L'utilisation de modèles de diffusion radar par la végétation permet de mieux comprendre les relations entre des observables radar et les caractéristiques de la scène observée. Des études récentes ont montré l'intérêt de modéliser de manière partielle ou totale les interactions cohérentes entre les diffuseurs d'une scène, les modèles de diffusion évoluant d'une formulation en intensité (incohérente) à une formulation en champ (cohérente). Durant cette thèse, nous avons développé une formulation cohérente et polarimétrique de la diffusion radar par des scènes forestières. La diffusion par des éléments canoniques (cylindres, ellipsoïdes) a été traitée afin de mettre en évidence les domaines de validité des méthodes employées. Le modèle de diffusion est ensuite présenté puis appliqué à une forêt considérée comme un milieu discret. La contribution totale de la forêt résulte alors de la sommation cohérente des champs diffusés par chacune de ses composantes. Chaque contribution est pondérée par le déphasage dû à la position relative des diffuseurs et l'atténuation complexe lié au trajet de l'onde dans la forêt. Les modèles cohérents ayant besoin de s'appuyer sur des descriptions réalistes de la végétation, un soin particulier à été porté à la modélisation de la forêt. Ce code a été appliqué à deux types de forêts (tropicale et tempérée) et à trois bandes de fréquences différentes (P,L et C). Son application aux forêts de Mangroves a montré qu'il modélise correctement la rétrodiffusion dans un cas où de forts effets cohérents sont attendus. Les limitations de ce code sont notamment analysées dans le cas particulier des hautes fréquences/densités. Finalement le degré de cohérence interférométrique est étudié et sa composition (contributeurs et mécanismes dominants) est analysée.

Sur Terre, les régions périglaciaires ayant un pergélisol riche en glace peuvent enregistrer les changements climatiques globaux. Ce pergélisol contenant 50-80 % de glace en volume s'est formé lors des grandes périodes glaciaires du Pléistocène. Par la suite, ce pergélisol riche en glace a subi une dégradation intense lors de réchauffements climatiques globaux au début de la période interglaciaire de l'Holocène.La planète Mars comporte un pergélisol à l'échelle planétaire dont la formation serait associée à des changements climatiques globaux provoqués par des variations chaotiques de son orbite durant les derniers millions d'années. La région d'Utopia Planitia située dans les moyennes latitudes nord de Mars présente différents modelés de surface (" scalloped depressions ", polygones, cavités à la jonction des polygones) interprétés comme s'étant formés à partir d'un pergélisol contenant potentiellement une grande quantité de glace. De la même manière que sur Terre, ce pergélisol a pu enregistrer les derniers changements climatiques globaux survenus sur Mars.Cette thèse propose d'étudier comparativement l'impact des changements climatiques sur le paysage des régions périglaciaires sur Terre et sur Mars. Dans ce but, nous avons conduit des études sur le terrain des processus et des modelés périglaciaires en Yakoutie Centrale (Sibérie) et dans le delta du Mackenzie (Canada) associées à une étude géomorphologique à haute résolution des modelés d'Utopia Planitia.Notre étude montre que l'ensemble des modelés d'Utopia Planitia est similaire en morphologie, taille et association spatiale à celui de la Yakoutie Centrale et du delta du Mackenzie (lacs thermokarstiques, polygones, mares à la jonction des polygones) indiquant que la région présenterait un pergélisol riche en glace. Le pergélisol serait composé de sédiments stratifiés et dont l'âge de formation minimale est estimé entre ~ 5 et 100 Ma. Le pergélisol contiendrait un volume de glace important (≥ 50 % en volume) sur une épaisseur de ~ 70 m.De part ses caractéristiques, ce pergélisol aurait une origine syngénétique : sa formation serait le résultat d'une accumulation importante de sédiments au sein du bassin d'Utopia Planitia sous des conditions froides permettant le gel in-situ des sédiments. Les sédiments peuvent avoir été déposés par des vallées de débâcles provenant d'Elysium Mons et/ou par une activité éolienne importante. Par ailleurs, la formation synchrone d'une calotte de glace régionale près d'Utopia Planitia lors de périodes de moyenne obliquité (~ 35°) de Mars pourrait avoir induit un dépôt éolien préférentiel dans Utopia Planitia.Par la suite, le pergélisol riche en glace aurait subi une dégradation régionale importante entre ~ 5 et 10 Ma. Ce thermokarst aurait été déclenché par une insolation accrue lors de périodes de haute obliquité (~ 45°) de Mars. L'augmentation des températures aurait provoqué une déstabilisation thermique du pergélisol entraînant une sublimation de la glace, modifiant profondément le paysage de la région.Ainsi, les variations importantes de l'obliquité de Mars ont généré des changements climatiques globaux qui ont permis la formation et la dégradation du pergélisol riche en glace d'Utopia Planitia entre ~ 5 et 10 Ma.

