Several studies in high-latitude catchments have demonstrated the importance of near-stream riparian zones as hydrogeochemical hotspots with a substantial influence on stream chemistry. An adequate representation of the spatial variability of riparian-zone processes and characteristics is the key for modeling spatio-temporal variations of stream-water quality. This thesis contributes to current knowledge by refining landscape-analysis techniques to describe riparian zones and by introducing a conceptual framework to quantify solute exports from riparian zones. The utility of the suggested concepts is evaluated based on an extensive set of hydrometric and chemical data comprising measurements of streamflow, groundwater levels, soil-water chemistry and stream chemistry. Standard routines to analyze digital elevation models that are offered by current geographical information systems have been of very limited use for deriving hydrologically meaningful terrain indices for riparian zones. A model-based approach for hydrological landscape analysis is outlined, which, by explicitly simulating groundwater levels, allows better predictions of saturated areas compared to standard routines. Moreover, a novel algorithm is presented for distinguishing between left and right stream sides, which is a fundamental prerequisite for characterizing riparian zones through landscape analysis. The new algorithm was used to derive terrain indices from a high-resolution LiDAR digital elevation model. By combining these terrain indices with detailed hydrogeochemical measurements from a riparian observatory, it was possible to upscale the measured attributes and to subsequently characterize the variation of total organic-carbon exports from riparian zones in a boreal catchment in Northern Sweden. Riparian zones were recognized as highly heterogeneous landscape elements. Organic-rich riparian zones were found to be hotspots influencing temporal trends in stream-water organic carbon while spatial variations of organic carbon in streams were attributed to the arrangement of organic-poor and organic-rich riparian zones along the streams. These insights were integrated into a parsimonious modeling approach. An analytical solution of the model equations is presented, which provides a physical basis for commonly used power-law streamflow-load relations. / At the time of doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: In press; Paper 4: Manuscript. / Swedish Research Council (VR, grant no. 2005-4289)

Cette thèse porte sur la navigation sans collision d'un véhicule aérien à décollage et atterrissage vertical en environnement inconnu ou incertain. L'utilisation du flot optique, inspirée du monde animal, permet d'obtenir des informations sur la vitesse du véhicule et sur la proximité des obstacles. Deux contributions sont présentées dans ce travail. La première aborde l'atterrissage automatique sur une plateforme statique ou mobile. La manœuvre se décompose en deux tâches : la stabilisation de la vitesse au-dessus de la cible, puis l'atterrissage vertical. L'approche montre que la régulation du flot optique divergent autour d'une consigne constante permet un atterrissage en douceur et sans collision malgré les incertitudes sur la dynamique de la plateforme et du véhicule. La deuxième contribution concerne le suivi de terrain avec évitement d'obstacles. L'approche générale proposée permet d'aborder différentes applications telles que l'évitement d'obstacles frontaux, le suivi de terrain pentu, le suivi de couloir, etc. L'analyse de stabilité évalue la robustesse et les limites du contrôleur en présence de diverses incertitudes telles que les incertitudes sur la géométrie de l'environnement. L'ensemble des algorithmes de commande est simulé et expérimenté sur un mini-drone quadrirotor développé au CEA LIST.

In Geographic Information System (GIS) applications, aster data constitutes one of the major data types. The displaying of the raster data has an important part in GIS applications. Digital Terrain Elevation Data (DTED) is one of the raster data types, which is used as the main data source in this thesis. The DTED data is displayed on the screen as digital images as a pixel value, which is represented in gray scale, corresponding to an elevation (texel). To draw the images, the texel values are mostly interpolated in order to perform zoom-in and/or zoom-out operations on the concerned area. We implement and compare four types of interpolation methods, nearest neighbor, bilinear interpolation, and two new proposed interpolation methods (1) 4-texel weighted average and (2) 8-texel weighted average. The real-time graphical display, with zoom-in/zoom-out capabilities, has also been implemented by buffering DTED data in memory and using a C++ clas that manages graphical operations (zoom-in, zoom-out, and 2D, 3D isplay) by using Windows GDI+ and OpenGL graphic ibraries resulting in 30-40 framesper-second for one grid of DTED Level 0 data.

