Spatial data warehouses (SDW) and spatial online analytical processing (SOLAP) enhance decision making by enabling spatial analysis combined with multidimensional analytical queries. A SDW is an integrated and voluminous multidimensional database containing both conventional and spatial data. SOLAP allows querying SDWs with multidimensional queries that select spatial data that satisfy a given topological relationship and that aggregate spatial data. Existing SDW and SOLAP applications mostly consider phenomena represented by spatial data having exact locations and sharp boundaries. They neglect the fact that spatial data may be affected by imperfections, such as spatial vagueness, which prevents distinguishing an object from its neighborhood. A vague spatial object does not have a precisely defined boundary and/or interior. Thus, it may have a broad boundary and a blurred interior, and is composed of parts that certainly belong to it and parts that possibly belong to it. Although several real-world phenomena are characterized by spatial vagueness, no approach in the literature addresses both spatial vagueness and the design of SDWs nor provides multidimensional analysis over vague spatial data. These shortcomings motivated the elaboration of this doctoral thesis, which addresses both vague spatial data warehouses (vague SDWs) and vague spatial online analytical processing (vague SOLAP). A vague SDW is a SDW that comprises vague spatial data, while vague SOLAP allows querying vague SDWs. The major contributions of this doctoral thesis are: (i) the Vague Spatial Cube (VSCube) conceptual model, which enables the creation of conceptual schemata for vague SDWs using data cubes; (ii) the Vague Spatial MultiDim (VSMultiDim) conceptual model, which enables the creation of conceptual schemata for vague SDWs using diagrams; (iii) guidelines for designing relational schemata and integrity constraints for vague SDWs, and for extending the SQL language to enable vague SOLAP; (iv) the Vague Spatial Bitmap Index (VSB-index), which improves the performance to process queries against vague SDWs. The applicability of these contributions is demonstrated in two applications of the agricultural domain, by creating conceptual schemata for vague SDWs, transforming these conceptual schemata into logical schemata for vague SDWs, and efficiently processing queries over vague SDWs. / Les entrepôts de données spatiales (EDS) et l'analyse en ligne spatiale (ALS) améliorent la prise de décision en permettant l'analyse spatiale combinée avec des requêtes analytiques multidimensionnelles. Un EDS est une base de données multidimensionnelle intégrée et volumineuse qui contient des données classiques et des données spatiales. L'ALS permet l'interrogation des EDS avec des requêtes multidimensionnelles qui sélectionnent des données spatiales qui satisfont une relation topologique donnée et qui agrègent les données spatiales. Les EDS et l'ALS considèrent essentiellement des phénomènes représentés par des données spatiales ayant une localisation exacte et des frontières précises. Ils négligent que les données spatiales peuvent être affectées par des imperfections, comme l'imprécision spatiale, ce qui empêche de distinguer précisément un objet de son entourage. Un objet spatial vague n'a pas de frontière et/ou un intérieur précisément définis. Ainsi, il peut avoir une frontière large et un intérieur flou, et est composé de parties qui lui appartiennent certainement et des parties qui lui appartiennent éventuellement. Bien que plusieurs phénomènes du monde réel sont caractérisés par l'imprécision spatiale, il n'y a pas dans la littérature des approches qui adressent en même temps l'imprécision spatiale et la conception d'EDS ni qui fournissent une analyse multidimensionnelle des données spatiales vagues. Ces lacunes ont motivé l'élaboration de cette thèse de doctorat, qui adresse à la fois les entrepôts de données spatiales vagues (EDS vagues) et l'analyse en ligne spatiale vague (ALS vague). Un EDS vague est un EDS qui comprend des données spatiales vagues, tandis que l'ALS vague permet d'interroger des EDS vagues. Les contributions majeures de cette thèse de doctorat sont: (i) le modèle conceptuel Vague Spatial Cube (VSCube), qui permet la création de schémas conceptuels pour des EDS vagues à l'aide de cubes de données; (ii) le modèle conceptuel Vague Spatial MultiDim (VSMultiDim), qui permet la création de schémas conceptuels pour des EDS vagues à l'aide de diagrammes; (iii) des directives pour la conception de schémas relationnels et des contraintes d'intégrité pour des EDS vagues, et pour l'extension du langage SQL pour permettre l'ALS vague; (iv) l'indice Vague Spatial Bitmap (VSB-index) qui améliore la performance pour traiter les requêtes adressées à des EDS vagues. L'applicabilité de ces contributions est démontrée dans deux applications dans le domaine agricole, en créant des schémas conceptuels des EDS vagues, la transformation de ces schémas conceptuels en schémas logiques pour des EDS vagues, et le traitement efficace des requêtes sur des EDS vagues. / O data warehouse espacial (DWE) é um banco de dados multidimensional integrado e volumoso que armazena dados espaciais e dados convencionais. Já o processamento analítico-espacial online (SOLAP) permite consultar o DWE, tanto pela seleção de dados espaciais que satisfazem um relacionamento topológico, quanto pela agregação dos dados espaciais. Deste modo, DWE e SOLAP beneficiam o suporte a tomada de decisão. As aplicações de DWE e SOLAP abordam majoritarimente fenômenos representados por dados espaciais exatos, ou seja, que assumem localizações e fronteiras bem definidas. Contudo, tais aplicações negligenciam dados espaciais afetados por imperfeições, tais como a vagueza espacial, a qual interfere na identificação precisa de um objeto e de seus vizinhos. Um objeto espacial vago não tem sua fronteira ou seu interior precisamente definidos. Além disso, é composto por partes que certamente pertencem a ele e partes que possivelmente pertencem a