We introduce a mathematical framework for the inverse medium problem arising commonly in geotechnical site characterization and geophysical probing applications, when stress waves are used to probe the material composition of the interrogated medium. Specifically, we attempt to recover the spatial distribution of Lame's parameters ( and μ) of an elastic semi-infinite arbitrarily heterogeneous medium, using surface measurements of the medium's response to prescribed dynamic excitations. The focus is on characterizing near-surface deposits, and to this end, we develop a method that is implemented directly in the time-domain, is driven by the full waveform response collected at receivers on the surface, while the domain of interest is truncated using Perfectly-Matched-Layers (PMLs) to limit the originally semi-infinite extent of the physical domain. There are two key issues associated with the problem at hand: (a) the forward problem, namely the numerical simulation of the wave motion in the domain of interest; and (b) the framework and strategies for tackling the inverse problem. To address the forward problem, it is necessary that the domain of interest be truncated, and the resulting finite domain be forced to mimic the physics of the original problem: to this end, we introduce unsplit-field PMLs, and develop and implement two new formulations, one fully-mixed and one hybrid (mixed coupled with a non-mixed approach) that model wave motion within the, now PML-truncated, domain. To address the inverse problem, we adopt a partial-differential-equation-constrained optimization framework that results in the usual triplet of an initial-and-boundary-value forward problem, a final-and-boundary-value adjoint problem, and a time-independent boundary-value control problem. This triplet of boundary-value-problems is used to guide the optimizer to the target profile of the spatially distributed Lame parameters. Given the multiplicity of solutions, we assist the optimizer, by deploying regularization schemes, continuation schemes (regularization factor and source-frequency content), as well as a physics-driven simple procedure to bias the search directions. We report numerical examples attesting to the quality, stability, and efficiency of the forward wave modeling. We also report moderate success with numerical experiments targeting inversion of both smooth and sharp profiles in two dimensions. / text

Drilled shafts are deep foundation elements created by excavating cylindrical shafts into the ground and filling them with concrete. Given the types of structures they support, failure to meet their performance criteria can jeopardize public safety and cause severe financial losses. Consequently, quality control measures are warranted to ensure these foundations meet design specifications, particularly with respect to their structural integrity and geotechnical capacity. Due to their inaccessibility, non-destructive testing (NDT) techniques have received much attention for drilled shaft quality control. However, there are limitations in the NDT tools currently used for structural integrity testing. Moreover, there is no current NDT tool to evaluate conditions underlying drilled shaft excavations and aid in verifying geotechnical capacity. The main objective of this research is to examine the development of new NDT methodologies to address some of the limitations in the inspection of drilled shaft structural integrity and geotechnical conditions underlying their excavations. The use of stress waves in large laboratory models is first examined to evaluate the performance of ray-based techniques for detecting anomalies. The study then continues to investigate the improvements offered by using a full waveform inversion (FWI) approach to analyze the stress wave data. A hybrid, multi-scale FWI workflow is recommended to increase the chance of the convergence of the inversion algorithms. Additionally, the benefits of a multi-parameter FWI are discussed. Since FWI is computationally expensive, a sequential optimal experimental design (SOED) analysis is proposed to determine the optimal hardware configurations for each application. The resulting benefit-cost curves from this analysis allow for designing an NDT survey that matches the available resources for the project. / Civil Engineering

This thesis focuses on the comprehensive and thorough studies on the geospatial processing of airborne (full) waveform lidar data, including waveform modeling, direct georeferencing, and precise georeferencing with self-calibration.<div><br></div><div>Both parametric and nonparametric approaches of waveform decomposition are studied. The traditional parametric approach assumes that the returned waveforms follow a Gaussian mixture model where each component is a Gaussian. However, many real examples show that the waveform components can be neither Gaussian nor symmetric. To address the problem, this thesis proposes a nonparametric mixture model to represent lidar waveforms without any constraints on the shape of the waveform components. To decompose the waveforms, a fuzzy mean-shift algorithm is then developed. This approach has the following properties: 1) it does not assume that the waveforms follow any parametric or functional distributions; 2) the waveform decomposition is treated as a fuzzy data clustering problem and the number of components is determined during the process of decomposition; 3) neither peak selection nor noise floor filtering prior to the decomposition is needed; and 4) the range measurement is not affected by the process of noise filtering. In addition, the fuzzy mean-shift approach is about three times faster than the conventional expectationmaximization algorithm and tends to lead to fewer artifacts in the resultant digital elevation model. <br></div><div><br></div><div>This