Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d’évaluer le potentiel de modèles probabilistes multivariés appliqués sur les sous-bandes d’une décomposition en ondelettes pour la classification d’images de télédétection optiques à très haute résolution spatiale. Trois thématiques principales ont été investiguées dans ce travail : la différenciation de classes d’âge de peuplements de pins maritimes, la détection de parcelles viticoles et la détection de parcs ostréicoles. Une contribution originale concerne la proposition d’une chaîne traitement pour une classification supervisée orientée objet se basant sur des mesures de similarité adaptées au contexte de modélisation probabiliste. Celle-ci implique la création d’une base de données de patchs de texture pour l’apprentissage et l’utilisation d’une pré-segmentation de l’image à classifier. Les modèles probabilistes multivariés testés ont tout d’abord été évalués dans une procédure d’indexation d’images. Les modèles les plus performants identifiés par cette procédure ont été ensuite appliqués dans la chaîne de traitement proposée. Dans les trois thématiques explorées, les modèles multivariés ont révélé des capacités remarquables de représentation de la texture et ont permis d’obtenir une qualité de classification supérieure à celle obtenue par la méthode des matrices de co-occurrence. Ces résultats démontrent l’intérêt de la représentation multi-échelles et multi-orientations de la texture dans l’espace transformé en ondelettes et la pertinence de la modélisation multivariée des coefficients d’ondelettes issus de cette décomposition. / The prime objective of this thesis is to evaluate the potential of multivariate probabilistic models applied on wavelet subbands for the classification of very high resolution remote sensing optical data. Three main applications are investigated in this study: the differentiation of age classes of maritime pine forest stands, the detection of vineyards and the detection of oyster fields. One main contribution includes the proposal of an original supervised and object-oriented classification scheme based on similarity measurements adapted to the context of probabilistic modeling. This scheme involves the creation of a database of texture patches for the learning step and a pre-segmentation of the image to classify. The tested multivariate models were first evaluated in an image retrieval framework. The best models identified in this procedure were then applied in the proposed image processing scheme. In the three proposed thematic applications, multivariate models revealed remarkable abilities to represent the texture and reached higher classification accuracies than the method based on co-occurrence matrices. These results confirm the interest of the multi-scale and multi-orientation representation of textures through the wavelet transform, as well as the relevance of the multivariate modeling of wavelet coefficients

Dans une première partie de ce travail, nous avons développé de nouveaux outils pour la micromanipulation d'ADN en pinces magnétiques. Cet appareil permet d'appliquer une force contrôlée à une molécule d'ADN tout en mesurant son extension. Nous avons amélioré la résolution spatiale du dispositif, limitée par le bruit de photons affectant la détection optique, et la mesure de force, limitée par la résolution temporelle de la microscopie vidéo. Nous avons donc couplé une imagerie haute-fréquence par ondes évanescentes aux pinces magnétiques et l'avons appliqué à un nouveau principe de séquençage d'ADN démontrant une résolution sub-nanométrique. Pour mesurer de hautes forces, nous avons mis au point un protocole de modulation de l'exposition vidéo qui permet d'échantillonner correctement les fluctuations browniennes du système senseur magnétique-brin d'ADN et de restaurer leur niveau au-delà de la fréquence de coupure du système d'acquisition. Dans une seconde partie, nous proposons une imagerie photothermique, en champ large et en temps réel, de nanoparticules métalliques pour le marquage de moteurs moléculaires uniques. Nous avons démontré la possibilité d'imager rapidement des nanoparticules d'or uniques par effet photothermique, cependant des améliorations restent à produire pour visualiser des nanoparticules de taille adaptée aux applications biologiques. Dans cette optique, nous avons aussi exploré un nouveau mode de chauffage périodique et spatialement étendu: les interactions électromagnétiques entre champ radio-fréquence et nanoparticules métalliques. Finalement, nous avons appliqué le principe de démodulation optique utilisé pour la photothermie à l'identification sélective d'espèces biochimiques résonantes, visualisées en microscopie de fluorescence.

