La morphologie de l’île tropicale volcanique de la Réunion (Océan Indien) est caractérisée par des vallées fortement incisées et des structures pluri-kilométriques particulières de forme circulaire appelées « cirques ». Ces morphologies sont présentes à la fois sur les flancs du volcan éteint, le Piton des Neiges, et sur les flancs du volcan en activité, le Piton de la Fournaise. Elles témoignent des processus d’érosion et de transport sédimentaire intenses qui s’y produisent. L’intensité de ces processus est liée à la fois au relief prononcé et aux évènements météorologiques extrêmes, les cyclones, durant lesquels de fortes pluies provoquent un ruissèlement important sur les versants et les crues des rivières. Ces crues, d’un débit qui peut atteindre plusieurs milliers de mètres cubes d’eau par seconde, sont responsables d’un transport important des sédiments vers la côte. Dans ce travail, nous avons testé des solutions permettant de mesurer des volumes sédimentaires érodés et transportés par l’utilisation de données de télédétection multi-sources. En effet l’intensité des crues ne permet pas une mesure précise des volumes sédimentaires transportés par les rivières durant les cyclones, les appareils de mesures classiques ne résistant pas à ces évènements très énergétiques. Nous avons donc développé des méthodologies d’acquisition et de traitement de la topographie par LiDAR terrestre et par imagerie optique acquises depuis un ULM. Ces deux techniques ont été mises en oeuvre sur le terrain en mai 2014 et en mai 2015. De plus, afin d’étendre la période temporelle des observations nous avons valorisé les données d’archives d’imagerie aérienne qui existent depuis 1949 sur l’île. Nous avons calculé des MNT diachroniques, et nous avons développé une méthodologie de corrélation d’images SPOT-5 en contexte tropical fortement végétalisé.Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer le potentiel de la télédétection afin d’affiner les connaissances sur les volumes de sédiments érodés et transportés en contexte volcanique tropical. / The morphology of the tropical volcanic island of la Réunion (Indian Ocean) is characterized by deeply incised canyons and plurikilometric structures with a circular shape called cirques. These morphologies are present both on the slope of the extinct volcano, the Piton des Neiges, and the active volcano, the Piton de la Fournaise, and are the consequence of intense sedimentary erosion and transport processes. The intensity of these processes is linked to the pronounced surface relief and to extreme meteorological events, such as cyclones, during which heavy rainfall causes significant runoff on hillslopes and subsequent river floods. During extreme floods, flows can reach several thousands of cubic meters per second, and is the primary mechanism responsible for the transport of sediment to the seashore.The intensity of extreme floods makes precise measurements of the sedimentary volumes transported by rivers during cyclones difficult because typical in-situ measuring devices are not able to withstand such energetic events. In this work, novel solutions to measure eroded and transported sedimentary material using multi-source remote-sensing data are evaluated. Methods were developed to acquire and process topographic data using terrestrial LiDAR and optical imagery, with photographs acquired from a microlight. These techniques were implemented on the island in May 2014 and May 2015. Furthermore, in order to extend the temporal observation period, archived aerial images acquired since 1949 over the island were used. Diachronic DEMs were processed and a methodology for SPOT-5 image correlation in a densely vegetated tropical context was developed.This work opens new possibilities to explore the potential of remote-sensing techniques in order to better understand the erosion and transport of sediment volumes in this tropical volcanic context.