thesis also develops a framework and methodology of self-calibration that simultaneously determines the waveform geospatial position and boresight angles. Besides using the flight trajectory and plane attitude recorded by the onboard GPS receiver and inertial measurement unit, the framework makes use of the publically accessible digital elevation models as control over the study area. Compared to the conventional calibration and georeferencing method, the new development has minimum requirements on ground truth: no extra ground control, no planar objects, and no overlap flight strips are needed. Furthermore, it can also solve the problem of clock synchronization and boresight calibration simultaneously. Through a developed two-stage optimization strategy, the self-calibration approach can resolve both the time synchronization bias and boresight misalignment angles to achieve a stable and correct solution. As a result, a consistency of 0.8662 meter is achieved between the waveform derived digital elevation model and the reference one without systematic trend. Such experiments demonstrate the developed method is a necessary and more economic alternative to the conventional, high demanding georeferencing and calibration approach, especially when no or limited ground control is available.<br></div>

空載雷射掃描為一可快速獲取地面物體三維空間資訊之技術，而新型發展之全波形（Full-Waveform）系統可完整記錄雷射回波訊號之波形，透過波形偵測與波形擬合等資料前處理，可得到代表地物獨特反射特性的波形參數資料，包括振幅值（Amplitude）、波形寬（Pulse-width）與後續計算之散射截面積係數（Backscatter cross-section coefficient）。 得到各點位之波形資料後，將以波形資料為主進行位於山區之實驗區地物分類，並將使用由實驗區航照影像提供之RGB波段光譜資料計算之綠度指數（Greenness）與計算影像灰階統計值之紋理參數如均質度（Homogeneity）、熵值（Entropy）與R波段平均值（Mean）等參數輔助分類。分類進行之前，透過抽樣實驗區候選地類包括樹林、草地、道路與樹種建物，並以貝氏定理（Bayes Theorem）分析計算不同地物類別在各分類參數區間內的貝氏機率，接著以多項式函數擬合各地類在不同參數之貝氏機率曲線，並以計算反曲點之方式自動化決定該分類參數之門檻值區間。 分類成果顯示，全波形系統提供之波形資料對於受上層植物遮蔽與陰影區之植物點與道路點之分類有顯著之成果，且透過物體對於波形資料之反射特性不同，具備應用於區別不同建築材質類別之潛力。 / Airborne Laser Scanning is a technique capable of acquiring 3D information of land objects. The latest full-waveform system is further improved with the ability of recording complete waveform of reflected laser signal. After the preprocessing procedures such as pulse detection and pulse fitting, the waveform information including amplitude, pulse width and backscatter cross-section were derived. Such information was valuable as they represented unique properties of land objects. In this study, waveform information of all scanned points were utilized to classify land cover in the test area located in mountain area. Additionally, the Greenness value as well as the texture parameters such as Homogeneity, Entropy and Mean of R band calculated from the ortho-image were used for classification. We aimed to classify the point cloud into vegetation, road and building categories. The Bayes Theorem was used to determine the threshold range of each parameters for classification. As a result, the waveform information were useful for classifying road points covered by upper vegetation points and also vegetation and road points located in shadow area. Moreover, through the analysis of reflective properties of different object using waveform parameters, it was of potential to be applied to distinguish material of buildings.

We are concerned with the high-fidelity subsurface imaging of the soil, which commonly arises in geotechnical site characterization and geophysical explorations. Specifically, we attempt to image the spatial distribution of the Lame parameters in semi-infinite, three-dimensional, arbitrarily heterogeneous formations, using surficial measurements of the soil's response to probing elastic waves. We use the complete waveforms of the medium's response to drive the inverse problem. Specifically, we use a partial-differential-equation (PDE)-constrained optimization approach, directly in the time-domain, to minimize the misfit between the observed response of the medium at select measurement locations, and a computed response corresponding to a trial distribution of the Lame parameters. We discuss strategies that lend algorithmic robustness to the proposed inversion schemes. To limit the computational domain to the size of interest, we employ perfectly-matched-layers (PMLs). The PML is a buffer zone that surrounds the domain of interest, and enforces the decay of outgoing waves. In order to resolve the forward problem, we present a hybrid finite element approach, where a displacement-stress formulation for the PML is coupled to a standard displacement-only formulation for the interior domain, thus leading to a computationally cost-efficient scheme. We discuss several time-integration schemes, including an explicit Runge-Kutta scheme, which is well-suited for large-scale problems on parallel computers. We report numerical results demonstrating stability and efficacy of the forward wave solver, and also provide examples attesting to the successful reconstruction of the two Lame parameters for both smooth and sharp profiles, using synthetic records. We also report the details of two field experiments, whose records we subsequently used to drive the developed inversion algorithms in order to characterize the sites where the field experiments took place. We contrast the full-waveform-based inverted site profile against a profile obtained using the Spectral-Analysis-of-Surface-Waves (SASW) method, in an attempt to compare our methodology against a widely used concurrent inversion approach. We also compare the inverted profiles, at select locations, with the results of independently performed, invasive, Cone Penetrometer Tests (CPTs). Overall, whether exercised by synthetic or by physical data, the full-waveform inversion method we discuss herein appears quite promising for the robust subsurface imaging of near-surface deposits in support of geotechnical site characterization investigations.