Ce travail porte sur la caractérisation spatiale et la quantification de l'influence des pressions environnantes (occupation des sols à différentes échelles, du bassin versant amont au corridor rivulaire local) sur l'état écologique des cours d'eau. Abordée au niveau régional l'étude porte une attention particulière aux corridors rivulaires pour leur intérêt dans l'élaboration de stratégies de préservation et de restauration en application de la Directive Cadre européenne sur l'Eau. Elle repose sur le développement de méthodologies robustes et fiables (i) de cartographie fine de l'occupation des sols dans les corridors rivulaires, (ii) de construction d'indicateurs spatialisés traduisant cette occupation et (iii) de modélisation pressions/impacts quantifiant le lien entre occupation des sols dans les corridors rivulaires et état écologique des milieux aquatiques. Les résultats utilisant ces avancées méthodologiques montrent l'intérêt de disposer d'une donnée d'occupation du sol à Très Haute Résolution Spatiale sur de grands territoires, d'indicateurs calculés sur différentes emprises spatiales au niveau du corridor qui traduisent les mécanismes d'impacts d'une catégorie d'occupation du sol donnée sur l'état écologique pour améliorer l'identification et la localisation des sources de pressions dans ces espaces. Ils mettent en évidence également au niveau régional le rôle significatif des formations végétales rivulaires locales sur l'état écologique des cours d'eau, ceci sur une bande de 20 m de part et d'autre du cours d'eau.

Les données de télédétection acquises à Très Haute Résolution Spatiale (THRS) constituent une source d'information importante pour le suivi détaillé des changements d'occupation du sol sur de petites surfaces. Ces données sont particulièrement intéressantes pour les applications dans les milieux urbains et périurbains car elles permettent d'appréhender des changements brusques et irréguliers autant que des modifications subtiles et régulières. Toutefois, l'exploitation d'images à THRS nécessite des développements méthodologiques, les méthodes de détection de changement généralement utilisées pour traiter les images à basse et moyenne résolution n'étant pas adaptées : d'une part l'étendue et la résolution spectrale des capteurs à THRS sont souvent inférieures à celles des autres capteurs, la résolution spectrale des capteurs diminuant avec l'augmentation de leur résolution spatiale. D'autre part, la variabilité spectrale des pixels définissant les classes d'occupation du sol augmente en fonction de la résolution spatiale. Cette thèse présente ainsi une série d'outils méthodologiques qui permettent d'identifier et de caractériser automatiquement des changements affectant de petites surfaces à partir de données à THRS acquises à différentes dates et provenant de différentes sources. Contrairement à la majorité des méthodes utilisées en télédétection, l'originalité des outils présentés ne repose pas exclusivement ou essentiellement sur l'utilisation de l'information spectrale de l'image ; ils reposent surtout sur les propriétés de texture des objets géographiques observés. La texture est caractérisée à partir d'une analyse des coefficients issus d'une décomposition en ondelettes des images. Les outils développés comprennent : une méthode de correction de l'effet de vignettage des photographies aériennes anciennes ; une technique de segmentation d'images ; une méthode d'estimation de l'orientation dominante de motifs texturés ; une méthode de classification ; une méthode de détection de changements. L'ensemble de ces outils a été validé à partir d'exemples synthétiques, puis appliqué sur un secteur périurbain de l'agglomération rennaise afin de détecter les changements d'occupation et d'utilisation des sols à partir de photographies aériennes acquises en 1978 et 2001. Les taux de changement correctement détectés, qui varient de 78 % à 85 %, montrent l'intérêt d'exploiter la texture pour classer des images à THRS. Il est possible de détecter automatiquement différents types de changements et ainsi de distinguer des changements de pratiques culturales et des changements liés à l'artificialisation des sols. Les outils développés dans cette thèse sont génériques et s'appliquent à l'analyse de tout objet texturé. Ainsi nous avons exploité certains outils proposés pour détecter et caractériser des parcelles viticoles ou estimer des mouvements fluides en aéronautique

