Ce travail de thèse a pour objet une méthode de détermination du champ électromagnétique au voisinage des bâtiments urbains, ainsi que l’évaluation de l’incertitude associée, liée aux paramètres variables des façades. Cette étude met en oeuvre une méthode théorique, précise et rapide de caractérisation du champ électromagnétique réfléchi par des objets diffractants diélectriques de taille supérieure à quelques longueurs d’onde. La réflexion comprend la rétrodiffusion, la réflexion spéculaire et la réflexion non-spéculaire. La méthode se trouve dans la catégorie des techniques basées sur les courants équivalents et calcule le rayonnement de ces courants à l’aide des fonctions de Green associées à l’interface entre deux diélectriques semi-infinis. Les fonctions de Green tiennent compte de la présence de l’objet diffractant correctement dans toutes les directions, c’est pourquoi la méthode proposée ici présente une précision plus importante que les méthodes du même type, particulièrement dans les directions nonspéculaires. La méthode peut être appliquée dans différents domaines : radar, télédétection, géophysique, et plus particulièrement dans l’environnement urbain dans le cadre de cette thèse. Un modèle simple de bâtiment urbain, composé des murs (en béton) et des fenêtres (en verre), est adopté dans les exemples présentés au cours du manuscrit, avec l’avantage de tenir compte simplement du type et de l’épaisseur des fenêtres. La méthode des fonctions de Green étant rapide et peu exigeante en temps de calcul et en ressources informatiques, elle permet d’obtenir une caractérisation rapide du champ, et en conséquence de déterminer l’influence de plusieurs paramètres intervenant dans le calcul du champ au voisinage d’un bâtiment via des études paramétriques/statistiques. L’influence de la variation de plusieurs paramètres est approfondie par des études statistiques. Parmi ces paramètres citons : la permittivité du matériau principal de la façade, la distribution des fenêtres, les dimensions (la largeur et la hauteur) des fenêtres et le type du vitrage (l’épaisseur des fenêtres). La connaissance des paramètres influents et la quantification de leur influence sur le champ réfléchi permettront aux simulateurs de la propagation d’onde de faire des simplifications qui accélèrent le temps de calcul tout en maintenant une bonne précision des résultats. Ce travail pourra être utilisé afin d’obtenir des modèles de propagation plus précis / This study presents a theoretical, fast and accurate method for characterizing the electromagnetic fields reflected by dielectric objects larger than a few wavelengths. The method is based on equivalent currents whose radiation is calculated by the Green's functions associated with the interface between two semi-infinite dielectrics. The Green's functions take into account the presence of the diffracting object correctly in all directions ; the proposed method presents thus a greater accuracy than other methods of the same type. The method being not very demanding in computation time and computer resources, it makes possible to determine the influence of several parameters involved in calculating the field in the vicinity of a building through statistical studies. These studies will allow propagation simulators to make simplifications that speed up the computation time while maintaining good accuracy

Les applications des systèmes de positionnement par satellites (GNSS) se sont largement répandues dans les transports urbains. Certaines applications exigent cependant une grande fiabilité qui ne tolère pas d’erreurs de positionnement importantes. Malheureusement, les environnements urbains présentent de grands défis pour les GNSS à cause de l'existence d’effets locaux. Le concept d'intégrité GNSS, qui est défini comme une mesure de confiance placée dans l'exactitude des informations fournies par le système de navigation qualifie cette exigence. