Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'évolution des Systèmes d'Informations Géographiques (SIG) et de leur capacité à répondre à des problématiques environnementales qui s'expriment de manière globale et transversale. Dans un contexte ou l'information géographique est en plein essor et où la quantité de données disponible ne cesse de croitre, le besoin en terme d'outil d'aide a la décision n'a jamais été aussi fort. Cette étude s'attache tout particulièrement au cadre de la résolution de problématiques liées à l'eau et l'environnement lorsque les données deviennent trop volumineuses pour être traitées par des moyens de calculs séquentiels classiques. Nous proposons une plateforme de calculs répartis sur une grappe d'ordinateurs qui parallélise le calcul de la délimitation des bassins versants des grands fleuves et la détermination des flots d'accumulation. A cette fin nous introduisons une technique de calcul parallèle d'une forêt d'arbres couvrants minimums représentant le parcours de l'eau de chaque point du Modèle Numérique de Terrain (MNT) vers la mer. Cette technique débute par une délimitation des cuvettes (ensemble de points allant vers le même minimum local) contenues dans le MNT. Ensuite une hiérarchie de déversement des cuvettes les unes dans les autres est construite jusqu'à obtenir les bassins versants des fleuves. L'étude se poursuit par la description d'un algorithme parallèle pour le calcul très couteux des flots d'accumulation en chaque point du MNT. Enfin cette thèse présente une version ≪out-of-core≫ de nos algorithmes parallèles afin d'étendre la portée de nos travaux a des grappes de dimensions modestes qui ne peuvent pas charger en mémoire la totalité du MNT traite.

Les Systèmes d'Information Géographique (SIG) gèrent des informations complexes localisées dans un espace géographique. Durant la dernière décennie, ces systèmes ont vu l'émergence d'une part des SIG en trois dimensions et plus particulièrement des modèles numériques de terrain (MNT) et d'autre part de l'intégration de données temporelles. Les travaux de recherche en informatique présentés dans ce manuscrit s'attaquent à ces deux thématiques et sont appliqués au domaine maritime. En termes de MNT, ces recherches ont essentiellement porté sur l'intégration de MNT terrestre et maritime. Une méthode de fusion générant un MNT continu a été définie. Elle est basée sur l'appariement d'éléments caractéristiques linéaires (crêtes, talwegs, lignes de rupture de pente). Elle emploie des distances linéaires discrètes introduites par Fréchet. Ces distances fournissent des vecteurs d'appariement autorisant la fusion de MNT à l'aide d'une technique de déformation élastique. En ce qui concerne les SIG spatio-temporels, ces travaux concernent les déplacements d'objets mobiles et plus particulièrement les navires. Dans le cadre de la navigation maritime, les SIG ont une place prépondérante via les aides à la navigation, les systèmes de surveillance du trafic et les simulateurs de formation. Dans ce cadre, un nouveau modèle de représentation des déplacements, la vue relative, a été formalisé. Ce formalisme s'appuie sur la perception humaine de l'espace spatio-temporel et des objets mobiles. Cette représentation est complémentaire de la représentation absolue. Les déplacements relatifs vis-à-vis d'un objet référent sont ainsi plus facilement analysables. Les évolutions des distances et des vitesses relatives sont mieux perçues. Parallèlement, une simulation des activités de navires à l'aide de systèmes multi-agents a été conçue. Les déplacements simultanés d'un grand nombre de navires dans un environnement maritime sont ainsi simulés. Elle prend en compte les différentes activités concurrentes des objets mobiles et les contraintes géographiques. Qui plus est, elle intègre des raisonnements à base de patrons pour reproduire les raisonnements humains. Finalement, à partir des bases de données historiques des positions d'objets mobiles dans un environnement ouvert, des techniques d'extractions des trajectoires et de fouille de données spatio-temporelles ont été réalisées. Elles permettent pour chaque itinéraire et chaque type d'objets de définir des routes types spatio-temporelles et de détecter à la volée des comportements inhabituels. Ces travaux, bien qu'appliqués au domaine maritime, sont génériques. Les méthodes de fusion de MNT peuvent être appliquées à tous types de MNT ayant des zones de recouvrement. De même, les travaux de modélisation, d'analyses et de simulation sur les objets mobiles sont adaptables à tous les déplacements d'objets mobiles dans des espaces ouverts.

