Les travaux de recherche exposés dans cette thèse sont consacrés à la mise au point d'une chaîne opérationnelle de copiage direct d'objet de formes complexes permettant, à partir de la numérisation 3D de l'objet par un capteur laser plan, d'obtenir une copie par usinage à 5 axes. Dans l'optique de réalisation d'une copie conforme du point de vue qualité géométrique visuelle nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'étape de préparation du nuage de points en vue de l'usinage en 5 axes positionné. Nous proposons une nouvelle approche de découpage automatique du nuage de points en paquets basée sur la minimisation de la longueur des lignes de recouvrements entre paquets. Le découpage proposé s'appuie sur le Nous démontrons au travers d'applications diverses la faisabilité de la démarche développée ainsi que sa pertinence pour des applications de prototypage rapide.

Compte tenu de la fréquence élevée et de l'impact majeur des inondations, les décideurs, les acteurs des municipalités et le ministère de la sécurité publique ont un besoin urgent de disposer d'outils permettant de prédire ou d'évaluer l'importance des inondations et leur impact sur la population. D'après les statistiques, le premier étage des bâtiments, ainsi que les ouvertures inférieures, sont plus susceptibles de subir des dommages lors d'une inondation. Ainsi, dans le cadre de l'évaluation de l'impact des inondations, il serait nécessaire d'identifier l'emplacement de l'ouverture la plus basse des bâtiments et surtout sa hauteur par rapport au sol. Le système de balayage laser mobile (MLS) monté sur un véhicule s'est avéré être l'une des sources les plus fiables pour caractériser les bâtiments. Il peut produire des millions de points géoréférencés en 3D avec un niveau de détail suffisant, grâce à son point de vue depuis la rue et sa proximité. De plus, l'augmentation du nombre de jeux de données, issues des MLS acquis dans les villes et les environnements ruraux, permet de développer des approches pour caractériser les maisons résidentielles à l'échelle provinciale. Plusieurs défis sont associés à l'extraction d'informations descriptives des façades de bâtiments à l'aide de données MLS. Ainsi, les occlusions devant une façade rendent impossible l'obtention de points 3D sur ces parties de la façade. Aussi, comme les fenêtres sont principalement constituées de verre, qui ne réfléchit pas les signaux laser, les points disponibles pour celles-ci sont généralement limités. De plus, les approches de détection exploitent la répétitivité et les positions symétriques des ouvertures sur la façade. Mais ces caractéristiques sont absentes pour des maisons rurales et résidentielles. Finalement, la variabilité de la densité de points dans les données MLS rend difficile le processus de détection lorsqu'on travaille à l'échelle d'une ville. Par conséquent, l'objectif principal de cette recherche est de concevoir et de développer une approche globale d'extraction efficace des ouvertures présentes sur une façade. La solution proposée se compose de trois phases: l'extraction des façades, la détection des ouvertures et l'identification des occlusions. La première phase utilise une approche de segmentation adaptative par croissance de régions pour extraire la boîte englobante 3D de la façade. La deuxième phase combine la détection de trous avec une technique de maillage pour extraire les boîtes englobantes 2D des ouvertures. La dernière phase, qui vise à discriminer les occlusions des ouvertures, est en cours d'achèvement. Des évaluations qualitatives et quantitatives ont été réalisées à l'aide d'un jeu de données réelles, fourni par Jakarto Cartographie 3D Inc., de la province de Québec, au Canada. Les statistiques ont révélé que l'approche proposée pouvait obtenir de bons taux de performance malgré la complexité du jeu de données, représentatif des données acquises en situation réelle. Les défis concernant l'auto-occlusion de certaines façades et la présence de grandes occlusions environnantes seront à étudier plus en profondeur afin d'obtenir des informations plus précises sur les ouvertures des façades. / Given the high frequency and major impact of floods, decision-makers, stakeholders in municipalities and public security ministry are in the urgent need to have tools allowing to predict or assess the significance of flood events and their impact on the population. Based on statistics, the first floor of the buildings, as well as the lower openings, are more likely subject to potential damage during a flood event. Thus, in the context of flood impact assessment, it would be required identifying the location of the buildings' lowest opening and especially its height above the ground. The capacity to characterize building with a relevant level of detail depends on the data sources used for the modeling. Different sources of data have been employed to characterize buildings' façade and openings. Mobile Laser Scanning (MLS) system mounted on a vehicle has proved to be one of the most reliable sources in this domain. It can produce millions of 3D georeferenced points with sufficient level of detail of the building facades and its openings, due to its street-view and close-range distance. Moreover, the increase of MLS providers and acquisitions in towns and rural environments, makes it possible to develop approaches to characterize residential houses at a provincial scale. Although being effective, several challenges are associated with extracting descriptive information of building facades using MLS data. The presence of occlusion in front of a facade makes it impossible to obtain the 3D points of the covered parts of the facade. Given the fact that windows mostly consist of glass and laser signals could not be reflected from the glass, limited points are usually available for windows. While the repetitive pattern and symmetrical positions of the openings on the facade makes it easier for the detection system to extract them, this characteristic is missing on the facade on rural and residential houses. The inconsistency of the point density in MLS data make the detection process even harder when working at city scale. Accordingly, the main objective of this research is to design and develop a comprehensive approach that effectively extracts facade openings. In order to meet the research project objective, the proposed solution consists of three phases including facade extraction, opening detection, and occlusion recognition. The first phase employs an adaptive region growing segmentation approach to extract the 3D bounding box of the facade. The second phase combines a hole-based assumption with an XZ gridding technique to extract 2D bounding boxes of the openings. The last phase which recognizes holes related to the occlusion from the openings is currently being completed. Qualitative and quantitative evaluations were performed using a real-word dataset provided by Jakarto Cartographie 3D inc. of the Quebec Province, Canada. Statistics revealed that the proposed approach could obtain good performance rates despite the complexity of the dataset, representative of the data acquired in real situations. Challenges regarding facade's self-occlusion and the presence of large surrounding occlusions should be further investigated for obtaining more accurate opening information on the facade.