L'inversion des formes d'onde (full waveform inversion, FWI) a suscité un intérêt dans le monde entier pour sa capacité à estimer de manière précise et détaillée les propriétés physiques du sous-sol. La FWI est généralement formulée sous la forme d'un problème d'ajustement des données par moindres carrés et résolus par une approche linéarisée utilisant des méthodes d'optimisation locales. Cependant, la FWI est bien connue de souffrir du problème de saut de phase rendant les résultats fortement dépendant de la qualité des modèles initiaux. L'inversion des formes d'ondes des arrivées réfléchies (reflection waveform inversion, RWI) a récemment été proposée pour atténuer ce problème en supposant une séparation d'échelle entre le modèle de vitesse lisse et le modèle de réflectivité à haut nombre d'onde. La formulation de RWI considère explicitement les ondes réfléchies afin d'extraire de ces ondes une information sur les variations lisses de vitesse des zones profondes. Cependant, la méthode néglige les ondes transmises qui contraignant les informations lisses de vitesse en proche surface.Dans cette thèse, une étude de la sensibilité en nombre d'ondes des méthodes de FWI et RWI a d'abord été revisitée dans le cadre de la tomographie en diffraction et des décompositions orthogonales. A partir de cette analyse, je propose une nouvelle méthode, à savoir l'inversion jointe des formes d'ondes transmises et réfléchies (joint full waveform inversion, JFWI). La méthode propose une formulation unifiée pour combiner la FWI des transmissions et la RWI pour les réflexions, donnant naturellement une sensibilité commune aux petits nombres d'onde venant des arrivées grand-angle et réfléchies. Les composantes à hauts nombres d'onde sont naturellement atténuées par la formulation. Pour satisfaire l'hypothèse de séparation d'échelle, j'utilise une paramétrisation du sous-sol basée sur la vitesse des ondes de compression et l'impédance acoustique. La complexité temporelle de cette approche est le double de la méthode de FWI classique et la requête mémoire reste la même.Une procédure d'inversion est ensuite proposée, permettant d'estimer alternativement le modèle de la vitesse du sous-sol par JFWI et l'impédance inversion de formes d'ondes réfléchies. Un exemple synthétique réaliste du modèle de Valhall est d'abord utilisé avec des données de streamer et à partir d'un modèle initial très lisse. Dans ce cadre, alors que la FWI converge vers un minimum local, la JFWI réussit à reconstruire un modèle de vitesse lisse de bonne qualité. La prise en compte des ondes tournante par la JFWI montre un fort intérêt pour la qualité de reconstruction superficielle, comparée à la méthode RWI seule. Cela se traduit ensuite par une reconstruction améliorée en profondeur. Le modèle de vitesse lisse construit par JFWI peut ensuite être considéré comme modèle initial pour la FWI classique, afin d'injecter le contenu en haut nombres d'onde tout en évitant le problème de saut de phase.Les avantages et limites de l'approche de JFWI sont ensuite étudiés dans une application sur données réelles, venant d'un profil 2D de données de fond de mer (OBC) recoupant un nuage de gaz au dessus d'un réservoir. Plusieurs modèles initiaux et stratégies d'inversion sont testés afin de minimiser le problème de saut de phase, tout en construisant des modèles de sous-sol avec une résolution suffisante. Sous réserve de mettre en œuvre des stratégies limitant le problème de saut de phase, la JFWI montre qu'elle peut produire un modèle de vitesse acceptable, injectant les bas nombres d'onde dans le modèle de vitesse. L'amélioration de l'éclairage en angles de diffraction fournie par des acquisitions 3D devrait permettre de pouvoir commencer l'inversion par JFWI à partir de modèle encore moins bien définis. / Full waveform inversion (FWI) has attracted worldwide interest for its capacity to estimate the physical properties of the subsurface in details. It is often formulated as a least-squares data-fitting procedure and routinely solved by linearized optimization methods. However, FWI is well known to suffer from cycle skipping problem making the final estimations strongly depend on the user-defined initial models. Reflection waveform inversion (RWI) is recently proposed to mitigate such cycle skipping problem by assuming a scale separation between the background velocity