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances de précision et d'intégrité GNSS en milieu urbain. Deux directions de travail ont été prises : La première direction consiste à caractériser les erreurs de mesure GNSS afin d'améliorer la précision. Plusieurs modèles d'erreur existant sont étudiés. Un modèle hybride est proposé qui implique la contribution de la carte numérique en 3D. La seconde direction contribue aux techniques de détection et d'exclusion des défauts (FDE) afin d'améliorer l'intégrité de la position GNSS. Différentes méthodes FDE sont comparées avec des données GPS collectées dans des canyons urbains. Les FDE améliore la précision dans une première étape. Le calcul du niveau de protection horizontal (HPL) est ajouté en 2ème étape. Une nouvelle méthode de calcul HPL prenant en compte un potentiel défaut immédiatement antérieur est proposée. Enfin, ces deux directions de travail sont combinées afin de construire un système complet de surveillance de l'intégrité. Les résultats avec les données réelles montrent que la précision et l'intégrité du positionnement sont améliorées avec le système proposé. / In the last decades, Global Navigation Satellite System (GNSS)-based positioning systems are increasingly spread in urban environments, where great challenges exist for GNSS because of the local effects. Yet, for new GNSS land applications, knowing the certainty of one's localization is of great importance especially for the liability/safety critical applications. The concept of GNSS integrity, which is defined as a measure of trust to be placed in the correctness of the information supplied by the total system, can help to meet this requirement. The main objective of this PhD research work is to improve the accuracy and integrity performances of GNSS positioning in urban environments. Two research directions were investigated: The first direction consists of GNSS measurement error characterizations in order to improve the positioning accuracy. Several error models existing in the literature are evaluated. A new hybrid model is proposed while involving the digital map. The second direction contributes to the Fault Detection and Exclusion (FDE) techniques so as to improve the GNSS integrity. Different FDE methods are investigated and compared with real GPS data collected in urban canyons. The computation of Horizontal Protection Level (HPL) is added at the next step. A new method of HPL computation by taking into consideration of the potential prior fault is proposed. Then, these two research directions are combined together so that a complete integrity monitoring scheme is constructed. The results with real GPS data collected in urban canyons show that the positioning accuracy and integrity can be improved by the proposed scheme compared to the traditional approaches.

La qualité de l'air en milieu urbain fait désormais partie des préoccupations des autorités responsables des grandes agglomérations. Les décideurs ont besoin d'outils permettant la surveillance de la pollution atmosphérique. Actuellement, il est impossible de connaître précisément la distribution spatiale des polluants. Les associations en charge de la qualité de l'air sont donc très intéressées par tous les moyens susceptibles d'affiner cette connaissance. La télédétection est un de ces moyens, aussi nous nous sommes attachés, au cours de cette thèse, à apporter des éléments de réponse utiles aux praticiens. L'analyse d'images-radar à synthèse d'ouverture (RSO), de l'agglomération nantaise, nous a permis de définir les facteurs influençant la perception de l'environnement urbain dans les images-radar. De cette analyse a découlé une étude pour cartographier la rugosité aérodynamique sur toute la ville. Ce paramètre, caractérisant la morphologie locale, est nécessaire à la modélisation de la dispersion des polluants au-dessus des villes. Nous avons utilisé pour cette cartographie des images-radar seules ou employées conjointement à l'imagerie optique. Une autre étude a été menée visant à obtenir une méthode innovante, faisant usage des données optiques en infrarouge thermique, pour cartographier la distribution spatiale du champ de concentration des particules en suspension (fumées noires). Des facteurs pouvant influencer les interactions entre les polluants et les autres bandes spectrales, du visible et de l'infrarouge, ont été étudiés. Dans un souci d'opérationnalité, que ce soit avec l'imagerie radar ou optique, les résultats des nouvelles méthodes ont été comparés avec ceux obtenus avec des méthodes conventionnelles.