Dans un contexte d'anthropisation croissante de la frange littorale, et d'intensification des risques côtiers, la mise en œuvre de politiques de Gestion Intégrée des Zones Côtières (GIZC) s'impose. Cette gestion se concrétise notamment par un suivi de l'évolution littorale, nécessitant des techniques adaptées à ce type d'environnement et permettant de mesurer les variations morphologiques mais également de mieux comprendre les processus mis en jeu. Cette thèse s'inscrit dans la problématique de développement de méthodes d'observation et de quantification de l'évolution morphodynamique. Elle se focalise sur un suivi 3D à très haute résolution spatiale de l'interface Terre-Mer au niveau d'une plage sableuse, de l'échelle journalière à pluri-annuelle. Les méthodes proposées s'appuient sur des techniques de télédétection : stéréo-photogrammétrie depuis un drone hélicoptère, acquisitions au Scanner Laser Terrestre (TLS) et acquisitions au Sondeur Multi-Faisceaux (SMF) petits fonds sur les parties immergées de la plage. Pour chacune de ces techniques, nous avons élaboré un protocole spécifique d'acquisition et de traitement des données aboutissant à la génération de Modèles Numériques de Terrain (MNT), puis de MNT différentiels diachroniques. Cette approche multi-source permet de fusionner les données terre-mer (sur une frange s'étendant du haut de plage à 15 m de profondeur) et offre ainsi une vision synoptique des transferts de matière au sein du compartiment sédimentaire. Les techniques présentées ont été mises en oeuvre à la Plage de Porsmilin (Mer d'Iroise). Les résultats des levés récurrents ont fait l'objet d'une analyse de la variabilité morpho-sédimentaire à différentes échelles spatio-temporelles. Le suivi de la cellule sédimentaire a permis de déterminer la profondeur de fermeture à l'échelle annuelle et d'identifier les tendances saisonnières. Aux échelles spatio-temporelles plus fines, nous avons pu étudier l'évolution de figures sédimentaires telles que des bermes ou des croissants de plages. Autant que possible, chaque observation s'accompagne d'une identification du (des) forçage(s) hydrodynamique(s) sous-jacent(s).

Les milieux oroméditerranéens sont considérés comme particulièrement sensibles aux changements climatiques. Deux questions sont posées dans ce contexte : quelles sont la nature et l'ampleur des modifications climatiques à l'échelle régionale (climat et enneigement) au Chili central, depuis les années 70 ? Quels sont les changements de la végétation en montagne (dans la tranche d'altitude 1.500 - 2.500 m), en particulier au niveau de la limite supérieure de la forêt à Kageneckia angustifolia ? La première partie de la thèse présente les spécificités des milieux de montagne et les changements climatiques déjà observés de façon générale et au Chili en particulier. Elle présente aussi les sites d'étude au niveau climatique et biogéographique. La deuxième partie concerne les données et la méthodologie. Une approche scalaire est mise œuvre, avec confrontation et mise en complémentarité de différentes techniques : télédétection, chroniques climatiques et mesures in situ. La troisième partie présente les résultats. Les données climatiques enregistrées les 30 dernières années aux stations d'El Yeso (2.500 m) et de Los Bronces (3.500 m), montre une croissance d'environ 1 °C pour la température moyenne annuelle, réchauffement plus marqué à El Yeso, au niveau des températures minimales. Pour l'enneigement, il est montré une haute variation interannuelle de la couverture de neige et une élévation de la limite de la neige durant les dernières décennies, d'environ 300 m. Ces résultats, sont accompagnés d'une augmentation faible du NDVI. Au niveau de la vallée Yerba Loca, l'étude diachronique de l'écotone supraforestier montre des transformations vers une augmentation de la superficie des espaces forestiers et leur densification. Enfin, l'expérience de germination, à Yerba Loca montre qu'il existe une différence significative entre le pourcentage de germination des graines à l'intérieur des enclos et à l'extérieur, avec un effet négatif de la couverture neigeuse sur la germination des plantules.

