Thèse en cotutelle : Université Laval Québec, Canada et École nationale supérieure des télécommunications de Bretagne Brest, France / La nécessité et l’importance de représenter une scène en 3-D ont été illustrées par de nombreuses applications en télédétection, telles que la planification urbaine, la gestion des catastrophes, etc. Dans ces applications, les données issues du LiDAR et de l’imagerie optique aérienne et satellitaire ont été largement utilisées. Il existe une complémentarité entre les données issues du LiDAR aéroporté et de l’imagerie optique aérienne/satellite, qui motive la fusion de ces données permettant de représenter des scènes observées en 3-D avec une meilleure précision et complétude. Ces dernières années, l’extraction automatique de l’empreinte des bâtiments dans les scènes urbaines et résidentielles est devenue un sujet d’intérêt croissant dans le domaine de la représentation et de la reconstruction de scènes en 3-D. Avec l’augmentation de la disponibilité d’une quantité massive de données capturées par différents capteurs LiDAR et d’imagerie installés sur des plateformes aériennes et spatiales, de nouvelles opportunités se présentent pour effectuer cette tâche à grande échelle. Cependant, les méthodes de fusion existantes considèrent généralement soit des systèmes d’acquisition hybrides composés de LiDAR et de caméras optiques fixés rigidement, soit des jeux de données acquis à partir de la même plateforme à des dates identiques ou très proches, et ayant la même résolution spatiale. Elles n’ont pas été conçues pour traiter des jeux de données acquis avec des plateformes différentes, dans différentes configurations, à des moments différents, ayant des résolutions spatiales et des niveaux de détail différents. Un tel contexte est appelé contexte d’acquisition non-contraint. D’autre part, l’extraction automatique de l’empreinte des bâtiments à grande échelle est une tâche complexe. Des méthodes existantes ont obtenu des résultats relativement significatifs mais en définissant des formes a priori pour les bâtiments, en imposant des contraintes géométriques, ou en se limitant à des zones spécifiques. De telles hypothèses ne sont plus envisageables pour des jeux de données à grande échelle. Ce travail de recherche est consacré au développement d’une méthode versatile de recalage grossier puis fin de jeux de données collectés selon un contexte d’acquisition non-contraint. Il vise à surmonter les défis associés à ce contexte tels que le décalage spatial entre les jeux de données, la différence de résolution spatiale et de niveau de détail, etc. De plus, ce travail de recherche propose une méthode d’extraction efficace des empreintes des bâtiments, offrant un niveau de précision élevé tout en étant une méthode non-supervisée dédiée aux applications à grande échelle. La méthode proposée, appelée “Super-Resolution-based Snake Model” (SRSM), consiste en une adaptation des modèles de snakes—une technique classique de segmentation d’images—pour exploiter des images d’élévation LiDAR à haute résolution générées par un processus de super-résolution. Il se rapporte au contexte d’acquisition de données non-contraint, servant d’exemple d’application de premier ordre. Des résultats pertinents ont été obtenus lors des évaluations rigoureuses des méthodes proposées, à savoir un niveau de précision hautement souhaitable par rapport aux méthodes existantes. Mots-clés : LiDAR aéroporté, imagerie optique satellitaire et aérienne, recalage de données, information mutuelle, super-résolution, scènes urbaines, extraction de bâtiments, grande échelle.