ele. Apesar de inúmeros fenômenos do mundo real serem caracterizados pela vagueza espacial, na literatura consultada não se identificaram trabalhos que considerassem a vagueza espacial no projeto de DWE e nem para consultar o DWE. Tal limitação motivou a elaboração desta tese de doutorado, a qual introduz os conceitos de DWE vago e de SOLAP vago. Um DWE vago é um DWE que armazena dados espaciais vagos, enquanto que SOLAP vago provê os meios para consultar o DWE vago. Nesta tese, o projeto de DWE vago é abordado e as principais contribuições providas são: (i) o modelo conceitual VSCube que viabiliza a criação de um cubos de dados multidimensional para representar o esquema conceitual de um DWE vago; (ii) o modelo conceitual VSMultiDim que permite criar um diagrama para representar o esquema conceitual de um DWE vago; (iii) diretrizes para o projeto lógico do DWE vago e de suas restrições de integridade, e para estender a linguagem SQL visando processar as consultas de SOLAP vago no DWE vago; e (iv) o índice VSB-index que aprimora o desempenho do processamento de consultas no DWE vago. A aplicabilidade dessas contribuições é demonstrada em dois estudos de caso no domínio da agricultura, por meio da criação de esquemas conceituais de DWE vago, da transformação dos esquemas conceituais em esquemas lógicos de DWE vago, e do processamento de consultas envolvendo as regiões vagas do DWE vago. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / Location of the public defense: Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, Brazil. / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Movement pattern mining involves the processing of movement data to understand the mobility behaviour of humans/animals. Movement pattern mining has numerous applications, e.g. traffic optimization, event planning, optimization of public transport and carpooling. The recent digital revolution has caused a wide-spread use of smartphones and other devices equipped with GPS. These devices produce a tremendous amount of movement data which contains valuable mobility information. Many interesting mobility patterns and algorithms to mine them have been proposed in recent years to mine different types of mobility behaviours, e.g. convoy, flock, group, swarm or platoon, etc. The drastic increase in the volumes of data being generated limits the use of these algorithms in the mining of movement patterns on real-world data sizes because of their lack of scalability.This thesis deals with three aspects of movement pattern mining, i.e. scalability, efficiency, and real-timeliness with a focus on convoy pattern mining. A convoy pattern is a group of objects moving together for a certain period. Mining of convoy pattern involves clustering of the movement dataset at each timestamp and then merging the clusters to form convoys. Clustering the whole dataset is a limiting factor in the scalability of existing algorithms. One way to solve the scalability problem is to mine convoys in parallel. Parallel mining can be done either using the existing distributed spatiotemporal data processing system like Parallel Secondo or by using a general distributed data processing system. We first test the scalability behaviour of Parallel Secondo for mining movement patterns and conclude that it is not an industrial grade system and its scalability is limited. An essential part of designing distributed data processing algorithms is the data partitioning strategy. We study three different data partitioning strategies, i.e. Object-based, spatial and temporal. We analyze their suitability to convoy pattern mining based on 5 properties, i.e. data exchange, data redundancy, partitioning cost, disk seeks and data ordering. Our study shows that the temporal partitioning strategy is best suited for convoy mining as it is easily parallelizable and less complicated. The observations in our study also apply to other movement pattern mining algorithms, e.g. flock, group or platoon, etc.Based on the temporal partitioning strategy, we propose a generic distributed shared nothing convoy mining algorithm called DCM which is linearly scalable concerning the data size, data density and the number of nodes. DCM can be implemented using any distributed data processing framework. For our experiments, we implemented the algorithm using the Hadoop MapReduce framework. It performs better than the existing sequential algorithms, i.e. CuTs family of algorithms by an order of magnitude on different computing architectures, e.g. single x86 machine, multi-core cluster with NUMA architecture and multi-node SMP clusters. Although DCM is a scalable distributed algorithm which can process huge datasets, the cost of maintaining the cluster is high. Also, the heavy computation it incurs because of the requirement of clustering the whole dataset is not resource-efficient.To solve the efficiency problem of DCM, we propose a new sequential algorithm called k/2-hop which even being a sequential algorithm can perform orders of magnitude faster than the existing state-of-the-art sequential as well as distributed algorithms. The main strength of the algorithm is its pruning capability. Our experiments show that it can prune up to 99% of the data. k/2-hop uses a notion of benchmark points which are timestamps separated by k/2 timestamps where k is the minimum length of the convoys to be mined. We prove that to be able to mine maximal convoys; we need to cluster the data belonging to the benchmark points only. For the timestamps between two consecutive benchmark points, we propose an efficient mining algorithm called the Hop Window Mining Tree (HWMT). HWMT clusters the data corresponding to only those objects that are part of a cluster in the benchmark points. k/2-hop is a batch algorithm that can mine convoys very fast, but we only get the result when the complete dataset has been processed. Also, it requires the data to be indexed for better performance and thus cannot be used in real-time scenarios. We propose a streaming variant of the k/2-hop algorithm which does not require the input dataset to be indexed and can process a stream of data. It outputs the mined convoys as and when they are discovered. The streaming k/2-hop algorithm is very memory efficient and can process data that is many times bigger than the memory made available to the algorithm. We show through experiments that if we include the data loading and indexing time in the runtime of the k/2-hop algorithm, streaming k/2-hop is the fastest convoy mining algorithm to date. Convoy pattern is part of a bigger category of co-movement patterns, and most of the observations (if not all) made in this thesis about convoy pattern mining also apply to other patterns of the category such as flock, group or platoon, etc. This applicability means that a generic batch and streaming distributed co-movement pattern mining framework can be build using the k/2 technique. