Cette thèse présente différents développements à la méthode analyse de cycle de vie (ACV) afin d'améliorer le niveau de considération des spécificités spatiotemporelles lors de la modélisation de systèmes. Ces développements abordent la question de la caractérisation des flux décrivant les systèmes. La discussion débute par une analyse des développements récents de la méthode ACV en ce qui concerne la considération des spécificités spatiotemporelles dans les différentes phases de cette méthode. Cette analyse identifie des lacunes quant à la pertinence des modes de caractérisation spatiale et temporelle existants. Un nouveau mode de caractérisation spatiotemporelle est alors pro-posé. La représentativité du système modélisé, le potentiel de précision de la caractérisation et le temps de travail nécessaire à la modélisation de différents systèmes sont trois critères importants qui ont été considérés pour la création de ce nouveau mode de caractérisation spatiotemporelle. Le nouveau mode proposé permet en particulier d'améliorer la généricité des processus définissant des systèmes dans différentes bases de données. Celui-ci permet ainsi de diminuer l'augmentation inévitable du travail lié à la caractérisation temporelle des systèmes. Le nouveau mode de caractérisation temporelle requiert toutefois une modification importante de la méthode de calcul des inventaires cycle de vie en raison de l'utilisation de distributions temporelles. La faisabilité de l'utilisation de ce nouveau mode et de la nouvelle méthode de calcul d'inventaire est ensuite démontrée par leurs mises en œuvre pour différents cas d'études de production d'énergie à partir de sources renouvelables. Les deux cas d'études retenus permettent de souligner l'intérêt d'une telle caractérisation spatiotemporelle accédant ainsi à une modélisation plus représentative des systèmes en fonction du niveau de précision retenu. Avec cette nouvelle approche nommée ESPA+, l'accès à ce niveau de représentativité s'accompagne cependant d'une diminution du potentiel de complétude de l'analyse. En effet, la méthode de calcul permet difficilement de dynamiser la totalité des systèmes modélisés. / This thesis presents various developments to the Life Cycle Assessment (LCA) method to improve the consideration of spatiotemporal specificities when modeling systems. These developments handle the question of how to characterize the various systems' flows. The discussion begins with an analysis of recent developments for the LCA method regarding the consideration of spatiotemporal characteristics in different phases of this method. This analysis identifies several weaknesses on how space and time are characterized today. A new spatiotemporal characterization mode is therefore proposed to minimize the adverse effects of existing characterization modes. Representativeness of the modeled system, potential accuracy of the characterization and the amount of time necessary for system modeling are three important criteria considered for the elaboration of this new spatiotemporal characterization mode. The new mode specifically improves the “genericity” of processes which are used to model systems in different databases. This “genericity” allows a reduction in the unavoidable workload increase related to the time characterization. The new method, however, requires a major change in the method of calculating life cycle inventories due to the use of temporal distributions. The feasibility of using this new method and the method of calculating inventory is then illustrated by their implementation through different case studies related to energy generation from renewable sources. The two case studies selected highlight the relevance of considering spatiotemporal characterization to model systems in a more representative way depending on the level of preci-sion used. With this new approach, named ESPA+, this higher level of representation, however, brings a potential decrease of completeness for the analysis of the system. Indeed, it is difficult to model the spatiotemporal characteristics of a complete system.