and high-wavenumber reflectivity. It explicitly considers reflected waves such that large-wavelength variations of deep zones can be extracted at the early stage of inversion. Yet, the large-wavelength information of the near surface carried by transmitted waves is neglected.In this thesis, the sensitivity of FWI and RWI to subsurface wavenumbers is revisited in the frame of diffraction tomography and orthogonal decompositions. Based on this analysis, I propose a new method, namely joint full waveform inversion (JFWI), which combines the transmission-oriented FWI and RWI in a unified formulation for a joint sensitivity to low wavenumbers from wide-angle arrivals and short-spread reflections. High-wavenumber components are naturally attenuated during the computation of model updates. To meet the scale separation assumption, I also use a subsurface parameterization based on compressional velocity and acoustic impedance. The temporal complexity of this approach is twice of FWI and the memory requirement is the same.An integrated workflow is then proposed to build the subsurface velocity and impedance models in an alternate way by JFWI and waveform inversion of the reflection data, respectively. In the synthetic example, JFWI is applied to a streamer seismic data set computed in the synthetic Valhall model, the large-wavelength characteristics of which are missing in the initial 1D model. While FWI converges to a local minimum, JFWI succeeds in building a reliable velocity macromodel. Compared with RWI, the involvement of diving waves in JFWI improves the reconstruction of shallow velocities, which translates into an improved imaging at greater depths. The smooth velocity model built by JFWI can be subsequently taken as the initial model for conventional FWI to inject high-wavenumber content without obvious cycle skipping problems.The main promises and limitations of the approach are also reviewed in the real-data application on the 2D OBC profile cross-cutting gas cloud.Several initial models and offset-driven strategies are tested with the aim to manage cycle skipping while building subsurface models with sufficient resolution. JFWI can produce an acceptable velocity model provided that the cycle skipping problem is mitigated and sufficient low-wavenumber content is recovered at the early stage of inversion. Improved scattering-angle illumination provided by 3D acquisitions would allow me to start from cruder initial models.

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans la problématique scientifique de reconstruction du relief sous un couvert végétal à partir d’observations aéroportées. Le scanner laser aéroporté est une technique d’imagerie très prometteuse, notamment pour l’observation des zones forestières. Sa déclinaison "onde complète" consiste à émettre une impulsion laser et à enregistrer temporellement l’intégralité des échos de retour réfléchis par la scène. La forme des échos de retour fournit des informations sur l’épaisseur optique du couvert végétal. De nombreux systèmes commerciaux sont en exploitation, en particulier en topographie ou en bathymétrie. Mais ces systèmes ne sont pas dédiés à l’observation de la végétation. L’objectif de cette thèse est l’étude de l’intérêt de ces systèmes pour la construction de modèle numérique de terrain (MNT) sous couvert végétal. Elle est basée sur le développement d’outils de simulation du signal temporel incident au capteur lidar et de traitement des données. Dans un premier temps, le modèle physique de lidar onde complète, DELiS (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) a été développé. Il permet de simuler l’observation de scènes de végétation réalistes, tout en incluant la prise en compte de l’environnement extérieur (atmosphère, soleil) ainsi que des caractéristiques de la source et de la chaîne de détection (bruits de mesure). DELiS a été validé par confrontation à des résultats analytiques. Ensuite, DELIS a permis de comprendre et d’évaluer l’importance des diffusions multiples dans le couvert en fonction du champ de vue du lidar mais aussi de justifier l’utilisation d’acquisitions aéroportées petit champ pour simuler le signal d’un lidar spatial plus grand champ. Dans une deuxième étape, ses capacités de simulation ont été utilisées afin d’étudier l’intérêt du lidar onde complète pour la reconstruction d’un MNT sous couvert