La télédétection s'avère être une discipline aux nombreuses applications telles que, la défense du territoire, la planification urbaine, la santé et la gestion de l'environnement. La collecte d'informations statistiques sur le rendement des cultures dans un pays, est une tâche importante de la télédétection. L'acquisition et le traitement d'images satellitaires à très haute résolution (THR) fournissent les moyens d'accomplir de telles tâches. Le traitement de ces images satellitaires exige non seulement de la puissance de calcul mais aussi les algorithmes efficaces en segmentation et classification d'images. Cette thèse présente un travail de mise en œuvre de traitements efficaces en analyse, dans le domaine spectral et celui de la texture, sur des images à très haute résolution (THR). Ce travail combine les résultats de ces deux analyses pour une classification améliorée du couvert végétal. L'analyse spectrale présentée ici s'appuie sur une classification non supervisée, tandis que l'analyse de texture adopte une procédure de classification supervisée. La fusion des informations de type contour, issues de l'analyse spectrale non supervisée, et des informations de type bloc, issues de l'analyse texturale supervisée, conduit à des résultats de classification intéressants et encourageants. En guise d'application, la thèse étudie le cas d'un site comportant vergers, cultures maraîchères, vignes, forêts, jachères de la région de Nîmes en France. La contribution apportée ici concerne, d'une part, une amélioration de la méthode des " k-means ", d'autre part, une solution à l'invariance en rotation des caractéristiques texturales issues d'une transformée de Fourier discrète, et enfin une méthode de fusion d'une classification supervisée avec une classification non supervisée.

La caracterisation de l'agencement spatial des proprietes hydrauliques est essentielle pour predire les ecoulements et le transport des solutes dans les milieux heterogenes. Les methodes de tomographie hydraulique, principalement developpees pour estimer les proprietes des milieux poreux, n'ont qu'une faible r'esolution spatiale qui ne reflete pas la vraie heterogeneite des distributions de fractures des milieux fractures. Le principal objectif de cette these est de developper une nouvelle methode d'inversion specifique pour imager les proprietés hydrauliques et de transport des milieux fractures a l'echelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des experiences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modelisation inverse sont proposees, notamment en utilisant la temperature comme marqueur des ecoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'ecoulement bas'ee sur des tests s'equentiels de debimetrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caracteriser la connectivit'e des fractures ainsi que leur transmissivite. A partir de simulations numeriques reproduisant des cas d'etudes synth'etiques, nous montrons que l'approche par tomographie r'eduit significativement l'incertitude sur les parametres estimes, et fournit une caracterisation detaillee du reseau de fracture sans requerir a l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de temperature peuvent etre utilisees pour quantifier les ecoulements dans les milieux fractur'es. Le grand int'erˆet d'utiliser la temperature est d'obtenir facilement et de facon continue en puits des profils de temp'erature. En utilisant un mod'ele numerique d'ecoulement et de transfert de chaleur a l'echelle du puits, une methode d'inversion pour estimer les vitesses d'ecoulement dans le puits 'a partir des donnes de temperature est proposee. Nous couplons ensuite les deux approches presentees precedemment dans une nouvelle approche experimentale consistant en des enregistrements sequentiels de temperature dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en temperature sur le site de Stanger Brune montre des resultats encourageants pour l'identification du reseau global de connectivite et des zones d'ecoulement principales. Enfin, nous discutons de l'interet d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport 'a l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que realiser des tests de tracage thermiques en milieu fracture fournit des contraintes supplementaires importantes sur les propri'et'es de transport du milieu.

Ce volume correspond au volume original de l'HDR. Il comporte une partie de synthèse par fenêtre d'étude et une partie consacrée à une réflexion autour des questions de l'anthropisation, du déterminisme géographique et de l'intérêt du temps long pour la gestion contemporaine.