Nous présentons le modèle de gaz de cercles (GDC) qui permet de décrire un ensemble de cercles de rayon approximativement fixe. Il est fondé sur la théorie récente des contours actifs d'ordre supérieur (CAOS). Pour certains paramètres, le modèle favorise la création de cercles stables de rayon approximativement fixe au lieu de créer des réseaux. Nous montrons dans cette thèse comment déterminer ces paramètres. Le modèle général de GDC peut être appliqué dans des domaines variés, mais souffre d'un inconvénient: les minima locaux correspondant aux cercles peuvent piéger l'algorithme de descente de gradient, produisant ainsi des cercles `fantômes'. Nous résolvons ce problème en calculant, via le développement de Taylor de l'énergie, les paramètres qui permettent de positionner les cercles sur les points d'inflexion plutôt que sur les minima. Il est possible de créer une autre formulation pour les modèles CAOS, fondée sur les champs de phase. Nous abordons le problème d'extraction de houppiers par la construction d'un modèle de champs de phase de GDC. Les images utilisées sont des images couleur-infrarouge (CIR) et panchromatiques. Nous introduisons deux modèles d'attache aux données. Le premier décrit l'utilisation d'une seule bande parmi les trois disponibles et est fondé sur le gradient de l'image et sur les distributions gaussiennes. Le deuxième utilise les trois bandes spectrales des images CIR. Ces modèles permettent d'avoir des résultats plus précis que par des modèles plus traditionnels. Ces modèles peuvent être appliqués pour la détection d'autres objets circulaires.

Prenant comme cadre conceptuel la théorie des réseaux territoriaux et diverses théories comportementales, cette thèse aborde un aspect encore peu connu de la voirie urbaine : l'influence que peut avoir sa morphologie (notion regroupant l'ensemble des caractéristiques formelles de l'infrastructure viaire et de son environnement territorial immédiat) sur sa fonction-déplacement<br />(dimension circulatoire du réseau), caractérisée par la vitesse moyenne des véhicules. Pour cela, quelques quartiers parisiens sont choisis comme terrain expérimental sur des critères aussi bien théoriques (nécessité de poser certaines hypothèses simplificatrices fortes) que pratiques (disponibilité de données). Ces quartiers sont ensuite découpés en tronçons de rue élémentaires considérés comme "morphologiquement homogènes", et chaque tronçon est affecté d'un grand nombre de variables morphologiques d'une part, d'une vitesse moyenne<br />calculée sur la base d'observations effectuées à l'aide de plusieurs séries de photographies aériennes, d'autre part. Enfin, une analyse factorielle (Analyse des correspondances multiples), croisant cette vitesse moyenne avec l'ensemble des variables morphologiques, est appliquée à cet échantillon. Elle met en évidence, à l'intérieur de ce dernier, une structure forte que nous interprétons comme une série de liens et d'effets de seuil plus ou moins importants entre cette vitesse et certaines des variables morphologiques, pouvant dès lors être<br />considérées comme "structurantes".

Effective management of forest resources requires reliable and timely information on their status. In this regard, remote sensing techniques have played an important role, as they allow collection of data on extensive, remote and inaccessible areas. Historically, aerial photographs were the primary remote sensing data source in forest inventory and mapping, and they are still extensively for visual photo-interpretation. In this thesis, we show that their use can be improved thanks to automatic processing and an application using digitised orthophotos is provided. Satellite-based remote sensing has been regarded as an alternative, low-cost and rapid, data source to aerial photography and ground survey. Indeed, it has proved to be effective at the continental and global scales, but applications for local forest management purposes are still rare. The main reason for this is that the spatial resolution of satellite remote sensing data that was available until recently (mainly from Landsat TM/ETM and SPOT HRV) was too coarse for stand level information. Satellite images with enhanced spatial resolution (such as IKONOS) should overcome this limitation. This thesis investigates their actual capabilities for forest stand mapping and characterisation. We show that they are well suited for forest stand type classification and for retrieval of several dendrometric variables in coniferous stands with an accuracy similar to that of field sampling. For the sake of solutions to provide more precise and detailed information on forest stand, we assessed also the contribution of hyperspectral and multiple-view angle data acquired by CHRIS/PROBA. Although the winter season scene did not fully permit utilisation of the hyperspectral dimension of this dataset, the study provides insights into directional effects. This work makes, hopefully, a step towards automated processing and effective integration of satellite-based remote sensing data into the forest management information system and, by upscaling, into the national forest inventories.