Le domaine maritime littoral constitue un milieu fragile, placé à l'interface Terre/Mer où s'exercent de nombreuses pressions issues des milieux terrestres, maritimes et atmosphériques. Les approches globales de Gestion Intégrée des Zones Côtières (GIZC) ont pour but de pallier les lacunes des politiques précédentes au niveau des interactions simultanées des différents acteurs du littoral. Cette approche requiert un Modèle Numérique de Terrain (MNT) littoral continu ainsi que des données maritimes et terrestres cohérentes entre elles. En raison d'acquisitions ou de productions différentes pour les MNT terrestres et maritimes, l'ensemble du relief n'est pas traité de manière ni homogène ni continue. De plus les techniques d'intégration des MNT actuelles entraînent des lissages des reliefs, voire la perte des éléments caractéristiques. Des outils et une nouvelle méthodologie d'intégration de MNT ont donc été définis. Les outils utilisent la distance de Fréchet pour calculer une distance maximale d'écartement entre les points homologues de deux lignes. La valeur de cette distance donne une mesure de ressemblance de forme qui sert de base à leur appariement ultérieur. La méthodologie de fusion proposée dans cette thèse se veut générique tout en s'appuyant sur les lignes caractéristiques spécifiques du paysage. Elle effectue un enchaînement de traitements répartis en trois étapes majeures : 1) transformations cartographiques et analyse des zones de recouvrement ; 2) segmentation et extraction de lignes caractéristiques ; 3) appariement et fusion à l'aide de déformations élastiques. Ces outils d'intégration ont été testés sur des données réelles en 2D pour la comparaison du trait de côte, puis validés sur des MNT simulés 3D.

Cette thèse aborde quelques-uns des problèmes qui surviennent dans la conception d'un système complet de vision par ordinateur : de l'échantillonnage à la détection de structures et leur interprétation. La motivation principale pour traiter ces problèmes a été fournie par le CNES et la conception des satellites d'observation terrestre, ainsi que par les applications de photogrammétrie et vidéo-surveillance chez Cognitech, Inc. pendant les étapes finales de ce travail, mais les techniques développées sont d'une généralité suffisante pour présenter un intérêt dans d'autres systèmes de vision par ordinateur. Dans une première partie nous abordons une étude comparative des différents systèmes d'échantillonnage d'images sur un réseau régulier, soit carré soit hexagonal, à l'aide d'une mesure de résolution effective, qui permet de déterminer la quantité d'information utile fournie par chaque pixel du réseau, une fois que l'on a séparé les effets du bruit et du repliement spectral. Cette mesure de résolution est utilisée à son tour pour améliorer des techniques de zoom et de restauration basées sur la minimisation de la variation totale. Ensuite l'étude comparative est poursuivie en analysant dans quelle mesure chacun des systèmes permet d'éliminer les perturbations du réseau d'échantillonnage dues aux micro-vibrations du satellite pendant l'acquisition. Après une présentation des limites théoriques du problème, nous comparons les performances des méthodes de reconstruction existantes avec un nouvel algorithme, mieux adapté aux conditions d'échantillonnage du CNES. Dans une deuxième partie nous nous intéressons à l'interpolation de modèles d'élévation de terrain, dans deux cas particuliers: l'interpolation de lignes de niveau, et l'étude des zones dans lesquelles une méthode de corrélation à partir de paires stéréo ne fournit pas des informations fiables. Nous étudions les liens entre les méthodes classiques utilisées en sciences de la terre tels que Krigeage ou distances géodésiques, et la méthode AMLE, et nous proposons une extension de la théorie axiomatique de l'interpolation qui conduit à cette dernière. Enfin une évaluation expérimentale permet de conclure qu'une nouvelle combinaison du Krigeage avec l'AMLE fournit les meilleures interpolations pour les modèles de terrain. Enfin nous nous intéressons à la détection d'alignements et de leurs points de fuite dans une image, car ils peuvent être utilisés aussi bien pour la construction de modèles d'élévation urbains, que pour résoudre des problèmes de photogrammétrie et calibration de caméras. Notre approche est basée sur la théorie de la Gestalt, et son implémentation effective récemment proposée par Desolneux-Moisan-Morel à l'aide du principe de Helmholtz. Le résultat est un détecteur de points de fuite sans paramètres, qui n'utilise aucune information a priori sur l'image ou la caméra.

