Face aux menaces des grands mouvements de versants rocheux, les techniques conventionnelles de suivi ne fournissent pas une vision globale, contrairement aux techniques d'imagerie. En considérant leurs apports à la description cinématique de trois sites instables, nous montrons que (1) la corrélation d'images aériennes est une solution rapide pour une connaissance globale et multi-temporelle ; que (2) le scanner-laser terrestre apporte des informations sur les zones tourmentées et difficiles d'observation mais de manière limitée spatialement ; que (3) l'utilisation des images satellitaires haute résolution est encore inadaptée, et enfin (4) que les images terrestres de face constituent un moyen rapide, efficace et peu onéreux de suivi de sites. Concernant les sites choisis, nous montrons que le mouvement de versant de Sedrun (Suisse) subit un ralentissement constant depuis 2002 qui fait suite à une augmentation des vitesses de 150% à partir de 1990. La description précise de la cinématique, alliée à la géologie de terrain, renseigne quant à ses évolutions possibles. La zone frontale du site de Séchilienne (Isère) se translate plus qu'elle ne s'affaisse ; par les acquisitions du scanner-laser, nous démontrons la rotation vers l'aval de ses compartiments structuraux. Enfin, le site du tunnel des Cliets (gorges de l'Arly) subit une décompression difficilement visible par imagerie. Finalement, nous proposons un "guide" aux techniques d'imagerie applicables à l'auscultation de versant instable, en fonction des configurations de terrain. Enfin, l'imagerie a montré tout son potentiel et sa complémentarité avec les techniques conventionnelles de suivi des mouvements de versants.

La localisation automatique est une fonctionnalité importante des systèmes de cartographie mobiles (Mobile Mapping Systems, MMS). La présente thèse présente des solutions complémentaires aux méthodes de localisation utilisées actuellement dans un système MMS terrestre, qui utilise des récepteurs GPS et des centrales à inertie (Inertial Measurement Units, IMU). Un post-traitement, par lissage des données, permet d'améliorer les cartes 3D générées par un MMS. Cette approche est cependant insuffisante pour corriger les erreurs à variations lentes des capteurs. La présente thèse propose une technique de localisation alternative, fondée sur des scanners 2D à lasers. La méthode présentée ici, d'odométrie par laser, utilise des repères plans, qui sont fréquents dans les environnements créés par l'Homme : ces repères fixes permettent de déterminer le déplacement opéré par la plateforme mobile. Contrairement à la technique du SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), utilisée pour la navigation des robots à l'intérieur d'un bâtiment, la transformation 3D est calculée sans avoir recours à une carte préétablie, mais en exploitant des propriétés invariantes des caractéristiques extraites de l'environnement. Nous proposons une approche par "division pour régner" (divide and conquer, D&C) qui simplifie les tâches d'association des repères (data association, DA) et de reconstruction du mouvement.

Cette thèse porte sur la quantification de deux aléas que sont le recul des falaises crayeuses en Haute-Normandie et les inondations par la mer en Manche centrale et orientale. Ces phénomènes générateurs de dommages, interdépendants, ont un fonctionnement méconnu qui se manifeste par des événements d'intensité et de fréquence variées. La démarche quantitative adoptée s'appuie sur une approche systémique et par emboîtement d'échelles spatiales et temporelles. Ce travail intègre le rapport fréquence/intensité des événements, et par conséquent, l'efficacité des facteurs et des processus responsables de leur déclenchement. Ce travail vise à : 1) calculer les vitesses et les rythmes de recul des falaises ; 2) déterminer les facteurs responsables du déclenchement des mouvements gravitaires ; 3) quantifier la production de débris et les taux d'ablation du front de falaise ; 4) évaluer les évolutions en fréquence et en intensité des submersions marines ; 5) déterminer l'origine de ces évolutions ; 6) réfléchir sur les méthodes de cartographie de l'aléa " inondation par la mer " et " recul des falaises ".

