Dans le contexte actuel de démocratisation des technologies et des méthodes géomatiques, les expériences du type « Public Participation GIS » - PPGIS se multiplient. Le concept de PPGIS est, par essence-même, interdisciplinaire et multiforme. Il s’apparente, d’une certaine façon, à un déclinaison spécifique des SIG, vus comme des systèmes d’information (données, matériels, logiciels, méthodes et composantes humaines), incluant la dimension de la participation publique. De fait, les PPGIS ne se limitent pas aux simples outils logiciels. L’objectif principal d’un PPGIS consiste à accentuer/supporter l'implication des citoyens dans les processus de prise de décisions territoriaux, et à améliorer l'accès aux outils, aux données ainsi qu’à l'information (Steinmann et. al. 2004). Les applications des PPGIS revêtent des formes très variées, selon le contexte économique, l’organisation sociale et politique, la culture, mais également en fonction des problématiques traitées et des méthodologies développées (Joliveau 2006). Les exemples mettent en évidence qu’en pratique, la dimension ‘participation publique’ des PPGIS renvoie à des réalités différentes. La construction du domaine des PPGISciences (Sieber 2004) est basée sur la convergence de concepts sociaux, culturels, éthiques et environnementaux avec les technologies de l’information et à la géomatique. Ce développement engendre des questions épistémologiques complexes, dans la mesure ou chaque discipline impliquée pose évidemment un regard différencié sur les PPGIS. Par conséquent, le concept même de PPGIS est ambigu. Il n'existe pas de consensus sur ses éléments caractéristiques. Ce constat pose problème, tant sur le plan scientifique que sur le plan pratique, dans la mesure où il rend difficile, non seulement la formalisation de méthodes de développement adaptées aux PPGIS ; mais aussi le développement de critères d'évaluation de succès et d'échec (Craig et al. 1999). La communauté scientifique des PPGIS considère d’ailleurs que pour comprendre la réalité sur laquelle les chercheurs doivent appuyer leurs travaux, la formalisation consensuelle d’une définition claire et précise du concept de PPGIS s’impose. Les spécialistes affirment que l’une des priorités actuelles est la conception d’un cadre théorique basé en particulier sur une typologie des PPGIS (Tulloch 2003, Steinmann et al. 2004). Malgré les quelques recherches déjà réalisées, seules quelques typologies partielles ont été développées, et le concept demeure flou. L’objectif principal de cette recherche consiste à concevoir une typologie plus globale à partir d’une analyse en profondeur des concepts sous-jacents. Sur le plan plus pratique, cette recherche vise à concevoir et à développer un observatoire web des expériences PPGIS (ce dernier étant à la fois une composante de l’objectif et un moyen de l’atteindre). La méthodologie est basée sur la construction d’un cadre théorique (analyse de la littérature et des typologies existantes) et une analyse empirique (étude d’une série d’expériences de PPGIS). La méthodologie est complétée par une enquête sur les forums web spécialisés, de manière à solliciter la communauté du domaine et à valider nos résultats. Cette recherche a ainsi permis de construire une typologie des PPGIS, plus globale, complémentaire de celles déjà existantes. Se faisant notre travail permet d’améliorer la compréhension de ce domaine en émergence et apporte des éléments formels permettant de mieux le caractériser. / In the current context of democratization of technologies and methods of geomatics, “Public Participation GIS” practices - PPGIS multiply. The concept of PPGIS is, by its nature, interdisciplinary and multiform. It is connected, in a certain manner, to a specific variation of the GIS, understood as information systems (data, hardware, software, methods and human factor), including the dimension of public participation. Essentially, PPGIS are not limited to simple software tools. The principal objective of a PPGIS consists of accentuating/supporting the implication of the citizens in the territorial decision making processes, and to improve the access to tools, data, and information (Steinmann et al. 2004). Applications for PPGIS take a variety of forms depending on the economic context, the social and political organization, the culture, but also regarding to the treated problems and developed methodologies (Joliveau 2006). Examples underline that, in practice, dimension of “public participation” in PPGIS echoes different realities. The creation of the field (Sieber 2004) is based on the convergence of social concepts as well as cultural, ethical and environmental concepts associated with information technologies (IT) and Geomatics. This development generates complex epistemological questions, in a measure where each implied discipline obviously poses a different view on PPGIS. Consequently, the concept of PPGIS is ambiguous. There is no consensus on its characteristic elements. This circumstance causes some problems, both on the scientific and practical levels. It makes difficult, not having the standardization of methods of development adapted to the PPGIS; but also the development of evaluation criterions of success and failure (Craig and al 1999). Besides, the scientific community associated with PPGIS considers that in order to understand reality that the researchers must rely on their works, the agreed formalization of a clear and precise definition of the concept of PPGIS is inevitable. Specialists affirm that one of the current priorities is to design a