Pas de résumé en Français

Ce travail de thèse est consacré à la problématique de l'extraction de signaux dans le domaine des sciences de l'atmosphère. Le point commun des problèmes considérés est la notion de détection et d'estimation de signaux cachés. L'approche par la modélisation probabiliste s'est avérée y être bien adaptée. Nous nous sommes attachés à répondre à différentes questions telles que : quel type d'information s'attend-on à trouver dans un jeu de données ? Le signal supposé caché se trouve-t-il réellement dans les données d'étude ? Comment détecter l'instant d'occurrence d'un phénomène, comment le caractériser (timing, amplitude ...) ? Si un tel signal est détecté, quelle (in)certitude est associée à cette détection ? Nous répondons à ces différentes questions au travers du développement de différents modèles probabilistes de détection d'évènements cachés. Nous nous sommes intéressés à différents modèles non stationnaires, dont deux sont notamment présentés dans un cadre multivarié. Au travers de trois modèles probabilistes décrivant des signaux cachés divers (rupture de variance, signaux éruptifs et changement de moyenne), nous avons aussi développé des méthodes associées de détection. Le premier modèle est appliqué à la détection de nuages stratosphériques polaires dans des profils lidar, le deuxième à des éruptions volcaniques dans des séries chronologiques de sulfate et enfin le troisième est appliqué à la détection de la date de l'onset de la mousson Africaine dans des données géophysiques liées à la dynamique atmosphérique et aux précipitations. Les différentes méthodes mises en place font appel à une variété de techniques de modélisation probabiliste allant de la maximisation de rapport de vraisemblance associée à des tests d'hypothèses à la résolution de filtres de Kalman dans un cadre non stationnaire et non linéaire pour la décomposition de séries multivariées couplée à la détection des signaux cachés. Les difficultés techniques liées à l'extraction de signaux cachés sont analysées et les performances des différents algorithmes sont évaluées. Les résultats obtenus confirment l'intérêt des méthodes probabilistes appliquées à ces problématiques de signaux cachés en sciences de l'atmosphère.

Les mers côtières jouent un rôle essentiel pour les sociétés humaines. Mais la concentration et la diversité des activités qui s'y développent exercent une pression croissante sur cet espace et les milieux associés en générant des interactions parfois conflictuelles entre activités. La compréhension de ces interactions constitue un enjeu en termes de recherche et pour la société civile. Une méthodologie visant à décrire la distribution spatio-temporelle de différentes activités en mer côtière est donc conçue et mise en œuvre en rade de Brest. La collecte de données spatiales, temporelles, quantitatives et qualitatives combine l'analyse de bases de données spatio-temporelles comme celles issues du Système d'Identification Automatique (AIS), et le dépouillement d'entretiens semi-directifs menés auprès de personnes-ressources. À partir des données hétérogènes collectées, une information structurée dans une base de données spatio-temporelle (BDST) est produite. Dans un premier temps, son exploitation cartographique par un Système d'Information Géographique (SIG) permet la réalisation d'instantanés au pas de temps quotidien sur l'ensemble d'une année. La qualité de l'information temporelle et quantitative puis la nature et la source de l'information spatiale sont renseignées. Dans un second temps, la BDST est mobilisée pour identifier, spatialiser et quantifier les conflits d'usages potentiels et les interactions spatio-temporelles potentielles négatives entre les activités considérées en rade de Brest.