Cette thèse porte sur les défis en matière de surveillance de la fiabilité de la navigation par GNSS pour les applications de véhicules terrestres dans les milieux urbains. L'objectif principal de cette recherche est de développer des méthodes de positionnement avec confiance en utilisant des mesures GNSS et des mesures de confiance pour l'utilisateur dans des environnements urbains contraintes. Dans la première partie de la thèse, les erreurs NLOS en milieu urbain sont caractérisées par un modèle 3D de l'environnement urbain. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons proposé une technique de surveillance de la fiabilité dans le domaine des mesures GNSS pour l'environnement urbain en utilisant un capteur de vitesse fiable. Enfin, nous avons développé une nouvelle expérimentale de surveillance de l'intégrité pour le positionnement en milieu urbain. En surveillant de la statistique de test contre un seuil spécifique, l'intégrité et la continuité de positionnement sont fixés à un certain niveau de confiance. En outre, le calcul de niveau de protection horizontale (HPL) en utilisant une approche composite a également été proposé. / This thesis addresses the challenges in reliability monitoring of GNSS aided navigation for land vehicle applications in urban environments. The main objective of this research is to develop methods of trusted positioning using GNSS measurements and confidence measures for the user in constrained urban environments. In the first part of the thesis, the NLOS errors in urban settings are characterized by means of a 3D model of the urban surrounding. For the second part of the thesis, the work proposes a reliability monitoring technique in the range domain for urban environ ment using a trusted velocity sensor. Finally, the research developed a novel experimental scheme in integrity monitoring for positioning in urban environment. By monitoring the test statistic against a specific threshold, the positioning integrity and continuity are met at a certain level of confidence. In addition, the Horizontal Protection Level (HPL) computation using a composite approach has also been proposed.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la robotique mobile et plus précisément dans le cadre de la localisation de véhicules en environnement urbain. Notre tâche a consisté à extraire le maximum d'informations sur le déplacement d'un système de stéréo-vision non-calibré embarqué à bord d'un véhicule en s'appuyant sur l'environnement structuré que forme les rues. L'objectif de cette étude est d'estimer le déplacement d'un véhicule lorsque la configuration de l'environnement s'oppose à sa localisation par un système de géo-référencement satellitaire.<br /><br />Une modélisation polyhédrique des rues qui forment l'environnement urbain de cette étude permet de segmenter trois plans principaux : la route et les façades verticales des bâtiments qui délimitent l'espace de navigation. La segmentation du plan de la route est facilitée par la matérialisation des voies de navigation et autres trottoirs ou terre-pleins, parallèles entre eux au premier plan, qui sont à l'origine dans les images de contours qui convergent vers un point de fuite dominant.<br /><br />Les conditions d'illumination et la présence d'obstacles dynamiques qui obstruent le champ de vision compliquent la tâche de suivi des plans segmentés. L'emploi d'une paire stéréo permet à chaque nouvelle pose de déterminer quelles sont les régions des images qui correspondent aux plans segmentés en calculant l'homographie induite par chaque plan entre les deux images de la paire. Le déplacement du véhicule étant supposé plan, ses mouvements d'inclinaison et de lacet influent peu sur chacune des homographies estimées entre les images de la paire stéréo. Nous possédons ainsi un outil fiable de segmentation des plans principaux qui forment l'environnement.<br /><br />L'estimation du déplacement entre deux poses de chaque caméra consiste à estimer l'homographie induite par le mouvement relatif du plan considéré. Le calcul est entrepris grâce à la mise en correspondance des primitives (points, droites) détectées dans les régions planaires segmentées. La précision et la fiabilité des résultats dépendent essentiellement de la répartition spatiale des primitives mises en correspondance.<br /><br />L'introduction de la notion de super-homographie permet de robustifier les estimations des homographies en calculant de manière simultanée toutes les homographies induites par un même plan, observé dans plusieurs images. La redondance des contraintes imposées par le mouvement relatif des primitives coplanaires mises en correspondance améliore l'estimation du mouvement de la projection du plan dans les différentes images. L'apport de la super-homographie est double : elle permet de détecter d'éventuelles erreurs de mise en correspondance et fournit une estimée des coordonnées des primitives coplanaires avec une précision sub-pixellique. Lorsque la calibration de la paire stéréo est connue, la trajectographie du véhicule peut être estimée en décomposant l'homographie relative au mouvement d'une des caméras, extraite de la super-homographie.