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Du point de vue écologique, les efforts de tension ou de compression développés par la maturation du bois au cours de la croissance permettent à l'arbre de maintenir sa posture verticale face à la gravité. Ces efforts, appelés autocontraintes de maturation, résultent de la mise en place d'un bois particulier, le bois de réaction. Sur le plan mécanique, c'est la dissymétrie des autocontraintes entre les deux faces du tronc de l'arbre qui joue un rôle moteur dans le redressement, qui s'exprime par une courbure. Ce travail vise à développer de nouveaux outils théoriques et métrologiques pour étudier le lien entre morphologie de l'arbre et autocontraintes dans un cadre biomécanique et écologique. Une première approche vise à mettre en relation la dynamique de croissance et la compétition du peuplement avec la morphologie et la réaction de contrôle de la posture des arbres. Elle utilise des données issues d'un essai sylvicole de long terme (plantations de hêtres de différentes densités initiales laissées en croissance pendant 26 ans). L'analyse rétrospective de la production du bois de réaction sur des rondelles prélevées sur ces arbres a permis d'évaluer les différentes composantes du mouvement gravitropique au cours du temps. Une loi d'échelle, établie entre la vitesse de courbure et la circonférence des tiges, montre (i) l'effet prépondérant du diamètre de la tige dans sa capacité de réaction, et (ii) l'absence d'effet additionnel de la compétition. En fin d'expérience, l'évaluation de la morphologie des arbres a permis de confirmer le lien entre l'inclinaison et l'élancement de la tige avec les indicateurs de contraintes de croissance. D'un point de vue mécanique, la morphologie de l'arbre s'interprète (i) par la forme de sa tige (inclinaison et courbures), et (ii) par la distribution spatiale de sa biomasse, qui peuvent fournir des variables biomécaniques candidates pour élaborer des modèles de stimulus-réponse. Ainsi, un important travail méthodologique couplant la technologie LiDAR terrestre (un instrument de numérisation laser 3D très prometteur pour les mesures forestières) à des techniques de modélisation géométrique a permis d'obtenir des maquettes 3D précises de la structure ligneuse d'arbres de différentes espèces. Les maquettes ont permis de modéliser la contrainte de flexion exercée par la biomasse aérienne des arbres en vue d'une mise en relation avec les indicateurs de contraintes de croissance mesurées sur leur grume. Les résultats montrent que la contrainte de flexion est une variable très prometteuse pour évaluer le degré de réaction des arbres. La méthodologie ouvre également des perspectives originales pour le suivi temporel de la morphologie de l'arbre en lien avec son interprétation biomécanique. / From an ecological point of view, the tension or compression stresses developed by wood maturation during growth allow the tree to maintain its vertical posture against gravity. These stresses, called growth stresses, results from the formation of a particular wood called reaction wood. From a mechanical point of view, the asymmetry of growth stresses between the two opposite faces of the tree trunk causes its reorientation, characterised by a curvature. This work aims at developing new theoretical and metrological tools to assess the link between tree morphology and growth stresses in a biomechanical and ecological framework. The first approach aimed at establishing the link between growth dynamics and competition of the stand with tree morphology and reaction of posture control. It is based on data taken in a long-term forestry experiment (beech plantations of different initial planting densities that grew during 26 years). The retrospective analysis of reaction wood production on wood discs taken on the trees allowed to assess the variation of their gravitropic performance over time. The scaling law established between curvature rate and stem circumference showed (i) the leading effect of the diameter of a stem on its reactivity, and (ii) the absence of additional effects of competition. At the end of the experimentation, the assessment of the tree morphology allowed to confirm the link between stem leaning and slenderness with growth stresses indicators. From a mechanical point of view, tree morphology can be assess by (i) the shape of its stem (leaning, curvatures), and (ii) the spatial distribution of its biomass, that can provide biomechanical variables for stimulus-response models. Therefore, an important methodological work was performed, based on terrestrial LiDAR technology (a promising tool for forest measurements based on 3D laser digitisation) coupled to geometrical modelling. It allowed to obtain accurate 3D mocks-up representing the woody structure of trees of variables species. The mocks-up allowed to model the bending stress exerted by the aerial biomass of the trees with the aim of linking it to the growth stresses indicators. The results show that bending stress is a promising variable for assessing the degree of reaction of trees. The developed methodology also gives many perspectives for monitoring tree morphology over time with the aim of biomechanical interpretation.