L'imagerie par Radar à Synthèse d'Ouverture (ROS) offre de nombreux axes de recherche en télédétection. Les capteurs ROS satellitaires peuvent fournir des images haute résolution, de jour comme de nuit, par tout temps. Parmi toutes les utilisations possibles de ces images radar, nous nous intéressons ici à l'obtention de Modèles Numériques de Terrain (MNT) à partir de couples d'images ROS stéréoscopiques : la radargrammétrie. Une application radargrammétrique nécessite la maîtrise de la géométrie de la prise de vue, de la mise en correspondance (ou appariement) des images ainsi que de la reconstruction géométrique par résolution des équations de localisation multi-scènes. L'appariement se fait par corrélation, de façon similaire aux méthodes de photogrammétrie utilisées en imagerie optique. Pour améliorer les performances lors de l'appariement, il est intéressant de mettre en oeuvre un filtrage du speckle (bruit multiplicatif propre aux images radar), ainsi qu'une technique pyramidale afin d'accélérer les traitements et de réduire les erreurs d'appariement. De plus, l'utilisation de la mise en géométrie épipolaire permet de réduire la zone de recherche. Dans la zone d'étude à forts reliefs qui nous concerne, ces méthodes permettent de générer un MNT satisfaisant mais encore imprécis. Les méthodes tirées de la photogrammétrie ne sont pas suffisantes pour être directement appliquées sur les images radar. Des méthodes spécifiques sont nécessaires et nous proposons alors une nouvelle approche, qui consiste à utiliser des fenêtres de corrélation de tailles différentes : l'approche multi-fenêtre. Nous procédons notamment à une dilatation en distance de la taille de ces fenêtres, afin de compenser le phénomène de compression d'une image à l'autre. Nous montrons que cette nouvelle méthode permet de fiabiliser l'appariement et d'améliorer les résultats de reconstruction altimétrique.

Les milieux humides littoraux sont des systèmes écologiques complexes qui résultent des interactions entre des processus hydrologiques, géomorphologiques et biologiques. Ils sont généralement très convoités pour leurs intérêts tant écologiques qu’économiques. Plusieurs approches ont été employées pour mieux comprendre leurs évolutions spatiotemporelles en fonction de perturbations aussi bien naturelles qu’anthropiques qu’ils subissent. Les outils de la télédétection et des potentialités des Systèmes d’Informations Géographiques (SIG) ont été largement développés. Ainsi dans cette étude, on propose une approche cartographique de deux milieux humides, basée sur la classification orientée-objet des photographies aériennes et les images satellitaires multidates et multi-résolutions et utilisant un modèle numérique de terrain (MNT) topo-bathymétrique intégré pour étudier ces perturbations. Cette approche a permis d’étudier l’évolution de deux milieux humides situés dans deux contextes climatiques et géographiques différents qui sont l’estuaire de la Rance situé à l’ouest de la France dans un contexte tempéré océanique et ayant subi la construction d’un barrage marémoteur (aménagement hydraulique majeur) en 1966. Le deuxième milieu est le lac de l’Ichkeul situé au nord de la Tunisie, un des milieux humides les plus importants de la méditerranée qui est sujet à des aménagements hydrauliques continus et fortement dépendant des perturbations climatiques. Pour l’exemple de l’estuaire de la Rance, l’étude des évolutions géomorphologiques a été effectuée en utilisant des comparaisons du MNT intégré réalisé dans le cadre de cette étude à partir de données bathymétriques et topographiques acquises avant la construction du barrage marémoteur avec des données bathymétriques acquises en 1982 puis en 1998. On a par exemple confirmé localement les évolutions de la topo-bathymétrie. On révèle la déviation du chenal principal, ainsi que l’érosion des zones situées à l’aval à proximité du fort courant ou bien au contraire leur sédimentation dans les zones protégées de l’action des courants. L’étude de l’évolution de la végétation du schorre (herbus) a été effectuée par deux méthodes : une cartographie surfacique multidate