Sept ans après l'application de la loi sur l'air de 1996, toutes les villes de France de plus de 100 000 habitants possèdent désormais un réseau de surveillance de la qualité de l'air. La qualité de l'air s'améliore progressivement selon certaines études. Pour autant, des effets néfastes sur la santé des habitants et l'environnement subsistent. Il devient nécessaire de caractériser au mieux le risque induit par la pollution. Cela passe par une meilleure connaissance de la distribution spatiale des polluants. L'analyse des outils actuels de surveillance montre que cette dernière information n'est actuellement pas disponible en zone urbaine et à petite résolution spatiale. Pourtant ces outils sont complémentaires pour une bonne compréhension de la distribution spatiale des polluants. De cette analyse, nous proposons une méthode de fusion de toutes les informations pour une meilleure cartographie de la pollution atmosphérique en milieu urbain. La démarche repose sur la possibilité de cartographier les petites structures d'un champ de concentration de polluants, appelé « champ typique ». La cartographie est effectuée en densifiant le nombre de points pris pour une cartographie par interpolation. Cette étude est menée en trois étapes. La première étape concerne la caractérisation des stations de mesures et de la ville entière. Des images satellitaires Landsat, des mesures in situ, un cadastre d'émission et une base de données géographiques sont utilisés pour définir des « cartes d'identité ». La deuxième étape met à profit ces cartes d'identité pour localiser des « pseudostations », lieux de la ville présentant des attributs similaires à une station de mesures. Enfin la dernière étape s'intéresse à l'estimation de la concentration en polluants par télédétection. Les pseudostations deviennent alors des stations virtuelles. La démarche est originale dans le sens où elle fait appel à des données de sources diverses qui permettent d'assurer une cohérence de la cartographie entre les échelles spatiales.

Le domaine principal de cette thèse s’intéresse aux conséquences du changement climatique et des actions de rénovation dans le bâtiment sur les réseaux urbains de chaleur, ainsi qu’aux performances environnementales de ces derniers afin d’évaluer leur potentiel dans le futur. Dans ce but, deux modèles complémentaires ont été développés :•Un modèle dynamique de prévision de la demande de chaleur d’un bâtiment. Ce modèle repose sur une analogie thermoélectrique et a comme entrées, non exclusivement, des données climatiques et des scénarii de rénovation. Les résultats de ce modèle ont été comparés avec ceux d’un logiciel de référence (Energie Plus) : les erreurs sont acceptables. Ce modèle est générique et peut être utilisé dans différentes zones géographiques à l’échelle du quartier. Il a été appliqué sur des quartiers à Nantes et Lisbonne;•Un modèle d’évaluation environnementale (reposant sur le concept d’empreinte énergétique, éMergie) de réseau urbain de chauffage a été conçu. Ce modèle est générique et permet de tester différentes technologies de production et de distribution de chaleur. Il a été appliqué sur des applications en Suède et en Serbie;Les résultats des différentes applications indiquent que la nouvelle génération des réseaux urbains de chaleur ayant une infrastructure compacte (utilisant des matériaux à faible impact environnemental) et une production de chaleur à base de ressources renouvelables ou assimilées pourraient être une solution porteuse d’avenir. Cependant, pour maintenir la rentabilité de tels projets, la réduction de la consommation de chaleur des clients, conséquence en direct du changement climatique et en indirect des incitations aux rénovations du bâti, devrait être considérée dès la phase de conception, et intégrée dans de nouveaux business-plan afin de maintenir des prix de vente de la chaleur attractifs. / The main scope of this thesis is to assess the impacts of changed weather conditions and building renovation on district heating systems in the future, as well as the environmental performance of such systems within the urban environment, in order to evaluate the potential of district heating in the future. In order to do so, two models were developed:•A dynamic model for heat demand forecast, based on the thermo-electrical analogy, that takes into account weather and building renovation scenarios. The model had a satisfactory precision, and it can be applied on any location for a given number of buildings, which was proved on the example of multiple case studies;•An environmental assessment model (based onemergy theory) for the assessment of district heating systems environmental performance within the urban environment. The approach can be applied on any type of district heating systems, as well as on competitive urban heating technologies, which was proved by the application on multiple systems within the case studies considered;The results from case studies indicate that the new generation of district heating systems with compact infrastructure (made of non-environmentally intensive materials) and renewable heat production could be a solution for providing sustainable heating services to urban environments. However, in order to maintain the feasibility of these projects, potential heat demand reductions caused by the direct and indirect impacts of climate change should be considered during the design phase, along with the development of new business plans in order to maintain relatively low prices of district heating services. Moreover, the difference between these impacts in different climate types should be considered.