La caractérisation de la réalité matérielle du paysage impose d'une part de reconnaitre avec précision le cadre physique et d'autre part de saisir les interrelations entre les hommes et l'environnement, conditions indispensables à l'appréciation des origines du modelé du paysage. La compréhension des paysages passés se fonde en partie sur l'analyse de différentes sources documentaires qui permettent ensemble de caractériser bon nombre des évolutions paysagères intervenues notamment depuis l'époque moderne. Toutefois, les aménagements plus anciens ne sont ni localisés ni représentés sur des cartes. Leurs traces sont alors décelées dans le paysage actuel de manière efficace grâce notamment à la mise en oeuvre conjointe de diverses méthodes de détection : la photographie aérienne, enregistrant des variations topographiques ou colorimétriques à la surface du sol et le système LiDAR (Light Detection And Ranging), mesurant les variations microtopographiques à l'aide d'un laser. L'étude d'autres paramètres, imperceptibles à nos sens, permettent également d'appréhender les traces des paysages passés. Les méthodes géophysiques détectent la présence de vestiges ou de structures enfouies qu'aucun indice ne signale en surface grâce à la mesure des propriétés physiques du sol. Il est largement admis que les méthodes de prospection sont susceptibles de fournir des données archéologiques quant à l'occupation du sol et/ou l'exploitation du territoire. A ce titre, elles ont été appliquées depuis plusieurs années sur le site de l'agglomération antique d'Epomanduodurum (Mandeure-Mathay, Doubs) dans le nord Franche-Comté. Cette ville est considérée, par sa taille, son équipement urbain et sa parure monumentale comme la seconde de Séquanie derrière la capitale de cité Vesontio (Besançon, Doubs). Ce travail de recherche se propose donc de comparer, à différentes échelles spatiales, l'apport respectif de plusieurs méthodes de prospection à l'étude de dynamiques naturelles et anthropiques dans un espace géographique de 80 km², centré sur la ville antique, associant un tronçon de plaine alluviale du Doubs aux plateaux calcaires environnants. Durant cette étude, il a été possible, entre autre, de développer des outils aidant à la détection des structures archéologiques et géologiques. Les résultats ont aussi permis de redéfinir en partie la topographie de l'agglomération antique.

La caractérisation de la réalité matérielle du paysage impose d’une part de reconnaitre avec précision le cadre physique et d’autre part de saisir les interrelations entre les hommes et l’environnement, conditions indispensables à l’appréciation des origines du modelé du paysage. La compréhension des paysages passés se fonde en partie sur l’analyse de différentes sources documentaires qui permettent ensemble de caractériser bon nombre des évolutions paysagères intervenues notamment depuis l’époque moderne. Toutefois, les aménagements plus anciens ne sont ni localisés ni représentés sur des cartes. Leurs traces sont alors décelées dans le paysage actuel de manière efficace grâce notamment à la mise en oeuvre conjointe de diverses méthodes de détection : la photographie aérienne, enregistrant des variations topographiques ou colorimétriques à la surface du sol et le système LiDAR (Light Detection And Ranging), mesurant les variations microtopographiques à l’aide d’un laser. L’étude d’autres paramètres, imperceptibles à nos sens, permettent également d’appréhender les traces des paysages passés. Les méthodes géophysiques détectent la présence de vestiges ou de structures enfouies qu’aucun indice ne signale en surface grâce à la mesure des propriétés physiques du sol. Il est largement admis que les méthodes de prospection sont susceptibles de fournir des données archéologiques quant à l’occupation du sol et/ou l’exploitation du territoire. A ce titre, elles ont été appliquées depuis plusieurs années sur le site de l’agglomération antique d’Epomanduodurum (Mandeure-Mathay, Doubs) dans le nord Franche-Comté. Cette ville est considérée, par sa taille, son équipement urbain et sa parure monumentale comme la seconde de Séquanie derrière la capitale de cité Vesontio (Besançon, Doubs). Ce travail de recherche se propose donc de comparer, à différentes échelles spatiales, l’apport respectif de plusieurs méthodes de prospection à l’étude de dynamiques naturelles et anthropiques