Les données issues de la télédétection couplées à des approches de type système d'information géographique sont d'un grand intérêt potentiel pour l'aménagement forestier. Le but de cette recherche est dans un premier temps de fournir une cartographie utilisable des espèces forestières dominantes à l'échelle du pixel, en utilisant des méthodes éprouvées de la télédétection. Le site d'étude choisi est le versant sud du Mont Ventoux, une montagne méditerranéenne présentant une forte biodiversité forestière. Les travaux relatés dans la première partie ont permis de réaliser des cartographies discriminantes des espèces forestières à partir des données satellitaires (Spot 5) par classification supervisée et non supervisée, en lien avec des relevés terrains. La pertinence de ces méthodes pour la cartographie de la couverture forestière est évaluée et discutée, l'objectif étant d'identifier les conditions optimales en fonction de la résolution spatiale et de la bande spectrale pour la discrimination des espèces forestières majeures du Mont Ventoux. Ce travail nous a ensuite amenés à proposer une méthode originale de mesure de la variabilité de la biodiversité à l'aide de 4 indices classiques : indices de Shannon, de Simpson, de Richesse et de Dominance. L'approche a été appliquée en utilisant deux descripteurs de la biodiversité : l'indice de végétation normalisé (NDVI) et la diversité en espèces forestières. Cette méthode inédite permet, grâce au recours à différentes images de résolutions spatiales imbriquées et à un processus systématique d'agrégation, d'extraire la part de biodiversité (alpha et bêta) due à la structure spatiale, en éliminant l'effet du support spatial, composante déterminante du Modifiable Areal Unit Problem (MAUP). Nous discutons également dans cette recherche de la capacité de notre méthode à extraire, une « échelle pertinente » de mesure de la diversité.

Le Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune (MRNF) a mandaté la compagnie de géomatique SYNETIX inc. de Montréal et le laboratoire de télédétection de l’Université de Montréal dans le but de développer une application dédiée à la détection automatique et la mise à jour du réseau routier des cartes topographiques à l’échelle 1 : 20 000 à partir de l’imagerie optique à haute résolution spatiale. À cette fin, les mandataires ont entrepris l’adaptation du progiciel SIGMA0 qu’ils avaient conjointement développé pour la mise à jour cartographique à partir d’images satellitales de résolution d’environ 5 mètres. Le produit dérivé de SIGMA0 fut un module nommé SIGMA-ROUTES dont le principe de détection des routes repose sur le balayage d’un filtre le long des vecteurs routiers de la cartographie existante. Les réponses du filtre sur des images couleurs à très haute résolution d’une grande complexité radiométrique (photographies aériennes) conduisent à l’assignation d’étiquettes selon l’état intact, suspect, disparu ou nouveau aux segments routiers repérés. L’objectif général de ce projet est d’évaluer la justesse de l’assignation des statuts ou états en quantifiant le rendement sur la base des distances totales détectées en conformité avec la référence ainsi qu’en procédant à une analyse spatiale des incohérences. La séquence des essais cible d’abord l’effet de la résolution sur le taux de conformité et dans un second temps, les gains escomptés par une succession de traitements de rehaussement destinée à rendre ces images plus propices à l’extraction du réseau routier. La démarche globale implique d’abord la caractérisation d’un site d’essai dans la région de Sherbrooke comportant 40 km de routes de diverses catégories allant du sentier boisé au large collecteur sur une superficie de 2,8 km2. Une carte de vérité terrain des voies de communication nous a permis d’établir des données de référence issues d’une détection visuelle à laquelle sont confrontés les résultats de détection de SIGMA-ROUTES. Nos résultats confirment que la complexité radiométrique des images à haute résolution en milieu urbain bénéficie des prétraitements telles que la segmentation et la compensation d’histogramme uniformisant les surfaces routières. On constate aussi que les performances présentent une hypersensibilité aux variations de résolution alors que le passage entre nos trois résolutions (84, 168 et 210 cm) altère le taux de détection de pratiquement 15% sur les distances totales en concordance avec la référence et segmente spatialement de longs vecteurs intacts en plusieurs portions alternant entre les statuts