végétal. Dans ce but, nous avons développé et implémenté numériquement une méthode originale de traitement et de classification des données lidar onde complète permettant de séparer les échos lidar provenant du sol de ceux provenant de la végétation. Après classification des échos, nous avons reconstruit la géométrie du sol et des objets occultés par la végétation. Enfin, nous avons étudié comment combiner des données aéroportées acquises sous différents points de vue afin d’améliorer les reconstructions. Nos travaux montrent que le scanner laser aéroporté onde complète pourrait permettre d’obtenir en milieux forestier des reconstructions de la géométrie du terrain à des résolutions sub-métriques et avec une précision de l’ordre de 10 à 20 centimètres. La combinaison de visées multi-angulaire permet, par l’apport d’une quantité importante d’information supplémentaire, d’améliorer encore la reconstruction du MNT. Nous montrons cependant que les visées inclinées sont plus sensibles à la présence des troncs et branchages des arbres, éléments qui sont susceptibles d’introduire une erreur importante dans les processus de classification et de reconstruction. Pour cette raison, nous recommandons l’utilisation de la visée nadir pour la reconstruction mono-vue des modèles numériques de terrain, et nous proposons une méthode permettant de choisir de façon optimale les visées inclinées à ajouter pour l’observation détaillée d’une portion plus restreinte de la scène. / This research work regards the scientific challenge of reconstructing the ground and the object presents under a vegetation cover from airborne observations. Airborne laser scanning is a promising technology. Full-waveform devices are able to record the complete temporal return signal following the emission of a short laser pulse towards the ground. This offers a great potential for remote sensing of forested areas, since the laser pulse will travel through the vegetation. Many commercial systems are already operated for topography or bathymetry. Scientists have been using these systems for vegetation observation, even if they are not dedicated to this purpose. The objective of this thesis is to study the relevance of full-waveform lidars for the geometric reconstruction of digital terrain models (DTM) under vegetation. We also aim at developing simulation and data processing toolsthat will help design and optimize future sensors dedicated to vegetation observation. Our first task was the development of a new physical simulator for full-waveform lidar measurement. The DELiS model (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) is able tosimulate the observation of complex and realistic vegetation scenes while accounting for atmosphere and sun perturbations, and simulating the multiple scattering of the laser pulse in the canopy. We have also implemented a sensor model for simulation of the measurement, amplification and digitization noises. This operational simulation tool is a key asset for future physical studies as well as for designing and optimizing future sensors and data processing methods. After validating the DELiS model by confrontation with analytical results, we have used it for studying the interest of full-waveform lidar for digital terrain models reconstruction under vegetation. For this purpose, we have developed a full-waveform lidar data processing method for decomposition of the signals and classification of the lidar echoes into two classes : ’ground’ and ’vegetation’. We were then able to reconstruct ground geometry.Finally, we have led a study on the combination of multi-angular acquisitions for improvement of the reconstructions.Our work shows that airborne full-waveform lidar observations may allow ground reconstruction with sub-metric resolutions and a precision of 10 to 20 centimeters in forested areas. Combining multiple viewing angles provides additional data, and helps improving the precision of the reconstructions. Yet, we show that non-nadir viewing is much more sensitive to trunks and branches. These elements may be the cause of an additional error in the classification and reconstruction processes. For this reason, we recommend using nadir viewing for single-view ground reconstruction, and propose a method for optimally selecting non-nadir views for the detailed observation of restricted areas of interest.

