Le rayonnement solaire est la variable la plus importante pour le calcul du bilan thermique du bâtiment. Son calcul requiert des relations géométriques pour la composante directe et un modèle de ciel pour distribuer le rayonnement diffus sur la voûte céleste. Des modèles développés pour des collecteurs solaires sont utilisés pour calculer le rayonnement solaire atteignant l'enveloppe du bâtiment. Des outils calculent le rayonnement en adaptant des modèles de ciel développés pour l'éclairage naturel. Bien que ces modèles de ciel, avec des genèses différents, servent à calculer le rayonnement solaire, il convient de préciser quel est le plus adapté pour travailler en milieu urbain.En nous appuyant sur une étude des données météorologiques, des modèles de ciel et des techniques numériques, on a mis en place un code susceptible de calculer le rayonnement direct (soleil) et diffus (ciel) et leur interaction avec la géométrie urbaine. La nouveauté réside dans l'évaluation du rayonnement solaire en utilisant un modèle de ciel isotrope et deux anisotropes. L’interaction entre ces modèles et la géométrie urbaine est mise en évidence avec une série d’exemples géométriques progressivement plus complexes. Des méthodes pour tuiler la voûte céleste sont présentées. Les différences entre le rayonnement calculé avec les modèles anisotropes (le modèle de source ponctuelle et le modèle tout temps de Perez) qui sont peu importantes dans une scène dégagée, deviennent significatives dans une scène urbaine. Des contributions ont également été apportées à la mise en place d’une station météorologique ainsi que des procédures pour l’analyse statistique des données et leur contrôle de qualité. / Solar irradiation is the most important parameter for building thermal simulation. Its calculation requires geometrical relationships for the direct radiation from the Sun and a sky model to distribute the radiance over the sky vault. Sky models developed for solar collectors are used to calculate the building’s solar irradiation availability. Some software calculates building’s irradiation by adapting sky models for lighting simulations. These models allow to compute solar irradiation, but the selection of the most suitable model for urban applications has not been defined clearly enough. We developed a code, based on the study of numerical methods, sky models and the necessary meteorological data. It calculates the solar irradiation availability in the urban context. The novelty lies in its capacity to evaluate the solar irradiation from the Sun and the sky by using three sky models: one isotropic and two anisotropic. The interaction between each sky model and the urban context is made clear in a series of progressively more complex geometric examples. Procedures to partition the sky vault are presented.Differences between the predicted irradiance by the anisotropic models (Perez punctual source and Perez All-Weather) are classified as small and large in unobstructed and obstructed scenes respectively. Contributions have also been made to set up a meteorological station. Statistical analyses as well as quality control procedures of meteorological data were also implemented.

Esta pesquisa investigou a contribuição que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana a partir da abordagem na área da Percepção Ambiental. Adotou como estudo de caso áreas dos centros históricos de três cidades com diferentes graus de preservação do patrimônio cultural edificado: Piratini, a mais preservada, resultado de legislação urbanística pioneira; São José do Norte, onde o patrimônio cultural edificado foi mais destruído ou descaracterizado e Porto Alegre, onde o patrimônio cultural edificado foi parcialmente preservado. A investigação foi operacionalizada por meio da utilização de métodos qualitativos e quantitativos em duas etapas de investigação. A primeira teve por objetivo reunir subsídios para definir a área de estudo em cada uma das três cidades, e por meio da aplicação da técnica de mapas mentais a usuários dos centros históricos, foram identificadas as imagens fortes positivas e negativas das edificações e espaços urbanos (locais, ruas e praças). A segunda etapa teve como objetivo principal testar as hipóteses desta pesquisa por meio da aplicação de questionários acompanhados de cenas urbanas com diferentes níveis de homogeneidade, escolhidas a partir de critérios estabelecidos a fim de responder os objetivos da investigação. As informações obtidas pelos questionários foram analisadas quantitativamente por meio de freqüências e testes não paramétricos tais como tabulações cruzadas e testes de correlação Spearman. Os resultados obtidos permitiram chegar a conclusões sobre o importante papel que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana. Esta relevância foi verificada na avaliação da aparência visual das edificações analisadas individualmente pelos seus atributos formais e simbólicos e as suas relações no contexto urbano. Importantes correlações foram encontradas entre a avaliação estética da aparência visual das cenas urbanas e atributos formais de volumetria, fachadas e coberturas. As conclusões desta pesquisa reúnem subsídios relativos às questões da estética urbana, do patrimônio cultural edificado e do planejamento urbano que podem contribuir substancialmente para as políticas públicas nas áreas da preservação do patrimônio cultural, do planejamento urbano e ambiental e na implementação de planos e ações de gestão municipal visando qualificar visualmente a paisagem urbana. / The study investigates the aesthetic contributions of historical buildings on the visual quality of the urban historical centers based on the Environmental Perception approach. The research focused on urban scenes of three cities which present different degrees of