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Grâce aux technologies web et mobiles, le partage de données entre utilisateurs a considérablement augmenté au cours des dernières années. Par exemple, les utilisateurs peuvent facilement enregistrer leurs trajectoires durant leurs déplacements quotidiens avec l'utilisation de récepteurs GPS et les mettre en relation avec les trajectoires d'autres utilisateurs. L'analyse des trajectoires des utilisateurs au fil du temps peut révéler des habitudes et préférences. Cette information peut être utilisée pour recommander des contenus à des utilisateurs individuels ou à des groupes d'utilisateurs avec des trajectoires ou préférences similaires. En revanche, l'enregistrement de points GPS génère de grandes quantités de données. Par conséquent, les algorithmes de clustering sont nécessaires pour analyser efficacement ces données. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude des différentes solutions pour analyser les trajectoires, extraire les préférences et identifier les intérêts similaires entre les utilisateurs. Nous proposons un algorithme de clustering de trajectoires GPS. En outre, nous proposons un algorithme de corrélation basée sur les trajectoires des points proches entre deux ou plusieurs utilisateurs. Les résultats finaux ouvrent des perspectives intéressantes pour explorer les applications des réseaux sociaux basés sur la localisation.

Sub-Saharan African (SSA) cities are some of the most rapid-growing regions inthe world. As estimated by the United Nations, more than 50% of the Africanpopulation will reside in cities by 2030 while in absolute numbers, its population willhave doubled - from 1.2 billion in 2015 to 2.5 billion by 2050. This ongoing shift hasdramatically affected the capacity of several SSA cities to provide essential servicesfor its residents, such as durable housing, employment and healthcare accessibility.On the contrary, the proliferation of slums, further marginalizing the urban poor hasbeen an undisputed observation of the last years. It is therefore profound, that effortsto improve the quality of life of urban dwellers are needed. A starting point to do so,it to provide relevant authorities, stakeholders and organizations with useful socioeconomic,demographic and health indicators of the urban dwellers. Nonetheless, Inlarge parts of SSA, this type of critical information is at best scarce and at worstnon-existent and certainly not suited for sophisticated intra-urban analyses.This thesis harnesses the strength of very-high-resolution (VHR) satellite remotesensing to provide multi-level (physical, socio-economic, demographic and epidemiological)representations of the urban surface in several major SSA cities. First, cuttingedge advances relevant to the classification of urban land cover are presented.Afterwards, an assessment and evaluation of the potential of VHR satellite imageryas input to population estimation, household wealth and malaria risk models atunprecedented resolutions is investigated. The conclusions of this work encouragethe systematic exploitation of VHR data to support evidence-based decision makingshaping the sustainable future of SSA cities. / Doctorat en Sciences / In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of ULB’s products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink. If applicable, University Microfilms and/or ProQuest Library, or the Archives of Canada may supply single copies of the dissertation / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'enclavement des territoires de la Politique de la ville fait l'objet d'un débat. D'un côté, l'image des zones urbaines sensibles comme enclavées est forte dans les discours sur la ville et dans les représentations collectives. D'un autre côté, cet enclavement est nuancé, voire réfuté, par de nombreux chercheurs qui suggèrent de se concentrer sur les facteurs socio-économique de l'exclusion de leurs habitants. Positionnée à « l’entre-deux » entre sciences humaines et sociales et géomatique, cette thèse élabore une méthode générique de mesure de l'enclavement dans les espaces urbains à l'aide d'un système d'information géographique. Nous questionnons ainsi l'apport de la géomatique à une problématique relevant jusque-là de disciplines comme la géographie, la sociologie ou l'urbanisme. Nous entendons l'enclavement comme une situation de faible potentiel de contact avec l'altérité, qui réduit les échanges entre une entité et le reste du territoire, et provoque une mise à l'écart de ses habitants. Nous proposons de distinguer trois dimensions de l'enclavement : la Fermeture, l'Isolement et la Différenciation. Ces trois dimensions structurent notre méthode. Chacune renvoie à des axes de recherche différents – les coupures urbaines, les mobilités piétonnes, la caractérisation de la forme urbaine, l'accessibilité, la mesure de ségrégation – que nous mobilisons pour construire des indicateurs géographiques d'enclavement. Nous appliquons ensuite cette méthode aux zones urbaines sensibles. Cette application spécifique nous permet à la fois de valider notre méthode, en recoupant des résultats connus avec d'autres approches (urbanisme, sociologie), et