L'objectif de cette thèse est d'étudier les potentialités de la télédétection aérospatiale pour l'aide à la gestion de sole cannière Réunionnaise. Nous avons utilisé une base de données d'images multitemporelles SPOT 4&5 (années 2002 et 2003) et organisé une campagne d'acquisition d'images hyperspectrales CASI en septembre 2002. Simultanément, nous avons assuré le déroulement et la mise en place d'un protocole de mesures au champ pour suivre l'évolution des paramètres biophysiques descriptifs de l'état du couvert de la canne (surface foliaire, taux d'azote, biomasse de la culture) et des paramètres agronomiques (suivi des coupes et des replantations). Les résultats ont montré qu'il est possible d'estimer la surface foliaire (LAI) à partir de l'indice de végétation normalisé (NDVI) ainsi que le rendement canne à partir de l'indice de végétation NDVI calculé au moment du développement maximal du couvert. Avec les données SPOT, la meilleure estimation du rendement canne à l'échelle parcellaire résulte du couplage entre le modèle de croissance Mosicas et les profils d'évolution de surface foliaire obtenus à partir des images SPOT 4&5. Les données hyperspectrales CASI permettent une meilleure estimation de la surface foliaire et de la biomasse fraîche que les données SPOT 4&5 ainsi qu'une estimation du taux d'azote foliaire qui est, en phase de maturation, un indicateur de richesse en sucre. La possibilité de discriminer des parcelles de canne en fonction de leurs états de surface (pleine végétation, coupée ou labourée) nous a permis de développer des applications opérationnelles de cartographie dynamique de la sole cannière en temps quasi réel : le suivi des coupes et des replantations.

Cette étude d'archéologie spatiale s'intéresse à l'évolution du peuplement antique dans une zone relativement restreinte, située dans l'arrière-pays languedocien, en marge des pôles majeurs du peuplement régional. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches consacrées au peuplement ancien du Languedoc oriental effectuées ces dernières décennies. La contribution spécifique de ce travail réside dans une analyse plus poussée du rôle du milieu géographique - physique et humain - dans l'évolution de l'occupation du sol, appréhendée sur la longue durée, du VIIe siècle avant J.-C. au VIIe siècle après J.-C. Deux axes de recherche ont été développés : la caractérisation des ressources agropastorales - en faisant notamment usage des ressources de la télédétection satellitaire -, et la modélisation du réseau de communication - conçue par la méthode des cheminements optimaux. S'appuyant sur un secteur d'étude riche du point de vue de la documentation archéologique (recueillie dans le cadre de programmes de prospection pédestre systématique réalisés entre la fin des années 70 et la fin des années 90), ce travail méthodologique s'intègre dans le programme de recherche ArchaeDyn.