L'étude des flux souterrains à l'échelle régionale / continentale englobe des problématiques majeures de l'hydrogéologie telles que le partitionnement entre nappes et rivières, les chemins et les temps de transfert des circulations souterraines, ainsi que l'impact et la vulnérabilité d'un pompage. Les flux souterrains résultent d'une combinaison complexe de facteurs climatiques, topographiques et géologiques. Dans les aquifères de socle, les structures hétérogènes d'altération de subsurface et de fracturation tectonique ont un impact particulier. Nous abordons cette thématique sous l'hypothèse de contraintes stationnaires. Notre approche repose sur la modélisation numérique des écoulements poreux à surface libre qui permet d'étudier les interactions de la nappe avec la topographie, déterminantes de l'organisation des écoulements. Basée sur un schéma d'adaptation locale de la méthode des volumes finis, une méthode numérique de résolution performante de ce problème fortement non linéaire a été développée. Dans le cadre d'un bassin "élémentaire" représentatif d'un bassin hydrogéologique de premier ordre idéalisé, une étude adimensionnelle des paramètres de contrôle des écoulements a été menée. Les résultats forment une base pertinente pour l'étude de systèmes plus complexes. Dans des configurations plus réalistes et représentatives des aquifères de socle, les principaux mécanismes régissant les écoulements souterrains sous contrainte de la recharge et d'un pompage sont mis en évidence. Ces derniers résultats ont abouti à la formulation d'un modèle conceptuel adapté à la problématique de l'influence du pompage sur les zones de décharge naturelles de l'aquifère.

Définie comme un processus qui réduit le potentiel de production des sols ou de l'utilité des ressources naturelles, la dégradation des sols est un problème environnemental majeur qui affecte plus de 41 % des terres émergées et plus de 80 % de la population affectée par ce phénomène vit dans les pays en voie de développement. Le présent projet a pour objectif général, la caractérisation des différents types d'occupation et d'utilisation du sol et la détection de leurs changements spatio-temporels à partir de données radar (ERS 1-2, RADARSAT-1 et ENVISAT) en vue d'une modélisation spatio-temporelle de la vulnérabilité du milieu à la dégradation des sols en milieu semi-aride. Étant donné la forte sensibilité du signal radar aux conditions d'observation du capteur et de la cible, une répartition judicieuse des images en fonction des conditions du milieu (condition humide et condition sèche) et des configurations angulaires des images radar (23° et [33°-35°-47°]) est d'abord réalisée. Une bonne caractérisation et une évolution temporelle des quatre types d'occupation et d'utilisation du sol d'intérêt sont obtenues avec des niveaux de contrastes différents selon l'angle d'incidence et les conditions du milieu. En complément de l'approche " pixellaire " pour la détection des changements (Différenciation d'images et ACP), un suivi de l'occupation du sol par approche orientée objet focalisée sur deux types d'occupation du sol (végétation et sol nu) a été développé. Cette méthode permet une fine cartographie des occurrences de sol nu en fonction des conditions du milieu. Enfin, avec l'apport de diverses sources d'information, une modélisation de la vulnérabilité du milieu à la dégradation des sols par la règle de fusion probabiliste de Dempster-Shafer est réalisée dans le sud-ouest du Niger. Les cartes de décision qui en résultent sont statistiquement acceptables avec des taux de réussite de 93 % et 91 % et des valeurs Kappa de 86 % et 84 % respectivement en conditions sèche et humide. Aussi, la carte globale de vulnérabilité du milieu à la dégradation des sols dans ce milieu semi-aride est-elle produite à partir de ces deux cartes de décision.

