Les approches markoviennes en imagerie et vision par ordinateur offrent un cadre mathématique élégant pour résoudre certains problèmes complexes. Le plus souvent, la fonction d'énergie globale modélisant le problème demeure difficile à minimiser. La première contribution de cette thèse consiste alors à proposer des algorithmes d'optimisation efficace de la classe d'énergies markoviennes multi-étiquettes de premier ordre ayant une attache aux données quelconque et un a priori convexe. Les algorithmes proposés reposent sur la technique de coupe-minimum sur graphe et des stratégies d'optimisation itérative par des nouveaux mouvements de partitions larges et multi-étiquettes, qui permettent d'avoir un compromis entre la qualité de l'optimum atteint et la complexité algorithmique. Le cadre applicatif principal de cette thèse est la reconstruction du relief par interférométrie radar à synthèse d'ouverture. Cette méthode de calcul de modèles numériques de terrain est confrontée le plus souvent à la nature très bruitée des données radar et aussi à la complexité des scènes naturelles et urbaines à reconstruire et à leur grande dimension. Ainsi, la seconde contribution de ces travaux de thèse consiste à proposer des modèles markoviens robustes face à la diversité des scènes à reconstruire dans le cas général et des algorithmes d'optimisation qui leur sont appropriés. L'approche générale est testée et validée sur un jeu de données radar synthétiques et réelles (ERS et ESAR).

La description de la géométrie et de la distribution des structures fragiles présentes dans les rifts contribuent à la compréhension des mécanismes de la déformation extensive à l'échelle de la lithosphère. Une analyse quantitative est envisagée sur une portion du rift Est-africain (Gregory Rift au Kenya) et sur la marge Est de la Mer Rouge (Yémen), à partir de données structurales, d'images satellitaires et de données topographiques. Les études de terrain permettent de préciser la géométrie et la chronologie des déformations pour chaque objet étudié (Kenya ou Yémen). Le traitement puis l'interprétation des images numériques SPOT ou Landsat TM permet (i) de compléter les études structurales de terrain et de les intégrer à petite échelle, (ii) de quantifier la distribution en deux dimensions (2D) des failles sur le Gregory Rift. Ces études en 2D s'avèrent insuffisantes pour la quantification de l'extension. L'utilisation de modèles numériques de terrain obtenus par auto-corrélation de couples d'images stéréoscopiques SPOT conduit à la reconstitution de l'état initial, ante-déformation, des systèmes de blocs basculés qui se développent au Yémen. La restauration de l'état initial des blocs basculés comporte une étape "débasculement" ou de dépliage selon le modèle réalisé, et une étape d'ajustement manuel des blocs entre eux. L'ajustement est réalisé en tenant compte soit de la forme des blocs, soit des trajectoires de déformation données par le dépliage des structures. La comparaison de l'état initial restauré et la connaissance de l'état final déformé permet une approche cinématique de l'extension, en terme de déplacements finis. La quantité d'extension est déterminée. Les champs de déplacements 2D (en carte) sont tracés pour chaque secteur étudié au Yémen. Les déplacements 3D sont calculés et projetés sur les plans de failles séparant les blocs basculés, afin de calculer le tenseur de contraintes associé. L'interprétation des résultats obtenus, combinée à l'étude structurale réalisée sur le terrain ou sur les images, fournit (i) les limites de validité de la méthode de quantification employée, (ii) un modèle de découpage en blocs crustaux du sud de la plaque arabique, (iii) la géométrie des phases précoces lors de l'ouverture du Golfe d'Aden.