Le milieu marin est un espace difficile à étudier et notre connaissance des cétacés et des oiseaux marins présente encore de nombreuses lacunes, notamment concernant leur distribution au large. Le milieu marin pélagique est caractérisé par une forte variabilité spatiotemporelle, les différents processus écologiques composant cet écosystème étant très dynamiques dans le temps et l'espace. Il est donc crucial pour ces espèces marines d'anticiper ces variations afin de se maintenir dans le milieu. Grâce à des campagnes en mer à grandes échelles réalisées en Manche, Golfe de Gascogne et Méditerranée occidentale, cette thèse vise à améliorer la connaissance de la distribution des cétacés et oiseaux marins dans ces régions, et explorer l'impact de la variabilité spatiotemporelle de l'océan sur leur écologie. Ce travail se focalise notamment sur deux échelles temporelles, les variations saisonnières et interannuelles. Dans un premier temps, nous étudierons les variations de préférences d'habitats des espèces étudiées à ces deux échelles. Les cétacés et oiseaux marins étant des espèces longévives caractérisées par de longues périodes d'apprentissage au début de leur vie, nous explorerons également comment la réponse à la saisonnalité varie en fonction de l'expérience chez une espèce commune dans la région, le fou de Bassan. Enfin, nous finirons par explorer les liens prédateurs-proies dans le Golfe de Gascogne, en considérant notamment l'accessibilité de ces proies en termes de taille et de profondeur. Ainsi, cette thèse nous permettra de discuter les implications de ce travail concernant l'écologie des cétacés et oiseaux marins, ainsi que leur conservation. / Marine ecosystem is hard to study and several gaps remain in our understanding of cetaceans and seabirds, particularly regarding their at-sea distributions. The pelagic ecosystem is characterised by an important spatiotemporal variability, thanks to the space and time dynamics of its constituting ecological processes. Top predators thus have to anticipate this variability to sustain themselves in the ecosystem. Based on large-scale surveys across waters of the English Channel, Bay of Biscay and north-western Mediterranean Sea, this thesis aimed at improving knowledge regarding the distribution of cetaceans and seabirds in the area, and to explore the impact of ocean spatiotemporal variability on their ecology. This work focused on two temporal scales, the seasonal and interannual variability. We first explored the variations of habitat preferences of studied species at these two temporal scales. Cetaceans and seabirds being long-lived species characterised by long learning periods in their early life, the response to seasonality was investigated according to age and experience in northern gannets, the most abundant seabird species in the area. Finally, the predator-prey association within the Bay of Biscay was also explored, by contrasting prey accessibility in terms of size and depth. The implications of this work regarding the ecology of marine top predators, as well as their conservation, are finally discussed.

Les zones humides sont écosystèmes reconnus de vitale importance pour la conservation de la biodiversité et pour un développement soutenable. En Colombie, 26 % du territoire continental national est couvert de ces écosystèmes. Le complexe de zones humides urbaines de Bogota, en fait partie, avec 15 écosystèmes, dont la Convention Ramsar reconnaît 11. Ils sont uniques et jouent un rôle important dans l’approvisionnement des services écosystèmes à la zone urbaine. Cependant, ces écosystèmes urbains font face à de nombreux défis en raison de leur emplacement. Les causes et les conséquences de leur transformation sont très complexes. En appliquant des approches des systèmes complexes, sa dynamique de changement peut être étudiée. Les automates cellulaires sont l’une des techniques largement utilisées dans la modélisation de la dynamique spatiotemporelle des changements de l’usage et de l’occupation des sols. Cette étude propose l’analyse et la simulation des zones humides urbaines en appliquant une approche hybride par un modèle couplé de chaîne de Markov, de réseaux de neurones artificiels et d’automates cellulaires, afin d’estimer leurs changements d’étendue pour les années 2016, 2022, 2028 et 2034 dans la ville de Bogota, en Colombie. Pour extraire le changement d’occupation et d’utilisation du sol, trois images analogues des années 1998, 2004 et 2010 ont été a utilisées. Les résultats ont montré une diminution de 0,30 % de la couverture des zones humides en douze ans. De plus, les résultats suggèrent que la couverture des zones humides représentera 1,97 % de la zone d’étude totale en 2034, représentant une probabilité de diminution de 14 % en 24 ans. D’ailleurs, en appliquant l’analyse d’intensité, il a été constaté que le gain de cultures et de pâturages cible la perte de zones humides. Bien dont ces écosystèmes soient protégés et d’utilisation restreinte, leur patron de réduction se poursuivra en 2034. La pertinence de ce projet réside dans sa contribution potentielle au processus décisionnel au sein de la ville et en tant qu’instrument de gestion des ressources naturelles. En outre, les résultats de cette étude pourraient aider à atteindre l’objectif de développement