Les travaux menés dans cette thèse concernent le développement d'un dispositif de vision permettant l'estimation de caractéristiques géométriques d'un feu de végétation en propagation. Ce dispositif est composé de plusieurs systèmes de stéréovision multimodaux générant des paires d'images stéréoscopiques à partir desquelles des points tridimensionnels sont calculés et les caractéristiques géométriques de feu tels que sa position, vitesse, hauteur, profondeur, inclinaison, surface et volume sont estimées. La première contribution importante de cette thèse est la détection de pixels de feu de végétation. Tous les algorithmes de détection de pixels de feu de la littérature ainsi que ceux développés dans le cadre de cette thèse ont été évalués sur une base de 500 images de feux de végétation acquises dans le domaine du visible et caractérisées en fonction des propriétés du feu dans l'image (couleur, fumée, luminosité). Cinq algorithmes de détection de pixels de feu de végétation basés sur la fusion de données issues d'images acquises dans le domaine du visible et du proche-infrarouge ont également été développés et évalués sur une autre base de données composée de 100 images multimodales caractérisées. La deuxième contribution importante de cette thèse concerne l'utilisation de méthodes de fusion d'images pour l'optimisation des points appariés entre les images multimodales stéréoscopiques.La troisième contribution importante de cette thèse est l'estimation des caractéristiques géométriques de feu à partir de points tridimensionnels obtenus depuis plusieurs paires d'images stéréoscopiques et recalés à l'aide de relevés GPS et d'inclinaison de tous les dispositifs de vision.Le dispositif d'estimation de caractéristiques géométriques à partir de systèmes de stéréovision a été évalué sur des objets rigides de dimensions connues et a permis d'obtenir les informations souhaitées avec une bonne précision. Les résultats des données obtenues pour des feux de végétation en propagation sont aussi présentés. / This thesis presents the geometrical characteristics measurement of spreading vegetation fires with multimodal stereovision systems. Image processing and 3D registration are used in order to obtain a three-dimensional modeling of the fire at each instant of image acquisition and then to compute fire front characteristics like its position, its rate of spread, its height, its width, its inclination, its surface and its volume. The first important contribution of this thesis is the fire pixel detection. A benchmark of fire pixel detection algorithms and of those that are developed in this thesis have been on a database of 500 vegetation fire images of the visible spectra which have been characterized according to the fire properties in the image (color, smoke, luminosity). Five fire pixel detection algorithms based on fusion of data from visible and near-infrared spectra images have also been developed and tested on another database of 100 multimodal images. The second important contribution of this thesis is about the use of images fusion for the optimization of the matching point’s number between the multimodal stereo images.The second important contribution of this thesis is the registration method of 3D fire points obtained with stereovision systems. It uses information collected from a housing containing a GPS and an IMU card which is positioned on each stereovision systems. With this registration, a method have been developed to extract the geometrical characteristics when the fire is spreading.The geometrical characteristics estimation device have been evaluated on a car of known dimensions and the results obtained confirm the good accuracy of the device. The results obtained from vegetation fires are also presented.