Le radar géologique est une méthode d'investigation géophysique basée sur la propagation d'ondes électromagnétiques dans le sous-sol. Avec des fréquences allant de 5 MHz à quelques GHz et une forte sensibilité aux propriétés électriques, le géoradar fournit des images de réflectivité dans des contextes et à des échelles très variés : génie civil, géologie, hydrogéologie, glaciologie, archéologie. Cependant, dans certains cas, la compréhension fine des processus étudiés dans la subsurface nécessite une quantification des paramètres physiques du sous-sol. Dans ce but, l'inversion des formes d'ondes complètes, méthode initialement développée pour l'exploration sismique qui exploite l'ensemble des signaux enregistrés, pourrait s'avérer efficace. Dans cette thèse, je propose ainsi des développements méthodologiques par une approche d'inversion multiparamètres (permittivité diélectrique et conductivité), pour des configurations en transmission, en deux dimensions.Ces développements sont ensuite appliqués à un jeu de données réelles acquises entre forages.Dans une première partie, je présente tout d'abord la méthode numérique utilisée pour modéliser la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu 2D hétérogène, élément indispensable pour mener à bien le processus d'imagerie. Ensuite, j’introduis puis étudie le potentiel des méthodes d’optimisation locale standards (gradient conjugué non linéaire, l-BFGS, Newton tronqué dans ses versions Gauss-Newton et Exact-Newton) pour découpler la permittivité diélectrique et la conductivité électrique. Je montre notamment qu’un découplage effectif n’est possible qu’avec un modèle initial suffisamment précis et la méthode la plus sophistiquée (Newton tronqué). Comme dans le cas général, ce modèle initial n’est pas disponible, il s’avère nécessaire d'introduire un facteur d'échelle qui répartit le poids relatif de chaque classe de paramètres dans l'inversion. Dans un milieu réaliste avec une acquisition entre puits, je montre que les différentes méthodes d'optimisation donnent des résultats similaires en matière de découplage de paramètres. C'est finalement la méthode l-BFGS qui est retenue pour l'application aux données réelles, en raison de coûts de calcul plus faibles.Dans une deuxième partie, j'applique cette méthodologie à des données réelles acquises entre deux forages localisés dans des formations carbonatées, à Rustrel (France, 84). Cette inversion est réalisée en parallèle d'une approche synthétique à l'aide d'un modèle représentatif du site étudié et des configurations d'acquisition similaires. Ceci permet de pouvoir comprendre, contrôler et valider les observations et conclusions obtenues sur les données réelles. Cette démarche montre que la reconstruction de la permittivité est très robuste. A contrario, l'estimation de la conductivité souffre de deux couplages majeurs, avec la permittivité diélectrique, d'une part, et avec l'amplitude de la source estimée, d'autre part. Les résultats obtenus sont confrontés avec succès à des données indépendantes (géophysique depuis la surface, analyse sur échantillons de roche), et permet de bénéficier d'une image haute-résolution des formations géologiques. Enfin, une analyse 3D confirme que les structures 3D à fort contraste de propriétés, telles que la galerie enfouie sur notre site, nécessiteraient une approche de modélisation 3D, notamment pour mieux expliquer les amplitudes observées. / Ground Penetrating Radar (GPR) is a geophysical investigation method based on electromagnetic waves propagation in the underground. With frequencies ranging from 5 MHz to a few GHz and a high sensitivity to electrical properties, GPR provides reflectivity images in a wide variety of contexts and scales: civil engineering, geology, hydrogeology, glaciology, archeology. However, in some cases, a better understanding of some subsurface processes requires a quantification of the physical parameters of the subsoil. For this purpose, inversion of full waveforms, a method initially developed for seismic exploration that exploits all the recorded signals, could prove effective. In this thesis, I propose methodological developments using a multiparameter inversion approach (dielectric permittivity and conductivity), for two-dimensional transmission configurations. These developments are then applied to a real data set acquired between boreholes.In a first part, I present the numerical method used to model the propagation of electromagnetic waves in a heterogeneous 2D environment, a much-needed element to carry out the process of imaging. Then, I introduce and study the potential of standard local optimization methods (nonlinear conjugate gradient, l-BFGS, Newton truncated in its Gauss-Newton and Exact-Newton versions) to fight the trade-off effects related to the dielectric permittivity and to the electrical conductivity. In particular, I show that effective decoupling is possible only with a sufficiently accurate initial model and the most sophisticated method (truncated Newton). As in the general case, this initial model is not available, it is necessary to introduce a scaling factor which distributes the relative weight of each parameter class in the inversion. In a realistic medium and for a cross-hole acquisition configuration, I show that the different optimization methods give similar results in terms of parameters decoupling. It is eventually the l-BFGS method that is used for the application to the real data, because of lower computation costs.In a second part, I applied the developed Full waveform inversion methodology to a set of real data acquired between two boreholes located in carbonate formations, in Rustrel (France, 84). This inversion is carried out together with a synthetic approach using a model representative of the studied site and with a similar acquisition configuration. This approach enables us to monitor and validate the observations and conclusions derived from data inversion. It shows that reconstruction of dielectrical permittivity is very robust. Conversely, conductivity estimation suffers from two major couplings: the permittivity and the amplitude of the estimated source. The derived results are successfully compared with independent data (surface geophysics and rock analysis on plugs) and provides a high resolution image of the geological formation. On the other hand, a 3D analysis confirms that 3D structures presenting high properties contrasts, such as the buried gallery present in our site, would require a 3D approach, notably to better explain the observed amplitudes.