de la végétation à partir des photographies aériennes acquises en 1953, 1961, 1966, 1978, 1982, 1996 et une orthophotographie aérienne acquise en 2002 et une cartographie de la végétation du schorre faite en exploitant les capacités de segmentation des images à haute- résolution spatiale offertes par la méthode de classification orientée-objet et le modèle topobathymétrique intégré. Cette étude comparative a montré que la surface globale du schorre a augmenté suite à la mise en place du barrage marémoteur, une tendance à l’équilibre des surfaces est observée depuis 1978. Un nouvel équilibre global s’est instauré dans l’estuaire douze ans après la construction du barrage marémoteur. Dans le cas de l’étude du milieu humide du lac Ichkeul, correspondant au deuxième exemple étudié ici, la méthode de classification orientée-objet a été utilisée pour la cartographie de l’évolution de la végétation en utilisant des images satellitaires multisources, multi-résolutions et multidates (MSS-Landsat (1972), TM-Landsat (1987), ETM+ Landsat (2001) and Aster-Terra (2007)) et le MNT topobathymétrique intégré. Cette méthode a permis d’identifier les principales communautés végétatives caractéristiques des marais de l’Ichkeul, à savoir la communauté à base de Sarcocornia fruticosa, la communauté à base d’Hordeum Marinum, la communauté à base de Visnaga Daucoides et la communauté à base de Bolboschoenus. L’évolution morphologique du lac est étudiée en comparant le MNT topo-bathymétrique intégré réalisé à partir de données topographiques et bathymétriques acquises en 2003 avec des données bathymétriques acquises en 1967, 1983, 1986 et 1993. Elle fait apparaître le déplacement des zones d’accrétion et de sédimentation dans le lac suite aux aménagements hydrauliques ainsi on relève : (1) une érosion dans la partie est du lac entre 1967 et 1982 (2) un engraissement aux alentours de l’écluse entre 1982 et 1986 et (3) un déplacement des zones les plus profondes vers le sud-ouest du lac et un comblement de la partie du lac située au pied (nord-est) du Djebel Ichkeul depuis 1993. Cette étude a montré que les modifications drastiques des apports d’eau et les perturbations climatiques constituent les principales causes des altérations physiques du milieu humide de l’Ichkeul. Le retour à une dynamique naturelle est loin d’être atteint et dépend fortement des interventions humaines et des facteurs climatiques. La méthode utilisée ici a permis d’étudier deux milieux humides différents et leurs évolutions en se basant sur le degré de complexité de chacun d’eux ainsi que sur le type de la perturbation qu’ils subissent, permettant ainsi de différencier les tendances d’évolution actuelles (stabilité ou évolution) de chaque milieu. L’étude du contexte géomorphologique associant (1) les évolutions de la végétation des milieux humides, et (2) l’exploitation de la classification orientée-objet, multidates et multi-résolutions, à partir d’une approche intégrée de télédétection utilisant les SIG présente par conséquent un fort potentiel pour proposer et optimiser les modes de gestion adaptés aux objectifs de préservation des zones humides et de développement durable en général / Coastal wetlands are an important component of the natural environment of the coastal zone. Wetlands are affected by hydrologic and geomorphic controls that must be taken into consideration when attempting to understand wetland responses to disturbance, provide information for better wetland management, or aid in the restoration of lost habitat. The functioning of coastal wetlands is a result of complex linking of distinct biological, geomorphologic and human factors interacting in varying scales. Natural water circulation and water quality can altered the natural behaviours of that ecosystem. Remote sensing techniques (pixel based classification methods) and geographic information system are well used herein in monitoring coastal wetlands areas. But they are confronted to many difficulties such as combing together both onshore and offshore data and process and discriminate wetlands from uplands areas. The overall goal of our study is to develop