à la fois de contribuer au débat sur l'enclavement des territoires de la Politique de la ville au moyen d'une approche quantitative / In France, there is a debate in Urban Policies: are the “zones urbaines sensibles”, underprivileged urban areas benefiting from specific public policies, suffering from geographical isolation ? On the one hand, these areas are perceived in collective representations as “enclaves” where inhabitants are blocked in their district. On the other hand, this isolation is nuanced, even refuted, by many researchers who suggest focusing on the socio-economic factors of exclusion.With an approach in between social sciences and geomatics, this PhD thesis develops a generic method of measuring geographical isolation in urban spaces by using a geographic information system. We aims to question the contribution of geomatics to a debate that until then belong to disciplines such as geography, sociology or planning.We define geographical isolation as a situation of weak potential for contact with otherness, which reduces the exchanges between an entity and the rest of the territory, and causes the severance of its inhabitants. We propose to distinguish three dimensions of geographical isolation: Enclosing, Remoteness and Differentiation. These three dimensions give a frame to our method. Each refers to different fields of research – “community severance” or “barrier effect”, pedestrian mobility, characterization of urban form, accessibility, segregation measure – that we mobilize to construct indicators of geographical isolation.We then apply this method to the “zones urbaines sensibles”. This specific application enables us both to validate our method, by combining known results with other approaches (planning, sociology), and both to contribute to the debate on the geographical isolation of the “zones urbaines sensibles” with a quantitative approach

Le perfectionnement des modes d’acquisition 3D (relevés laser, photographiques, etc.) a conduit à la multiplication des données 3D géolocalisées disponibles. De plus en plus de villes mettent leur modèle numérique 3D à disposition en libre accès. Pour garantir l’interopérabilité des différentes sources de données, des travaux ont été effectués sur la standardisation des protocoles d’échange et des formats de fichier. En outre, grâce aux nouveaux standards du Web et à l’augmentation de la puissance des machines, il est devenu possible ces dernières années d’intégrer des contenus riches, comme des applications 3D, directement dans une page web. Ces deux facteurs rendent aujourd’hui possible la diffusion et l’exploitation des données tridimensionnelles de la ville dans un navigateur web. Ma thèse, dotée d’un financement de type CIFRE avec la société Oslandia, s’intéresse à la représentation tridimensionnelle de la ville sur le Web. Plus précisément, il s’agit de récupérer et de visualiser, à partir d’un client léger, de grandes quantités de données de la ville sur un ou plusieurs serveurs distants. Ces données sont hétérogènes : il peut s’agir de la représentations 3D des bâtiments (maillages) et du terrain (carte de hauteur), mais aussi d’informations sémantiques telles que des taux de pollution (volumes), la localisation de stations de vélos (points) et le nombre de vélos disponibles, etc. Durant ma thèse, j’ai exploré différentes manières d’organiser ces données dans des structures génériques afin de permettre une transmission progressive de fortes volumétries de données 3D. La prise en compte de l’aspect multi-échelle de la ville est un élément clef de la conception de ces structures.L’adaptation de la visualisation des données à l’utilisateur est un autre grand axe de ma thèse. Du fait du grand nombre de cas d’utilisations existants pour la ville numérique, les besoins de l’utilisateur varient grandement : des zones d’intérêts se dégagent, les données doivent être représentées d’une manière spécifique... J’explore différentes manières de satisfaire ces besoins, soit par la priorisation de données par rapport à d’autres lors de leur chargement, soit par la génération de scènes personnalisés selon les préférences indiquées par l’utilisateur. / Advances in 3D data acquisition techniques (laser scanning, photography, etc.) has led to a sharp increase in the quantity of available 3D geolocated data. More and more cities provide the scanned data on open access platforms. To ensure the intercompatibility of different data sources, standards have been developed for exchange protocols and file formats. Moreover, thanks to new web standards and the increase in processing power of personal devices, it is now possible to integrate rich content, such as 3D applications, directly in a web page. These two elements make it possible to share and exploit 3D city data into a web browser.The subject of my thesis, co-financed by the Oslandia company, is the 3D representation of city data on the Web. More precisely, the goal is to retrieve and visualize a great quantity of city data from one or several distant servers in a thin client. This data is heterogenous: it can be 3D representations of buildings (meshes) or terrain (height maps), but also semantic information such as pollution levels (volume data), the position of bike stations (points) and their availability, etc. During my thesis, I explored various ways of organising this data in generic structures in order to allow the progressive transmission of high volumes of 3D data. Taking into account the multiscale nature of the city is a key element in the design of these structures. Adapting the visualisation of the data to the user is another important objective of my thesis. Because of the high number of uses of 3D city models, the user’s needs vary greatly: some specific areas are of higher interest, data has to be represented in a certain way... I explore different methods to satisfy these needs, either by priroritising some data over others during the loading stage, or by generating personalised scenesbased on a set of preferences defined by the user.