Cette thèse a été effectuée en collaboration entre le Centre de Robotique CAOR de MINES ParisTech et MENSI-Trimble sous convention CIFRE (Convention Industrielle de Formation par la Recherche), afin de concevoir un nouveau système de scanner laser innovant dédié aux systèmes mobiles de cartographie. Pour cela, nous avons développé une méthode d'analyse qualitative des relevés laser et une démarche de conception par simulation d'un système mobile de cartographie. Nous avons ensuite élaboré plusieurs concepts de scanners laser mobiles. A l'aide du simulateur, nous avons virtuellement réalisé ces concepts et avons fait des acquisitions simulées afin d'analyser les données. Après avoir obtenu les résultats de l'analyse, nous avons choisi un concept, réalisé son prototypage et effectué son évaluation en situation réelle.

La validation des algorithmes de tractographie et l’optimisation des paramètres choisis en référence à une vérité terrain, sont primordiales avant l’utilisation de ces méthodes en routine clinique. D’une part, nous présentons une méthode de comparaison quantitative de reconstructions issues de la tractographie à celles reconstruites depuis la dissection par un scanner laser. Cette comparaison permet d’évaluer les reconstructions de différents modèles et algorithmes de tractographie (déterministe, probabiliste) en les confrontant à une vérité terrain acquise par le scanner laser (surfaces triangulées). La transformation des données sous des formats communs était nécessaire avant leur comparaison quantitative. Deux méthodes de comparaison, surface-surface et volume-volume ont été proposées. D’autre part, nous présentons une méthode d’optimisation par algorithme génétique (AG), des paramètres de tractographie déterministe. L’AG est un algorithme itératif d’optimisation basé sur la sélection naturelle, il est capable d’optimiser des problèmes complexes ayant plusieurs paramètres. Etant donné la vérité terrain d’un faisceau, l’AG se propose de trouver le jeu de paramètres optimal donnant le meilleur résultat de tractographie. Les méthodes de comparaisons et d’optimisation ont été appliquées à un faisceau d’objet test puis à deux faisceaux disséqués à partir d’un cerveau humain post mortem après acquisitions IRM et scanner laser. / Tractography validation and optimization of tracking parameters against a ground truth are mandatory before a large clinical use. First, we present a method to quantitatively compare tractography reconstructions to a ground truth derived from laser scanner acquisitions of dissected specimens. This comparison allows evaluation of multiple models and tractography approaches (deterministic, probabilistic…). The ground truth used for this comparison was acquired from dissected specimens using a surface laser scanner, which produces triangulated surface meshes. Data transformation to a common format was necessary before quantitative comparisons. Two comparison methods were proposed, surface-to-surface and volume-to-volume. Second, we propose a method for automatic optimization of deterministic tractography parameters using a genetic algorithm (GA). The GA is an iterative optimization algorithm based on natural selection, which is able to optimize complex problems having several parameters. For a given ground truth fasciculus, the GA was expected to find the set of tractography parameters producing the best tractography result according to the ground truth. The comparison and optimization methods were applied to a synthetic bundle derived from a phantom and to two dissected white matter tracts of a human post mortem brain.

De nombreux travaux ont montré le potentiel de la télédétection parscanner laser aéroporté pour caractériser les massifs forestiers.Cependant, l'application aux forêts complexes de montagne reste encorepeu documentée. On se propose donc de tester les deux principalesméthodes permettant d'extraire des paramètres forestiers sur desdonnées acquises en zone montagneuse et de les adapter aux contraintesspéci fiques à cet environnement. En particulier on évaluera d'unepart l'apport conjoint de la régression à vecteurs de support et de laréduction de dimension pour l'estimation de paramètres de peuplement,et d'autre part l'intérêt d'un apprentissage non supervisé pour ladétection d'arbres. / Numerous studies have shown the potential of airborne laser scanningfor the mapping of forest resources. However, the application of thisremote sensing technique to complex forests encountered in mountainousareas requires further investigation. In this thesis, the two mainmethods used to derive forest information are tested with airbornelaser scanning data acquired in the French Alps, and adapted to theconstraints of mountainous environments. In particular,a framework for unsupervised training of treetop detection isproposed, and the performance of support vector regression combinedwith dimension reduction for forest stand parameters estimation isevaluated.