theoretical framework particularly based on a typology of PPGIS (Tulloch 2003, Steinmann et al. 2004). In spite of some research work already carried out, only a few limited typologies were developed, and the concept remains unclear. The principal objective of this research consists of conceiving a more global typology starting from an in-depth analysis of the subjacent concepts. From a practical level, this research aims at designing and developing a web-based observatory of PPGIS experiments (this one is a component of our objective and at the same time a means of reaching it). Our methodology is based on the construction of a theoretical framework (literature review and an analysis of existing typologies) and an empirical analysis (study of a series of PPGIS experiments). Methodology is effectuated by an investigation into the specialized Web forums, so as to solicit the community of the field and to validate our results. This research thus made it possible to build a typology of the PPGIS, as a hole, complementary to those already existing. Doing this work improves understanding of this field in its infancy and elicits formal elements for better characterization of PPGIS.

Les sites internet et applications mobiles documentant l’accessibilité destinés aux usagers de fauteuil roulant se sont multipliés au cours des dernières années. L’avènement des interfaces multimodales, par l’entremise des systèmes géospatiaux, offre aussi des perspectives prometteuses pour aider les usagers de fauteuil roulant à la planification et navigation de leurs déplacements. Dès lors, des technologies géospatiales d’assistance sont en émergence. On ne connaît cependant pas l’ensemble des critères d’utilisabilité à considérer pour les évaluer malgré l’existence de plusieurs questionnaires standardisés. Cette étude propose de documenter les besoins et exigences des usagers de fauteuil roulant manuel concernant les technologies géospatiales d’assistance puis d’appréhender leur utilisabilité à l’aide du modèle “Matching Person and Technology”. Un examen de la portée a été réalise afin de compiler une liste de critères spécifiques liés aux interfaces utilisateur et aux technologies géospatiales d’assistance à partir de questionnaires standardisés. Une étude transversale à visée exploratoire a été réalisée auprès de 17 usagers de fauteuil roulant manuel afin de rendre explicites leurs besoins et attentes. Ces critères s’ajouteraient à la catégorie des facteurs technologiques du modèle “Matching Person and Technology” pour l’utilisabilité des technologies géospatiales d’assistance: Bluetooth, content, content-clarity, content-color, content-consistency, content-credibility, content-legibility, content-relevance, content-trustworthy, content-understandable, delivery format, ease of navigation, everyday words, functions-expected, functions-integration, graphics, hands-free, input, network externality, structure et time spent waiting. Nos résultats interprétés à l’aide du modèle “Matching Person and Technology” suggèrent que l’utilisation actuelle et la familiarité reliées à une technologie donnée ainsi que les attentes envers le contenu informatif et la transportabilité sont des critères forts importants pour l’adoption des technologies géospatiales d’assistance par les usagers de fauteuil roulant rencontrés. Nos résultats aideront les développeurs d’assistances technologiques et cliniciens à faire des choix éclairés dans le futur. / Websites and mobile applications providing accessibility information for wheelchair users have increased in recent years. The advent of multimodal interfaces, through geospatial systems (route planners and navigation systems), also offers promising opportunities to help wheelchair users plan and then execute movements in the city. Geospatial assistive technologies are now emerging for them. However, the set of usability criteria to consider for evaluating this type of assistive technology is unknown despite the existence of several standardized questionnaires. This study proposes to document the needs and requirements of manual wheelchair users regarding geospatial assistive technologies and then to understand their usability through the "Matching Person and Technology" model. A scoping review was conducted to compile a list of specific criteria related to user interfaces and geospatial assistive technologies from standardized questionnaires. An exploratory crosssectional study has been carried out with 17 manual wheelchair users to make explicit their needs and expectations. As results, these criteria could be added to the technological factors already known via the "Matching Person and Technology" model for the usability of geospatial assistive technologies: Bluetooth, content, content-clarity, content-color, content-consistency, contentcredibility, content-legibility, content-relevance, content-trustworthy, content-understandable, delivery format, ease of navigation, everyday words, functions-expected, functions-integration, graphics, hands-free, input, network externality, structure and time spent waiting. Using the "Matching Person and Technology" model, the results suggest that actual use and familiarity with a given technology, as well as the expectations about information content and transportability, are important criteria for the adoption of geospatial assistance technology by the manual wheelchair users interviewed. Our results will help developers and clinicians to enhance the geospatial assistive technologies, structure the testing experimentations and make attribution recommendations.