Au cours des dernières décennies, la détérioration de la santé des forêts a entraîné des épidémies fréquentes des ravageurs et pathogènes. Ces phénomènes menacent la capacité des forêts à fournir des biens et services écosystémiques à la société. Il est donc nécessaire de maintenir la santé des arbres et de réduire les effets des parasites et des agents pathogènes. Cette thèse considère trois problèmes de gestion du point de vue économique : l'invasion actuelle, l'invasion attendue d'un agent pathogène, et les attaques d'un parasite endémique. À partir de ces trois problèmes de gestion, la thèse vise à évaluer les impacts des ravageurs et des pathogènes forestiers et à informer sur la manière dont les ressources peuvent être réparties de façon optimale pour assurer la fourniture de biens et de services par la forêt à long terme.Les invasions biotiques ont un impact sur les prix des produits du bois du fait des chocs d'approvisionnement qui, à leur tour, influencent les choix de gestion forestière. Ceci permet d'introduire des effets de réaction entre les dynamiques écologiques et de marché. Le premier article vise à évaluer ces impacts en combinant un modèle d’équilibre partiel avec des modèles de diffusion spatiale et de mortalité, calibrés pour représenter le dépérissement du Frêne en France (causé par le pathogène Hymenoscyphus fraxineus). Les résultats montrent que les impacts dépendent généralement de la distribution des ressources, de la propagation du pathogène et de la structure du marché. On observe que les choix d’adaptation des gestionnaires forestiers (c'est-à-dire les choix de régénération et de récolte) sont une composante non négligeable de la perte de volume totale.Le deuxième article est axé sur la surveillance et le contrôle d’une invasion attendue. La surveillance et la détection précoce des espèces envahissantes sont importantes pour atténuer les dommages et réduire les coûts de contrôle. Dans le cas où plusieurs propriétaires sont concernés, l’effort de surveillance des propriétaires plus proches du point d'introduction n’est pas optimal, car il ne prend pas en compte les effets négatifs de l'invasion dans les propriétés voisines. Grâce à un jeu différentiel, combiné à un modèle épidémiologique, nous avons calculé la solution non coopérative et coopérative. Nous avons conçu un paiement monétaire pour soutenir la coopération en fonction d'une décomposition intertemporelle du système de négociation de Nash. Les résultats nous montrent que ce paiement garantit que l’accord entre les deux propriétaires est crédible et incitatif. Le modèle est calibré pour l’éventuelle invasion du nématode du pin (Bursaphelenchus xylophilus) dans le Massif Landais.L'objectif principal du troisième article est d'adapter la gestion forestière aux perturbations biotiques et abiotiques. On combine le modèle classique de Faustmann avec un modèle dynamique de population de ravageurs et un modèle de tempête pour calculer l'âge de coupe optimale et le bénéfice actualisé en séquence infinie (BASI) pour différents scénarios de perturbations. Le modèle est appliqué aux dégâts de la chenille processionnaire du pin (Thaumetopoea pityocampa) dans les Landes. Nos résultats ont montré que les tempêtes ont tendance à réduire l'âge optimal de la récolte, alors que le parasite tend à l'augmenter. Les éclaircies augmentent la rentabilité et constituent une stratégie de couverture efficace contre les deux risques. Dans le troisième article, nous avons introduit une règle de décision cut-or-keep pour modéliser le problème du propriétaire forestier après une tempête. Ces implications en termes de gestion sont étudiées plus en détail dans le quatrième article. Notre règle de décision conduit à des gains plus élevés (dans environ 75% des cas) qu’en suivant la règle, généralement utilisée en économie, qui consiste à couper et à replanter les arbres survivants indépendamment du niveau de dégâts. / In recent decades, the deterioration of forest health resulted in frequent pests’ outbreaks and the diffuse pathogens’ presence. These phenomena threaten forests’ ability to supply ecosystem goods and services to the society. It is therefore necessary to maintain tree health and reduce pest’s and pathogen’s impacts. This thesis approaches three management problems from an economic perspective such as the current invasion and the incumbent invasion of a forest pathogen as well as the outbreaks of a native pest. Starting from these three pest and pathogen management problems, the thesis aims at assessing the impacts of forest pests and pathogens and, secondly, informing how resources can be optimally allocated for assuring the long-term provision of good and services.Pest and pathogens invasions have an impact on the prices of wood products via supply shocks, which, in turn, influence forest management choices, thus introducing feedback effects between market and ecological dynamics at a large scale. The first paper aims at evaluating these impacts by combining a recursive partial equilibrium model with spatial-explicit pathogen-spread and pathogen-induced mortality models