durable 6 « Eau propre et assainissement » et l’atténuation du changement climatique. / Wetlands are ecosystems recognized as being of vital importance for the conservation of biodiversity and for sustainable development. In Colombia, 26% of the national continental territory is covered by these ecosystems. The complex of urban wetlands of Bogota is one of them, with 15 ecosystems, of which the Ramsar Convention recognizes 11. They are unique and play an important role in providing ecosystem services to the urban area. However, these urban ecosystems face many challenges due to their location. The causes and consequences of their transformation are very complex. By applying complex systems approaches, the dynamics of change can be studied. Cellular automata is one of the widely used techniques in modeling the spatiotemporal dynamics of land use and land cover changes. This study proposes the analysis and simulation of urban wetlands by applying a hybrid approach through a coupled model of the Markov chain, artificial neural networks, and cellular automata, in order to estimate the extent of changes for the years 2016, 2022, 2028, and 2034 in the city of Bogota, Colombia. To extract the change in land cover and land use, three analogous images from the years 1998, 2004, and 2010 were used. The results showed a 0.30% decrease in wetland coverage in twelve years. Furthermore, the results suggest that wetland cover will be 1.97% of the total study area in 2034, representing a 14% probability of a decrease in 24 years. Moreover, by applying the intensity analysis, it was found that the gain of crop and pastureland targets the loss of wetlands. Although these ecosystems are protected and of limited use, their pattern of reduction will continue in 2034. The relevance of this project lies in its potential contribution to decision-making within the city and as a natural resource management tool. In addition, the results of this study could help achieve Sustainable Development Goal 6 “Clean Water and Sanitation” and climate change mitigation.

Parc marin du Saguenay - Saint-Laurent, Groupe de recherche et d'éducation sur les mammifères marins, GREMM, excursions aux baleines, bélugas, Tadoussac, règlementation, ArcCatalog, ArcMap. / L'important volume des excursions de bateaux touristiques liées aux activités d'observation en mer des mammifères marins (AOM) dans le Parc marin Saguenay-Saint-Laurent (PMSSL) pourrait avoir un impact négatif sur la santé des baleines qui fréquentent cette région de l’estuaire du fleuve Saint-Laurent. Cette situation a poussé les gestionnaires du Parc à désirer un outil d'information et de gestion pour mieux suivre l’évolution des AOM. Le présent mémoire décrit la conception de cet outil en proposant un modèle de l'excursion et des activités d'observation qui sert à l’élaboration d’une base de données. En s’appuyant sur le concept de la trajectoire spatiotemporelle, utilisée pour l'étude du comportement de déplacement basé sur l'activité, et sur le concept de l'objet mobile, développé en géomatique, notre modèle de données permet de reproduire graphiquement les trajectoires des excursions et l'enchaînement des activités qui ont lieu au cours de celles-ci. Le modèle est orienté objet et implanté dans une Geodatabase, une base de données relationnelle exploitable par le système d'information géographique (SIG) ArcGIS. Les objets de la base de données sont créés à partir des données de trois années de suivi des AOM réalisés par le Groupe de recherche et d'éducation sur les mammifères marins (GREMM). Nous montrons que le SIG peut exploiter la base de données de façon à répondre correctement aux besoins en information exprimés par les gestionnaires et que la représentation informatique des excursions sous la forme de trajectoires spatiotemporelles ouvre de nouvelles avenues de recherche sur les patrons d’activités et le comportement de déplacement des bateaux. / The considerable volume of commercial boat trips associated with whale-watching activities (WWAs) in the Saguenay-Saint-Laurent National Marine Park (PMSSL) may have negative impacts on the health of the whales visiting the Saint-Lawrence River estuary. This situation has led park officials to seek an appropriate information management system in order to better monitor WWAs. This paper contributes to the design of such a tool by modeling excursion patterns of WWAs, resulting in a database. Based on the space-time path concept used for the study of activity-based travel behavior as well as the mobile-object geomatical concept, our data-model enables us to plot the trajectories of the excursions and the sequence of activities taking place during those excursions. The model is object-oriented and built into a Geodatabase (an ArcGis-processable relational database). The objects in the database are based on data collected by the Marine Mammal Research and Education Group (GREMM) during a three-year WWA monitoring program. Finally, this report demonstrates that geographic information systems can be effectively used to process the database in a way that serves the needs of park officials, and that the representation of excursion data in a GIS opens up new avenues for research on the space-time pattern of observation activities and the travel behavior of boats.