dans un espace géographique de 80 km², centré sur la ville antique, associant un tronçon de plaine alluviale du Doubs aux plateaux calcaires environnants. Durant cette étude, il a été possible, entre autre, de développer des outils aidant à la détection des structures archéologiques et géologiques. Les résultats ont aussi permis de redéfinir en partie la topographie de l’agglomération antique. / The characterization of the material reality of the landscape requires to accurately identify the physical geography and to capture the interrelationships between humans and their environment. These conditions are essential to the estimation of the origins of the landscape shaping. The analysis of documentary sources offers the opportunity to determine the organization of former landscapes and to characterize a large part of their evolutions since the Modern period. However, older land settlements are not localised or symbolised on maps. Their signs are efficiently detected in present landscape through the joint implementation of various detection methods: aerial photography, recording topographic or colorimetric variations on the soil surface, and the LiDAR (Light Detection And Ranging) system, measuring micro-topographic variations using a laser beam. Other methods can be used to identify the elements conserved in present landscape and reflect their past uses. The measure of physical properties of soils by the geophysical methods can detected the presence of archaeological remains or structures buried while nothing is perceptible to the soil surface. It is widely supported that survey methods can provide archaeological data of the land use and / or the exploitation of the territory. Thus, they have been applied since several at the site of the ancient city of Epomanduodurum (Mandeure-Mathay, Doubs) in the north of the Franche-Comte. This city is considered by its size, urban equipment and monuments as the second behind de civitas capital of Sequani, Vesontio (Besancon). This research intends to compare, at different spatial scales, the contribution of several prospecting methods for the study of natural and anthropogenic dynamics in an area of 80 km². The study area is centred on the ancient city and combines a section of the alluvial plain of the Doubs river and the surrounding calcareous plateaus. In this study, it was possible, among other things, to develop tools for the detection of archaeological

Ce travail est centré sur la mise au point d'une méthodologie d'exploitation de photographies aériennes prises en période de crue pour en extraire, au moment de la prise de vue, la cote de l'eau en tout point de la plaine. Cette méthodologie, appelée "approche-photo", comporte une phase de traitement de télédétection, une phase d'analyse spatiale et de structuration de l'information dans un SIG, et une phase novatrice et originale de fusion et mise en cohérence de l'ensemble des données extraites (développement d'un algorithme de mise en cohérence inspiré de l'hydraulique et de techniques empruntées au domaine de l'intelligence artificielle). La méthode a été testée sur trois sites d'étude, couvrant un panel très large de contextes. Un travail important de validation et d'analyse de sensibilité a permis de montrer que la précision des estimations de la cote de l'eau, produites sous forme de fourchette [Min, Max], était de l'ordre décimétrique, résultat tout à fait compatible avec les exigences hydrauliques. "L'approche-photo" constitue donc une valorisation quantitative des archives photographiques concernant les crues historiques. Une première retombée provient de la structuration de ces résultats au sein d'un SIG, ce qui les rend facilement mobilisables pour toutes les étapes de la gestion du risque d'inondation. Une seconde retombée, bien plus importante, résulte de la complémentarité de "l'approche-photo" avec les approches traditionnelles. Celle avec la modélisation hydraulique a été approfondie par la mise en œuvre d'un modèle 2D sur la basse vallée de l'Hérault. Une confrontation des résultats a permis de mettre en avant les apports réciproques : "l'approche-photo" comme aide à la structuration, au calage et à la validation de la modélisation et, à l'inverse, la modélisation hydraulique comme aide à la validation de "l'approche-photo".Cette thèse se veut une illustration de l'intérêt d'une démarche multidisciplinaire.