calibrated to represent the ash dieback in France (caused by the pathogen Hymenoscyphus fraxineus). Results showed that impacts are not homogeneous across regions and generally depend on the resource distribution, pathogen spread and market structure. We observed that the behavioural adaptation of forest managers (i.e., regeneration and harvesting choices) is a non-negligible component of the total standing volume loss.The second paper focusses on monitoring and control of an incumbent invasion. Monitoring and early detection of invasive species is important to mitigate the damages and reduce the control costs. However, when multiple decision-makers are involved, the monitoring effort of frontier landowners (landowners closer to the introduction point) is suboptimal because it does not consider the negative impacts of the invasion spreading to neighbouring properties. Through a two-player differential game combined with an epidemiological compartmental model, we computed the non-cooperative and the cooperative solution. We designed a monetary payment to sustain cooperation based on an intertemporal decomposition of the Nash bargaining scheme. We showed that this payment assured time-consistent outcomes, meaning that the ex-ante agreement between the two landowners was credible and self-enforcing. The model was calibrated for the possible invasion of the pine wilt nematode (Bursaphelenchus xylophilus) in south-western France.In the last two papers, the analysis is downscaled from the landscape level to the stand level and concentrates on a native defoliator pest. The main objective of the third paper is to adapt forest management to biotic and abiotic disturbances. The classic Faustmann model was combined with a pest population model and a windstorm model to compute the optimal rotation age and the land expectation value (LEV) for different disturbances scenarios. The model was calibrated for maritime pine (Pinus pinaster) plantations in south-western France and Pine Processionary Moth (PPM, Thaumetopoea pityocampa) cyclical outbreaks. Our results showed that storms tend to reduce the optimal harvest age, whereas PPM tends to increase it. Overall, the impact of PPM on the rotation length prevails and, here, risks increase rather than decrease the optimal rotation length. Thinnings increased profitability and constitute an effective hedging strategy against both risks. In the third paper, we introduced a cut-or-keep decision rule to model the forest owner problem after a storm event. Its economic and management implications are further investigated in the fourth paper. Unlike previous economic studies which assumed clearing and replanting regardless of the level of damages, the cut-or-keep condition led to higher payoffs in roughly 75% of the cases.

L’évaluation de performance de modèles est une étape fondamentale de leur développement et amélioration. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit est consacré l’évaluation des modèles de propagation des incendies des forêts. Une revue des travaux a montré que si de nombreux éléments étaient disponibles, aucune solution normalisée et automatisable était proposée dans ce champ applicatif. Une solution à ce problème est proposée en déclinant une approche formelle développée dans le cadre de la théorie de la modélisation et simulation. Cette étape a permis de déterminer conceptuellement quels composants devaient être développés et comment les interconnecter.La réalisation de ce cadre a requis premièrement la normalisation de données disponibles pour les incendies de forêts, aucun standard de fichier ou même nomenclature n’étant disponible et/ou utilisé par les modélisateurs ou ingénieurs (observations ou simulation). Un ensemble de nom, notation et format d’encodage des données dans un conteneur NetCDF a pour cela été proposée. Une seconde étape a consisté à déterminer les métriques nécessaires à quantifier les erreurs de simulation (score de simulation). Si quatre méthodes standard ont pu être identifiées dans la littérature, nous avons pu montrer qu’elles se limitaient à la comparaison à un instant donné, ne pouvant donc rendre compte de la performance de la dynamique d’une simulation incendie. Cette problématique a été traitée en proposant deux nouvelles méthodes de calcul de score spécifiques. Ces différentes méthodes d’évaluations ont étés implantées au sein d’une bibliothèque de calcul. Enfin la réalisation d’une évaluation de modèles a été réalisée à l’aide d’une implantation du cadre définit précédemment. Cette évaluation a consisté à confronter quatre formulations de modèles de vitesse de front de flammes effectué sur 80 simulations d’incendies réels de manière complètement automatique. L’automatisation, et le non ajustement de paramètres, a ainsi permis de se rapprocher au plus près du contexte opérationnel où peu d’information locale est disponible, peu de temps après l’alerte de l’éclosion d’un incendie. Les résultats ont démontrés que cette approche est de nature à laisser apparaître une hiérarchie des performances de paramétrisations ou formulation relativement à une