In der Arbeit werden Möglichkeiten des Einsatzes von Digitalen Geländemodellen (DGM) im Kontext des Hochwasserrisikomanagements aufgezeigt, wobei die Anwendung hochauflösender Laserscandaten im Fokus steht. Zunächst wird die Notwendigkeit der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit Hochwassergefahren hervorgehoben. Dies schließt die Betrachtung der Bedeutung von Geodaten (insbesondere DGM) im Hochwasserrisikomanagement ein. Es folgt eine Darstellung der verwendeten Daten, begleitet von einer Zusammenstellung von Methoden zur großflächigen Erfassung des Georeliefs und einer kurzen Einführung in die Hochwassermodellierung. Die wissenschaftlichen Arbeitsziele werden im Kontext eines interdisziplinären Projektes zur Hochwasserrisikoforschung definiert, in welchem DGM erstmals auch als dynamische Komponente des Risikosystems aufgefaßt werden. Die Arbeitsziele umfassen in diesem Zusammenhang die Entwicklung von automatisierten Methoden zur Gewinnung von Informationen über Deiche, insbesondere über deren genaue Lage und Höhe, und zur Modellierung von Deichgeometrien. Nach der Umsetzung und Erprobung der Verfahren in einem Geoinformationssystem wird der Prototyp einer Softwareanwendung vorgestellt, der eine automationsgestützte und nutzerfreundliche Realisierung der entwickelten Methoden erlaubt. Der Teil Deichmodellierung in Digitalen Geländemodellen beschreibt theoretische Grundlagen zur Realisierung eines speziell auf Hochwasserschutzdeiche ausgerichteten Geoinformationssystems. Es wird der Begriff des Digitalen Deichmodells (DDM) eingeführt und dessen Modellstruktur sowie Möglichkeiten zu Datenerfassung und -pflege mittels hochauflösender Laserscan-DGM erläutert. Weiterhin werden bestehende Methoden der Objekterkennung in DGM zum Zweck der Deichdetektion und -extraktion adaptiert und ein neues Verfahren entwickelt, das speziell die geometrischen Spezifika von Deichen berücksichtigt. Mit den vorgestellten Verfahren wird deren weitgehend automatisierte Erfassung und Kartierung ermöglicht. Das DDM wird derart konzipiert, daß sowohl Rückbau, Verlegung als auch die Erhöhung von Deichen im Modell umsetzbar sind. Damit wird letztlich die Simulationsfähigkeit bzw. Veränderlichkeit eines DGM als Basis für Hochwassersimulationen realisiert. Im Kapitel Vereinfachte GIS-basierte Überflutungssimulationen wird ein Konzept zur vereinfachten GIS-basierten Folgenabschätzung von Deichbrüchen vorgestellt. Dafür werden bestimmte Modellannahmen getroffen und zur Überflutungsmodellierung herangezogen. Die Ergebnisse werden im Rahmen der Modellannahmen kritisch als Möglichkeit der Abschätzung von im Extremfall zu erwartenden Wasserständen in Überschwemmungsgebieten bewertet. Nach der Dokumentation der praktischen Umsetzung der vorgestellten Verfahren werden die Ergebnisse diskutiert und Ausblicke zur nötigen bzw. möglichen weiteren Forschungsarbeiten gegeben. Der Anhang der Arbeit enthält Karten und eine Dokumentation des Programms Diketools, das als Prototyp einer Deichmodellierungssoftware implementiert wurde. / This study examines possibilities of using Digital Terrain Models (DTM) in the context of flood risk management. Thereby the focus lies on the application of high-resolution laserscan data. First the necessity of the scientific examination of flood hazards is underlined which implies the consideration of geodata (especially DTM). This is followed by an overview of methods of large-area data acquisition of the earth surface as well as a short introduction into flood modelling. The scientific objectives of this study are defined within the context of a multidisciplinary research project which for the first time considers DTM as a dynamic component in the flood risk system. The objectives resulting from this point of view comprise the development of automated methods of acquiring information on dikes. Here the exact locations of dikelines and their crest levels are of special interest. The modelling of new dike geometries and their implementiation into existing DTM data is also included. Chapter 4 (Deichmodellierung in Digitalen Geländemodellen, engl.: Dike Modelling in Digital Terrain Models) describes the theoretical fundamentals of the realisation of an information system focused on flood protection dikes. Here the term Digital Dike Model (DDM) is introduced. Accordingly its model structure is defined and possibilities of data retrieval and data management by means of high-resolution laserscan terrain models are shown. The detection and extraction of dikes is accomplished by the adaption of existing object-extraction methods. Also a new procedure has been developed which accounts for dike-specific geometrical characterisations. The presented methods enable the automated identification and mapping of dikes. The Digital Dike Model has been designed to allow the removal and relocation of dikes as well as their heightening within the model. Hereby the desired changeability of Digital Terrain Models is realised as a basis for flood simulations. In Chapter 5 (GIS-basierte Überflutungssimulationen, engl.: Simplified GIS-based Flood Modelling) a concept for a simplified estimation of dike-breach induced floodings by means of GIS-based procedures is presented. This implies the definition of certain model assumptions which are adopted when performing flood simulations. The results are discussed and the use of this method for estimating maximum flood impacts is evaluated. These parts of the thesis are followed by the discussion of the results. In the end an outlook for further research is given. The appendix of this work includes maps and a documentation of the Diketools which has been implemented as a prototype of a dike-modelling software.