La préparation d'interventions de maintenance dans les installations industrielles a dorénavant recours à des outils d'étude, de modélisation et de simulation basés sur l'exploitation de modèles virtuels 3D des installations. L'acquisition de ces modèles tridimensionnels s'effectue à partir de nuages de points mesurés, depuis plusieurs points de vue, par balayage angulaire horizontal et vertical d'un faisceau laser par scanner laser terrestre. L'expression dans un repère commun de l'ensemble des données acquises est appelée consolidation, au cours de laquelle les paramètres de changement de repères entre les stations sont calculés. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la méthode d'acquisition de données laser en environnements industriels. Celle-ci doit, au final, garantir la précision et l'exactitude nécessaires des données tout en optimisant le temps et les protocoles d'acquisition sur site, en libérant l'opérateur d'un certain nombre de contraintes inhérentes au relevé topographique classique. Nous examinons, dans un premier temps, l'état de l'art des moyens et méthodes mis en œuvre lors de l'acquisition de nuages de points denses de scènes d'intérieurs complexes (Partie I). Dans un deuxième temps, nous étudions et évaluons les données utilisables pour la consolidation: données laser terrestres, algorithmes de reconstruction de primitives et systèmes de géolocalisation d'intérieur (Partie II). Dans une troisième partie, nous formalisons et expérimentons ensuite un algorithme de recalage basé sur l'utilisation de primitives appariées, reconstruites dans les nuages de points (Partie~III). Nous proposons finalement une approche probabiliste de l'appariement de primitives permettant l'intégration des informations et incertitudes a priori dans le système de contraintes utilisé pour le calcul des poses (Partie IV). / Many pre-maintenance operations of industrial facilities currently resort on to three-dimensional CAD models. The acquisition of these models is performed from point clouds measured by Terrestrial Laser Scanning (TLS). When the scenes are complex, several viewpoints for scanning, also known as stations, are necessary to ensure the completeness and the density of the survey data. The generation of a global point cloud, i.e. the expression of all the acquired data in a common reference frame, is a crucial step called registration. During this process, the pose parameters are estimated. If the GNSS systems are now a solution for many outdoor scenes, the registration of indoor TLS data still remains a challenge. The objective of this thesis is to improve the acquisition process of TLS data in industrial environments. The aim is to guarantee the precision and accuracy of acquired data, while optimizing on-site acquisition time and protocols by, as often as possible, freeing the operator from the constraints inherent to conventional topographic surveys. In a first part, we consider the state of the art of the means and methods used during the acquisition of dense point clouds of complex interior scenes (Part I). In a second part, we study and evaluate the data available for the registration: terrestrial laser scanner data, primitive reconstruction algorithms in point clouds and indoor geolocation systems (Part II). In the third part, we then formalize and experiment a registration algorithm based on the use of matched primitives, reconstructed from per station point clouds (Part III). We finally propose a probabilistic approach for matching primitives, allowing the integration of a priori information and uncertainty in the constraints system used for calculating poses (Part IV).