autre, sans toutefois être en mesure de donner une mesure absolue et objective de l’erreur modèle. / Performance evaluation of models is a fundamental step towards an efficient development and improvement. The research work presented in this manuscript is devoted to the evaluation of forest fire simulation models. Review of current work showed that if many elements were available, there were not any standardized and automated solutions proposed in this field. A solution for this problem is thus proposed, built upon a formal approach from the theory of modelling and simulation. This formal framework allowed to identify conceptually which components should be developed and how they would be interconnected.Realization of this frame required to start with a normalization of available wildfires data, as no standardized file or even nomenclature were available and/or used by all modellers and engineers (observations or simulation). A set of standard notation and name as well as a standard encoding data format in a scientific container NetCDF is proposed along with associated software.A second step is devoted to the identification of the scoring methods required to quantify the simulation error. If four standard methods have been defined in the literature, we have shown that these methods were limited for the comparison at specific time, not reporting clearly the performance of the simulation dynamics. This issue has been solved by proposing two new specific score calculation. These different evaluations methods are implanted in an open source computation library.Eventually, the realization of models evaluation was performed using an implementation of the proposed experimental frame. This evaluation consisted to confront four formulations of flame front velocity models on 80 real wildfire simulations in a fully automatic way. Because it was automatic, it implied that no parameters adjustments could be performed by an operator after the fire was observed; being more representative of an operational context with little information available immediately after a fire has been reported.The results have shown that this approach, while unable to provide an absolute measure of the model error is capable to reveal a hierarchy of performances between parameterizations or formulations.

La modélisation de la propagation des feux de forêt est une matière complexe pouvant être abordée de différentes manières (approche physique, semi-physique, empirique). Nombre de simulateurs existent avec chacun leurs particularités, leurs avantages et leurs points faibles. Les travaux qui ont conduits à la rédaction de cette thèse visent à l’amélioration du modèle physique simplifié de propagation de Balbi et al, 2007 ainsi qu’à la pose des premières pierres visant à le faire évoluer vers un modèle de comportement du feu. Ils se sont articulés autour de 3 grands axes :• La modélisation de la propagation d’un feu de surface avec pour principal moteur le transfert de chaleur radiatif. Cette modélisation à conduit à réaliser des améliorations concernant la formulation de la vitesse à plat sans vent. Elle a enfin conduit à caractériser de deux critères d’extinction portant sur des valeurs critique de deux paramètres du combustible (l’indice de surface foliaire et de la teneur en eau du combustible).• La quantification de l’énergie rayonnée par le front de flamme. Cette quantification, a été réalisée en prenant pour hypothèse le modèle de flamme solide. Cette approche a conduit à l’obtention d’une relation analytique permettant l’évaluation des Distances de Sécurité Admissibles (DSA) dans un temps très restreint.• L’étude de sensibilité des différents résultats obtenus afin de valider l’ensemble de ceux-ci et identifier l’influence relative des différents paramètres / Modeling the spread of forest fires is a complex affair which can be examined in different ways (physical, semi-physical, empirical). Numerous simulators exist, each one bearing its own particularities, benefits and weak points. The work which has led to the writing of this thesis aims at improving the simplified physical model of fire propagation (Balbi et al, 2007), as well as at laying down the first foundation stones of what will favor an evolution towards a fire behavioral pattern. This study is based upon three main themes :• Modeling the spread of a surface fire with the main engine the radiative heat transfer. This modeling leads to achieve improvements in the formulation of its speed on flat ground, without wind. It finally led to the characterization of two criteria of extinction with characterization of critical values of two parameters (leaf area index and the water content of the fuel).• Quantification of the energy radiating from the flame front. This quantification was performed assuming the solid flame model. This approach has led to obtaining an analytical relationship for the evaluation of Admissible Safety Distance (ASD) in a very short time. • Sensitivity analysis of the different results attained in order to confirm them as a whole and identify the relative influence of various parameters.