intact, suspect et disparu. La détection des routes existantes en conformité avec la référence a atteint 78% avec notre plus efficace combinaison de résolution et de prétraitements d’images. Des problèmes chroniques de détection ont été repérés dont la présence de plusieurs segments sans assignation et ignorés du processus. Il y a aussi une surestimation de fausses détections assignées suspectes alors qu’elles devraient être identifiées intactes. Nous estimons, sur la base des mesures linéaires et des analyses spatiales des détections que l’assignation du statut intact devrait atteindre 90% de conformité avec la référence après divers ajustements à l’algorithme. La détection des nouvelles routes fut un échec sans égard à la résolution ou au rehaussement d’image. La recherche des nouveaux segments qui s’appuie sur le repérage de points potentiels de début de nouvelles routes en connexion avec les routes existantes génère un emballement de fausses détections navigant entre les entités non-routières. En lien avec ces incohérences, nous avons isolé de nombreuses fausses détections de nouvelles routes générées parallèlement aux routes préalablement assignées intactes. Finalement, nous suggérons une procédure mettant à profit certaines images rehaussées tout en intégrant l’intervention humaine à quelques phases charnières du processus. / In order to optimize and reduce the cost of road map updating, the Ministry of Natural Resources and Wildlife is considering exploiting high definition color aerial photography within a global automatic detection process. In that regard, Montreal based SYNETIX Inc, teamed with the University of Montreal Remote Sensing Laboratory (UMRSL) in the development of an application indented for the automatic detection of road networks on complex radiometric high definition imagery. This application named SIGMA-ROUTES is a derived module of a software called SIGMA0 earlier developed by the UMRSL for optic and radar imagery of 5 to 10 meter resolution. SIGMA-ROUTES road detections relies on a map guided filtering process that enables the filter to be driven along previously known road vectors and tagged them as intact, suspect or lost depending on the filtering responses. As for the new segments updating, the process first implies a detection of potential starting points for new roads within the filtering corridor of previously known road to which they should be connected. In that respect, it is a very challenging task to emulate the human visual filtering process and further distinguish potential starting points of new roads on complex radiometric high definition imagery. In this research, we intend to evaluate the application’s efficiency in terms of total linear distances of detected roads as well as the spatial location of inconsistencies on a 2.8 km2 test site containing 40 km of various road categories in a semi-urban environment. As specific objectives, we first intend to establish the impact of different resolutions of the input imagery and secondly establish the potential gains of enhanced images (segmented and others) in a preemptive approach of better matching the image property with the detection parameters. These results have been compared to a ground truth reference obtained by a conventional visual detection process on the bases of total linear distances and spatial location of detection. The best results with the most efficient combination of resolution and pre-processing have shown a 78% intact detection in accordance to the ground truth reference when applied to a segmented resample image. The impact of image resolution is clearly noted as a change from 84 cm to 210 cm resolution altered the total detected distances of intact roads of around 15%. We also found many roads segments ignored by the process and without detection status although they were directly liked to intact neighbours. By revising the algorithm and optimizing the image pre-processing, we estimate a 90% intact detection performance can be reached. The new segment detection is non conclusive as it generates an uncontrolled networks of false detections throughout other entities in the images. Related to these false detections of new roads, we were able to identify numerous cases of new road detections parallel to previously assigned intact road segments. We conclude with a proposed procedure that involves enhanced images as input combined with human interventions at critical level in order to optimize the final product.

