The ill-posed problem of aerosol size distribution determination from a small number of backscatter and extinction measurements was solved successfully with a mollifier method which is advantageous since the ill-posed part is performed on exactly given quantities, the points r where n(r) is evaluated may be freely selected. A new twodimensional model for the troposphere is proposed.

This thesis project describes how the retrieval of aerosol extinction and backscatter coefficients is computed from data obtained with a Raman lidar at FOI, Swedish Defense Research Agency. The theory is described, the implementation is done and problems discovered along the way are discussed. The lidar use the wavelength 355 nm and the Raman shift in nitrogen at 387 nm. The retrieved algorithm gives extinction coefficient between 1 500 and 10 000 meters while the backscatter coefficient covers the span 800 to 15 000 meters. However there is skewness in the backscatter coefficient that needs to be further investigated. Tests indicate that the skewness comes from the way the measurements are done at FOI.

A l'heure actuelle, l'étude d'une falaise instable nécessite la mesure sur place, à l'aide d'une boussole clinomètre, de sa fracturation. Ce n'est pas sans inconvénient pour des raisons d'accessibilité et de dangerosité de la mesure. Pour étudier la morphologie de ces falaises sans recourir à ces mesures in-situ, il faut faire appel à des méthodes de télédétection. Deux méthodes semblent a priori particulièrement adaptées pour ce faire. La photogrammétrie permet de calculer la position XYZ d'un point à partir de la position de l'image de ce point sur deux photographies prisent depuis des points de vue différents. Cette technique éprouvée connait un nouvel essor avec les progrès des appareils numériques. La scannerisation laser, quant à elle, consiste à calculer la position d'un très grand nombre de points de la paroi en mesurant le temps de trajet aller-retour d'une impulsion laser. Ces deux méthodes connaissent des limitations différentes en terme de résolution, de précision, de temps d'acquisition sur site et de traitement a posteriori. La photogrammétrie et la scannerisation laser ont été utilisées sur quatre sites afin de tester l'efficacité de ces méthodes sur des cas concrets de falaise instable. Le site du Rocher du Midi (Vercors, 38, France) a été étudié à l'aide de deux scans laser réalisés depuis le sommet de la paroi instable, avec des points de vue très rasants sur fa zone d'étude, ainsi qu'au moyen d'une couverture photographique réalisée avec un appareil argentique grand format depuis un hélicoptère. Le Ravin de L'aiguille (Chartreuse, 38, France) a été étudié à partir de deux scannerisations laser réalisées en tête de paroi, l'une depuis un point de vue très rasant et l'autre depuis un point de vue presque frontal, permis par la géométrie très échancrée de la ligne de crête, ainsi qu'avec une couverture photographique réalisée avec un reflex numérique depuis un hélicoptère. Le Rocher de la Bourgeoise (Vercors, 38 France) a été étudié au moyen d'une scannerisation laser héliportée et d'une couverture photographique réalisée en même temps avec un appareil numérique. Les gorges de Paganin (06, France) ont été étudiées au moyen de trois scannerisations laser réalisées depuis le pied de la paroi. Pour pouvoir exploiter les données de scannerisation laser issues de ces quatre sites, le concept d'image solide, développé par le Politecnico de Turin, a été réimplanté dans le logiciel ImageJ afin de développer aisément des greffons pour chacune des mesures utiles à l'exploitation. La comparaison des résultats obtenus par cette méthode avec ceux obtenus par photogrammétrie et ceux issus des mesures directe sur site valide l'efficacité des deux méthodes de télédétection, avec cependant quelques réserves. Les méthodes de télédétection, et en particulier l'image solide, apportent une plus value notable par rapport aux mesures in-situ en terme de capacité de support aux mesures géophysiques complémentaires et de réalisation d'un modèle géométrique complet en prélude à une simulation de stabilité. Cependant des développements restent à faire, tant sur l'exploitation des scannerisations laser que sur l'utilisation de la photogrammétrie, pour permettre de tirer le meilleur parti possible de ces deux techniques.