Au fil des années, la nécessité de tirer profit de données géospatiales, dans tous domaines d’application, a été bien établie et les innovations dans l’utilisation de ces données ne se dénombrent plus. Cependant, les outils géomatiques traditionnels utilisés afin d’exploiter ces données, malgré leur évolution technologique remarquable des dernières années, comportent des lacunes au niveau de la visualisation, de l’interaction et de leur capacité de collaboration qui peuvent limiter la compréhension de l’espace par un public utilisateur non-expert. Pour répondre à ces limites, la technologie de réalité augmentée offre des possibilités intéressantes en ce qui a trait à la visualisation et l’interaction avec les données géospatiales 3D. Malgré les récentes avancées technologiques dans ce domaine, ce type d’application demeure peu exploré, particulièrement en contexte géospatial, ce qui fait en sorte que le développement de systèmes de réalité augmentée reste un processus laborieux et expérimental. Considérant ceci, nous proposons une étude établissant les bases du développement de systèmes interactifs et collaboratifs de réalité augmentée géospatial. Pour cette étude, nous avons choisi de retenir le contexte d’application du design et de l’aménagement urbain, un domaine dans lequel l’interaction et la visualisation de l’espace jouent un rôle central. La première partie de ce travail présente les résultats de la recherche conceptuelle et littéraire menée préalablement au développement de notre prototype. La deuxième partie présente le prototype développé en suivant la méthodologie Unified Process pour le développement logiciel ainsi que les résultats de la phase d’expérimentation du prototype menée par la suite. À la lumière des travaux réalisés, il nous est apparu évident que la réalité augmentée présente un potentiel très intéressant pour répondre aux limites des outils traditionnels mais que la réalisation d’une solution complète nécessiterait l’intervention d’une quantité de ressources qui dépasse le cadre d’un travail de maitrise. / Over the years, the usefulness of geospatial data, in any given field, has been well established and countless innovations in the usage of such data have appeared. However, traditional geomatic tools used for the exploitation of data, despite their remarkable technological evolution in recent years, still contain certain limits concerning 3D visualization, interaction and their collaboration capacity that can limit spatial comprehension by a public of non-expert users. To overcome these limits, augmented reality technologies demonstrate interesting possibilities regarding the interaction and visualization of 3D geospatial data. In spite of the recent technological advances, these types of applications remain poorly explored, especially in geospatial contexts. Consequently, the development of geospatial augmented reality systems remains a laborious and experimental process. Considering this, we propose a study to establish the basis for the development of geospatial interactive and collaborative augmented reality systems. We have chosen to inscribe this study in the urban design and planning context, a domain of application for which the interaction and visualization of space plays a central role. The first part of this study presents the results of our literary and conceptual research, undertaken prior to the development of our prototype. The second part presents the prototype developed following the Unified Process methodology for software development as well as the results of the prototype experimentation step conducted afterwards. This research project completed, it appears obvious to us that augmented reality presents an interesting potential to overcome the limits of traditional geomatic tools. However, the realization of a complete solution would require the intervention of a larger pool of resources that are unavailable in the scope of a master’s project.