Cette thèse s'intègre dans le processus qui conduit de l'acquisition numérique 3D à<br />la réalisation de maquettes virtuelles destinées à l'architecture et à l'archéologie.<br />Elle débute par l'étude des techniques d'acquisition 3D utilisées, la lasergrammétrie<br />et la photogrammétrie architecturale, et se poursuit par une analyse comparative<br />détaillée de ces dispositifs, basée sur de multiples expérimentations réalisées sur le<br />terrain lors de la collaboration entre le Map-Crai et le Map-Page.<br />Ensuite une réflexion sur la morphologie architecturale est abordée autour de ses<br />variantes typologiques et architectoniques, suivie par les questions théoriques<br />soulevées par la modélisation 3D et plus spécifiquement la modélisation<br />architecturale.<br />Diverses expérimentations sont ensuite présentées, elles constituent le support<br />d'une réflexion sur le développement d'outils numériques destinés à faciliter la<br />modélisation géométrique architecturale. La principale contribution de cette thèse<br />correspond à l'association de cette réflexion empirique à une approche analytique<br />fondée sur nos connaissances théoriques en architecture, qui aboutit à l'identification<br />de primitives géométriques contraintes, les moulures. Les outils numériques ainsi<br />développés dans un logiciel de CAO définissent ces primitives géométriques<br />ajustables dont le champ d'application initial, spécifique à l'architecture classique,<br />sera étendu à l'architecture khmère.<br />Enfin une proposition plus évoluée correspondant à la téléologie de cette thèse,<br />obtenir de façon efficace un résultat conforme au cahier des charges de la<br />modélisation architecturale et archéologique, est intégrée dans un logiciel de<br />synthèse d'image.

L’érosion des sentiers de moyenne montagne auvergnate est étudiée dans cette thèse à travers l’évolution morphologique de quatre secteurs présentant des stades d’érosion et des rythmes d’évolution différents, répartis dans le Massif du Sancy et la Chaîne des Puys. Notre approche méthodologique repose sur le croisement de trois jeux de données inédits collectés sur le terrain : relevés topographiques, données climatiques et cartographie du comportement des randonneurs. Les relevés topographiques fins mobilisent trois méthodes complémentaires de collecte de données (lasergrammétrie, GPS différentiel et relevés manuel). L’analyse croisée de l’ensemble de ces données nous a permis de : (1) quantifier des volumes d’érosion et de dépôt ; (2) cartographier les secteurs les plus sensibles à l’érosion ; (3) identifier une saisonnalité des processus érosifs ; (4) proposer un outil d’aide à la gestion des sentiers.Nos résultats de quantification de l’érosion des sentiers indiquent une différenciation des secteurs étudiés. Ce gradient d’érosion constaté s’explique par : le contexte climatique local qui commande la saisonnalité des processus d’érosion, la fréquentation touristique inégale et l’érodabilité du substrat. En réponse à cette érosion, nous avons observé la mise en place de divers aménagements (fils guide, fascines, murets, rigoles d’évacuation…), globalement efficaces. Néanmoins, il apparaît qu’un affinement du positionnement de ces derniers, sur la base d’une compréhension des processus érosifs sur un temps plus long, optimiserait le rôle protecteur de ces ouvrages. / In this thesis, weathering of hiking trails has been studied in the low mountain ranges of the Massif Central (Auvergne, France) through the morphological comparison of four sectors in the Massif du Sancy and the Chaîne des Puys, each one presenting different erosion stages and rhythms of evolution. Our methodological approach is based on the crossing of three unpublished field datasets: topographic data, climate data and cartography of hiker behavior. High resolution topographic data mobilized three complementary data collection methods (terrestrial laser scanning, GPS monitoring and manual monitoring). Cross-analysis of all these data allowed us to: (1) quantify erosion and depositional volumes; (2) map the weathering sensitivity of studied areas; (3) identify the seasonality of weathering processes; (4) propose an operational evaluation tool for the management of hiking trails in low mountain ranges. Weathering quantification results show a clear differentiation of the studied areas. This contrasting erosion gradient has been proved to be linked to: local bioclimatic parameters which command the seasonality of weathering processes, irregular touristic attendance and substratum durability. In response to this erosion, varied management were introduced (guideline, wattle fence, low wall, water bars ...) and globally effective. Nevertheless, it appears that a refinement of the positioning adjustments, based on an understanding of weathering processes over a longer period would optimize the protective role of these structures.