La disponibilité d'images satellites à très haute résolution spatiale au dessus de zones urbaines est récente. Elle constitue potentiellement un très grand apport pour la cartographie des villes à des échelles de l'ordre du 1:10 000. La très haute résolution spatiale permet une représentation réelle des rues sue une carte, mais engendre une augmentation significative du bruit. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d'extraction des réseaux de rues en milieu urbain à partir des images à très haute résolution spatiale. Son objectif est de répondre à une forte demande dans la création automatisée de cartes. La méthode proposée n'utilise que l'image numérique comme source d'information. Elle est semi-automatique au niveau de la détection et exploite la coopération entre la représentation linéique de la rue et sa représentation surfacique. Le graphe topologique du réseau est d'abord extrait et est utilisé pour initialiser l'étape de reconstruction surfacique. Le résultat d'extraction peut alors servir à recaler le graphe précisément sur l'axe des rues. La méthode utilise des contraintes géométriques fortes afin de ne pas dépendre d'un modèle de profil radiométrique de la rue, trop variable en milieu urbain. Dans cette optique, un modèle de contours actif associé à la transformée en ondelettes, le DoubleSnake, a été développé. Son évolution dans un cadre multi-échelle permet d'extraire les sections de rues à bords parallèles dans un environnement bruité. Les positions finales des DoubleSnakes permettent ensuite l'extraction des intersections. La méthode a été appliquée à des images de différents capteurs et avec différents types d'urbanisation. Un protocole innovant d'évaluation quantitative des résultats par comparaison à l'interprétation humaine a permis de montrer le caractère générique de la méthode, ainsi que sa bonne robustesse vis-à-vis du bruit. Cette méthode constitue un pas vers une cartographie automatisée du réseau de rues urbain.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse sont relatifs à l'extraction tridimensionnelle de bâtiments à partir d'images satellitaires optiques et RSO haute et très haute résolution. Une étude des effets géométriques liés à la projection des bâtiments dans les images optiques et RSO est tout d'abord menée. Dans le cadre de cette étude, la signature géométrique d'un bâtiment dans une image est définie. Elle correspond à l'ensemble des structures géométriques de l'image caractéristiques de la présence du bâtiment et peut être décrite, de manière équivalente, par un ensemble de régions ou de segments dans l'image. À l'issue de cette étude, des méthodes sont développées pour simuler la signature géométrique des bâtiments dans les images. Deux méthodes, qui s'appuient sur les méthodes de simulation précédemment établies, sont ensuite proposées pour l'extraction des bâtiments en monoscopie optique et RSO. Ces méthodes, dont les performances sont évaluées sur données simulées et sur données réelles, répondent aux exigences suivantes : - prise en compte de la complexité géométrique et radiométrique inhérente aux images de télédétection haute et très haute résolution en milieu urbain ; - applicabilité des approches développées aussi bien en imagerie optique que RSO, afin de faciliter leur mise en oeuvre dans un contexte multicapteur.

Aujourd’hui le monde des télécommunications est en plein essor et le nombre de services proposés aux consommateurs augmente d’année en année. Les technologies employées font appel à l’optique. Le simple constat du nombre d’applications "sans fils" qui se développent permet de se rendre compte de l’importance des microondes dans l’ensemble des technologies modernes de communication. Cette thèse se situe dans ce cadre. Elle présente des techniques de modélisation de base pour concevoir et optimiser un guide d’onde de surface fonctionnant dans le domaine des microondes. Dans le premier chapitre, des outils de simulation permettant de calculer la réponse de diffraction par les réseaux de strips métalliques ont été développés. Les méthodes rigoureuses qui ont été retenues sont la méthode MMFE, CBCM et la méthode C qui prennent en compte la nature vectorielle de la lumière. La difficulté de convergence des calculs numériques et le problème de discontinuité des champs sur les strips métalliques est mise en évidence. Pour traiter ces problèmes, un changement de coordonnées est proposé, c’est le système de " Coordonnées adaptative " qui permet de resserrer les lignes de coordonnées au voisinage des points des discontinuités. Il en résulte une diminution du saut de discontinuité en ces points et une amélioration de la convergence des calculs numériques. Dans le second chapitre, ces méthodes sont étendues au problème de la diffraction en incidence oblique encore appelé diffraction conique. Dans