Un système robotique agit par le mouvement dans un monde physique. La capacité de planification de mouvement est une composante essentielle de son autonomie. C'est le thème des travaux présentés dans ce mémoire. Ils s'articulent selon quatre axes.Le premier concerne l'algorithmique géométrique du mouvement. La ligne forte qui se retrouve dans nos travaux est de privilégier des méthodes effectives de planification. En effet, la plupart des problèmes réels résistent aux approches algorithmiques exactes; nous présentons des approches de nature différente, qui en satisfaisant une forme plus faible de complétude (e.g. complétude probabiliste) sont capables de mieux répondre aux besoins des applications en termes d'efficacité et de robustesse algorithmique. Nous considérons ensuite des problèmes plus riches que la seule planification de mouvement, et plus directement liés à la notion de tâches en robotique. La seconde partie porte sur la planification de tâches de manipulation d'objets. La formulation géométrique que nous présentons permet d'étendre le concept d'espace des configurations à la planification automatique de ces tâches. D'autre part, les mouvements d'un robot s'effectuant dans un monde réel, la robustesse algorithmique doit être étendue à la robustesse de la boucle planification/contrôle des mouvements vis à vis des incertitudes dans les modèles manipulés par le raisonnement ou des imprécisions liées à l'exécution. C'est le thème de la troisième partie qui présente une approche combinant planification avec incertitude et modes réactifs: les algorithmes de planification utilisent la connaissance a priori sur la tâche pour produire des primitives référencées capteurs adaptées à la robotique mobile. Enfin, la dernière partie porte sur la planification de mouvements pour des robots mobiles évoluant dans des environnements naturels non structurés. Les techniques prése ntées permettent de traiter des systèmes de locomotion complexes et des terrains fortement accidentés.

Geografinei informacijai apie erdvinį žemės paviršių kaupti pastaruoju metu vis dažniau naudojamas vietovės skenavimo lazeriu iš orlaivio metodas LIDAR (Light Detection and Ranging). Šiuo metodu gaunama nereguliari taškinė labai tanki trijų dimensijų žemės paviršiaus objektų išsidėstymą sumodeliuojanti geometrinė ir radiometrinė informacija. Tai gana neseniai atsiradęs būdas, naudojamas žemės topografijos duomenims užrašyti, kuris Lietuvoje dar tik pradedamas naudoti. Dėl to naudinga ištirti šio metodo patikimumą, palyginant su įprastais duomenų surinkimo metodais (GPS), ir įvertinti šio metodo panaudojimo galimybes. Darbe nagrinėjama nuotolinių tyrimų metodais (LIDAR) gautų duomenų patikimumo problema. Tyrimo tikslas – nustatyti įvairiais metodais gautų reljefo aukščių duomenų patikimumą, analizuojant Riešės upelio baseino reljefą. Tyrimo eigoje buvo surinkti įvairiais metodais gauti Riešės upelio baseino reljefo duomenys; atlikti natūriniai matavimai pasirinktuose kontroliniuose ploteliuose, naudojantis geodeziniais instrumentais; pagal nuotolinių tyrimų gautus rezultatus sudarytas skaitmeninis reljefo modelis ir įvertintas jų tikslumas. Darbe palyginus natūrinių matavimų ir nuotolinių tyrimų metodais gautus rezultatus įrodyta, jog nuotoliniais tyrimų metodais gauti duomenys yra patikimi ir juos galima naudoti baseino tūriui ir plotui skaičiuoti. / LIDAR terrain laser scanning technique is increasingly used in digital terrain model creation. This method provides dense uneven three-dimensional scatter geometric and radiometric information that simulates objects on earth’s surface. This is a relatively recent method used to record topographic data of the land. One of the key issues still associated with remote sensing methods is its reliability, which is why it is relevant to analyze and evaluate this aspect. This thesis aims at evaluating LIDAR data reliability, comparing them with data obtained by field measurements carried out at selected control areas using geodesic instruments. Riešės river basin area was selected as an object for the study and its elevation data have been investigated in the research. It was concluded that LIDAR data are reliable and can be used for the basin volume calculation. However, the size of the grid should be selected according to terrain relief.

Nous souhaitons connaître les processus qui contrôlent les glissements de terrain lents à l'aide de méthodes sismiques passives. Nous installons des dispositifs d'écoute sismique sur les sites de Super-Sauze (France) et de Valoria (Italie). Nous détectons, localisons et caractérisons trois types principaux de signaux sismiques. Un type est associé aux séismes régionaux donc externe à la dynamique des glissements. Les deux autres sont localisés dans des foyers de fissures ou des ruptures de pente. Nous suggérons que le premier type est associé à des écroulements depuis l'escarpement et à du transport en surface, tandis que le second type est associé à des fractures et des cisaillements. On montre qu'il existe des corrélations entre ces signaux, les déplacements en surface et les précipitations. Les glissements de terrain sont des volumes variables dans le temps et dans l'espace, ce qui impose une maintenance régulière des équipements et complexifie l'acquisition de données permanentes.