Abstract: Road traffic accidents claim more than 1,500 lives each year in Canada and affect society adversely, so transport authorities must reduce their impact. This is a major concern in Quebec, where the traffic-accident risks increase year by year proportionally to provincial population growth. In reality, the occurrence of traffic crashes is rarely random in space-time; they tend to cluster in specific areas such as intersections, ramps, and work zones. Moreover, weather stands out as an environmental risk factor that affects the crash rate. Therefore, traffic-safety engineers need to accurately identify the location and time of traffic accidents. The occurrence of such accidents actually is determined by some important factors, including traffic volume, weather conditions, and geometric design. This study aimed at identifying hotspot locations based on a historical crash data set and spatiotemporal patterns of traffic accidents with a view to improving road safety. This thesis proposes two new methods for identifying hotspot locations on a road network. The first method could be used to identify and rank hotspot locations in cases in which the value of traffic volume is available, while the second method is useful in cases in which the value of traffic volume is not. These methods were examined with three years of traffic-accident data (2011–2013) in Sherbrooke. The first method proposes a two-step integrated approach for identifying traffic-accident hotspots on a road network. The first step included a spatial-analysis method called network kernel-density estimation. The second step involved a network-screening method using the critical crash rate, which is described in the Highway Safety Manual. Once the traffic-accident density had been estimated using the network kernel-density estimation method, the selected potential hotspot locations were then tested with the critical-crash-rate method. The second method offers an integrated approach to analyzing spatial and temporal (spatiotemporal) patterns of traffic accidents and organizes them according to their level of significance. The spatiotemporal seasonal patterns of traffic accidents were analyzed using the kernel-density estimation; it was then applied as the attribute for a significance test using the local Moran’s I index value. The results of the first method demonstrated that over 90% of hotspot locations in Sherbrooke were located at intersections and in a downtown area with significant conflicts between road users. It also showed that signalized intersections were more dangerous than unsignalized ones; over half (58%) of the hotspot locations were located at four-leg signalized intersections. The results of the second method show that crash patterns varied according to season and during certain time periods. Total seasonal patterns revealed denser trends and patterns during the summer, fall, and winter, then a steady trend and pattern during the spring. Our findings also illustrated that crash patterns that applied accident severity were denser than the results that only involved the observed crash counts. The results clearly show that the proposed methods could assist transport authorities in quickly identifying the most hazardous sites in a road network, prioritizing hotspot locations in a decreasing order more efficiently, and assessing the relationship between traffic accidents and seasons. / Les accidents de la route sont responsables de plus de 1500 décès par année au Canada et ont des effets néfastes sur la société. Aux yeux des autorités en transport, il devient impératif d’en réduire les impacts. Il s’agit d’une préoccupation majeure au Québec depuis que les risques d’accidents augmentent chaque année au rythme de la population. En réalité, les accidents routiers se produisent rarement de façon aléatoire dans l’espace-temps. Ils surviennent généralement à des endroits spécifiques notamment aux intersections, dans les bretelles d’accès, sur les chantiers routiers, etc. De plus, les conditions climatiques associées aux saisons constituent l’un des facteurs environnementaux à risque affectant les taux d’accidents. Par conséquent, il devient impératif pour les ingénieurs en sécurité routière de localiser ces accidents de façon plus précise dans le temps (moment) et dans l’espace (endroit). Cependant, les accidents routiers sont influencés par d’importants facteurs comme le volume de circulation, les conditions climatiques, la géométrie de la route, etc. Le but de cette étude consiste donc à identifier les points chauds au moyen d’un historique des données d’accidents et de leurs répartitions spatiotemporelles en vue d’améliorer la sécurité routière. Cette thèse propose deux nouvelles méthodes permettant d’identifier les points chauds à l’intérieur d’un réseau routier. La première méthode peut être utilisée afin d’identifier et de prioriser les points chauds dans les cas où les données sur le volume de circulation sont disponibles alors que la deuxième méthode est utile dans les cas où ces informations sont absentes. Ces méthodes ont été conçues en utilisant des données d’accidents sur trois ans (2011-2013) survenus à Sherbrooke. La première méthode propose une approche intégrée en deux étapes afin d’identifier les points chauds au sein du réseau routier. La première étape s’appuie sur une méthode