The Prairie Pothole Region (PPR) of North American contains millions of wetlands in shallow depressions that provide important hydrological and ecological functions. To assess and model these functions it is important to have accurate methods to quantify wetland water volume storage. Hayashi and van der Kamp (2000) developed equations suitable for calculating water volume in natural, regularly shaped wetlands when two coefficients are known. This thesis tested the robustness of their full and simplified volume (V) area (A) depth (h) methods to accurately estimate volume for the range of wetland shapes occurring across the PPR. Further, a digital elevation model (DEM) derived from light detection and ranging (LiDAR) data was used to extract the necessary data for applying the simplified V-A-h method at a broad spatial scale. Detailed topographic data were collected for 27 wetlands in the Smith Creek Research Basin and St. Denis National Wildlife Area, Saskatchewan that ranged in surface area shape. The full V-A-h method was found to accurately estimate volume (errors <5%) across wetlands of various shapes and is therefore suitable for calculating water storage in the variety of wetland shapes found in the PPR. Analysis of the simplified V-A-h method showed that the depression (p) and size (s) coefficients are sensitive to the timing of area and depth measurements and the accuracy of area measurements. Surface area and depth should be measured concurrently at two points in time to achieve volume errors <10%. For most wetlands this means measuring area and depth in spring when water levels are approximately 70% of hmax, and also in late summer prior to water depths dropping below 0.1 m. The wetted perimeter of the deepest water level must also be measured accurately to have volume errors less than 10%. Applying the simplified V-A-h method to a LiDAR DEM required GIS analysis to extract elevation contours that represent potential water surfaces. From these data the total wetland depth and s coefficient were estimated. Volume estimates through this LiDAR V-A-h method outperformed estimates from two volume-area equations commonly used in the PPR. Furthermore, the process to extract the wetland coefficients from the LiDAR DEM was automated such that storage could be estimated for the entire St. Denis National Wildlife Area. Applying the simplified V-A-h method according to the guidelines and data sources recommended here will allow for more accurate, time-effective water storage estimates at multiple spatial scales, thereby facilitating evaluation and modelling of hydrological and ecological functions.

During several years research has been performed at the Department of Laser Systems, the Swedish Defense Research Agency (FOI), to develop methods to produce high resolution 3D environment models based on data acquired with airborne laser systems. The 3D models are used for several purposes, both military and civilian applications, for example mission planning, crisis management analysis and planning of infrastructure. We have implemented a new format to store laser point data. Instead of storing rasterized images of the data this new format stores the original location of each point. We have also implemented a new method to detect outliers, methods to estimate the ground surface and also to divide the remaining data into two classes: buildings and vegetation. It is also shown that it is possible to get more accurate results by analyzing the points directly instead of only using rasterized images and image processing algorithms. We show that these methods can be implemented without increasing the computational complexity.

This study aims to present and evaluate a new method for measuring the distribution of snow within built-up environments by differencing elevations collected by an Airborne Laser Scanner (ALS) before, and during peak snow accumulation. Few efforts have been made to study the distribution of snow within built-up environments due to the false assumption that high-intensity rainfall is the main contributor to peak yearly runoff rates. Traditional techniques for measuring snow are often difficult to replicate in built-up environments due to incompatibility of methods and barriers such as buildings, roads and private property. Light Detection and Ranging (LiDAR) technology, specifically ALSs, have previously been used to characterize the distribution of snow under forest canopy, and in remote mountain environments. This study investigates and assesses the utility of high resolution, non-intrusive ALS data for estimating the depth and distribution of snow within the town of Uxbridge, Ontario. ALS flights for this study were completed before the onset of snow accumulation, as well as near peak snow accumulation for the winters of 2010 and 2011. Pre and post snow accumulation ALS measured elevations were differenced to estimate the depth of the snowpack across the entire study area at a resolution of 0.5 m. Ground measurements of snow depth were also completed within 24 hours of each of the winter flights. The LiDAR-estimated and ground-measured snow depths were compared using Spearman's rank correlation coefficient as well as Mean Absolute Error (MAE) and Root Mean Squared Error (RMSE). Results from this thesis show that: 1) Snow depths estimated by differencing elevations from two ALS flights show a MAE of 3 cm and an RMSE of 10 cm when compared to ground-measured snow depths. (2) There is a strong, statistically significant relationship (ρ = 0:82, p < 0:001) between LiDAR-estimated and ground-measured snow depths. (3) An average bias of -3 cm was found for the entire dataset showing an underestimation in the LiDAR-estimated snow depths most likely caused by the effects of low lying vegetation on the fall ALS measurements. The results presented in this study demonstrate that ALSs are capable of providing high spatial resolution snow depth estimates within built-up environments. Furthermore, snow depth measurements made using an ALS can be used to increase the current body of knowledge on the distribution and re-distribution of snow within built-up environments. Snow distributions measured by an ALS could also be used for future development and verification of urban hydrological models.