Le développement rapide de l’informatique mobile a donné lieu à l’apparition et à la popularisation de téléphones mobiles dits intelligents ou smart phones (ex.: iPhone, HTC, etc.) dont le nombre et les performances sans cesse croissantes en font de potentielles plateformes alternatives aux ordinateurs de bureau. Cette avancée technologique a contribué à l’émergence d’une nouvelle catégorie d’acteurs du monde des affaires n’ayant pas de bureau fixe, travaillant directement sur le terrain dans divers endroits (à la maison, en voiture, en avion, chez le client, à l’hôtel, chez le fournisseur, etc.) à l’aide d’équipements mobiles ou nomades, et se déplaçant partout où les affaires l’exigent pour assurer la compétitivité de leurs organisations: ce sont les travailleurs mobiles parmi lesquels on retrouve un grand nombre de décideurs. Étant donné ce monde des affaires de plus en plus compétitif où les gens d’affaires sont de plus en plus mobiles et confrontés à la nécessité de prendre des décisions de plus en plus rapides et efficaces basées sur des analyses pertinentes, l’aide à la prise de décision en mobilité s’avère indispensable. Pour leur apporter une telle aide, la présente thèse de doctorat propose d'aller au-delà du simple accès à distance à une plateforme d’intelligence d’affaire géo-spatiale ou non géo-spatiale (GeoBI/BI) comme le proposent les solutions actuelles. Elle propose de prendre également en considération la localisation et le contexte de travail du décideur/analyste mobile dans l’aide à la décision, et d’enrichir sémantiquement les données d’affaire. Afin de proposer une telle solution de GeoBI mobile sémantiquement augmentée et sensible au contexte mobile du décideur, la présente thèse s’est attelée d’une part à identifier, modéliser et enrichir les informations contextuelles pertinentes pour supporter un raisonnement GeoBI basé sur le contexte, et s’est évertuée d’autre part à proposer une solution d’augmentation sémantique des données d’affaire GeoBI qui permettrait de mettre en exergue les [cor]relations sémantiques pouvant exister entre les données. Un prototype mettant en œuvre une application mobile sensible au contexte et une architecture orientée services web a été développé et testé comme preuve de concept. Les tests ont montré que celui-ci permettait par exemple de soumettre et de visualiser le resultat de requêtes contextuelles du type : « dans un rayon de 5 km autour de ma position actuelle, quelles sont les compagnies partenaires ayant des relations de concurrence avec nos actionnaires et dont le chiffre d’affaire des deux années précédentes dépasse chacune le million ; les relations de partenariat/actionnariat pouvant être transitives, symétriques ou avoir la même sémantique ? » / The rapid development of mobile computing has enabled the emergence and popularization of mobile devices whose increasing number and computing capabilities position them as potential alternative platforms to desktop computers. This technological progress has contributed to the emergence of a new category of business actors having no permanent workplaces, spending very short time in their offices, working directly on the field in various locations (home, car, plane, with the client at the hotel at the supplier, etc.) by using mobile and nomadic devices, and moving to places where business requires them: these are mobile workers including a large number of decision makers. Given this increasingly competitive business world where decision makers are increasingly mobile and are facing the need to take faster and suitable decisions based on relevant analysis, these mobile business people deserve to be supported with appropriate mobile decision support systems (DSS). To give an improved support to these mobile business professionals, this PhD thesis proposes to go further than just allowing a simple remote access to a Geospatial or non-geospatial Business Intelligence (GeoBI/BI) platform as do current solutions. It also proposes to take into account the location and the context of mobile professionals, and to enrich semantically BI data. To propose such a semantically augmented and context-based mobile GeoBI solution, the present thesis has endeavored on the one hand, to identify, model and enrich contextual information that is relevant to support GeoBI context-based reasoning. On the other hand, it has strived to provide a solution that semantically enriches business data in order to help decision makers discover semantic [cor]relations which might exist between the data. A prototype implementing a context-aware mobile application and a services-oriented architecture has been developed and tested as a proof of concept. These tests has shown among other things, that the prototype was able to answer and visualize the result of contextual queries such as: “Within 5 km around my current position, what are partnering companies that are competing with our owners; with the possibility of partnership/ownership relationships to be transitive, symmetric, or have the same semantics?”

