable models with the proper use of local Gibbs sampling.~For the specific latent Dirichlet allocation topic model, we provide an extensive set of experiments and comparisons with existing work, where our new approach outperforms all previously proposed methods. Finally, we propose a new class of determinantal point processes (DPPs) which can be manipulated for inference and parameter learning in potentially sublinear time in the number of items. This class, based on a specific low-rank factorization of the marginal kernel, is particularly suited to a subclass of continuous DPPs and DPPs defined on exponentially many items. We apply this new class to modelling text documents as sampling a DPP of sentences, and propose a conditional maximum likelihood formulation to model topic proportions, which is made possible with no approximation for our class of DPPs. We present an application to document summarization with a DPP on 2 to the power 500 items, where the summaries are composed of readable sentences.