La présente étude avait pour objectif principal d'examiner la validité des tables de rendement dans la prédiction de l'évolution de la hauteur dominante des peuplements mixtes situés dans la région du Lac Duparquet (Abitibi-Témiscaminque, Québec). Plus précisément, nous avons d'abord mesuré la hauteur de la canopée pour la période 1945 à 2003 à partir de modèles numériques de surface (MNS) et de modèle numérique de terrain (MNT) photo-lidar pour ensuite les comparer avec les valeurs prédites par les modèles de Pothier et Savard (1998). Notre étude envisageait également une analyse des facteurs environnementaux qui pourraient affecter le développement des peuplements mixtes et en conséquence, engendrer un biais dans la prédiction de la croissance de la hauteur de ceux-ci. Nous avons réussi à reproduire avec succès les procédures de télédétection, puisque nous avons observé une précision sub-métrique pour les mesures altimétriques des MNS de 1965 et 1983 (0.67 m et 0.60 m respectivement) et une précision d'environ 1.65 m pour 1945. L'erreur quadratique de la hauteur dominante calibrée varie entre 57 cm et 2.12 m et le biais moyen absolu est entre 36 cm à 1.8 m. À partir de l'analyse des changements de la hauteur dominante entre 1945 et 2003, nous avons constaté que les modèles proposés dans Pothier et Savard (1998) prédisent la hauteur dominante avec une grande acuité pour l'ensemble des peuplements étudiés, à l'exception des peuplements mixtes dominés par les résineux. Les erreurs de prédictions étaient en dessous de 10 % pour les peuplements purs (PF : biais = 1.32% (0.27 m), RMSE = 6.61 % (1.36 m); PR : biais = 3.08 % (0,37 m), RMSE : 5.17 % (0.62 m)), et ce, pour les peuplements de dominance feuillue ou résineuse. Pour les peuplements mixtes, cependant, nous avons observé que le modèle a tendance à sous-estimer la hauteur dominante, notamment pour les résineux (MF : biais = -4.67 % (-0.86 m), RMSE = 1l.38 % (2.11 m); MR : biais: -11.92 % (-1.74 m), RMSE: 20.77 % (3.03 m)). Lorsque nous avons analysé le biais de prédiction en utilisant les variables environnementales, nous avons constaté que trois variables ont contribué de manière significative à la prédiction de l'erreur : le nombre d'essences dans la placette, la tolérance à l'ombre de l'essence dominante, ainsi que le temps depuis la dernière perturbation. Ainsi, le problème dans l'estimation de l'évolution de peuplements mixtes résineux semble être lié à de nombreux facteurs qui vont du trait fonctionnel de l'essence dominante (le sapin baumier est tolérant à l'ombre), à la dynamique du peuplement (âge, nombre d'essences, stabilité de la cohorte dominante, effet de la TBE). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : forêt boréale mixte, modèles de croissance, hauteur dominante, photogrammétrie, altimétrie laser

Le point de départ d'un peuplement est normalement une perturbation majeure qui détruit la végétation présente sur un site. Cela permet la colonisation par une nouvelle cohorte. Cependant, en forêt feuillue tempérée, le renouvellement des arbres s'effectue principalement par les processus de formation et de fermeture de trouées. Cela a un effet structurant sur les peuplements d'âge mur. À l'échelle du paysage, les caractéristiques spatiales et temporelles du régime des trouées expliquent comment et à quelle vitesse la forêt se régénère. Deux types de trouées peuvent être distingués sur la base de leurs caractéristiques. Les trouées biotiques sont formées par la mort d'un ou plusieurs arbres. Elles se referment par la croissance des arbres en bordure ou sont comblées par la croissance de la régénération. Les ouvertures édaphiques sont dues à la présence de facteurs qui limitent ou empêchent l'établissement et la croissance d'arbres. Elles ne sont habituellement pas incluses dans les recherches sur les trouées qui utilisent les méthodes traditionnelles d'échantillonnage, puisqu'elles ne contribuent pas directement au régime des trouées. L'objectif de ce projet de recherche est de mesurer certaines propriétés du régime de trouées de la forêt feuillue tempérée par télédétection Lidar, ce qui n'a jamais été réalisé au Québec. En premier lieu, nous avons tenté une méthode novatrice, soit la prédiction de l'âge des trouées à partir de la structure des bosquets composés d'arbres en régénération mesurée par Lidar. Notre hypothèse est que cette structure dépend du temps écoulé depuis l'ouverture de la canopée. Cependant, nos résultats montrent une relation faible entre la structure et l'âge des trouées. La structure des bosquets d'arbres serait plutôt liée à leur historique de perturbations. Nous avons aussi essayé de créer un modèle statistique capable de distinguer les trouées biotiques des ouvertures édaphiques à partir de données Lidar, ce qui n'a jamais été tenté. Les résultats du modèle montrent que 19,5% de la surface totale en trouées est constituée d'ouvertures édaphiques. Elles occupent 1,37% des sites étudiés. Les trouées biotiques représentent 80,5% de la surface totale des trouées, et couvrent 5,71% des sites à l'étude. Ces résultats indiquent une plus faible proportion des sites en trouées que ce que la littérature rapporte pour la forêt feuillue tempérée. Ces résultats pourraient être pris en compte pour l'aménagement écosystémique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : trouées, lidar, ouvertures édaphiques, régime des trouées.

