The recent growth in inexpensive laser scanning sensors has created entire fields of research aimed at processing this data. One application is determining the polygonal boundaries of roofs, as seen from an overhead view. The resulting building outlines have many commercial as well as military applications. My work in this area has created a segmentation algorithm where the descriptive features are computationally and theoretically simpler than previous methods. A support vector machine is used to segment data points using these features, and their use is not common for roof detection to date. Despite the simplicity of the feature calculations, the accuracy of our algorithm is similar to previous work. I also describe a basic polygonal extraction method, which is acceptable for basic roofs.

Cette thèse CIFRE a pour objet d'explorer, de développer et d'exploiter le potentiel des outils de représentation et de modélisation 3D dans l'étude géomorphologique du karst dont la structure géométrique est intrinséquement en trois dimensions. Ce travail a pour support d'étude les gorges de l'Ardèche dont l'évolution géomorphologique et paléogéographique, tant aux temps géologiques qu'aux temps des hommes, est extrêmement riche. Ce territoire propose en outre des défis scientifiques mais aussi sociétaux depuis la découverte de la désormais célèbre grotte Chauvet et la mise en place de l'ERGC (Espace de Restitution de la Grotte Chauvet). C'est dans ce cadre qu'une méthodologie de recherche appliqué au domaine souterrain a été élaborée et appliquée à l'étude de la grotte Chauvet et des cavités des gorges de l'Ardèche pour (i) l'étude de la spéléogenèse et de la karstogenèse, (ii) l'évolution géomorphologique d'une grotte ornée (grotte Chauvet) et (iii) la réalisation d'un projet culturel : l'ERGC. La première partie (chapitre 1, 2 et 3) présente les verrous actuels en géomorphologie karstique, la méthodologie de recherche développée et les apports de la connaissance géomorphologique de la grotte Chauvet et de l'utilisation de modèles 3D dans la construction d'un fac-similé de grande envergure. La deuxième partie (chapitre 4, 5 et 6) présente les problématiques et les résultats de l'étude géomorphologique 3D des gorges de l'Ardèche et des cavités environnantes. Les principaux apports se situent dans la connaissance des formes élémentaires du karst et la géométrie des réseaux karstiques. Ceci a permis d'élaborer un scénario global d'évolution paléogéographique de ce secteur depuis le Néogène jusqu'à l'Actuel. Enfin la troisième partie (chapitre 7, 8 et 9) aborde les problématiques d'étude et de recherches spécifiques des grottes ornées et de leur fermeture. La grotte Chauvet et sa zone d'entrée font l'objet d'une analyse détaillée permettant de répondre aux questionnements pluridisciplinaires (archéologie, préhistoire, conservation, valorisation ...). L'approche géomorphologique 3D développée pour répondre aux différentes problématiques des sciences de la Nature et des Hommes est ici posée et discutée.

Dans le cadre de la campagne POLARCAT-France, ayant eu lieu au nord de la Suède en avril 2008, plusieurs observations de panaches d'aérosols furent analysées. L'étude des panaches d'aérosols repose sur les mesures d'un lidar à rétrodiffusion émettant à 355, 532 et 1064 nm et équipé d'un canal pour mesurer la dépolarisation à 355 nm. Trois paramètres optiques (les rapports de diffusion, le pseudo rapport de couleur (CR*), et de dépolarisation) fournissent des informations sur l'épaisseur optique, le rapport entre fraction fine et fraction grossière, et la présence d'aérosols minéraux. Une climatologie sur les propriétés optiques de l'aérosol a été réalisée pour établir les gradients méridiens, l'évolution temporelle pendant la campagne et leur dépendance avec l'origine des masses d'air. Le lidar spatial CALIOP calcule les mêmes paramètres optiques que le lidar aéroporté. L'intercomparaison entre les deux instruments a montré une différence importante sur les valeurs absolues de CR*, qui est dû à des différences de méthode d'étalonnage entre les deux instruments. Néanmoins, les variations relatives des paramètres optiques restent cohérentes. Pour identifier les sources d'aérosols, une étude lagrangienne a été menée avec des simulations du modèle de transport, FLEXPART, combiné aux mesures CALIOP. Cette analyse montre que l'aérosol résulte d'un mélange de trois sources : pollution transportés du nord-est de l'Asie et d'Europe, des feux de forêt et agricoles de Sibérie et des poussières désertiques d'Asie Centrale. Enfin, une étude sur les propriétés optiques de l'aérosol a été effectuée sur les incendies de l'été 2010 en Russie et a permis une comparaison de l'impact de cet épisode d'été avec les observations de 2008.