d’analyse spatiale connue sous le nom d’estimation par noyau. La deuxième étape repose sur une méthode de balayage du réseau routier en utilisant les taux critiques d’accidents, une démarche éprouvée et décrite dans le manuel de sécurité routière. Lorsque la densité des accidents routiers a été calculée au moyen de l’estimation par noyau, les points chauds potentiels sont ensuite testés à l’aide des taux critiques. La seconde méthode propose une approche intégrée destinée à analyser les distributions spatiales et temporelles des accidents et à les classer selon leur niveau de signification. La répartition des accidents selon les saisons a été analysée à l’aide de l’estimation par noyau, puis ces valeurs ont été assignées comme attributs dans le test de signification de Moran. Les résultats de la première méthode démontrent que plus de 90 % des points chauds à Sherbrooke sont concentrés aux intersections et au centre-ville où les conflits entre les usagers de la route sont élevés. Ils révèlent aussi que les intersections contrôlées sont plus à risque par comparaison aux intersections non contrôlées et que plus de la moitié des points chauds (58 %) sont situés aux intersections à quatre branches (en croix). Les résultats de la deuxième méthode montrent que les distributions d’accidents varient selon les saisons et à certains moments de l’année. Les répartitions saisonnières montrent des tendances à la densification durant l’été, l’automne et l’hiver alors que les distributions sont plus dispersées au cours du printemps. Nos observations indiquent aussi que les répartitions ayant considéré la sévérité des accidents sont plus denses que les résultats ayant recours au simple cumul des accidents. Les résultats démontrent clairement que les méthodes proposées peuvent: premièrement, aider les autorités en transport en identifiant rapidement les sites les plus à risque à l’intérieur du réseau routier; deuxièmement, prioriser les points chauds en ordre décroissant plus efficacement et de manière significative; troisièmement, estimer l’interrelation entre les accidents routiers et les saisons.

L'important volume des excursions de bateaux touristiques liées aux activités d'observation en mer des mammifères marins (AOM) dans le Parc marin Saguenay-Saint-Laurent (PMSSL) pourrait avoir un impact négatif sur la santé des baleines qui fréquentent cette région de l’estuaire du fleuve Saint-Laurent. Cette situation a poussé les gestionnaires du Parc à désirer un outil d'information et de gestion pour mieux suivre l’évolution des AOM. Le présent mémoire décrit la conception de cet outil en proposant un modèle de l'excursion et des activités d'observation qui sert à l’élaboration d’une base de données. En s’appuyant sur le concept de la trajectoire spatiotemporelle, utilisée pour l'étude du comportement de déplacement basé sur l'activité, et sur le concept de l'objet mobile, développé en géomatique, notre modèle de données permet de reproduire graphiquement les trajectoires des excursions et l'enchaînement des activités qui ont lieu au cours de celles-ci. Le modèle est orienté objet et implanté dans une Geodatabase, une base de données relationnelle exploitable par le système d'information géographique (SIG) ArcGIS. Les objets de la base de données sont créés à partir des données de trois années de suivi des AOM réalisés par le Groupe de recherche et d'éducation sur les mammifères marins (GREMM). Nous montrons que le SIG peut exploiter la base de données de façon à répondre correctement aux besoins en information exprimés par les gestionnaires et que la représentation informatique des excursions sous la forme de trajectoires spatiotemporelles ouvre de nouvelles avenues de recherche sur les patrons d’activités et le comportement de déplacement des bateaux. / The considerable volume of commercial boat trips associated with whale-watching activities (WWAs) in the Saguenay-Saint-Laurent National Marine Park (PMSSL) may have negative impacts on the health of the whales visiting the Saint-Lawrence River estuary. This situation has led park officials to seek an appropriate information management system in order to better monitor WWAs. This paper contributes to the design of such a tool by modeling excursion patterns of WWAs, resulting in a database. Based on the space-time path concept used for the study of activity-based travel behavior as well as the mobile-object geomatical concept, our data-model enables us to plot the trajectories of the excursions and the sequence of activities taking place during those excursions. The model is object-oriented and built into a Geodatabase (an ArcGis-processable relational database). The objects in the database are based on data collected by the Marine Mammal Research and Education Group (GREMM) during a three-year WWA monitoring program. Finally, this report demonstrates that geographic information systems can be effectively used to process the database in a way that serves the needs of park officials, and that the representation of excursion data in a GIS opens up new avenues for research on the space-time pattern of observation activities and the travel behavior of boats. / Parc marin du Saguenay - Saint-Laurent, Groupe de recherche et d'éducation sur les mammifères marins, GREMM, excursions aux baleines, bélugas, Tadoussac, règlementation, ArcCatalog, ArcMap.