La utilización práctica del efecto Doppler en la emisión láser fue propuesta desde los inicios del desarrollo de los láseres en los años sesenta. Sólo en los años ochenta la investigación realizada pudo salir del laboratorio y dar lugar a la fabricación de aparatos de medida de velocidad comerciales. A partir de los noventa estos aparatos se popularizaron rápidamente. Actualmente se utilizan medidores de velocidad láser por efecto Doppler en múltiples aplicaciones, entre las que sobresale la medida de velocidad de fluidos, para estudios aéreo e hidrodinámicos. Sus características únicas, como la precisión obtenida en la medida, su alta resolución espacial y el carácter no intrusivo, sólo han comenzado recientemente a tener rivales de consideración, como pueden ser la velocimetría de imagen de partículas (PIV). También la medida de velocidades de móviles sólidos comienza a resultar, con el abaratamiento general de los componentes opto-electrónicos, un objetivo para muchas empresas. Entre las aplicaciones de este tipo se contemplan el control de velocidad de los vehículos en carretera y el control de procesos industriales del ramo textil, papelero y deempresas fabricantes de cables, entre otros. Empresas europeas y americanas, como Dantec Electronik y TSI, por citar las más representativas, comercializan aparatos LDA de propósito general de altas prestaciones. Hasta la fecha estos sistemas sólo podían ser adquiridos por importantes centros de investigación o grandes empresas, debido a su elevado coste. El futuro comercial de la velocimetría láser Doppler exige la fabricación de aparatos más económicos y adaptados a las necesidades del cliente. Muchos de los sistemas actuales son voluminosos,difíciles de manejar y con potencias de trabajo elevadas. Se está llevando a cabo un importante trabajo para conseguir reducir el tamaño y coste de los equipos sin perder sus principales prestaciones. Asimismo la alta velocidad y capacidad de cálculo de los ordenadores personales actuales debe hacer innecesaria la inclusión de procesadores específicos para estos equipos.Presentamos el diseño y construcción de un sistema integral de medida de dos componentes de la velocidad, sistema 2D-LDA, para aplicaciones industriales e hidrodinámicas de baja potencia. Siguiendo la filosofía delineada arriba, el diseño de nuestro sistema LDA fue realizado utilizando únicamente una fuente laser y un módulo detector. Los sistemas LDA de medida de dos componentes de velocidad comercialmente disponibles, por el contrario, emplean dos longitudes de onda óptica y dos fotodetectores independientes. Las emisiones azul y verde típicas de los láseres de ion-Ar son las longitudes de onda a menudo elegidas en este tipo de medidas. Por otra parte, se ha empleado los dos canales de entrada de una tarjeta de adquisición de uso general para realizar el disparo multinivel. Esta configuración permite trabajar en cada momento con la parte de señal burst teóricamente más adecuada, con mayor valor de relación señal a ruido.Este trabajo ha sido financiado por la CICYT Proyecto PETRI 95-0249-OP:REALIZACIÓN DE SISTEMAS LÁSER PORTÁTILES DE MEDIDA DE VELOCIDAD POR EFECTO DOPPLER (LDA-LDV) DE BAJO COSTE PARA APLICACIONES INDUSTRIALES E HIDRODINÁMICAS. / The practical use of the Doppler effect at optical wavelengths was proposed at the early beginning of the development of the laser, in the sixties. However, it was only in the eighties when the results of the experimental work could finally get out of the laboratories, and the first Laser Velocimeters were commercially available. In the nineties this kind of systems became rapidly popular. Nowadays the Laser Velocimeters based on the Doppler frequency shift find a lot of important applications, especially in some industrial processes and in hydrodynamic and aerodynamic research.The unique characteristics of the Laser Doppler Velocimetry (LDV) only recently have encountered a rival technique in the Particle Image Velocimetry (PIV), for applications on fluids. The main features of LDV systems are the accuracy and the speed of the measurements, the high spatial resolution and, of course, the non-intrusive character of the technique. Moreover this kind of systems present advantages not only in fluid applications: actually it can compete with the microwave radar in the estimation of the velocity of solid targets. This becomes possible due to theprogressive reduction of prices of optoelectronic devices and the improvement of its performances. The monitoring of the traffic velocity and the control of machinery in the manufacture of paper, wires and cables or thread can be mentioned among these applications.European an American companies, as Dantek Electronic or TSI, to mention the two most representative, commercialize high performance general-purpose LDV systems. Up to the date these instruments are sizeable and expensive, and its use requires some special training. There is not doubt that the future market of the LDV systems goes through a substantial decrease of prices and, indeed, through the possibility of custom-built designs. The potential number of users would increase then in an important manner. Many efforts are now being devoted by researchers in that direction. Moreover, the important improvement of capabilities of the desktop computers makes unnecessary the special electronic processors that, up to now, have been provided by the manufacturers of LDV systems as a part of them.In this Thesis the design and realization of a complete Laser Doppler Anemometer is presented. The system can measure two components of a fluid velocity (2D-LDA) and originally it was conceived to be used in industrial and hydrodynamics applications.Following the philosophy outlined above, the design of our LDA system was performed with only one laser source and one detector module. The common commercially available LDAs, on the contrary, designed to measure two components of velocity, use two different optical wavelengths and two independent photodiodes.On the other hand, a general-purpose acquisition card with two input channels has been used to implement a multilevel trigger. The configuration performed here permits to work in each moment with the part of the burst having the best signal to noise ratio.This work has been supported by the Spanish Government, CICYT project PETRI 95-0249-OP.