Afin de permettre une navigation autonome d'un robot dans un environnement, le robot doit être capable de percevoir son environnement. Dans la littérature, d'une manière générale, les robots perçoivent leur environnement en utilisant des capteurs de type sonars, cameras et lidar 2D. L'introduction de nouveaux capteurs, nommés lidar 3D, tels que le Velodyne HDL-64E S2, a permis aux robots d'acquérir plus rapidement des données 3D à partir de leur environnement. La première partie de cette thèse présente une technique pour la calibrage des capteurs lidar 3D. La technique est basée sur la comparaison des données lidar à un modèle de vérité de terrain afin d'estimer les valeurs optimales des paramètres de calibrage. La deuxième partie de la thèse présente une technique pour la localisation et la détection de fermeture de boucles pour les robots autonomes. La technique est basée sur l'extraction et l'indexation des signatures de petite-taille à partir de données lidar 3D. Les signatures sont basées sur les histogrammes de l'information de normales de surfaces locale extraite à partir des données lidar en exploitant la disposition des faisceaux laser dans le dispositif lidar.

En atmosphère naturelle, l'eau est l'un des facteurs contribuant fortement à la masse des particules d'aérosol. Ceci va fortement modifier les propriétés optiques et radiatives des aérosols. Cet impact a été calculé à partir de plus de 2 ans de mesures sur le site ACTRIS/GAW du Puy de Dôme (PdD, 1565m). La distribution en taille, l'extinction et l'hygroscopicité mesurées au PdD ont été combinées pour calculer les propriétés optiques et radiatives, sèches ou humides. Pour chaque propriété, le facteur d'accroissement hygroscopique (f) a été estimé à l'aide d'un code de Mie. La longue série temporelle a permis de paramétrer l'évolution en fonction de l'humidité des propriétés optiques de différents types d'aérosols. Pour un aérosol d'origine océanique qui s'est mélangé avec des aérosols anthropiques, le coefficient de diffusion augmente plus de 4.4 fois si il est placé à 90% d'humidité. Le forçage radiatif va évoluer en conséquence et sera 2.8 fois plus élevé à 90% d'humidité que pour une atmosphère sèche (1.8 à humidité ambiante). Cette longue série de mesures a également permis de montrer, pour la première fois à notre connaissance, la forte variation saisonnière de ce paramètre. Ce manuscrit présente également une méthode originale pour calculer la masse d'aérosols volcaniques à partir de mesures LIDAR et in situ. Lors de l'éruption du volcan Islandais Eyjafjalla en Mai 2010, la masse d'aérosols volcaniques au dessus de Clermont a été estimée de 655±23μg.m-3.

Les marais salés de la Baie du Mont-Saint-Michel forment un écosystème complexe et fragile. Afin de mieux comprendre l'organisation spatiale de la végétation de ces marais et de développer une vision synthétique de la dynamique de ce milieu, des données de télédétection optiques (orthophotographie) et altimétrique (LiDAR), ainsi que des observations de terrain ont été réunies et traitées conjointement. Le contrôle qualité des données LiDAR ayant mis en évidence un biais systématique dépendant de la hauteur et de la densité de la végétation, une correction, consistant à assigner à chaque pixel la valeur LIDAR minimale au sein d'un carré de 3x3 m, a été appliquée. Une importante base de données spatialisées a ensuite été constituée, comprenant la description en termes de végétation, d'altitude, de géomorphologie, de sédimentologie et d'utilisation agricole de près de 10 000 points d'observation répartis sur l'ensemble de la Baie. Des analyses fréquentielles ont permis de quantifier les liaisons entre les différentes espèces végétales, afin de définir les associations végétales caractéristiques des marais salés. Cette méthode a également permis de dresser la liste exhaustive des liaisons statistiques entre toutes les espèces végétales de la Baie du Mont-Saint-Michel et quatre facteurs écologiques : l'altitude, la géomorphologie, le contexte sédimentaire et le pâturage. Les variations de l'altitude moyenne des espèces végétales à l'échelle de la Baie s'expliquent par l'existence d'une double pente hydraulique qui engendre des altitudes plus élevées à l'Est et à l'Ouest de la Baie. Le contexte géomorphologique et le pâturage peuvent également modifier les valeurs d'altitude moyenne des espèces végétales, et profondément perturber le schéma classique des marais salés. La connaissance des liaisons entre les espèces végétales et les valeurs des facteurs écologiques peut constituer une aide importante à la cartographie des marais salés