There are considerable expenditures by government and private forest industry to enhance the growth of forests and reduce time required for crop rotation. The effectiveness of some of these treatments is dependent on site productivity. In addition, as responsible stewards of the forest resource and habitat, it is important that the state of forests are actively monitored, especially in the face of a changing climate and increased rates of disturbance. This dissertation reports on the development of a method for estimating and mapping forest productivity. The Shawnigan Lake thinning and fertilization forest installation, established in 1971 by CFS, was selected as the study site largely for its rich mensuration history. Square treatment plots were 0.04ha in area and included two thinning levels (1/3 & 2/3 of the basal area), two fertilization treatments (224kg & 448kg N/ha) with repeated fertilizations and macronutrient experiments (S, P) and control plots. A sample of plots was selected for high precision ground based lidar reference surveys. In September of 2012 a multi-sensor airborne survey of SLP was conducted that collected high-density lidar (up to ~70pnts/m2) and VNIR imaging spectroscopy. A thorough empirical radiometric calibration was conducted in addition to a spatial calibration at the Victoria International Airport. A combination of area based height percentile, point density ratios and statistical moments with individual lidar tree metrics including height distribution and proximity metrics were generated. Topographic metrics were also generated from the lidar ground classified point cloud. A library of spectral indices was computed from the imaging spectrometer data, with an emphasis on those indices known to be associated with vegetation health. These metrics were summarized to the plot level for a coarse scale regression analysis. A control survey and ground based lidar was used to facilitate an individual tree based fine scale of analysis, where reference data could unambiguously be matched to airborne collected data through the projected positions. Regression analysis was conducted applying the best subset regression with exhaustive feature selection search criteria and included a critical evaluation of the resulting selected features. Models were investigated considering the data source and in combination, that is, lidar metrics were considered independent of spectroscopy as well as the converse, and lidar metrics in combination with spectral metrics. The contribution of this study is the revelation that existing area based point cloud metrics are highly correlated, potentially noisy and sensitive to variations in point density, resulting in unstable feature selection and coefficients in model building. The approach offered as an alternative is the gridded lidar treetops method, which is evidently lacking within the literature and which this study overwhelmingly advocates. Additionally, the breadth and diversity of metrics assessed, the size and quality of the reference data applied, and the fine spatial scale of analysis are unique within the research area. This study also contributes to the knowledge base, in that, productivity can be estimated by remote sensing technologies. The use of gridded generalizations of the individual tree approach reduced estimation errors for both structural and productivity attributes. At the plot-level, crown structure and crown health features best estimated productivity. This study emphasizes the dangers of empirical modeling; at the even-aged SLP installation, growth is strongly tied to structure and the extrapolation to other sites is expected to provide biased values. It is my perspective that physical lidar structural models of the dominant and co-dominant crown classes be used to augment spatially explicit tree and stand growth models. In addition, direct measures should be obtained by multi-temporal lidar surveys or as an alternative photogrammetric point clouds after an initial lidar survey to quantify growth and aid in calibrating growth models. / Graduate

Au cours des dernières années, la capacité de la technologie LiDAR à capturer des informations détaillées sur la structure des forêts a attiré une attention croissante de la part de la communauté des écologues et des forestiers. Le LiDAR terrestre, notamment, apparaît comme un outil prometteur pour recueillir les caractéristiques géométriques des arbres à une précision millimétrique.Cette thèse étudie la reconstruction de surface à partir de nuages de points épars et non structurés, capturés en environnement forestier par un LiDAR terrestre. Nous proposons une suite d’algorithmes dédiés à la reconstruction de modèles d’attributs de placettes forestières : le sol etla structure ligneuse des arbres (i.e. troncs et branches principales). En pratique, nos approches modélisent le problème par des surfaces implicites construites à partir de fonctions à base radiale pour faire face à la forte hétérogénéité spatiale du nuage de points Lidar terrestre. / In recent years, the capacity of LiDAR technology to capture detailed information about forests structure has attracted increasing attention in the field of forest science. In particular, the terrestrial LiDAR arises as a promising tool to retrieve geometrical characteristics of trees at a millimeter level.This thesis studies the surface reconstruction problem from scattered and unorganized point clouds, captured in forested environment by a terrestrial LiDAR. We propose a sequence of algorithms dedicated to the reconstruction of forests plot attributes model: the ground and the woody structure of trees (i.e. the trunk and the main branches). In practice, our approaches model the surface with implicit function build with radial basis functions to manage the homogeneity and handle the noise of the sample data points.