Dans cette thèse, nous nous sommes consacrés au problème d'interaction d'échelles selon deux angles distincts : d'une part une approche globale et grande échelle du système climatique qui nous a permis d'étudier la modulation basse fréquence d'ENSO, d'autre part une démarche plus locale au cours de laquelle nous avons étudié plus particulièrement la dynamique du Pacifique tropical est et du système de courants de Humboldt au large du Pérou. La première partie a été motivée par une approche relativement récente dans la communauté des climatologues. Il s'agit de la question cruciale de la variabilité basse fréquence d'ENSO, et de la possibilité que celle-ci puisse émerger " simplement " du système climatique tropical, sans action extérieure qu'elle soit stochastique ou en lien avec la variabilité des plus hautes latitudesDans ce contexte particulier, il est alors question de mécanismes nonlinéaires pour expliquer comment la stabilité d'ENSO peut être influencée par la variabilité climatique. Ceci a servi d'hypothèse de travail pour l'ensemble de cette thèse. Nous avons ainsi abordé la possibilité qu'ENSO pouvait être rectifié sur des échelles de temps longues (interdécennales) par la modulation de la nonlinéarité elle-même. Pour cela, nous avons utilisé des méthodes mathématiques originales qui nous ont permis d'une part de détecter des changements brusques (statistiquement significatifs) de l'état moyen du Pacifique tropical et d'autre part d'accéder à un proxy de la nonlinéarité intégrée dans le système tropical. En combinant ces deux démarches, nous avons pu mettre en évidence une boucle de rétroaction auto entretenue sur des échelles de temps longues qui serait pilotée par des mécanismes nonlinéaires qui auraient la capacité de faire interférer diverses échelles temporelles et ainsi de transférer l'énergie des basses fréquences (état moyen du pacifique tropical) vers les hautes fréquences (oscillation australe) et vice-versa. Dans la seconde partie de cette thèse nous nous sommes focalisés sur la modélisation climatique du Pacifique tropical oriental. En effet, cette région, pourtant au cœur des préoccupations de la communauté scientifique en raison de son écosystème parmi les plus productifs de la planète, reste mal connue du point de vue des processus océanographiques et climatiques. En particulier, les modèles climatiques globaux présentent des biais importants dans cette région en terme d'état climatologique moyen. Nous avons testé, dans une approche de modélisation haute résolution, différentes sources possibles de ces biais : les caractéristiques bathymétriques des îles Galápagos (mal représentées dans les modèles globaux) capables de par leur position équatoriale de modifier la circulation régionale moyenne et donc le bilan thermodynamique; ou alors les processus associés aux mélanges turbulents (et par extension les processus nonlinéaires) à l'aide d'un modèle régional. Pour ce faire, nous avons procédé à des expériences de sensibilité qui nous ont permis d'une part de relativiser le rôle de l'archipel des Galápagos comme source de biais et d'autre part de mettre en exergue le rôle de la variabilité intra-saisonnière dans la rectification de l'état moyen du Pacifique tropical est.

Les komatiites sont des roches volcaniques ultrabasiques caractéristiques de l'Archéen et du Protérozoïque. Nous présentons ici une étude de la pétrogénèse des komatiites de la ceinture de Barberton en Afrique du Sud. Celle-ci comprend un modèle de fusion original bâti à partir de la constatation expérimentale qu'à très forte profondeur (P>13GPa), les liquides komatiitiques sont plus denses que la péridotite solide et donc ne peuvent pas s'échapper de leur source. Nous proposons que la fusion des sources des komatiites de Barberton ait commencée à une pression supérieure à 13GPa dans le manteau mais que les liquides produits soient restés retenus dans les sources jusqu'à ce que celles-ci n'aient dépassé, au cours de leur remonté, la limite de densité à laquelle le liquide devient moins dense que le résidu solide (à ~13GPa). Alors, les liquides auraient commencé à quitter leur source, d'abord doucement, puis de plus en plus vite alors que la différence de densité entre le liquide et le résidu solide s'accroissait. Les komatiites appauvries en Al, qui sont les plus abondantes à Barberton, auraient été produites par les premiers liquides qui ont quitté la source peu après le franchissement de la limite de densité. Les liquides qui quittèrent ensuite cette même source à moins forte pression, auraient formé les komatiites enrichies en Al. Les komatiites non-appauvries en Al auraient été produites par le même mécanisme mais par des sources de température potentielle plus forte. Une étude parallèle des trois systèmes isotopiques Sm-Nd, Lu-Hf et Re-Os nous a permis de contraindre l'histoire chimique des sources de komatiites de Barberton. Les systèmes Sm-Nd et Lu-Hf indiquent des sources appauvries et le système Re-Os une source chondritique. Nous proposons que les sources des komatiites aient été appauvries par l'extraction de croûte, mais qu'ensuite, leur composition en Re et Os aient été ramenées à leur valeur chondritique par le dernier épisode massif d‟accrétion de la Terre : " le vernis tardif ".