historical heritage preservation: Piratini, which is the most preserved among them due to existent legislation; São José do Norte, where most of it historical heritage was destroyed or damaged; and Porto Alegre, where historical heritage was partially preserved. The investigation was operationalised through the application of qualitative and quantitative methods, in two stages. On the first stage, the definition of the study area in each city was carried out through the application of mental maps to users of the historical centers, which allowed the identification of strongest positive and negative images. On the second stage, questionnaires were applied in order to verify the research hypotheses. The data gathered through questionnaires was analyzed by means of non parametric statistics, such as qui square test and Spearman correlation tests. Results allowed to conclude about the important role historical buildings play on the visual quality of the urban scene, verified through the evaluation of visual appearance of the buildings individually analyzed according to their formal and symbolic attributes and their relation with the urban context. Important correlations were found between the aesthetic evaluation of the visual appearance of the urban scenes and the formal attributes volume try, facades and roofs. Conclusions provide substantial support to contribute to urban heritage preservation, environmental and urban planning and implementation of plans and actions for the municipal government in order to achieve visual quality in urban areas located in historical centers.

Esta pesquisa investigou a contribuição que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana a partir da abordagem na área da Percepção Ambiental. Adotou como estudo de caso áreas dos centros históricos de três cidades com diferentes graus de preservação do patrimônio cultural edificado: Piratini, a mais preservada, resultado de legislação urbanística pioneira; São José do Norte, onde o patrimônio cultural edificado foi mais destruído ou descaracterizado e Porto Alegre, onde o patrimônio cultural edificado foi parcialmente preservado. A investigação foi operacionalizada por meio da utilização de métodos qualitativos e quantitativos em duas etapas de investigação. A primeira teve por objetivo reunir subsídios para definir a área de estudo em cada uma das três cidades, e por meio da aplicação da técnica de mapas mentais a usuários dos centros históricos, foram identificadas as imagens fortes positivas e negativas das edificações e espaços urbanos (locais, ruas e praças). A segunda etapa teve como objetivo principal testar as hipóteses desta pesquisa por meio da aplicação de questionários acompanhados de cenas urbanas com diferentes níveis de homogeneidade, escolhidas a partir de critérios estabelecidos a fim de responder os objetivos da investigação. As informações obtidas pelos questionários foram analisadas quantitativamente por meio de freqüências e testes não paramétricos tais como tabulações cruzadas e testes de correlação Spearman. Os resultados obtidos permitiram chegar a conclusões sobre o importante papel que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana. Esta relevância foi verificada na avaliação da aparência visual das edificações analisadas individualmente pelos seus atributos formais e simbólicos e as suas relações no contexto urbano. Importantes correlações foram encontradas entre a avaliação estética da aparência visual das cenas urbanas e atributos formais de volumetria, fachadas e coberturas. As conclusões desta pesquisa reúnem subsídios relativos às questões da estética urbana, do patrimônio cultural edificado e do planejamento urbano que podem contribuir substancialmente para as políticas públicas nas áreas da preservação do patrimônio cultural, do planejamento urbano e ambiental e na implementação de planos e ações de gestão municipal visando qualificar visualmente a paisagem urbana. / The study investigates the aesthetic contributions of historical buildings on the visual quality of the urban historical centers based on the Environmental Perception approach. The research focused on urban scenes of three cities which present different degrees of historical heritage preservation: Piratini, which is the most preserved among them due to existent legislation; São José do Norte, where most of it historical heritage was destroyed or damaged; and Porto Alegre, where historical heritage was partially preserved. The investigation was operationalised through the application of qualitative and quantitative methods, in two stages. On the first stage, the definition of the study area in each city was carried out through the application of mental maps to users of the historical centers, which allowed the identification of strongest positive and negative images. On the second stage, questionnaires were applied in order to verify the research hypotheses. The data gathered through questionnaires was analyzed by means of non parametric statistics, such as qui square test and Spearman correlation tests. Results allowed to conclude about the important role historical buildings play on the visual quality of the urban scene, verified through the evaluation of visual appearance of the buildings individually analyzed according to their formal and symbolic attributes and their relation with the urban context. Important correlations were found between the aesthetic evaluation of the visual appearance of the urban scenes and the formal attributes volume try, facades and roofs. Conclusions provide substantial support to contribute to urban heritage preservation, environmental and urban planning and implementation of plans and actions for the municipal government in order to achieve visual quality in urban areas located in historical centers.