Les prés-salés sont des interfaces complexes entre le milieu continental et maritime d'une grande importance environnementale. En contexte de changement climatique, ces zones vulnérables font maintenant l'objet d'une attention particulière. Cette étude porte sur la mesure et la compréhension de la dynamique des prés-salés soumis à un régime méga-tidal (marnage supérieur à 10 m), à travers l'étude de deux estuaires des côtes du Nord-Ouest de la France : l'estuaire du Couesnon en baie du Mont-Saint-Michel (MSM) et l'estuaire de la Somme. L'originalité de l'approche est de considérer une très large gamme d'échelles temporelles, depuis l'échelle séculaire jusqu'à l'événement de marée. A l'échelle séculaire, la mesure de l'évolution de la surface des prés salés en Baie de Somme, à partir de documents historiques et de photos aériennes, montre une évolution étonnamment similaire à celle de l'estuaire du Couesnon depuis la canalisation de la partie terminale de ces rivières au milieu du XIXème siècle. Après une phase de développement rapide des prés salés, une réduction concomitante des taux de croissance est observée dans les deux estuaires au début du XXème siècle. Nous proposons que l'augmentation du niveau marin à cette période soit responsable de cette réduction de croissance des prés-salés. L'analyse pluriannuelle des surfaces en baie de Somme met en évidence des périodes d'érosion des prés-salés résultant de la migration des chenaux tidaux à la frontière des prés-salés. Une étude sur 3 ans en baie du MSM a permis de caractériser le fonctionnement d'un chenal tidal sinueux en frontière des prés salés, grâce à des mesures topographiques inédites réalisées avec un Lidar terrestre haute résolution, combinées à des mesures hydro-sédimentaires. Des relevés journaliers durant les marées d'équinoxe de Septembre et de Mars ont mis en évidence une relation très non-linéaire entre érosion des berges et hauteur de marée. Cette relation est régie principalement par une forte augmentation des vitesses du courant lors du jusant. L'étude des taux d'accrétion dans la partie interne du méandre tidal a révélé l'importance de la présence de la végétation pionnière. Des lois empiriques de sédimentation et d'érosion en fonction de la hauteur de marée sont proposées. Il est montré que 6 % des marées les plus hautes de l'année sont responsables de 90 % de l'érosion des prés-salés par migration du chenal, alors que la sédimentation est dominée par les marées les plus fréquentes. Ces travaux mettent en évidence le rôle fondamental de la divagation des chenaux en marge des prés salés méga-tidaux. Leur dynamique est contrôlée principalement par les marées les plus importantes, dont la fréquence est régit par des cycles nodaux de 4,4 à 18,6 ans. Les données topographiques et hydro-sédimentaires inédites acquises durant ce travail de thèse fournissent des contraintes fortes pour le développement de modèle d'évolution des prés salés. / Salt marshes are complex interfaces between land and sea of high environmental values. Theses vulnerable landforms are now subjected to particular attention since they are very sensitive to sea level changes and storm events. This study focuses on salt marsh dynamic subjected to a mega-tidal range (higher than 10 m) that received less attention, through the study of two estuaries of the north-western coast of France: The Couesnon estuary in the Bay of Mont -Saint-Michel and the Somme estuary. The originality of this study is to consider a wide range of time scales, from the secular one to tide events. At secular time scale, we measure the evolution of salt marsh surfaces in the Somme bay, from historical documents and aerial photographs. The comparison with the Couesnon estuary reveals a surprisingly similar evolution of salt marsh extension, since the derivation and embankment of their main river in early mid XIXth century. After a period of rapid salt marsh extension, a concomitant reduction of growth rates is observed in both estuaries in the early XXth century. We propose that the increase in sea level rise during this period is responsible for the reduced growth of salt marshes. The pluriannual analysis highlights periods of erosion of salt marshes resulting from the tidal channels migration on salt marsh fringe. However, the pluriannual time scale does not capture the processes governing the dynamics of channel migration. This has motivated a 3 years study of a sinuous tidal channel located on the fringe of the marsh with the aim to understand its dynamics at daily to annual scales. We have acquired 36 high resolution topographic surveys with Terrestrial Laser Scanner. We used daily surveys during spring tides of various High Water Level (HWL) to analyze channel dynamics at tidal event timescales. Daily TLS measurements revealed a non-linear relationship between bank erosion and tidal height. This relationship is related to a sharp increase in flow velocities during the ebb (up to 2.2 m/s) for overmarsh tides. Spatially averaged accretion on the inner bend tends to increase linearly with HWL and is increased by a factor 2 during summer/autumn spring tides at the peak of pioneer vegetation development. We propose empirical laws of sedimentation and erosion depending on the tide height, which model that 6% of the highest tides of the year are responsible for 90 % of salt marsh erosion by channel migration, while sedimentation is dominated by frequent tides. These results highlight the need to incorporate the influence of vegetation on sedimentation rates as well as tidal migration processes in models of salt marsh dynamic in mega-tidal environment. Long term modeling should account for the highest tides of the year, that make tidal channel very sensitive to the nodal cycle (18.6 years) which controls the occurrence of the highest tides in mega-tidal environment.