The increasing need for range-resolved aerosol and water-vapour atmospheric observation networks worldwide has given rise to multi-spectral LIDARs (Light Detection and Ranging, a synonym of laser radar) as advanced remote sensing sensors. This Ph.D. presents the design, integration and analysis of the new 6-channel multispectral elastic/Raman LIDAR for aerosol and water-vapour content monitoring developed at the Remote Sensing Lab. (RSLAB) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). It is well known that the combination of at least three elastic and two Raman nitrogen channels are sufficient to enable retrieval of the optical and microphysical properties of aerosols with a key impact on climate change variables. The UPC lidar is part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) -GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network), a ground-based continental network including more than 28 stations. Currently, only 8 of the 28 EARLINET stations are of such advanced type. This Ph.D. specifically focuses on: (1) Concept link-budget instrument design and overlap factor assessment. The former includes opto-atmospheric parameter modelling and assessment of backscattered power and SNR levels, and maximum system range for the different reception channels (3 elastic, and 2 aerosol and 1 water-vapour Raman channels, ultraviolet to near-infrared bands). The latter studies the laser-telescope crossover function (or overlap function) by means of a novel ray-tracing Gaussian model. The problem of overlap function computation and its near-range sensitivity for medium size aperture (f/10, f/11) bi-axial tropospheric lidar systems using both detector and fiber-optics coupling alternatives at the telescope focal-plane is analysed using this new ray-tracing approach, which provides a much simpler solution than analytical-based methods. Sensitivity to laser divergence, field-lens and detector/fiber positions, and fiber¿s numerical aperture is considered. (2) Design and opto-mechanical implementation of the 6-channel polychromator (i.e., the spectrally selective unit in reception). Design trade-offs concerning light collimation, end-to-end transmissivity, net channel responsivity, and homogeneous spatial light distribution onto the detectors¿ active area discussed. (3) System integration and validation. This third part is two fold: On one hand, first-order backscatter-coefficient error bounds (a level-1 data product) for the two-component elastic lidar inversion algorithm are estimated for both random (observation noise) and systematic error sources (user¿s uncertainty in the backscatter-coefficient calibration, and user¿s uncertainty in the aerosol extinction-to-backscatter lidar ratio). On the other hand, the multispectral lidar so far integrated is described at both hardware and control software level. Statistical validation results for the new UPC lidar (today in routine operation) in the framework of SPALI-2010 intercomparison campaign are presented as part of EARLINET quality assurance / optimisation of instruments¿ program. The methodology developed in the first part of this Ph.D. has successfully been applied to the specification case study of the IFAE/UAB lidar system, which will be installed and operated at the Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory. Finally, specs for automated unmanned unattended lidar operation with service times close to 365/24 are presented at the end of this Ph.D. in response to the increasing demand for larger observation times and availability periods of lidar stations.