[ES] Esta tesis aborda el desarrollo de métodos de procesado y análisis de datos ALSFW para la caracterización de la estructura vertical del bosque y, en particular, del sotobosque. Para responder a este objetivo general, se establecieron seis objetivos específicos: En primer lugar, se analiza la influencia de la densidad de pulso, de los parámetros de voxelización (tamaño de vóxel y valor de asignación) y de los métodos de regresión sobre los valores de las métricas ALSFW y sobre la estimación de atributos de estructura del bosque. Para ello, se redujo aleatoriamente la densidad de pulsos y se modificaron los parámetros de voxelización, obteniendo los valores de las métricas ALSFW para las diferentes combinaciones de parámetros. Estas mismas métricas ALSFW se emplearon para la estimación de atributos de la estructura del bosque mediante diferentes métodos de regresión. En segundo lugar, se integran métodos de procesado y análisis de datos ALSFW en una nueva herramienta llamada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que incluye los procesos de recorte, corrección radiométrica relativa, voxelización y extracción de métricas a partir de los datos ALSFW, así como nuevas métricas descriptoras del sotobosque. En tercer lugar, se evalúa la influencia del ángulo de escaneo utilizado en la adquisición de datos ALS y la corrección radiométrica en la extracción de métricas ALSFW y en la estimación de atributos de combustibilidad forestal. Para ello, se extrajeron métricas ALSFW con y sin corrección radiométrica relativa y empleando diferentes ángulos de escaneo. En cuarto lugar, se caracteriza la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque empleando y comparando tres tipos diferentes de láser escáner (ALSFW, ALSD y láser escáner terrestre: TLS, por sus siglas en inglés), determinando así sus limitaciones en la detección de material vegetativo en dos ecosistemas forestales diferenciados: el boreal y el mediterráneo. Para cuantificar la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque se propone un nuevo parámetro, la tasa de reducción del pulso, basada en el porcentaje de haces láser bloqueados antes de alcanzar una posición dada. En quinto lugar, se evalúa la forma en que se detectan y determinan las clases de densidad de sotobosque mediante los diferentes tipos de ALS. Se compararon los perfiles de distribución vertical en los estratos inferiores descritos por el ALSFW y el ALSD con respecto a los descritos por el TLS, utilizando este último como referencia. Asimismo, se determinaron las clases de densidad de sotobosque aplicando la curva Lorenz y el índice Gini a partir de los perfiles de distribución vertical descritos por ALSFW y ALSD. Finalmente, se aplican y evalúan las nuevas métricas ALSFW basadas en la voxelización, utilizando como referencia los atributos extraídos a partir del TLS, para estimar la altura, la cobertura y el volumen del sotobosque en un ecosistema mediterráneo. / [EN] This thesis addresses the development of ALSFW processing and analysis methods to characterize the vertical forest structure, in particular, the understory vegetation. To answer this overarching goal, a total of six specific objectives were established: Firstly, the influence of pulse density, voxel parameters (i.e., voxel size and assignation value) and regression methods on ALSFW metric values and on estimates of forest structure attributes are analyzed. To do this, pulse density was randomly reduced and voxel parameters modified, obtaining ALSFW metric values for the different parameter combinations. These ALSFW metrics were used to estimate forest structure attributes with different regression methods. Secondly, a set of ALSFW data processing and analysis methods are integrated in a new software named WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction), including clipping, relative radiometric correction, voxelization and ALSFW metric extraction, and proposing new metrics for understory vegetation. Thirdly, the influence of the scan angle of ALS data acquisition and radiometric correction on the extraction of ALSFW metrics and on modeling forest fuel attributes is assessed. To do this, ALSFW metrics were extracted applying and without applying relative radiometric correction and using different scan angles. Fourthly, signal occlusion is characterized along the vertical forest structure using and comparing three different laser scanning configurations (ALSFW, ALSD and terrestrial laser scanning: TLS), determining their limitations in the detection of vegetative material in two contrasted forest ecosystems: boreal and Mediterranean. To quantify signal occlusion along the vertical forest structure, a new parameter based on the percentage of laser beams blocked prior to reach a given location, the rate of pulse reduction, is proposed. Fifthly, the assessment of how understory vegetation density classes are detected and determined by different ALS