Le Haut Commissariat des Nations Unies pour les Réfugiés (HCR) publie chaque année des statistiques alarmantes quant à l'augmentation du nombre de personnes déplacées dans le monde en raison de conflits. Des millions d'individus se retrouvent dans des installations pour réfugiés qui s'étendent sur de vastes espaces et perdurent dans le temps. Le choix rapide d'un emplacement le plus optimal possible s'avère donc indispensable pour l'établissement d'un camp viable. Les systèmes d'infirmations géographiques (SIG), en tant qu'outil d'aide à la décision en matière de sélection de site, peuvent apporter une grande contribution en ce sens. Le présent mémoire présente une recherche exploratoire de l'état des SIG dans le secteur humanitaire, plus précisément dans le cadre de la désignation des sites pour l'implantation de quartiers provisoires pour des populations délocalisées. Premièrement, afin de prendre connaissance des besoins des experts dans le domaine, un inventaire et une analyse des critères de sélection est effectuée. Dans un second temps, une description des logiques de sélection employées donne lieu à une meilleure compréhension des méthodes de travail dans lesquels s'insèrent les critères relevés. Cette stratégie permet d'évaluer la potentielle utilité et faisabilité technique des SIG en réponse aux exigences des travailleurs du milieu. Les possibles raisons de la sous-utilisation des SIG pour la détermination de zones d'hébergement temporaires sont ensuite discutées, dans le but de fournir des pistes de réflexion à de futures recherches visant une optimisation de l'emploi des SIG en faisant face aux impératifs du secteur humanitaire.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le problème d’optimisation de la gestion d’un réseau hydrographique en période de crues consiste à résoudre un problème tactique de coordination des lâchers des réservoirs, afin de minimiser les dégâts occasionnés, en prenant en considération les exigences et spécificités spatiales du système. Comme la Programmation Dynamique Neuronal (PDN) permet d’aborder les problèmes stochastiques à évolutions temporelle et séquentielle, mais ne traite pas l’aspect spatial, alors que les Systèmes d’Information Géographique (SIG) permettent une représentation spatiale, mais avec une gestion limitée de l’aspect temporel, un couplage serré entre ces deux techniques s’avère une alternative dans la résolution de ce problème. Nous proposons alors une nouvelle approche pour la détermination des scénarios de lâchers optimaux d’un réseau hydrographique, dans lequel, les lâchers d’un réservoir sont déterminés par Système d’aide à la décision associant ces deux composantes. Une mise en œuvre sur le réseau hydrographique du Nord de la Tunisie nous a permis de valider cette approche en proposant des scénarios de lâchers satisfaisants / A decision support system (DSS) has been developed for integrated, real-time flood control in a multi-reservoir system. The DSS integrates a geographic information system (GIS) with an optimization module, and a graphical dialog interface allowing effective use by system operators. A neuro-dynamic programming technique (NDP), which overcomes numerous limitations of dynamic programming (DP), is introduced for determining the optimal release policy under flood conditions. Results obtained in a real-world case study are finally presented

Le scanner LiDAR est une technologie de plus en plus populaire auprès des ingénieurs, arpenteurs-géomètres, architectes et autres professionnels qui ont recours à la modélisation 3D dans le cadre de leur travail. L'intégration de ce capteur à un système de navigation (IMU + GNSS) permet de former un Système LiDAR Mobile (SLM). Les SLM ont été initialement développés pour des véhicules aéroportés, mais ont été plus récemment adaptés aux véhicules terrestres. Toutes les observations du SLM sont combinées pour former un nuage de points par géoréférencement direct. De manière à limiter la propagation des erreurs systématiques dues à l'assemblage de ces capteurs, un calibrage du système est nécessaire. Le calibrage d'un SLM implique la détermination des bras de levier et des angles de visée qui correspondent sommairement à la distance et à l'orientation entre le LiDAR et l'IMU. Le fabricant fournit habituellement des valeurs pour ces éléments, mais il est nécessaire de peaufiner ces valeurs qui sont propres à chaque système. Étant donné qu'il est impossible de déterminer précisément les angles de visée avec des mesures manuelles, les observations sur le terrain sont utilisées afin de les estimer (calibrage in situ). Un problème avec le calibrage