Titre de l'écran-titre (visionné le 30 octobre 2023) / Les marais salés et polders sont des composants importants du paysage de la Ville de Baie-Saint-Paul. Alors qu'ils sont naturellement et culturellement importants, ils sont mal compris par la plupart des citoyens. La problématique de ce mémoire est de comprendre comment les processus naturels et humains ont influencé l'évolution des marais depuis les débuts de la colonisation européenne. L'hypothèse est que les marais sont un milieu hybride qui est le résultat de processus naturels et culturels. Pour tester l'hypothèse, l'étude a privilégié une méthodologie basée sur l'analyse par ordinateur (HGIS) des cartes anciennes, photographies aériennes et images satellitaires afin de suivre l'évolution des marais à travers le temps. Les résultats montrent qu'au cours des siècles les modifications naturelles des marais ont été limitées, la plus importante étant le rebond isostatique entraînant une hausse de près d'un demi-mètre de l'élévation des marais. Les changements anthropiques ont été de loin le plus grand moteur de changement. Alors que des siècles de chasse, de pêche, de pâturage et de récolte de foin de marais ont eu peu d'impact sur le milieu, l'utilisation croissante du drainage et la création de polders ont diminué la superficie des marais. Étonnamment, les changements les plus importants sont liés à la montée d'une économie postindustrielle où les marinas, les quais et la fréquentation touristique ont eu des impacts importants sur les mouvements de sédiments et la stabilité des dunes et des zones végétales des marais. Le mémoire se termine par un appel à des plans de gestion plus cohérents qui reconnaissent les marais pour leur biodiversité en plus d'être des lieux de culture et d'utilisation durable. / Salt marshes and polders are important components of the landscape of the City of Baie-Saint-Paul. While they are naturally and culturally significant, they are misunderstood by most citizens. The problematic is to consider how natural and cultural processes have influenced the evolution of the marshes since European colonization. The hypothesis is that the marshes are a hybrid environment resulting from natural and cultural processes. To test this hypothesis, the study privileged a methodology based on computer analysis (HGIS) of old maps, aerial photographs, and satellite images to follow the progression of the marshes over time. The results show that over the centuries the natural modifications of the marshes have been limited, the most important being isostatic rebound resulting in a rise of nearly half a meter in the elevation of the marshes. Anthropogenic changes have been by far the biggest driver of change. While centuries of hunting, fishing, pasturing, and marsh hay harvesting had little impact on the environment, the increasing use of drainage and the creation of polders reduced the area of the marshes. Surprisingly, the most significant changes are related to the rise of a post-industrial economy where marinas, wharves and tourist traffic have had significant impacts on sediment movements and the stability of dunes and marsh vegetation zones. The thesis ends with a call for more coherent management plans that recognize marshes for their biodiversity in addition to being places of culture and sustainable use.

Abstract<p>Since 1999, Very High spatial Resolution satellite data (Ikonos-2, QuickBird and OrbView-3) represent the surface of the Earth with more detail. However, information extraction by multispectral pixel-based classification proves to have become more complex owing to the internal variability increase in the land-cover units and to the weakness of spectral resolution. <p>Therefore, one possibility is to consider the internal spectral variability of land-cover classes as a valuable source of spatial information that can be used as an additional clue in characterizing and identifying land cover. Moreover, the spatial resolution gap that existed between satellite images and aerial photographs has strongly decreased, and the features used in visual interpretation transposed to digital analysis (texture, morphology and context) can be used as additional information on top of spectral features for the land cover classification.<p>The difficulty of this approach is often to transpose the visual features to digital analysis.<p>To overcome this problem region-based classification could be used. Segmentation, before classification, produces regions that are more homogeneous in themselves than with nearby regions and represent discrete objects or areas in the image. Each region becomes then a unit analysis, which makes it possible to avoid much of the structural clutter and allows to measure and use a number of features on top of spectral features. These features can be the surface, the perimeter, the compactness, the degree and kind of texture. Segmentation is one of the only methods which ensures to measure the morphological features (surface, perimeter.) and the textural features on non-arbitrary neighbourhood. In the pixel-based methods, texture is calculated with mobile windows that smooth the boundaries between discrete land cover regions and create between-class texture. This between-class texture could cause an edge-effect in the classification.