Esta pesquisa investigou a contribuição que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana a partir da abordagem na área da Percepção Ambiental. Adotou como estudo de caso áreas dos centros históricos de três cidades com diferentes graus de preservação do patrimônio cultural edificado: Piratini, a mais preservada, resultado de legislação urbanística pioneira; São José do Norte, onde o patrimônio cultural edificado foi mais destruído ou descaracterizado e Porto Alegre, onde o patrimônio cultural edificado foi parcialmente preservado. A investigação foi operacionalizada por meio da utilização de métodos qualitativos e quantitativos em duas etapas de investigação. A primeira teve por objetivo reunir subsídios para definir a área de estudo em cada uma das três cidades, e por meio da aplicação da técnica de mapas mentais a usuários dos centros históricos, foram identificadas as imagens fortes positivas e negativas das edificações e espaços urbanos (locais, ruas e praças). A segunda etapa teve como objetivo principal testar as hipóteses desta pesquisa por meio da aplicação de questionários acompanhados de cenas urbanas com diferentes níveis de homogeneidade, escolhidas a partir de critérios estabelecidos a fim de responder os objetivos da investigação. As informações obtidas pelos questionários foram analisadas quantitativamente por meio de freqüências e testes não paramétricos tais como tabulações cruzadas e testes de correlação Spearman. Os resultados obtidos permitiram chegar a conclusões sobre o importante papel que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana. Esta relevância foi verificada na avaliação da aparência visual das edificações analisadas individualmente pelos seus atributos formais e simbólicos e as suas relações no contexto urbano. Importantes correlações foram encontradas entre a avaliação estética da aparência visual das cenas urbanas e atributos formais de volumetria, fachadas e coberturas. As conclusões desta pesquisa reúnem subsídios relativos às questões da estética urbana, do patrimônio cultural edificado e do planejamento urbano que podem contribuir substancialmente para as políticas públicas nas áreas da preservação do patrimônio cultural, do planejamento urbano e ambiental e na implementação de planos e ações de gestão municipal visando qualificar visualmente a paisagem urbana. / The study investigates the aesthetic contributions of historical buildings on the visual quality of the urban historical centers based on the Environmental Perception approach. The research focused on urban scenes of three cities which present different degrees of historical heritage preservation: Piratini, which is the most preserved among them due to existent legislation; São José do Norte, where most of it historical heritage was destroyed or damaged; and Porto Alegre, where historical heritage was partially preserved. The investigation was operationalised through the application of qualitative and quantitative methods, in two stages. On the first stage, the definition of the study area in each city was carried out through the application of mental maps to users of the historical centers, which allowed the identification of strongest positive and negative images. On the second stage, questionnaires were applied in order to verify the research hypotheses. The data gathered through questionnaires was analyzed by means of non parametric statistics, such as qui square test and Spearman correlation tests. Results allowed to conclude about the important role historical buildings play on the visual quality of the urban scene, verified through the evaluation of visual appearance of the buildings individually analyzed according to their formal and symbolic attributes and their relation with the urban context. Important correlations were found between the aesthetic evaluation of the visual appearance of the urban scenes and the formal attributes volume try, facades and roofs. Conclusions provide substantial support to contribute to urban heritage preservation, environmental and urban planning and implementation of plans and actions for the municipal government in order to achieve visual quality in urban areas located in historical centers.