Le fonctionnement hydrologique des petits bassins versants ruraux de quelques km² à régime intermittent est complexe car de nombreux processus affectent le cheminement des eaux de surface. Il en résulte une variabilité de la densité de drainage et de la dynamique de l'écoulement au sein du réseau hydrographique. Cette dynamique de fonctionnement est peu prise en considération du fait des difficultés d'ordres techniques et économiques pour suffisamment observer les mouvements de l'eau à la surface. Or, c'est une information essentielle pour décrire la connectivité hydrologique du bassin qui représente la distribution spatiale et temporelle des surfaces contributives à l'écoulement par leur connexion au réseau de drainage. De telles connaissances seraient utiles pour traiter la question de la séparation entre production et transfert effectuée dans les modèles hydrologiques, avec la perspective de proposer des simulations plus justes physiquement. L'objectif de la thèse est de proposer des approches spatiales pour mieux intégrer la dynamique de fonctionnement du réseau de drainage en lien étroit avec la réponse hydrologique du bassin. Le Mercier (7 km²) est le site expérimental situé en tête du bassin versant de l'Yzeron (142 km²) localisé à l'ouest de l'agglomération lyonnaise. Ce bassin sur socle cristallin est composé essentiellement de surfaces agricoles et de forêts. Son fonctionnement hydrologique est affecté par l'existence de zones humides contributives. Un réseau de routes et de fossés anthropiques s'ajoute aux talwegs naturels. Les méthodes développées relèvent de deux approches : (1) la microtopographie issue d'un MNT LiDAR (Light Detection and Ranging) permet d'identifier et décrire des extensions fonctionnelles du réseau de drainage d'une part au niveau des linéaires artificiels avec un apport minimal de données externes, et d'autre part au niveau des talwegs naturels en distinguant la présence ou l'absence d'un chenal de drainage, signe d'un potentiel d'écoulement concentré. (2) Un dispositif de 18 capteurs limnimétriques est mis en œuvre pour assurer un suivi permanent de la réponse hydrologique par emboitement de stations au sein du réseau hydrographique. Cette observation « multi-locale » permet de mesurer l'évolution de la densité de drainage, d'identifier localement la hiérarchie des facteurs qui affectent la réponse et de distinguer différentes dynamiques de transfert dans le réseau de drainage. Les résultats des approches par la microtopographie et par observations multi-locales aident à identifier des régions du bassin au comportement différent. Ils permettent notamment de mieux comprendre les interrelations entre occupation du sol et processus hydrologiques, voire géomorphologie et processus. Ces résultats valident donc l'intérêt du capteur LiDAR et celui d'un dispositif in situ souple et adaptable pour proposer un « pattern de drainage » réaliste en limitant le recours au terrain. Enfin, ce pattern décrivant la tendance d'organisation spatiale des écoulements, est paramétré dans une fonction de transfert géomorphologique calculée sur la base des cheminements fournis par un MNT. L'usage de cet outil constitue une ébauche mais conforte l'idée d'un couplage entre le pattern de drainage et la réponse du bassin versant dans des conditions d'intensité pluvieuse soutenue et d'humidité modérée pour expliquer la réponse rapide du bassin. L'ensemble des résultats justifie donc la mise en avant de la nature transitoire du réseau de drainage pour paramétrer des modèles spatialisés avec la perspective d'améliorer leurs capacités prédictives. / Hydrological functioning of small temporary catchments depends on several processes governing transfer from surface water paths. As a result flow dynamics and drainage density are highly variable in space and time. But this complex dynamic is not enough taken into account because of technical and economical limitations. However, it is essential to describe hydrological connectivity as a spatial and temporal pattern of contributive areas to the drainage network. Get this pattern may facilitate the conceptual distinction between production and transfer functions to improve spatially distributed models. The aim of the study is to develop methods to describe spatial and temporal patterns of the drainage network in relation to catchment hydrological responses. The Mercier headwater catchment (7 km²) is located into the Yzeron catchment near Lyon (France). The land use is principally composed of agricultural plots and forested areas. The hydrographical network consists of natural thalwegs and many roadside ditches and agrarian ditches. Both approaches are developed for this purpose: first, the micro-topography from a LiDAR DEM helps to describe potential flow lengths from drainage network extensions during rainfall events. On the one hand, main artificial ditches are mapped from the DEM with minimal corrections from ancillary data. On the other hand, channelized or unchannelized reaches are located from the DEM into the natural thalwegs. Second, a water level sensor device is set up to record hydrological response from 18 stations located in nested sub-catchments into the hydrological network. These synoptic measurements are used to estimate temporal changes in drainage density, to analyze local hydrological functioning, or to describe flood propagation to the outlet. Results from both approaches lead to the identification of specific behaviors inside the hydrological network controlled by functional thresholds. These patterns help to better understand the relationship between land use and hydrological processes. The results also show the interest of LiDAR DEM and the suitability of adaptable distributed measurements as a substitute to heavy in situ studies for the identification of drainage patterns. Finally, to test the assumption of a gradual drainage network extension during a rainfall event, a simplified drainage pattern is processed into a geomorphological transfer function. This tool is fairly easy to set and is used to initiate an association between local hydrological knowledge and global catchment response. Both approaches lead to conclude that various drainage pattern must be integrated into spatially distributed models according to hydrological conditions, rather than a single hydrological network.