Dans cette recherche, un modèle de propagation d'ondes de choc sur grandes distances sur un environnement urbain est construit et validé. L'approche consiste à utiliser l'Equation Parabolique Nonlinéaire (NPE) comme base. Ce modèle est ensuite étendu afin de prendre en compte d'autres effets relatifs à la propagation du son en milieu extérieur (surfaces non planes, couches poreuses, etc.). La NPE est résolue en utilisant la méthode des différences finies et donne des résultats en accord avec d'autres méthodes numériques. Ce modèle déterministe est ensuite utilisé comme base pour la construction d'un modèle stochastique de propagation sur environnements urbains. La Théorie de l'Information et le Principe du Maximum d'Entropie permettent la construction d'un modèle probabiliste d'incertitudes intégrant la variabilité du système dans la NPE. Des résultats de référence sont obtenus grâce à une méthode exacte et permettent ainsi de valider les développements théoriques et l'approche utilisée

Ce travail de thèse a pour objet une méthode de détermination du champ électromagnétique au voisinage des bâtiments urbains, ainsi que l'évaluation de l'incertitude associée, liée aux paramètres variables des façades. Cette étude met en oeuvre une méthode théorique, précise et rapide de caractérisation du champ électromagnétique réfléchi par des objets diffractants diélectriques de taille supérieure à quelques longueurs d'onde. La réflexion comprend la rétrodiffusion, la réflexion spéculaire et la réflexion non-spéculaire. La méthode se trouve dans la catégorie des techniques basées sur les courants équivalents et calcule le rayonnement de ces courants à l'aide des fonctions de Green associées à l'interface entre deux diélectriques semi-infinis. Les fonctions de Green tiennent compte de la présence de l'objet diffractant correctement dans toutes les directions, c'est pourquoi la méthode proposée ici présente une précision plus importante que les méthodes du même type, particulièrement dans les directions nonspéculaires. La méthode peut être appliquée dans différents domaines : radar, télédétection, géophysique, et plus particulièrement dans l'environnement urbain dans le cadre de cette thèse. Un modèle simple de bâtiment urbain, composé des murs (en béton) et des fenêtres (en verre), est adopté dans les exemples présentés au cours du manuscrit, avec l'avantage de tenir compte simplement du type et de l'épaisseur des fenêtres. La méthode des fonctions de Green étant rapide et peu exigeante en temps de calcul et en ressources informatiques, elle permet d'obtenir une caractérisation rapide du champ, et en conséquence de déterminer l'influence de plusieurs paramètres intervenant dans le calcul du champ au voisinage d'un bâtiment via des études paramétriques/statistiques. L'influence de la variation de plusieurs paramètres est approfondie par des études statistiques. Parmi ces paramètres citons : la permittivité du matériau principal de la façade, la distribution des fenêtres, les dimensions (la largeur et la hauteur) des fenêtres et le type du vitrage (l'épaisseur des fenêtres). La connaissance des paramètres influents et la quantification de leur influence sur le champ réfléchi permettront aux simulateurs de la propagation d'onde de faire des simplifications qui accélèrent le temps de calcul tout en maintenant une bonne précision des résultats. Ce travail pourra être utilisé afin d'obtenir des modèles de propagation plus précis

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.