Dans l'ouvrage [DBB06], Dutré et al. énumèrent dix problèmes d'Illumination Globale non résolus. Parmi ceux-ci, huit sont liés à la mesure et à l'intégration de données réelles dans les simulations. Cette thèse, en quatre parties et trois annexes, s'intéresse à cette problématique. Tout d'abord, les simulations de la propagation de la lumière dans les domaines du rendu physiquement réaliste, de l'éclairage, de la télédétection, de la conception de systèmes optiques... sont envisagées comme résolutions numériques d'un problème d'optique, fédérées par la notion de " photosimulation ". Dans le cadre de l'équation de rendu, les modèles réalistes de sources et le principe de la mesure goniophotométrique en champ lointain sont alors rappelés. La représentation des interactions lumière-matière est ensuite introduite par une exploration de l'apparence macroscopique, qui amène au rappel de la Fonction de Distribution de la Réflectance Bidirectionnelle et Spectrale (SBRDF), de ses principales propriétés et modèles. Le problème de la mesure pratique de la SBRDF d'une surface dans le visible est ensuite exploré. Id est, une taxonomie des méthodes de la littérature est établie ; qui allègue en faveur du développement de nouvelles approches. Un dispositif innovant, multispectral imageant, est alors présenté. Il se fonde sur la capture de la projection de la SBRDF sur un écran lambertien 3/4-sphérique, par une caméra multispectrale grand angle, assemblage d'un objectif fisheye, d'un filtre dynamique LCTF et d'une caméra CCD 12 bits. L'extraction des images capturées de l'information de la SBRDF repose sur un modéle radiométrique, qui explicite la transformation de la lumière en niveaux des pixels, dans le formalisme physique. Ce modèle soulève des problèmes de reconstruction multispectrale et d'interréflexions, pour lesquels de nouveaux algorithmes de résolution sont implantés. Les mesures de SBRDF produites semblent très prometteuses. Dans la troisième partie, le problème de la reconstruction d'une fonction directionnelle, identifié comme fondamental en photosimulation, est traité dans le cadre de la reconstruction de SBRDF discrètes. Pour cela, les propriétés mathématiques souhaitables des fonctions reconstruites sont envisagées. Puis, à l'aune de ce corpus, les approches de la littérature sont discutées ; justifiant la recherche d'algorithmes plus performants. Une nouvelle méthode est alors proposée, fondée sur une double triangulation sphérique des échantillons, et une généralisation à la surface d'un triangle sphérique de l'interpolant spline cubique de Hermite. La fonction reconstruite est interpolante, dérivable, quasi-déterministe, ne présente pas l'artéfact bidirectionnel, intègre la métrique sphérique non euclidienne, et prend en compte le difficile problème du masquage. Qualitativement comme quantitativement, les résultats obtenus semblent plaider en faveur du surcroît de complexité théorique qu'induit cette approche. Dans la dernière partie, cet algorithme de reconstruction est appliqué au problème de la " photométrie en champ proche ", ou, la caractérisation d'une source réelle par un solide photométrique étendu. La supériorité théorique du modèle étendu est d'abord démontrée. Puis, un état de l'art de la photométrie en champ proche est réalisé ; justifiant la mise en œuvre d'une nouvelle approche. Un nouveau dispositif est alors présenté. Il repose sur le déplacement d'un vidéoluminancemètre, couplage original d'une caméra CCD 12 bits avec un luxmètre, le long d'une trajectoire hémisphérique relative à la source. Les procédures de calibrage de l'instrument - géométrique, radiométrique, et photométrique - sont explicitées. Les sources de lumière caractérisées par cette approche ont été jugées suffisamment probantes pour être intégrées aux photosimulations spectrales du CSTB

L'étalement urbain modifie l'occupation des sols et la physionomie des campagnes, menace l'agriculture périurbaine, et entraîne des conséquences sur le plan environnemental. Il provoque des perturbations des écosystèmes et constitue une menace sérieuse pour la biodiversité. Dans le contexte actuel d'une artificialisation accélérée des terres, l'étude de l'étalement urbain, l'évaluation et l'anticipation de ses impacts présentent un intérêt tant pour les scientifiques que les gestionnaires du territoire. Les objectifs de cette thèse sont de retracer précisément l'évolution de l'urbanisation sur Rennes Métropole, d'évaluer son impact sur la structuration des habitats écologiques, et de modéliser son évolution selon différents scénarios afin d'évaluer leurs conséquences sur l'occupation des sols et sur la biodiversité. Pour cela, une méthode de reconstitution des trajectoires d'occupation et d'utilisation des sols a d'abord été développée à partir de données de télédétection afin de mettre en évidence l'extension urbaine et de l'analyser à différentes échelles, allant du département d'Ille-et-Vilaine depuis vingt ans à de petits sites de quelques km² depuis les années 50. Ensuite, les paysages urbains actuels et passés ont été caractérisés à l'aide d'indicateurs relevant de l'écologie du paysage, avant de mettre ces derniers en relation avec des données biologiques. Enfin, les changements d'occupation du sol ont été modélisés selon différents scénarios avec un modèle intégrant un automate cellulaire, afin d'évaluer les impacts des scénarios sur les changements d'usage des sols et des paysages et sur la biodiversité. L'analyse des changements d'occupation du sol observés par télédétection illustre une nette progression du tissu urbain aux trois échelles étudiées, une régression des forêts et espaces verts à l'extérieur de la tache urbaine contre une augmentation à l'intérieur de cette tache, une fragmentation progressive des surfaces artificialisées et des espaces verts, une faible connectivité des espaces verts entre la ville et la périphérie. La mise en relation des données paysagères avec les données biologiques montre qu'au niveau des végétaux, l'urbanisation affecte le nombre d'espèces qui diminue sensiblement en allant du périurbain vers l'urbain. Au niveau des animaux, les résultats montrent que l'urbanisation affecte différemment les taxons en fonction de leur capacité de dispersion. L'analyse de l'occupation des sols projetée à un horizon 2020 selon différents scénarios montre que l'évolution 2005-2020 est très marquée, mais que les différences d'occupation des sols entre les scénarios et donc leurs impacts sur la biodiversité sont à peine perceptibles d'un scénario à l'autre. Ceci peut s'expliquer par le fait que l'évolution des surfaces urbanisées à Rennes Métropole est très contrainte par les différents documents de planification déjà existants, mais sans doute aussi par le modèle et la précision des données qu'il utilise. Mots-clés : Etalement urbain, Occupation des sols, Télédétection, Méthode Orientée-objet, Indices paysagers, Biodiversité, Modélisation, Automate cellulaire, Scénarios.