Dans le cadre d’un mandat de recherche confié à l’Université Laval par le Ministère des Transports du Québec et consistant à la réalisation d’une analyse initiale des mouvements de terrain liés à l’exploitation minière et leurs conséquences possibles sur les infrastructures routières et urbaines à Black Lake, ce projet de maîtrise a pour but d’analyser le potentiel tsunamigénique des glissements de terrain actifs sur la paroi est de la mine abandonnée LAB d’Amiante du Canada suite au remplissage actuellement en cours de la fosse. Pour ce faire, le logiciel GeoClaw, basé sur le système d’équations de Barré de Saint-Venant, a été utilisé afin de modéliser numériquement la formation d’un tsunami. Étant donné que la possibilité qu’un tsunami soit généré à Black Lake ne pourrait se réaliser que dans plusieurs années, le modèle utilisé a été tout d’abord validé en l’utilisant pour un cas québécois récent survenu en 2014 au Lac-des-Seize-Îles. La génération d’un tsunami est non seulement fonction du plan d’eau dans lequel il peut se produire, mais aussi du volume impliqué et de la vitesse de déplacement d’une masse en mouvement. Ces paramètres ont donc été préalablement déterminés avant de procéder à l’analyse du potentiel tsunamigénique des divers scénarios possibles le long de la paroi est de la mine. Étant donné les diverses incertitudes inhérentes à une telle analyse prospective, la modélisation numérique de la génération, de la propagation et de l’inondation d’un tsunami a été réalisée par une approche paramétrique, en utilisant les différents scénarios établis par les analyses de stabilité et de la cinématique ainsi qu’un modèle numérique de terrain obtenu à partir de plusieurs levés LiDAR en tant que paramètres d’entrée. De plus, l’effet du remplissage graduel de la fosse, provoqué par l’arrêt des opérations d’exploitation et de pompage, a aussi été évalué pour les divers scénarios. Les travaux ont permis d’identifier, si tel est le cas, le niveau minimal requis dans la fosse pour qu’il y ait atteinte des différentes infrastructures durant l’inondation, et d’ainsi estimer, pour chacun des scénarios, les conséquences potentielles advenant l’accélération soudaine d’un glissement de terrain et la formation d’un tsunami. Les principaux résultats démontrent que si un glissement de terrain avait réellement à se produire, trois scénarios sont potentiellement plus problématiques en termes de conséquences liées à l’inondation des différentes infrastructures. L’infrastructure routière principale du secteur (c.-à-d. la Route 112) serait potentiellement affectée, avec une gravité variable en fonction du niveau d’eau du lac et de la vitesse de mobilisation des glissements de terrain, alors que les infrastructures urbaines du secteur de Black Lake seraient toujours épargnées. Finalement, cette analyse aura aussi démontré l’intérêt d’étendre l’application de cette méthode à d’autres cas récents et historiques au Québec. / As part of a research project entrusted by the Quebec Ministry of Transports consisting in a preliminary analysis of landslides induced by the mining operations and their potential consequences on the road and urban infrastructures of Black Lake, this Master’s project analyses the tsunamigenic potential of the east wall landslides of the abandoned mine LAB d’Amiante du Canada following the eventual reflooding of the open pit. In order to achieve this, the GeoClaw software, based on the Barré-de-Saint-Venant shallow water equations, has been used to model the tsunami formation. Given the fact that a landslide-generated tsunami could only happen in several years in Black Lake, the model was first validated by applying it to a recent case that occurred in 2014 at Lac-des-Seize-Îles in Quebec. Tsunami generation is not only a function of the affected water basin, but also of the volume and the displacement velocity of the mobilised mass. These parameters have been pre-determined before proceeding with the tsunamigenic potential analysis of possible landslides along the east wall. Given the inherent uncertainties associated with this kind of prospective analysis, the generation, propagation