La sécurité des deux-roues motorisés (2RM) constitue un enjeu essentiel pour les pouvoirs publics et les gestionnaires routiers. Si globalement, l’insécurité routière diminue sensiblement depuis 2002, la part relative des accidents impliquant les 2RM a tendance à augmenter. Ce constat est résumé par les chiffres suivants : les 2RM représentent environ 2 % du trafic et 30 % des tués sur les routes.On observe depuis plusieurs années une augmentation du parc des 2RM et pourtant il manque des données et des informations sur ce mode de transport, ainsi que sur les interactions des 2RM avec les autres usagers et l'infrastructure routière. Ce travail de recherche appliquée est réalisé dans le cadre du projet ANR METRAMOTO et peut être divisé en deux parties : la détection des2RM et la détection des objets routiers par scanner laser. Le trafic routier en général contient des véhicules de nature et comportement inconnus, par exemple leurs vitesses, leurs trajectoires et leurs interactions avec les autres usagers de la route. Malgré plusieurs technologies pour mesurer le trafic,par exemple les radars ou les boucles électromagnétiques, il est difficile de détecter les 2RM à cause de leurs petits gabarits leur permettant de circuler à vitesse élevée et ce même en interfile. La méthode développée est composée de plusieurs sous-parties: Choisir une configuration optimale du scanner laser afin de l’installer sur la route. Ensuite une méthode de mise en correspondance est proposée pour trouver la hauteur et les bords de la route. Le choix d’installation est validé par un simulateur. A ces données brutes, la méthode de prétraitement est implémentée et une transformation de ces données dans le domaine spatio-temporel est faite. Après cette étape de prétraitement, la méthode d’extraction nommée ‘Last Line Check (LLC)’ est appliquée. Une fois que le véhicule est extrait, il est classifié avec un SVM et un KNN. Ensuite un compteur est mis en œuvre pour compter les véhicules classifiés. A la fin, une comparaison de la performance de chacun de ces deux classifieurs est réalisée. La solution proposée est un prototype et peut être intégrée dans un système qui serait installé sur une route au trafic aléatoire (dense, fluide, bouchons) pour détecter, classifier et compter des 2RM en temps réel. / The safety of Powered Two Wheelers (PTWs) is important for public authorities and roadadministrators around the world. Recent official figures show that PTWs are estimated to represent only 2% of the total traffic but represent 30% of total deaths on French roads. However, as these estimated figures are obtained by simply counting the number plates registered, they do not give a true picture of the PTWs on the road at any given moment. This dissertation comes under the project METRAMOTO and is a technical applied research work and deals with two problems: detection of PTWsand the use of a laser scanner to count PTWs in the traffic. Traffic generally contains random vehicles of unknown nature and behaviour such as speed,vehicle interaction with other users on the road etc. Even though there are several technologies that can measure traffic, for example radars, cameras, magnetometers etc, as the PTWs are small-sized vehicles, they often move in between lanes and at quite a high speed compared to the vehicles moving in the adjacent lanes. This makes them difficult to detect. the proposed solution in this research work is composed of the following parts: a configuration to install the laser scanner on the road is chosen and a data coherence method is introduced so that the system is able to detect the road verges and its own height above the road surface. This is validated by simulator. Then the rawd ata obtained is pre-processed and is transform into the spatial temporal domain. Following this, an extraction algorithm called the Last Line Check (LLC) method is proposed. Once extracted, the objectis classified using one of the two classifiers either the Support Vector Machine (SVM) or the k-Nearest Neighbour (KNN). At the end, the results given by each of the two classifiers are compared and presented in this research work. The proposed solution in this research work is a propototype that is intended to be integrated in a real time system that can be installed on a highway to detect, extract, classify and counts PTWs in real time under all traffic conditions (traffic at normal speeds, dense traffic and even traffic jams).

L’indice de surface foliaire (Leaf Area Index, LAI), défini comme la moitié de la surface foliaire par unité de surface de sol, est un paramètre clé du cycle écologique de la Terre, et sa précision d'acquisition a toujours la nécessité et la possibilité d'amélioration. La technologie du scanner laser actif offre une possibilité d'obtention cohérente du LAI à plusieurs échelles, car le scanner laser terrestre et le scanner laser aéroporté fonctionnent sur le même mécanisme physique. Cependant, les informations tridimensionnelles du scanner laser ne sont pas complètement explorées dans les méthodes actuelles et les théories traditionnelles ont besoin d'adaptation. Dans cette thèse, le modèle de distribution de longueur de trajet est introduit pour corriger l'effet d’agrégation, et il est appliqué aux données du scanner laser terrestre et du scanner laser aéroporté. La méthode d'obtention de la distribution de longueur de trajet de différentes plates-formes est étudiée et le modèle de récupération cohérent est établi. Cette méthode permet d’améliorer la mesure du LAI des arbres individuels dans les zones urbaines et la cartographie LAI dans les forêts naturelles, et ses résultats sont cohérents à différentes échelles. Le modèle devrait faciliter la détermination cohérente de l'indice de surface foliaire des forêts à l'aide de données au sol et aéroportées. / Leaf Area Index (LAI), defined as one half of the total leaf area per unit ground surface area, is a key parameter of vegetation structure for modeling Earth's ecological cycle and its acquisition accuracy always has the need and opportunity for improvement. Active laser scanning provides an opportunity for consistent LAI retrieval at multiple scales because terrestrial laser scanning (TLS) and airborne laser scanning (ALS) have the similar physical mechanism. However, the three-dimensional information of laser scanning is not fully explored in current methods and the traditional theories require adaptation. In this thesis, the path length distribution model is proposed to model the clumping effect, and it is applied to the TLS and ALS data. The method of obtaining the path length distribution of different platforms is studied, and the consistent retrieval model is established. This method is found to improve the individual tree measurement in urban areas and LAI mapping in natural forest, and its results at consistent at different scales. The model is expected to facilitate the consistent retrieval of the forest leaf area index using ground and airborne data.