L'analyse et la reconstruction automatique de scène urbaine 3D est un problème fondamental dans le domaine de la vision par ordinateur et du traitement numérique de la géométrie. Cette thèse présente des méthodologies pour résoudre le problème complexe de la reconstruction d'éléments urbains en 3D à partir de données aériennes Lidar ou bien de maillages générés par imagerie Multi-View Stereo (MVS). Nos approches génèrent une représentation précise et compacte sous la forme d'un maillage 3D comportant une sémantique de l'espace urbain. Deux étapes sont nécessaires ; une identification des différents éléments de la scène urbaine, et une modélisation des éléments sous la forme d'un maillage 3D. Le Chapitre 2 présente deux méthodes de classifications des éléments urbains en classes d'intérêts permettant d'obtenir une compréhension approfondie de la scène urbaine, et d'élaborer différentes stratégies de reconstruction suivant le type d'éléments urbains. Cette idée, consistant à insérer à la fois une information sémantique et géométrique dans les scènes urbaines, est présentée en détails et validée à travers des expériences. Le Chapitre 3 présente une approche pour détecter la 'Végétation' incluses dans des données Lidar reposant sur les processus ponctuels marqués, combinée avec une nouvelle méthode d'optimisation. Le Chapitre 4 décrit à la fois une approche de maillage 3D pour les 'Bâtiments' à partir de données Lidar et de données MVS. Des expériences sur des structures urbaines larges et complexes montrent les bonnes performances de nos systèmes. / Analysis and 3D reconstruction of urban scenes from physical measurements is a fundamental problem in computer vision and geometry processing. Within the last decades, an important demand arises for automatic methods generating urban scenes representations. This thesis investigates the design of pipelines for solving the complex problem of reconstructing 3D urban elements from either aerial Lidar data or Multi-View Stereo (MVS) meshes. Our approaches generate accurate and compact mesh representations enriched with urban-related semantic labeling.In urban scene reconstruction, two important steps are necessary: an identification of the different elements of the scenes, and a representation of these elements with 3D meshes. Chapter 2 presents two classification methods which yield to a segmentation of the scene into semantic classes of interests. The beneath is twofold. First, this brings awareness of the scene for better understanding. Second, deferent reconstruction strategies are adopted for each type of urban elements. Our idea of inserting both semantical and structural information within urban scenes is discussed and validated through experiments. In Chapter 3, a top-down approach to detect 'Vegetation' elements from Lidar data is proposed using Marked Point Processes and a novel optimization method. In Chapter 4, bottom-up approaches are presented reconstructing 'Building' elements from Lidar data and from MVS meshes. Experiments on complex urban structures illustrate the robustness and scalability of our systems.

La modélisation automatique de villes à partir d’images satellites est l'un des principaux défis en lien avec la reconstruction urbaine. Son objectif est de représenter des villes en 3D de manière suffisamment compacte et précise. Elle trouve son application dans divers domaines, qui vont de la planification urbaine aux télécommunications, en passant par la gestion des catastrophes. L'imagerie satellite offre plusieurs avantages sur l'imagerie aérienne classique, tels qu'un faible coût d'acquisition, une couverture mondiale et une bonne fréquence de passage au-dessus des sites visités. Elle impose toutefois un certain nombre de contraintes techniques. Les méthodes existantes ne permettent que la synthèse de DSM (Digital Surface Models), dont la précision est parfois inégale. Cette dissertation décrit une méthode entièrement automatique pour la production de modèles 3D compacts, précis et répondant à une sémantique particulière, à partir de deux images satellites en stéréo. Cette méthode repose sur deux grands concepts. D'une part, la description géométrique des objets et leur assimilation à des catégories génériques sont effectuées simultanément, conférant ainsi une certaine robustesse face aux occlusions partielles ainsi qu'à la faible qualité des images. D'autre part, la méthode opère à une échelle géométrique très basse, ce qui permet la préservation de la forme des objets, avec finalement, une plus grande efficacité et un meilleur passage à l'échelle. Pour générer des régions élémentaires, un algorithme de partitionnement de l'image en polygones convexes est présenté. / Automatic city modeling from satellite imagery is one of the biggest challenges in urban reconstruction. The ultimate goal is to produce compact and accurate 3D city models that benefit many application fields such as urban planning, telecommunications and disaster management. Compared with aerial acquisition, satellite imagery provides appealing advantages such as low acquisition cost, worldwide coverage and high collection frequency. However, satellite context also imposes a set of technical constraints as a lower pixel resolution and a wider that challenge 3D city reconstruction. In this PhD thesis, we present a set of methodological tools for generating compact, semantically-aware and geometrically accurate 3D city models from stereo pairs of satellite images. The proposed pipeline relies on two key ingredients. First, geometry and semantics are retrieved simultaneously providing robust handling of occlusion areas and low image quality. Second, it operates at the scale of geometric atomic regions which allows the shape of urban objects to be well preserved, with a gain in scalability and efficiency. Images are first decomposed into convex polygons that capture geometric details via Voronoi diagram. Semantic classes, elevations, and 3D geometric shapes are then retrieved in a joint classification and reconstruction process operating on polygons. Experimental results on various cities around the world show the robustness, scalability and efficiency of the proposed approach.