Le délai troposphérique subi par les signaux GPS entre les satellites et le récepteur affecte la précision du positionnement mais contient aussi de l'information utile sur l'état de la troposphère. Le délai troposphérique consiste en une composante hydrostatique et une composante humide qu'il est possible de séparer. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS, où la position des sites est connue avec précision, et en utilisant l'information sur les délais en pente humides (SWD, de l'anglais Slant Wet Delays) estimés entre chaque station et tous les satellites visibles, il est possible de dresser un modèle en trois dimensions de la réfractivité humide au-dessus du réseau. La présente recherche porte sur l'utilisation de fonctions en séries de Taylor en trois dimensions afin de modéliser la réfractivité humide. Un réseau permanent de 43 stations en Suisse a été utilisé afin d'estimer en post-traitement les SWD et de les utiliser comme données d'entrée au modèle de la réfractivité humide proposé. Cette modélisation permet de calculer les délais troposphériques zénithaux humides en tout point à l'intérieur du réseau pour que d'autres récepteurs GPS qui ne font pas partie du réseau puissent corriger l'effet troposphérique. Une comparaison des résultats a été effectuée par rapport à l'utilisation traditionnelle d'une atmosphère standard et un facteur d'amélioration moyen de 30\% a été atteint. D'autre part, des données météorologiques recueillies dans des stations indépendantes du réseau GPS ont été utilisées afin de valider les valeurs de réfractivité humides calculées par le modèle. La concordance entre ces valeurs et celles de validation est à 2 unités près en moyenne. / Le délai troposphérique subi par les signaux GPS entre les satellites et le récepteur affecte la précision du positionnement mais contient aussi de l'information utile sur l'état de la troposphère. Le délai troposphérique consiste en une composante hydrostatique et une composante humide qu'il est possible de séparer. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS, où la position des sites est connue avec précision, et en utilisant l'information sur les délais en pente humides (SWD, de l'anglais Slant Wet Delays) estimés entre chaque station et tous les satellites visibles, il est possible de dresser un modèle en trois dimensions de la réfractivité humide au-dessus du réseau. La présente recherche porte sur l'utilisation de fonctions en séries de Taylor en trois dimensions afin de modéliser la réfractivité humide. Un réseau permanent de 43 stations en Suisse a été utilisé afin d'estimer en post-traitement les SWD et de les utiliser comme données d'entrée au modèle de la réfractivité humide proposé. Cette modélisation permet de calculer les délais troposphériques zénithaux humides en tout point à l'intérieur du réseau pour que d'autres récepteurs GPS qui ne font pas partie du réseau puissent corriger l'effet troposphérique. Une comparaison des résultats a été effectuée par rapport à l'utilisation traditionnelle d'une atmosphère standard et un facteur d'amélioration moyen de 30\% a été atteint. D'autre part, des données météorologiques recueillies dans des stations indépendantes du réseau GPS ont été utilisées afin de valider les valeurs de réfractivité humides calculées par le modèle. La concordance entre ces valeurs et celles de validation est à 2 unités près en moyenne.

En raison de l’agglomération complexe des infrastructures souterraines dans les grandes zones urbaines et des préoccupations accrues des municipalités ou des gouvernements qui déploient des systèmes d’information foncière ou des industries qui souhaitent construire ou creuser, il devient de plus en plus impératif de localiser et de cartographier avec précision les pipelines, les câbles d’énergie hydroélectrique, les réseaux de communication ou les conduites d’eau potable et d’égout. Le géoradar (Ground Penetrating Radar ou GPR) est un outil en géophysique qui permet de produire des images en coupe du sous-sol desquelles de l’information utile sur les infrastructures souterraines peut être tirée. Des expériences antérieures et une analyse documentaire approfondie ont révélé que les logiciels disponibles pour réaliser des levés GPR qui sont utilisés directement sur le terrain et hors site ne reposent pas ou très peu sur des fonctionnalités géospatiales. En outre, l’intégration de données telles que la visualisation de données GPR dans des espaces géoréférencés avec des orthophotos, des cartes, des points d’intérêt, des plans CAO, etc., est impossible. Lorsque disponible, l’ajout d’annotations ou l’interrogation d’objets géospatiaux susceptibles d’améliorer ou d’accélérer les investigations ne proposent pas des interfaces conviviales. Dans ce projet de recherche, une nouvelle approche est proposée pour déployer le GPR et elle est basée sur quatre fonctionnalités issues du Web et des systèmes d’information géographique (WebGIS) jugées essentielles pour faciliter la réalisation de levés GPR sur le terrain. Pour démontrer la faisabilité de cette nouvelle approche, une extension de la plate-forme logicielle existante GVX (conçue et vendue par Geovoxel) appelée GVX-GPR a été développée. GVX-GPR propose aux utilisateurs d’instruments GPR quatre fonctionnalités soit 1) intégration de cartes, 2) géo-annotations et points d’intérêt, 3) géoréférencement et visualisation de radargrammes et 4) visualisation de sections GPR géoréférencées. Afin de tester l’approche WebGIS et GPXGPR, deux sites d’étude ont été relevés par deux professionnels différents, un expert et un non-expert en géophysique, ont été sélectionnés. Une première expérimentation réalisée sur le campus de l’Université Laval à Québec prévoyait l’identification de trois objets enterrés soit un câble électrique, une fibre optique et un tunnel dont leur position XYZ était connue. Le deuxième essai s’est passé à l’Universidade Federal do Rio de Janeiro (Rio de Janeiro, Brésil), avec un professionnel