le troisième chapitre, nous avons appliqué ces méthodes pour étudier et caractériser les réseaux de strips métalliques déposés sur une couche diélectrique. Nous avons mis en évidence le phénomène de résonance sur les facteurs de réflexion et nous avons pu montré que ces effets des résonances sont dus au couplage de l’onde de surface et de l’onde plane incidente. Afin d’analyser les couplages résultants qui existent entre le mode, nous avons étudié les pôles de la matrice S et déterminé la sensibilité et l’influence des paramètres optoélectroniques sur le pic de résonance. Cette étude a permis de déterminer le triplet (hauteur, facteur de forme, l’angle de polarisation ) relatif à la structure pour que le guide soit optimisé. / Today, the world of telecommunications is booming and the number of services offered to the consumers rises from year to year. Current Technologies call for optics. The simple report of the number of " wireless " which is increasing allows bewaring of the importance of the microwaves in the whole world of modern communication technologies. This thesis is mainly in the same area. It presents tools of basic modeling to design and optimize surface waves guide that works in the field of microwaves. In the first chapter, simulation tools allowing to calculate the answer of diffraction by the metallic strip grating were developed. The rigorous methods which were adopted are the MMFE, CBCM and the C method which take into account the vector nature of the light.The difficulty in convergence of numerical calculations and the problem of discontinuity of the fields on the metallic strips are highlighted. In order to deal with these problems, the change of co-ordinates is proposed, it is the system of " adaptive co-ordinates " which makes it possible to tighten the lines of co-ordinates in the vicinity of the point of discontinuities. It results from it a reduction from the jump of discontinuity in these points and an improvement of the convergence of numerical calculations. In the second chapter, these methods are extended to the problem of diffraction in oblique,also called conical diffraction. In the third chapter, we have applied these methods to study and characterize the metallic strip grating deposited to a dielectric layer. We highlighted the phenomenon of resonance on the factors of reflexion and we could shown that these effects of resonances are due to the coupling of the surface of waves and of the incidence plane waves. So as to analyze the coupling results which exist between the modes we have studied the poles of the matrix S and determined the sensitivity and the influence of the optoelectronic parameters on the peak of resonance. This study made it possible to determine the triplet (height, fill Factor, the angle of polarization) relating to the structure so that the guide will be optimized.

Le projet PLUME développe des échelles ultra-légères inspirées par le cahier des charges du détecteur de vertex pour le futur e+e- International Linear Collider (ILC). Nos travaux montrent que, pour une énergie de 350 GeV et une luminosité de 250 fb-1, l’ILC donnera accès à des états finals comme Hνν. Les modules PLUME exploitent le concept d’échelles double-face recouvertes de capteurs CMOS afin d’atteindre un budget de matière de 0,35 % en longueurs de radiation. Les tests effectués ont montré que les performances électriques des 12 capteurs intégrés sur ces échelles ne sont pas dégradées. La surface des échelles présente des déformations, mais nous avons mis au point un algorithme spécifique qui permet de corriger leurs effets lors du traitement des données. Finalement, une mesure de la longueur de radiation d’un prototype moins avancé a été réalisée avec un faisceau test au DESY. La valeur obtenue de 0,47±0,02 % en longueurs de radiation correspond au budget attendu. / The PLUME project develops ultra-light pixelated layers with specifications driven by the design of a vertex detector at the future e+e- International Linear Collider (ILC). The ILC will give access to final states like Hνν, as this work demonstrates for centre-of-mass energy 350GeV and a luminosity of 250 fb-1. PLUME devices exploit the concept of double-sided ladder spaved with thinned CMOS pixel sensors in order to reach a material budget of 0.35 % of radiation length. The present study validated that simultaneous operation of the 12 CMOS sensors integrated on such light ladders do not impact their electrical behaviour. Surface deformations were observed but a specific algorithm during the off- line analysis was proposed and successfully tested to preserve the native sensor spatial resolution. Finally, a measurement of the material budget of a less advanced ladder prototype has been performedat DESY test beam and yield 0.47±0.02 % of radiation length, matching the expected value.