Dans ce travail nous avons résolu deux problèmes principaux de la mise en forme topologique de faisceau paraxial pour les composants plans : la modalité et le polychromatisme.Nous les résolvons en introduisant de nouveaux concepts d’éléments optiques à interaction spin orbite,à savoir la “q-plate modale” et la “q-plate Bragg-Berry”. D’un côté, la q-plate modale convertit un faisceau gaussien incident en un faisceau de Laguerre-Gauss pour un indice radial et un indice d’azimut donnés, ce qui par conséquent dépasse les capacités des q-plates conventionnelles qui ne modifient que le degré de liberté azimutal, c.à.d. le moment orbital angulaire de la lumière. À des fins expérimentales, deux approches ont été développées : une basée sur des lames de verres nanostructurées artificiellement, l’autre sur des défauts topologiques de cristaux liquides auto-organisés naturellement. D’un autre côté, la q-plate Bragg-Berry consiste en une fine couche inhomogène de cristaux liquides chiraux (cholestériques) devant un miroir, ce qui fournit une mise en forme de faisceau spin-orbite pleinement efficace sur une large bande spectrale du faisceau incident, contrairement au q-plates conventionnelles qui ne sont fabriqués que pour une longueur d’onde donnée. Par ailleurs, nous obtenons une mise en forme de faisceau spin-orbite ultra-large bande en induisant une modulation de la structure supramoléculaire torsadée des cristaux liquides cholestériques selon la direction de propagation de la lumière. Nous montrons également que la présence du miroir derrière permet un puissant contrôle spatio-temporel des propriétés vectorielles de la polarisation du champ lumineux générées par la q-plate Bragg-Berry. / It is well-known that paraxial coherent electromagnetic fields can be completelycharacterized in terms of their radial and azimuthal spatial degrees of freedom in the transverse planethat add to the polarization degree of freedom and wavelength. In this work we address two mainissues of paraxial beam shaping that are the modality and the polychromaticity in the context of flatopticsthat we address by introducing novel concepts of spin-orbit optical elements. Namely, the‘modal q-plate’ and the ‘Bragg-Berry q-plate’. On the one hand, modal q-plate converts an incidentfundamental Gaussian beam into a Laguerre-Gaussian beam of given radial and azimuthal indices,hence going beyond the capabilities of conventional q-plates that only control the azimuthal degreeof freedom, i.e. the orbital angular momentum content of light. Towards experimental realization ofmodal q-plates, two approaches are developed: one based on artificially nanostructured glasses andanother based on naturally self-organized liquid crystal topological defects. On the other hand,Bragg-Berry q-plate consist of mirror-backed inhomogeneous thin film of chiral liquid crystal(cholesteric) that provides fully efficient spin-orbit beam shaping over broad spectral range of theincident beam, in contrast to the conventional q-plates that are designed for single wavelength.Furthermore, ultra-broadband spin-orbit beam shaping is achieved by inducing an extra modulationof the supramolecular twisted structure of the cholesteric liquid crystal along the propagationdirection. We also show that the presence of a back-mirror allows a powerful spatio-temporal controlof the polarization vectorial properties of the light fields generated by Bragg-Berry q-plate.