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution de problèmes de détection et de suivi d'objets mobiles multiples sur route, à partir de données télémétrique de type lidar à balayage. Les travaux dans le domaine de la détection et de suivi d'obstacles à partir de données lidar mettent généralement en oeure trois principales étapes : la détection, l'association de mesures et le filtrage. Cependant, il est connu que cette chaîne de traitement peut engendrer des pertes d'informations pouvant être à l'origine de cas de non détection ou de fausse alarme. Par ailleurs, les non-linéarités liées à la transformation polaire-cartésien des mesures lidar au cours de l'étape de détection ne permettent plus de préserver la statistique des bruits de mesure après traitement. Une autre difficulté, compte tenu de la nature spatialement distribuée des mesures lidar liées à un objet, est de pouvoir associer chaque impact à un unique véhicule tout en prenant en compte la variabilité temporelle du nombre d'impacts à lui associer. Seule une approche exploitant les données brutes permet de garantir l'optimalité de la chaîne de traitement. Cette thèse explore une nouvelle approche conjointe de détection et de suivi exploitant les données brutes du lidar, éliminant toute étape de pré-détection. L'approche proposé repose, d'une part, sur l'usage des méthodes de Monte Carlo séquentielles en raison de leur aptitude à traiter des modèles fortement non linéaire, , et, d'autre part, sur une modélisation des ojets compatible avec la perception lidar. La méthode est validée avec des données du simulateur SIVIC dans différentes situations expérimentales pour la détection et le suivi d'objets hétérogènes dans un cas lidar monoplan puis multiplan.

The research problem that this thesis seeks to examine is a method of predicting conventional fire hazards using data drawn from specific regions, namely the Sooke and Goldstream watershed regions in coastal British Columbia. This thesis investigates whether LiDAR data can be used to describe conventional forest stand fire hazard classes. Three objectives guided this thesis: to discuss the variables associated with fire hazard, specifically the distribution and makeup of fuel; to examine the relationship between derived LiDAR biometrics and forest attributes related to hazard assessment factors defined by the Capitol Regional District (CRD); and to assess the viability of the LiDAR biometric decision tree in the CRD based on current frameworks for use. The research method uses quantitative datasets to assess the optimal generalization of these types of fire hazard data through discriminant analysis. Findings illustrate significant LiDAR-derived data limitations, and reflect the literature in that flawed field application of data modelling techniques has led to a disconnect between the ways in which fire hazard models have been intended to be used by scholars and the ways in which they are used by those tasked with prevention of forest fires. It can be concluded that a significant tradeoff exists between computational requirements for wildfire simulation models and the algorithms commonly used by field teams to apply these models with remote sensing data, and that CRD forest management practices would need to change to incorporate a decision tree model in order to decrease risk. / Graduate / 0799 / 0478 / christos@koulas.ca

While traditional management of the boreal forests results in even-aged forests with low landscape scale variability, recent work has suggested that much of the eastern boreal forest of North America is subject to long natural fire return-intervals. This has led to the development of new management strategies to maintain a mosaic of even and multi-aged stands. In this context I investigated the relationships between diameter-distributions, stand age, forest structure and bird communities. Results showed weak associations of the bird community with cohort classes, but that diameter-distributions can work to succinctly describe some of the variation in stand structure and bird communities. I also explored the utility of LiDAR to measure important structural features for bird communities. Results showed that LiDAR can outperform traditional measures of stand structure at explaining bird communities at differing scales.

While traditional management of the boreal forests results in even-aged forests with low landscape scale variability, recent work has suggested that much of the eastern boreal forest of North America is subject to long natural fire return-intervals. This has led to the development of new management strategies to maintain a mosaic of even and multi-aged stands. In this context I investigated the relationships between diameter-distributions, stand age, forest structure and bird communities. Results showed weak associations of the bird community with cohort classes, but that diameter-distributions can work to succinctly describe some of the variation in stand structure and bird communities. I also explored the utility of LiDAR to measure important structural features for bird communities. Results showed that LiDAR can outperform traditional measures of stand structure at explaining bird communities at differing scales.