Peu de stations au sol mesurent l'éclairement et des méthodes ont été développées pour l'évaluer à partir d'images prises par des satellites géostationnaires ou en orbite polaire. Dans les méthodes actuelles, dites inverses, le signal perçu par le satellite est inversé pour dériver le rayonnement au sol. Il est estimé de manière générale que les limites des méthodes inverses sont certainement atteintes en terme de précision. En conséquence, une nouvelle voie, basée sur la modélisation directe de la propagation du rayonnement solaire dans l'atmosphère, est explorée. Dans cette thèse, nous concevons une nouvelle méthode -dite Heliosat-4- basée sur le code de transfert radiatif libRadtran et tirant profit des produits de meilleure qualité, extraits des nouvelles capacités d'observation de la terre. Dans cet objectif, nous avons - par une analyse de sensibilité, établi les entrées nécessaires pour toute méthode basée sur un code de transfert radiatif, - établi que l'éclairement au sol pour une atmosphère nuageuse peut être considéré comme égal au produit de l'éclairement obtenu par ciel-clair et d'une fonction de l'extinction due aux nuages et de la contribution de la réflectance du sol, - mis en œuvre des approximations de l'équation de transfert radiatif pour des atmosphères claire ou nuageuse, permettant des calculs rapides. Heliosat-4 est affranchi des paramètres empiriques, facile à implémenter et fournit simultanément les composantes directe, diffuse et la distribution spectrale de l'éclairement. Ces caractéristiques, bien que nécessaires pour différentes applications, sont rarement fournies. Les premiers résultats de la validation de cette nouvelle méthode avec les mesures sol sont prometteurs : les performances observées sont proches de celles des méthodes actuelles.

Les travaux effectués pendant cette thèse portent sur la caractérisation des cocoteraies de l'archipel des Tuamotu en Polynésie Française à partir d'images satellites Ikonos multispectrales à très haute résolution spatiale. La première partie de ce travail concerne la segmentation individuelle des cocotiers. Un procédé de classification bayésienne permet d'éliminer les zones non végétales. Puis, un algorithme de segmentation par ligne de partage des eaux est initié à partir de marqueurs judicieusement choisis. Enfin, un travail de validation sur le terrain a été réalisé. Cette validation a permis un passage à l'échelle avec l'application sur une grande quantité de données. Le second volet concerne la caractérisation des plantations. Tout d'abord, les performances des classifieurs sont comparées pour un problème d'occupation des sols. L'ajout des informations de texture permet caractériser les types de plantations avec des méthodes de classification et nous montrons que les SVM obtiennent une meilleure performance en terme de qualité de la classification. Nous proposons une approche duale, qui classifie les types de cocoteraies à partir de la répartition spatiale des coordonnées de chaque cocotier. Cette méthode repose sur une modélisation de type processus ponctuel de Poisson.