and flood modeling has been completed with a parametric approach, using scenarios established from a stability and kinetic analysis , and using a digital elevation model built from LiDAR surveys as input parameters. Furthermore, the effect of pit flooding induced by the mine shutdown has also been evaluated for the landslide scenarios. This work allowed identifying the minimal water level required in the open pit at which the road and urban infrastructures would be affected by the inundation and thus allowed estimating the potential consequences if a sudden acceleration of the landslide occurs and if a tsunami is generated. The main results show that if a landslide were to occur, three different landslide scenarios would be potentially more problematic in terms of inundation of the infrastructures. The main road infrastructure (i. e. Highway 112) would be potentially affected, with varying severity depending on the water level of the lake and the mobilization velocities of the landslides, while the urban infrastructure located in the Black Lake area would remain unaffected. Finally, this analysis has demonstrated the interest to extend the application of this method to other recent and historic landslide-induced tsunami cases in Quebec.

L'étude conjointe des parties immergée et émergée de l'Ile de La Réunion (Océan Indien), basée sur la valorisation des données marines multifaisceaux acquises ces 20 dernières années et confrontée à l'ensemble des connaissances géologiques et géophysiques, démontre l'importance considérable des processus de déstabilisations de flanc dans l'évolution des édifices de ce système volcanique océanique. Au total, une cinquantaine d'événements multi-échelles, primaires ou secondaires, d'origine aérienne, côtière ou sous-marine, ont démantelé de façon récurrente les volcans du Piton des Neiges, des Alizés et du Piton de La Fournaise au cours des 2 derniers millions d'années au moins. La plupart correspondent à des phénomènes instantanés et catastrophiques de type avalanche de débris. Leurs dépôts sont principalement accumulés en mer, au sein de quatre gigantesques excroissances topographiques, les Reliefs Sous-Marins, localisés à l'est, au nord, à l'ouest et au sud de l'île. Ces éperons triangulaires, de 20-30 km de large au niveau de la côte et 100-150 km à leur extrémité, à 70-80 km du littoral, se sont construits progressivement par la superposition et la juxtaposition des produits déplacés dans des épisodes de déstabilisation pouvant impliquer plusieurs centaines de km3 de matériaux. Une très faible proportion est retrouvée à terre, au cœur et en bordure littorale du massif du Piton des Neiges et constitue le faciès proximal des dépôts immergés. Les principales structures de la morphologie sub-aérienne de l'île sont interprétées comme (1) les zones sources de déstabilisations relativement récentes, souvent remodelées par l'érosion et/ou comblées par l'activité volcanique ultérieure, ou (2) les traces rémanentes d'amphithéâtres d'avalanches de débris anciens dont les failles bordières ont pu être réactivées dans des processus volcano-tectoniques (effondrements caldériques, étalement gravitaire, subsidence du complexe hypovolcanique du Piton des Neiges,...) et/ou lors d'épisodes ultérieurs de déstabilisation. Ces failles ont probablement guidé le démantèlement par érosion des massifs et ainsi facilité le creusement des dépressions centrales du Piton des Neiges (les trois cirques de Mafate, Salazie, Cilaos et le paléo-cirque des Marsouins) et des principales vallées de l'île. L'étude du volcan Mount Haddington (Ile de James Ross, Antarctique) et les expériences analogiques montrent que la déformation ductile d'horizons de faible résistance inclus dans la structure des volcans boucliers, et en particulier de deltas volcanoclastiques essentiellement constitués de dépôts d'avalanches de débris, est un élément clé dans la génération de glissements rotationnels et d'avalanches de débris ultérieures. Ce modèle est privilégié à La Réunion, en considérant un rôle prépondérant des processus gravitaires dans le déclenchement des déstabilisations des volcans de l'île.