in situ est que les observations GNSS introduisent des erreurs de plusieurs centimètres dans la solution, ce qui nuit au calibrage. Pour éliminer le recours aux observations GNSS, des méthodes alternatives de calibrage s'imposent. Le but de ce travail de recherche est d'instaurer une procédure de cueillette et de traitement des données acquises par un SLM en laboratoire de façon à développer une méthode de calibrage libre d'erreurs de positionnement GNSS. Cette méthode de calibrage doit permettre d'estimer les angles de visée et les bras de levier d'un SLM à partir des instruments et des infrastructures présentes au laboratoire de métrologie de l’Université Laval. / The LiDAR scanner is an increasingly popular technology for engineers, land surveyors, architects and other professionals who use 3D modeling as part of their work. The integration of this sensor with a navigation system (IMU + GNSS) makes it possible to form a Mobile LiDAR System (MLS). MLSs were originally developed for airborne vehicles, but were more recently adapted to land vehicles. All MLS observations are combined to form a point cloud by direct georeferencing. In order to limit the propagation of systematic errors due to the assembly of these sensors, it is necessary to properly calibrate the system. The calibration of an MLS involves the determination of the lever arms and boresight angles that correspond to the distance and orientation between the LiDAR and the IMU. The manufacturer usually provides values for these elements, but it is necessary to fine-tune these values that are unique to each system. Since it is impossible to accurately determine boresight angles with manual measurements, field observations are used to estimate them (in situ calibration). A problem with in situ calibration is that GNSS observations introduce errors of several centimeters into the solution, which is harmful for a proper calibration. In order to eliminate the need for GNSS observations, alternative methods of calibration are required. The aim of this research is to set up a procedure for the collection and processing of data acquired by an MLS in a laboratory in order to develop a calibration method free of GNSS positioning errors. This calibration method should allow estimation of the boresight angles and the lever arms of an MLS with the instruments and infrastructures inside the metrology laboratory of Laval University.

L'étude du processus actuel d'acquisition, de gestion et d'analyse des données, en particulier de la donnée géospatiale, sur un chantier de fouille archéologique, met en évidence des lacunes importantes : imprécision, lenteur, redondance, etc. Le SIG apparaît pour beaucoup comme une solution utile et pertinente. Pourtant, si les SIG soulèvent l'enthousiasme de la communauté archéo-informatique, les archéologues de terrain se montrent quant à eux beaucoup plus prudents, voir réticents, à l'idée d'introduire ces technologies sur les chantiers. Ce constat est à la base du questionnement général de cette recherche. Il relance la discussion sur la manière d'introduire efficacement les savoir-faire géomatiques au sein d'une organisation, ici plus spécifiquement au sein d'un chantier de fouille archéologique. L'objectif de cette recherche consiste à montrer que la conception et le développement participatif d'une solution logicielle géomatique nomade peut soutenir efficacement la géomatisation ± acceptée ¿ du processus d'acquisition des données lors de la fouille. Un prototype logiciel, baptisé Arch-Tablet, a ainsi été conçu et développé suivant une démarche participative centrée sur l'utilisateur. Il a ensuite été testé auprès des archéologues de Parcs Canada, en charge de la fouille du site de l'ancien château de St-Louis, situé sous les planches de la terrasse Dufferin, à Québec. Ces derniers ont accepté de s'investir comme partenaires du projet Archéogéomatique en général et de cette recherche en particulier, en nous accordant un droit de visite sur leur chantier et en nous consacrant, à la demande, un peu de leur temps. Des tests ont été menés sur le terrain dans un premier temps, puis en laboratoire dans un second temps. Les résultats obtenus démontrent, d'un point de vue technologique, que la solution répond efficacement aux différentes faiblesses qui avaient été préalablement identifiées au niveau du processus actuel d'acquisition des données. Par ailleurs, d'un point de vue méthodologique, les commentaires recueillis auprès des archéologues démontrent clairement que la solution a été bien acceptée sur le plan humain. L'alternative proposée par cette recherche s'avère donc prometteuse.