improved methods for wetland monitoring and management in two cases studies those are located in different areas and climate zones, which are : - The Rance estuary in Western France is subject to many morphologic and biological modifications due to the management of the Rance tidal power station since 1966. The construction had required isolating completely open sea from the Rance estuary for more three years. Since that time, some environmental changes took place in the Rance estuary area, such as modifications and disappearance of sandbanks in some areas, leading to a new equilibrium since 1978. - The Ichkeul Lake in the North of Tunisia is one of the most important wetlands in the Mediterranean region. However, the decreasing of water discharge into the lake caused by the damming of three of the six major rivers feeding the lake coincided with severe drought periods, restricting supplies of fresh water, and modifying saltmarsh vegetation communities and other significant wetland degradation. Furthermore, one specific objective of our work is to investigate the capabilities of the object oriented classification methods combined to integrated topographic-bathymetric digital terrain model in those areas. In the case study of the Rance estuary morphological evolution after the settlement of the tidal power station is done by the comparison of the integrated Topographic-Bathymetric Digital Terrain Model (DTM), combining the 1953 bathymetric data, and 1957 topographic ones, with bathymetric profiles acquired in 1982 and 1998. It shows that increase of topography corresponding to accretion is frequently observed in coves characterised by low current energy. In contrast, the places exposed to high currents present generally strong eroded features, which decrease and erode the topography. The meandering of channels has also observed through time. The use of object-oriented classification of aerial photographs, acquired between 1953 and 2002 and the integrated DTM of salt marshes area in the Rance estuary, enhanced their surface regression from 1953 to 1978. It shows their stability since, due to hydrologic modifications induced in the Rance estuary after the tidal power plant management such us the change of tidal range and the period of slack water. In the case study of the Ichkeul, the application of object-oriented classification approach to identify Ichkeul wetland vegetation is based on the following multi-spectral imagery: the MSSLandsat (1972), TM-Landsat (1987), ETM+ Landsat (2001) and Aster-Terra (2007) acquired in growth period of vegetation. Results show the declining of vegetation communities in Ichkeul wetlands exposed to alternative fresh and salt-water diversion. Sarcocornia fruticosa, communities, Hordeum communities are the largest units in the study area. The Bolboschoenus communities is absent in the 1987 and 2001 vegetation maps. This is conformed by previews studies witch are showing that due to dry periods and rivers damming the Bolboschoenus disappeared for many years. The monitoring the lake Ichkuel sedimentation process was done by comparison of five sets of bathymetric data taken in 1967, 1983, 1986, 1993 and 2003. It shows the alteration of sedimentation process in the Ichkeul Lake as behaviour of the coastal zone after the settlement of dams. To conclude, owing to difference of climatic and hydrodynamic characteristics the responses of coastal wetland to natural and human will vary according to difference of their geomorphology and ecology. The Rance estuary seams to have new ecology balance ten years after the settlement of the tidal power station. However, the Ichkeul Lake is still affected by anthropogenic and climatic factors. Therefore, the used methodology provides detailed information on wetland vegetation and adjacent land-use/land-cover types in schorre wetland areas in the cases of the Rance estuary, and the Ichkeul marches areas. This technique is combining both integrated DTM and remote sensing data that is a useful tool for wetland vegetation monitoring and for resolve some major classification confusions that occur in such wetland areas