<p><p>In this context, our research focuses on the potential of land cover region-based classification of VHR satellite data through the study of the object extraction capacity of segmentation processes, and through the study of the relevance of region features for classifying the land-cover classes in different kinds of Belgian landscapes; always keeping in mind the parallel with the visual interpretation which remains the reference.<p><p>Firstly, the results of the assessment of four segmentation algorithms belonging to the two main segmentation categories (contour- and region-based segmentation methods) show that the contour detection methods are sensitive to local variability, which is precisely the problem that we want to overcome. Then, a pre-processing like a filter may be used, at the risk of losing a part of the information. The “region-growing” segmentation that uses the local variability in the segmentation process appears to be the best compromise for the segmentation of different kinds of landscape.<p>Secondly, the features calculated thanks to segmentation seem to be relevant to identify some land-cover classes in urban/sub-urban and rural areas. These relevant features are of the same type as the features selected visually, which shows that the region-based classification gets close to the visual interpretation. <p>The research shows the real usefulness of region-based classification in order to classify the land cover with VHR satellite data. Even in some cases where the features calculated thanks to the segmentation prove to be useless, the region-based classification has other advantages. Working with regions instead of pixels allows to avoid the salt-and-pepper effect and makes the GIS integration easier.<p>The research also highlights some problems that are independent from the region-based classification and are recursive in VHR satellite data, like shadows and the spatial resolution weakness for identifying some land-cover classes.<p><p>Résumé<p>Depuis 1999, les données satellitaires à très haute résolution spatiale (IKONOS-2, QuickBird and OrbView-3) représentent la surface de la terre avec plus de détail. Cependant, l’extraction d’information par une classification multispectrale par pixel devient plus complexe en raison de l’augmentation de la variabilité spectrale dans les unités d’occupation du sol et du manque de résolution spectrale de ces données. Cependant, une possibilité est de considérer cette variabilité spectrale comme une information spatiale utile pouvant être utilisée comme une information complémentaire dans la caractérisation de l’occupation du sol. De plus, de part la diminution de la différence de résolution spatiale qui existait entre les photographies aériennes et les images satellitaires, les caractéristiques (attributs) utilisées en interprétation visuelle transposées à l’analyse digitale (texture, morphologie and contexte) peuvent être utilisées comme information complémentaire en plus de l’information spectrale pour la classification de l’occupation du sol.<p><p>La difficulté de cette approche est la transposition des caractéristiques visuelles à l’analyse digitale. Pour résoudre ce problème la classification par région pourrait être utilisée. La segmentation, avant la classification, produit des régions qui sont plus homogène en elles-mêmes qu’avec les régions voisines et qui représentent des objets ou des aires dans l’image. Chaque région devient alors une unité d’analyse qui permet l’élimination de l’effet « poivre et sel » et permet de mesurer et d’utiliser de nombreuses caractéristiques en plus des caractéristiques spectrales. Ces caractéristiques peuvent être la surface, le périmètre, la compacité, la texture. La segmentation est une des seules méthodes qui permet le calcul des caractéristiques morphologiques (surface, périmètre, …) et des caractéristiques texturales sur un voisinage non-arbitraire. Avec les méthodes de classification par pixel, la texture est calculée avec des fenêtres mobiles qui lissent les limites entre les régions d’occupation du sol et créent une texture interclasse. Cette texture interclasse peut alors causer un effet de bord dans le résultat de la classification.<p><p>Dans ce contexte, la recherche s’est focalisée sur l’étude du potentiel de la classification par région de l’occupation du sol avec des images satellitaires à très haute résolution spatiale. Ce potentiel a été étudié par l’intermédiaire de l’étude des capacités d’extraction d’objet de la segmentation et par l’intermédiaire de l’étude de la pertinence des caractéristiques des régions pour la classification de l’occupation du sol dans différents paysages belges tant urbains que ruraux. / Doctorat en sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished