La présente thèse est consacrée à la modélisation 2D et 3D d’environnements urbains à l’aide de représentations structurées et de grammaires de formes. Notre approche consiste à introduire une représentation sémantique de bâtiments, qui encode les contraintes architecturales attendues, et qui soit capable de traiter des exemples complexes en utilisant des grammaires très simples. En outre, nous proposons deux nouveaux algorithmes d’inférence permettant l’analyse grammaticale d’images en utilisant ces grammaires. En premier lieu, un algorithme dit de hill climbing permet d’extraire les règles de grammaire et les paramètres correspondants à partir d’une vue unique d’une façade. Ce concept combine astucieusement les contraintes grammaticales et les propriétés visuelles attendues pour les différents éléments architecturaux. Cependant, afin de pouvoir traiter de cas plus complexes et également d’incorporer de l’information 3D, une deuxième stratégie d’inférence basée sur des algorithmes évolutionnaires a été adoptée pour optimiser un fonction à deux objectifs qui introduit notamment des notions de profondeur. Le système proposé a été évalué tant qualitativement que quantitativement sur un panel de façades de référence toute munies d’annotations, démontrant ainsi sa robustesse face à des situations d’abords difficiles. Grâce à la force du contexte grammatical, des améliorations substantielles ont été démontrées par rapport aux performances des mêmes modèles couplés à des a priori uniquement locaux. Par conséquent, notre approche fournit des outils puissants permettant de faire face à la demande croissante en modélisation 3D d’environnements réels à large échelle, grâce à des représentations sémantiques compactes et structurées. Ce travail ouvre par ailleurs un vaste champ de perspectives pour le domaine de l’interprétation d’images / This thesis is devoted to 2D and 3D modeling of urban environments using structured representations and grammars. Our approach introduces a semantic representation for buildings that encodes expected architectural constraints and is able to derive complex instances using fairly simple grammars. Furthermore, we propose two novel inference algorithms to parse images using such grammars. To this end, a steepest ascent hill climbing concept is considered to derive the grammar and the corresponding parameters from a single facade view. It combines the grammar constraints with the expected visual properties of the different architectural elements. Towards addressing more complex scenarios and incorporating 3D information, a second inference strategy based on evolutionary computational algorithms is adopted to optimize a two-component objective function introducing depth cues. The proposed framework was evaluated qualitatively and quantitatively on a benchmark of annotated facades, demonstrating robustness to challenging situations. Substantial improvement due to the strong grammatical context was shown in comparison to the performance of the same appearance models coupled with local priors. Therefore, our approach provides powerful techniques in response to increasing demand on large scale 3D modeling of real environments through compact, structured and semantic representations, while opening new perspectives for image understanding

Les plateformes carbonatées sont typiquement caractérisées par une architecture sédimentaire et stratigraphique complexe qui s’exprime à une échelle qui peut dépasser le simple affleurement. Ce travail est centré sur les dépôts Barrémien (Crétacé inférieur) de la falaise de Gresse-en-Vercors (sud-est de la France) qui nous procure une fenêtre d’observation à l’échelle de la sismique à travers une bordure de plateforme – analogue des réservoirs du Moyen Orient - idéale pour étudier en continu et à grande échelle le développement des plateformes carbonatées. Cette falaise de 500 m de haut pour 25 km de long permet d’étudier la transition entre les dépôts de peu profonds de la plateforme et ceux du bassin. De nouvelles données biostratigraphiques montrent que la série de plate-forme de Gesse-en-Vercors est essentiellement Barrémien inférieur. Quatre séquences stratigraphiques ont été définies, avec deux épisodes complets de plateforme, séparés par trois « drowning ». Les nouvelles données numériques hautes résolutions (nuage de points LIDAR et photos géoréférencées hautes résolutions) acquises par hélicoptère permettent la réalisation d’un DEM 3D haute résolution pour l’ensemble de l’affleurement. L’intégration des observations stratigraphiques et du DEM dans gOcad abouti à la création d’un modèle 3D en continu de l’architecture stratigraphique et de la répartition des facies de l’affleurement qui peu être utilisé pour interprétations stratigraphiques et sédimentologiques. Le modèle géologique qui en résulte démontre que les données numériques d’affleurement et la modélisation géologique en 3D sont des outils pertinents pour tester la caractérisation des affleurements carbonatés et les modèles conceptuels de système de plateformes carbonatées. Il permet d’appréhender les variations subtiles de profils sédimentaires et d’établir une mosaïque de facies à haute résolution tout au long de la plateforme à l’échelle de la sismique. Cette approche est particulièrement critique en ce qui concerne la caractérisation 3D des clinoformes et des cortèges de dépôts sédimentaires dans un modèle non cylindrique tel que la plateforme carbonaté : par exemple, un prisme de bas niveau apparent ou des lobes distaux qui « onlappent » en 2D correspondent en réalité à des progradations en contexte de haut niveau en 3D. / Carbonate platforms are characterized by complex sedimentary and stratigraphic architectures that can be expressed at length scale exceeding single outcrops. This work focuses on the Barremian (Lower Cretaceous) deposits of the Gresse-en-Vercors cliff (southeastern France) that provide a seismic-scale slice though a platform margin - analogous to Middle East reservoirs - ideal to study large scale carbonate platform developments in continuous. The cliffs are 500 m high and extend for 25 km along depositional dip, straddling the transition from shallow water platform to deeper basin. New biostratigraphical data shows that the Vercors platform is mainly Lower Barremian. Four stratigraphic sequences were defined, with two complete platform stages, separated by three drowning events.New high-resolution numerical data (LIDAR point-set and high-resolution georeferenced photos) obtained by helicopter survey, allowed the realization of a 3D high-resolution DEM over the entire outcrops. Integrating the stratigraphic observations and the DEM in gOcad result in a continuous 3D stratigraphic architecture and facies model of the carbonate outcrop that can be used for stratigraphic and sedimentological interpretations. The resulting geological model demonstrates that outcrop numerical data and 3D geological modeling are pertinent tools for improving carbonate outcrop characterization and conceptual models of carbonate platform systems. It allows to establish subtle sedimentary profiles and high resolution facies mosaic along seismic scale platform trend. This approach is particularly critical for the 3D characterization of clinoforms and stratigraphic system tracts in non-cylindrical carbonate systems: for example, apparent low stand wedge or distal onlapping lobes in 2D are in reality prograding high stand systems in 3D.