Les systèmes d'information géographique (SIG) sont employés couramment pour la représentation, la gestion et l'analyse des données spatiales dans un grand nombre de disciplines, notamment les sciences de la terre, l'agriculture, la sylviculture, la météorologie, l'océanographie et plusieurs autres. Plus particulièrement, les géoscientifiques utilisent de plus en plus ces outils pour l'intégration et la gestion de données dans différents types d'applications environnementales, allant de la gestion des ressources en eau à l'étude du réchauffement climatique. Au delà de ces possibilités, les géoscientifiques doivent modéliser et simuler des champs spatiaux dynamiques et 3D et intégrer aisément les résultats de simulation à d'autres informations spatiales associées afin d'avoir une meilleure compréhension de l'environnement. Cependant, les SIG demeurent extrêmement limités pour la modélisation et la simulation des champs spatiaux qui sont habituellement tridimensionnels et dynamiques. Ces limitations sont principalement reliées aux structures de données spatiales actuelles des SIG qui sont bidimensionnelles et statiques et ne sont pas conçues pour aborder le 3D et les aspects dynamiques des champs spatiaux 3D. Par conséquent, l'objectif principal de ce travail de recherche est d'améliorer la capacité actuelle des SIG concernant la modélisation et la simulation des champs spatiaux dynamiques et 3D par le développement d'une structure de données spatiale 3D cinétique. Selon notre revue de littérature, la tetraèdrisation Delaunay dynamique 3D (DT) et sa structure duale, le diagramme Voronoi 3D (VD), ont un potentiel intéressant pour manipuler la nature tridimensionnelle et dynamique de ce genre de phénomène. Cependant, en raison de l'échantillonnage particulier des données utilisées dans les applications en géosciences, la tetraèdrisation Delaunay de telles données est souvent inadéquate pour l'intégration et la simulation numériques de champs dynamiques. Par exemple, dans une simulation hydrogéologique, les données sont réparties irrégulièrement i.e. verticalement denses et horizontalement clairsemées, ce qui peut résulter en une tessellation inadéquate dont les éléments seront soit très grands, soit très petits, soit très minces. La taille et la forme des éléments formant la tessellation ont un impact important sur l'exactitude des résultats de la simulation, ainsi que sur les coûts de calcul qui y sont reliés. Par conséquent, la première étape de notre travail de recherche est consacrée au développement d’une méthode de raffinement adaptative basée sur la structure de données Delaunay dynamique 3D et à la construction d’une tessellation 3D adaptative pour la représentation et la simulation de champs dynamiques. Cette tessellation s’ajuste à la complexité des champs, en considérant les discontinuités et les critères de forme et de taille. Afin de traiter le comportement dynamique des champs 3D dynamiques dans SIG, nous étendons dans la deuxième étape de cette recherche le VD 3D dynamique au VD 3D cinématique pour pouvoir mettre à jour en temps réel la tessellation 3D lors des procédés de simulation dynamique. Puis, nous montrons comment une telle structure de données spatiale peut soutenir les éléments en mouvement à l’intérieur de la tessellation ainsi que leurs interactions. La structure de données cinétique proposée dans cette recherche permet de gérer de manière élégante les changements de connectivité entre les éléments en mouvement dans la tessellation. En outre, les problèmes résultant de l'utilisation d’intervalles de temps fixes, tels que les dépassements et les collisions non détectées, sont abordés en fournissant des mécanismes très flexibles permettant de détecter et contrôler différents changements (événements) dans la tessellation Delaunay 3D. Enfin, nous étudions le potentiel de la structure de données spatiale cinétique 3D pour la simulation de champs dynamiques dans l'espace tridimensionnel. À cette fin, nous décrivons en détail les différentes étapes menant à l'adaptation de cette structure de données, de sa discrétisation pour des champs 3D continus à son intégration numérique basée sur une méthode événementielle. Nous démontrons également comment la tessellation se déplace et comment la topologie, la connectivité, et les paramètres physiques des cellules de la tessellation sont localement mis à jour suite à un événement topologique survenant dans la tessellation. Trois études de cas sont présentées dans la thèse pour la validation de la structure de données spatiale proposée, et de son potentiel pour la simulation de champs spatiaux 3D et dynamiques. Selon nos observations, pendant le procédé de simulation, la structure de données est préservée et l'information 3D spatiale est gérée adéquatement. En outre, les résultats calculés à partir des expérimentations sont très satisfaisants et