Les facteurs de contrôle (prédisposition, déclenchement) des glissements de terrain, leurs mécanismes et leurs comportements cinématiques peuvent être extrêmement hétérogènes et interagir sur des constantes de temps très variées. De nombreuses lacunes existent dans l'évaluation de l'aléa associé à ces processus, en particulier pour les glissements lents qui peuvent évoluer en coulées rapides. Les glissements-coulées présentent en effet des comportements très variables dans le temps et dans l'espace caractérisés par un large spectre de vitesses de déplacement (de moins de un centimètre par jour à plusieurs mètres par jour) et la présence de discontinuités et de grandes hétérogénéités dans la répartition de leurs propriétés pétro-physiques. Les techniques d'observation et d'investigation classiques permettent d'obtenir des informations ponctuelles qui ne sont pas suffisantes pour quantifier ces variabilités spatiales et temporelles. Une des conséquences est que, bien souvent, les modèles numériques de glissement ne sont calés et validés que sur un nombre limité d'observations in-situ. Les développements récents en imagerie géophysique multi-paramètres ont permis de progresser dans l'acquisition directe et indirecte de données sur la déformation (photogrammétrie, corrélation d'images, scanner laser) et les paramètres pétro-physiques (tomographie électrique et sismique réfraction). Malgré une précision souvent inférieure à celles des techniques classiques, elles ont l'avantage de fournir des informations multi-échelles et distribuées spatialement. Combiner ces informations spatiales à celles obtenues par les techniques classiques (GPS, extensométrie, piézométrie, géotechnique) et les intégrer dans un modèle conceptuel cohérent pour la modélisation numérique constitue une difficulté majeure. Des travaux scientifiques ont été engagés en combinant différentes approches issues d'observations de terrain (géomorphologie, géologie) et de données instrumentales (hydrogéophysique, photogrammétrie, scanner laser). L'objectif est de développer des méthodologies permettant de déterminer spatialement les différentes caractéristiques majeures des glissement-coulées (structuration interne, comportement hydrologique, comportement cinématique, mécanisme de déformation). Un modèle conceptuel de fonctionnement et des modélisations du comportement hydro-mécanique des glissements-coulées avec les codes Z-Soil et Slow-Mov sont proposés. Les sites d'étude retenus pour notre analyse sont les glissements-coulées marneux de Super-Sauze et de La Valette dans le Bassin de Barcelonnette (Alpes-de-Haute-Provence). Les travaux de recherche sont présentés en quatre parties dont les objectifs sont : 1. De caractériser la structuration interne et la géométrie 3D des glissement-coulées à l'aide de données géophysiques, géotechniques et géomorphologiques ; 2. De proposer un modèle conceptuel hydrologique de la zone non saturée par suivi temporel et spatial de résistivités électriques et par l'analyse de données piézométriques ; 3. De caractériser la cinématique des glissements-coulées à partir de plateformes terrestres de télédétection (photogrammétrie et scanner laser) combinées à des plateformes aériennes et à des suivis par GPS différentiel ; 4. D'identifier des seuils de modifications de régimes hydrologiques et cinématiques par la modélisation numérique. Les résultats soulignent le vaste champ d'application des principales techniques d'imagerie pour l'investigation des glissement-coulées et permettent de définir leurs limites d'utilisation. Des études futures devraient permettre de développer ces différentes méthodologies à des fins opérationnelles de surveillance et pour améliorer les capacités de prédiction de l'aléa.