configurations is done. Vertical distribution profiles at the lower strata described by ALSFW and ALSD are compared with those described by TLS as reference. Moreover, understory vegetation density classes are determined by applying the Lorenz curve and Gini index from the vertical distribution profiles described by ALSFW and ALSD. Finally, the new proposed voxel-based ALSFW metrics are applied and evaluated, using TLS-based attributes as a reference, to estimate understory height, cover and volume in a Mediterranean ecosystem. / [CA] Aquesta tesi aborda el desenvolupament de mètodes de processament i anàlisi de dades ALSFW per a la caracterització de l'estructura vertical del bosc i, en particular, del sotabosc. Per a respondre a aquest objectiu general, s'establiren sis objectius específics: En primer lloc, s'analitza la influència de la densitat de pols, dels paràmetres de voxelització (grandària de vóxel i valor d'assignació) i dels mètodes de regressió sobre els valors de les mètriques ALSFW i sobre l'estimació dels atributs d'estructura del bosc. Per a això, es reduí aleatòriament la densitat de polsos i es modificaren els paràmetres de voxelització, obtenint els valors de les mètriques ALSFW per a les diferents combinacions de paràmetres. Aquestes mètriques ALSFW s'empraren per a l'estimació d'atributs de l'estructura del bosc mitjançant diferents mètodes de regressió. En segon lloc, s'integraren mètodes de processament i d'anàlisi de dades ALSFW en una nova eina anomenada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que inclou el processos de retallada, correcció radiomètrica relativa, voxelització i extracció de mètriques a partir de les dades ALSFW, així com noves mètriques descriptores del sotabosc. En tercer lloc, s'avalua la influència de l'angle de escaneig emprat en l'adquisició de les dades ALS i la correcció radiomètrica en l'extracció de mètriques ALSFW i en l'estimació d'atributs de combustibilitat forestal. Per a això, s'extragueren mètriques ALSFW amb i sense correcció radiomètrica relativa i emprant diferents angles d'escaneig. En quart lloc, es caracteritza l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc emprant i comparant tres tipus diferents de làser escàner (ALSFW, ALSD i làser escàner terrestre: TLS, per les seues sigles en anglès), determinant així les seues limitacions en la detecció de material vegetatiu en dos ecosistemes diferenciats: un boreal i un mediterrani. Per a quantificar l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc es proposa un nou paràmetre, la taxa de reducció del pols, basada en el percentatge de rajos làser bloquejats abans d'arribar a una posició donada. En cinquè lloc, s'avalua la manera en la qual es detecten i determinen les classes de densitat de sotabosc mitjançant els diferents tipus d'ALS. Es compararen els perfils de distribució vertical en estrats inferiors descrits per l'ALSFW i l'ALSD respecte als descrits pel TLS, emprant aquest últim com a referència. A més a més, es determinaren les classes de densitat de sotabosc aplicant la corba Lorenz i l'índex Gini a partir dels perfils de distribució vertical descrits per l'ALSFW i l'ALSD. Finalment, s'apliquen i avaluen les noves mètriques ALSFW basades en la voxelització, emprant com a referència els atributs extrets a partir del TLS, per a estimar l'alçada, la cobertura i el volum del sotabosc en un ecosistema mediterrani. / Crespo Peremarch, P. (2020). Processing and analysis of airborne fullwaveform laser scanning data for the characterization of forest structure and fuel properties [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153715 / TESIS

Abstract This thesis focuses on topographic mapping of rock formations with the use of new technologies in a comprehensive manner, from airborne laser scanning (ALS) data acquisition and processing in rocky terrains, followed by their processing to the content of topographic databases and their cartographic processing in maps. The introduction discusses issues of importance for practice, and the relation between topographic mapping of rocks and other fields of human activity. The ALS section describes products for topographic mapping of rocks derived from ALS data, and discusses the specifics of ALS data acquisition and processing in wooded rugged terrain. Existing solutions of this problem are explained and their limitations are identified. Author's own approaches to solving this task are presented as case studies, including three made a further three designed experiments with ALS data processing and evaluation of their results. Recommendation regarding mapping of sandstone landscapes in Czechia have been also addressed. The topographic section describes the current representation of rocks and related objects in the ZABAGED database (Czech national digital topographic database), explains the historical context, analyzes this data and identifies their shortcomings in relation to the ALS. Research...