sont comparables aux résultats obtenus à partir d'autres méthodes existantes, pour la simulation des mêmes champs dynamiques. En conclusion, certaines des limites de l'approche proposée liées au développement de la structure de données 3D cinétique et à son adaptation pour la représentation et la simulation d'un champ spatial 3D et dynamique sont discutées, et quelques solutions sont suggérées pour l'amélioration de l'approche proposée. / Geographic information systems (GIS) are widely used for representation, management and analysis of spatial data in many disciplines including geosciences, agriculture, forestry, metrology and oceanography etc. In particular, geoscientists have increasingly used these tools for data integration and management purposes in many environmental applications ranging from water resources management to global warming study. Beyond these capabilities, geoscientists need to model and simulate 3D dynamic spatial fields and readily integrate those results with other relevant spatial information in order to have a better understating of the environment. However, GIS are very limited for modeling and simulation of spatial fields which are mostly three dimensional and dynamic. These limitations are mainly related to the existing GIS spatial data structures which are 2D and static and are not designed to address the 3D and dynamic aspects of continuous fields. Hence, the main objective of this research work is to improve the current GIS capabilities for modeling and simulation of 3D spatial dynamic fields by development of a 3D kinetic data structure. Based on our literature review, 3D dynamic Delaunay tetrahedralization (DT) and its dual, 3D Voronoi diagram (VD), have many interesting potentials for handling the 3D and dynamic nature of those kind of phenomena. However, because of the special configurations of datasets in geosciences applications, the DT of such data is often inadequate for numerical integration and simulation of dynamic field. For example, in a hydrogeological simulation, the data form highly irregular set of points aligned in vertical direction and very sparse horizontally which may result in very large, small or thin tessellation elements. The size and shape of tessellation elements have an important impact on the accuracy of the results of the simulation of a field as well as the related computational costs. Therefore, in the first step of the research work, we develop an adaptive refinement method based on 3D dynamic Delaunay data structure, and construct a 3D adaptive tessellation for the representation and simulation of a dynamic field. This tessellation is conformed to represent the complexity of fields, considering the discontinuities and the shape and size criteria. In order to deal with the dynamic behavior of 3D spatial fields in a moving framework within GIS, in the second step, we extend 3D dynamic VD to 3D kinetic VD in the sense of being capable of keeping update the 3D spatial tessellation during a dynamic simulation process. Then, we show how such a spatial data structure can support moving elements within the tessellation and their interactions. The proposed kinetic data structure provides an elegant way for the management of the connectivity changes between moving elements within the tessellation. In addition, the problems resulting from using a fixed time step, such as overshoots and undetected collisions, are addressed by providing very flexible mechanisms to detect and manage different changes (events) in the spatial tessellation by 3D DT. Finally, we study the potentials of the kinetic 3D spatial data structure for the simulation of a dynamic field in 3D space. For this purpose, we describe in detail different steps for the adaption of this data structure from its discretization for a 3D continuous field to its numerical integration based on an event driven method, and show how the tessellation moves and the topology, connectivity, and physical parameters of the tessellation cells are locally updated following any event in the tessellation. For the validation of the proposed spatial data structure itself and its potentials for the simulation of a dynamic field, three case studies are presented in the thesis. According to our observations during the simulation process, the data structure is maintained and the 3D spatial information is managed adequately. Furthermore, the results obtained from the experimentations are very satisfactory and are comparable with results obtained from other existing methods for the simulation of the same dynamic field. Finally, some of the limitations of the proposed approach related to the development of the 3D kinetic data structure itself and its adaptation for the representation and simulation of a 3D dynamic spatial field are discussed and some solutions are suggested for the improvement of the proposed approach.