Les glissements de terrain argileux affectent de nombreux versants à travers le monde et menacent régulièrement les activités humaines dans les zones urbanisées montagneuses. Ces glissements sont caractérisés par des cinématiques souvent lentes mais ils peuvent brutalement se liquéfier et accélérer de manière imprévisible. Cette transition solide-liquide a été étudiée sur les argiles de la région du Trièves (Alpes Françaises) à l'aide d'études rhéologiques. Elles ont montré le caractère de fluide à seuil thixotrope avec une bifurcation de viscosité importante lors de la fluidification pouvant expliquer le caractère catastrophique de l'accélération observée sur le terrain. Cette perte de rigidité du matériau peut être observée par une chute de la vitesse des ondes de cisaillement (Vs). Des études réalisées en parallèle à la fois sur un modèle analogique de plan incliné et sur le terrain (glissement de Pont-Bourquin, Suisse) ont permis d'observer une chute de Vs précédent à cette fluidification montrant ainsi que Vs pourrait être un bon proxy pour la surveillance des instabilités de terrain argileux.

Les réseaux complexes, issus de relevés de terrain d'origines trèsvariées, en biologie, science de l'information ou sociologie,présentent une caractéristique remarquable dénommée structurecommunautaire. Des groupes, ou communautés, à l'intérieur duréseau, ont une cohésion interne forte et des liens entre eux plusfaibles. Sans connaissance a priori du nombre de communautés, ladifficulté réside dans la caractérisation d'un bon partitionnement encommunautés. La modularité est une mesure globale de qualité departitionnement très utilisée qui capture les contraintes de cohésioninterne forte et de liens externes faibles. Elle transforme le problèmede détection de communautés en problème d'optimisationNP-difficile. Elle souffre d'un défaut, la limite de résolution, qui tendà rendre indétectables les très petites communautés d'autant plusque le réseau est grand. L'algorithme le plus efficace pour optimiserla modularité, dit de Louvain, procède par fusion de communautés.Cette thèse s'attache à modifier cet algorithme pour qu'il réalisemajoritairement des fusions pertinentes, qui n'aggravent pas lalimite de résolution, en utilisant une condition de fusion. De plus, enl'associant à un algorithme mémétique, les partitions proposéessont très proches des partitions attendues pour des graphesgénérés par un modèle qui reproduit les caractéristiques desréseaux complexes. Enfin, cet algorithme mémétique réduitfortement l'inconsistance de solution, défaut de la modularité selonlequel deux partitions trouvées à partir d'un examen des noeudsdans un ordre aléatoire, pour le même graphe, peuvent êtrestructurellement très différentes, rendant leur interprétation délicate.

L'augmentation importante de la population mondiale, et par conséquent de ses besoins, exerce une pression de plus en plus importante sur les surfaces forestières. L'outil le mieux adapté au suivi des forêts, à l'échelle du globe, est la télédétection satellitaire. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui vise à améliorer l'estimation des paramètres biophysiques des forêts à partir de données de télédétection. L'originalité de ce travail a été d'étudier cette estimation des paramètres biophysiques en menant plusieurs études de sensibilité avec une démarche expérimentale et sur des données simulées. Tout d'abord, l'étude a porté sur des séries temporelles de mesures de diffusiométrie radar obtenues sur deux sites : l'un constitué d'un cèdre en zone tempérée et l'autre d'une parcelle de forêt tropicale. Cette étude de sensibilité a été poursuivie en imageant, avec une résolution élevée, plusieurs parcelles aux configurations différentes à l'intérieur d'une forêt de pin. Enfin, des données optiques et radars simulées ont été combinées afin d'évaluer l'apport de la fusion de telles données dans l'inversion des paramètres biophysiques. Les résultats expérimentaux ont montré des comportements différents de la réponse radar dans le temps suivant la saison, avec notamment l'apparition de cycles journaliers lors des périodes sans pluie, autant en zone tropicale que tempérée. De plus, il a été constaté que, alors que les paramètres biophysiques liés à l'humidité du bois et du sol entraînaient des variations du signal radar de l'ordre de 1 ou 2 dB, les paramètres liés à la géométrie des arbres et à la pente du sol donnaient des variations allant jusqu'à 5 à 7 dB. Finalement, le simulateur optiqueradar a montré l'utilisation qui pourrait être faite de telles données dans le cadre de l'inversion de paramètres biophysiques.