expert en géophysique. Ce 2e site cherchait à reproduire un environnent plus réaliste avec une quantité inconnue d’objets enterrés. Les quatre fonctionnalités proposées par GVX-GPR ont donc été testées et leur intérêt discuté par les deux utilisateurs GPR. Les deux utilisateurs GPR se sont dits très intéressés par l’outil GVX-GPR et ses nouvelles fonctionnalités et ils aimeraient pouvoir l’intégrer à leur travail quotidien car ils y voient des avantages. En particulier, l’approche et GVX-GPR les a aidés à découvrir de nouvelles cibles, à délimiter le territoire à couvrir, à interpréter les données GPR brutes en permettant l’interaction entre les données géospatiales (en ligne) et les profils de données GPR, et finalement pour la cartographie à produire tout en respectant la norme CityGML (donc utile au partage éventuel des données). De même, une fois le système maitrisé, GVX-GPR a permis d’optimiser la durée du levé. Ce projet de maitrise a donc permis d’élaborer une nouvelle approche pour effectuer des levés GPR et proposer un outil logiciel pour tester la faisabilité de celle-ci. Une première étape de validation de la faisabilité et de l’utilité a été réalisée grâce aux deux tests effectués. Évidemment, ces deux tests sont des premiers pas dans une phase plus large de validation qui pourrait s’effectuer, et ils ont ouvert la porte à des ajustements ou l’ajout d’autres fonctionnalités, comme la manipulation des outils de visualisation 3D et l’ajout de filtres et traitement de signal. Nous estimons néanmoins ces premiers tests concluant pour ce projet de maîtrise, et surtout ils démontrent que les instruments GPR gagneraient à davantage intégrer les données et fonctionnalités géospatiales. Nous pensons également que nos travaux vont permettre à des communautés de non spécialistes en géophysique de s’intéresser aux instruments de type GPR pour les levés d’objets enfouis. Notre approche pourra les aider à préparer les données géospatiales utiles à la planification, à effectuer le levé terrain et à produire les cartes associées / Due to the complex agglomeration of underground infrastructures in large urban areas and accordingly increased concerns by municipalities or government who deploy land information systems or industries who want to construct or excavate, it is imperative to accurately locate and suitability map existing underground utility networks (UUN) such as pipelines, hydroelectric power cables, communication networks, or drinking water and sewage conduits. One emerging category of instrument in geophysics for collecting and extracting data from the underground is the ground penetrating radar (GPR). Previous experiments and a thorough literature review revealed that GPR software used in and off the field do not take advantage of geospatial features and data integration such as visualization of GPR data in a georeferenced space with orthophotographies, map, point of interest, CAD plans, etc. Also missing is the capability to add annotation or querying geospatial objects that may improve or expedite the investigations. These functions are long-lived in the geospatial domain, such as in geographic information system (GIS). In this research project, a new approach is proposed to deploy GPR based on four core WebGIS-enabled features, used to support field investigations with GPR. This WebGIS is based on an existing platform called GVX, designed and sold by Geovoxel as a risk management tool for civil engineering projects. In this proposed approach, a generic guideline based on GVX-GPR was developed which users can follow when deploying GPR. This approach is based on four core features which are missing on most GPR software, (1) map integration, (2) geo-annotations and points of interest, (3) radargram georeferencing and visualization, and (4) georeferenced slice visualization. In order to test the designed WebGIS-based approach, two different professionals, an expert in geophysics and a person without any background in geophysics, used the proposed approach in their day-to-day professional practice. The first experiment was conducted at Université Laval (Québec – Canada) when the subject undertook an area to a survey in order to identify 3 possible targets premapped. The second, with a Geophysics-specialist, took place in Rio de Janeiro, at Universidade Federal do Rio de Janeiro’s campus. This study covered an area counting on an unknown number of buried objects, aiming at reproducing a realistic survey scenario. Four new feature were added and discussed with GPR practitioners. Both GPR user declared to be very interested by the proposed by the tool GVX-GPR and its features, being willing to apply this software on their daily basis due to the added advantages. Particularly, this approach has aided these professionals to find new buried objects, delimit the survey area, interpret raw GPR data by allowing geospatial data interaction and GPR profiles, and, finally, to produce new maps compliant with standards such as CityGML. Also, once mastered, the technology allowed the optimization of survey time. This project enabled the development of a new approach to leverage GPR surveys and proposed a new tool in order to test the approach’s feasibility. A first step into the validation of this proposal has been taken towards a feasibility and utility evaluation with two tests accomplished. Unmistakably, these are the first steps of a likely larger validation process, opening up new possibilities for the continuity of the project such as the addition of signal processing techniques and 3D data handling. We nevertheless consider these conclusive for this master’s project, above all demonstrating the value add by geospatial data integration and functions to GPR instruments. This work is also intended to the community of newcomers, or interested in GPR, to further explore this technology, since this approach shall facilitate the preparation, execution, and post-processing phases of a GPR survey.

Les apports d’un cadastre 3D ont été démontrés par plusieurs chercheurs et organisations. Malgré ces nombreux travaux, très peu d’analyses et de synthèses sont proposées quant à l’utilité ou les usages spécifiques d’une représentation volumique (3D) cadastral dans le contexte particulier d’une gestion municipale. Dans ce sens, l’objectif principal de cette étude est de mieux connaître les usages actuels et besoins des gestionnaires municipaux en matière de représentation volumique cadastrale lorsque des propriétés sont superposées (cas spécifique où la 3e dimension géométrique est perçue comme étant intéressante). L’étude porte spécifiquement sur les cas indiqués comme étant du cadastre vertical du système du cadastre du Québec géré par le ministère des Ressources naturelles du Québec (MRN) et son usage dans certaines villes et municipalités québécoises. Les résultats sont présentés sous forme d’une enquête menée auprès d’un échantillon d’usagers municipaux et par la proposition de mécanismes menant à la production la plus automatisée possible de modèles 3D réalisés à partir des plans complémentaires issus du système du cadastre du Québec. Un sondage sur les usages actuels des plans cadastraux du Québec et des plans complémentaires du cadastre vertical a été effectué auprès d’intervenants municipaux responsables de la géomatique et de la gestion territoriale dans leur municipalité. 48 répondants des 36 municipalités ont participé au sondage, soit 32 répondants de 21 différentes villes, 15 répondants de 15 Municipalité régionale de comté (MRC) et un répondant de la Communauté Métropolitaine de Montréal. Les résultats montrent que 91% des acteurs municipaux sondés utilisent les plans cadastraux et lorsque des situations de superposition verticale des propriétés existent, où le cadastre vertical est disponible, 84% des répondants exploitent effectivement les plans complémentaires dans leurs activités professionnelles. Les répondants ont confirmé un réel besoin de posséder une représentation volumique cadastrale puisque que 81% ont répondu vouloir disposer de ce genre de représentation. Les mêmes usages que ceux des plans cadastraux sont envisagés pour la 3D soit comme appui aux systèmes qui servent à la taxation, à l'émission des permis de construction, au zonage et à l'aménagement du territoire et urbanisme. En termes de contenu de la représentation volumique, les mesures officielles (i.e. la longueur des limites, la superficie et le volume), la distinction entre les lots privés et communs et la géométrie volumique des lots sont jugées nécessaires par 85% des répondants. Finalement, une procédure qui se décline en deux grandes étapes de vectorisation et de modélisation 3D est proposée pour la construction automatisée d’une représentation volumique à partir des fichiers PDF des plans complémentaires. Celle-ci a été testée sur un condominium de trois étages, et prend 17 minutes avec 64 interventions pour la compléter. / Several researches and organizations have demonstrated the role of 3D volumetric representation in cadastral systems. Nevertheless, only a few have examined the usefulness and applications of 3D cadastral representations in municipal management. Thereupon, the principal objective of this study is to better understand the current and anticipated needs for the applications of 3D cadastral representations in municipal management in case of super-imposed properties (where the 3rd geometric dimension is foreseen as appealing). The research specifically investigates the case of vertical cadaster as noted in Quebec’s cadastral system arranged by the Ministry of Natural Resources (MNR) of Quebec Province as well as its application in number of cities and municipalities across the province. This study presents the interests as well as the requirements based on an inquiry among several municipal partners. Moreover, a mechanism is proposed to automate, as much as possible, the procedure to reconstruct cadastral 3D models from the complementary plans (vertically super-imposed data) which exist in Quebec’s cadastral system. A user survey targeting the actual applications of cadastral maps of Quebec as well as the complementary plans of the vertical cadaster was carried out among the municipal authorities who are responsible for geomatics and land management across the province. Totally, 48 participants from 36 municipalities responded to the survey. This includes 21 cities (32 participants), fifteen regional county municipalities (fifteen participants), and one metropolitan community (one participant). The results show that 91% of the participating municipal actors use cadastral maps. In case of super-imposed properties, where vertical cadaster is available, 84% of the respondents effectively benefit from the complementary plans for regulating the respective professional activities. The respondents have confirmed a real need for volumetric cadastral representation as 81% of them would like to have such representation at their disposal. 3D cadastral models have been considered useful to enhance the principal usages of cadastral maps such as taxation, issuance of construction permits, and regional and urban planning. In terms of content, 85% of the respondents indicate that the capabilities to represent the official measures (i.e. length of limits and edges, area, and volume), to distinguish between private and common lots, and to provide the volumetric geometry of the lots are among the necessary requirements of volumetric cadastral representations. Finally, a two-step procedure (vector digitization followed by 3D modeling) is proposed to improve the automation of volumetric cadastral reconstruction from image-form complementary plans (stored in PDF files). This procedure has been tested on a three-story condominium and takes 64 interventions in 17 minutes to complete.