Les données de télédétection acquises à Très Haute Résolution Spatiale (THRS) constituent une source d'information importante pour le suivi détaillé des changements d'occupation du sol sur de petites surfaces. Ces données sont particulièrement intéressantes pour les applications dans les milieux urbains et périurbains car elles permettent d'appréhender des changements brusques et irréguliers autant que des modifications subtiles et régulières. Toutefois, l'exploitation d'images à THRS nécessite des développements méthodologiques, les méthodes de détection de changement généralement utilisées pour traiter les images à basse et moyenne résolution n'étant pas adaptées : d'une part l'étendue et la résolution spectrale des capteurs à THRS sont souvent inférieures à celles des autres capteurs, la résolution spectrale des capteurs diminuant avec l'augmentation de leur résolution spatiale. D'autre part, la variabilité spectrale des pixels définissant les classes d'occupation du sol augmente en fonction de la résolution spatiale. Cette thèse présente ainsi une série d'outils méthodologiques qui permettent d'identifier et de caractériser automatiquement des changements affectant de petites surfaces à partir de données à THRS acquises à différentes dates et provenant de différentes sources. Contrairement à la majorité des méthodes utilisées en télédétection, l'originalité des outils présentés ne repose pas exclusivement ou essentiellement sur l'utilisation de l'information spectrale de l'image ; ils reposent surtout sur les propriétés de texture des objets géographiques observés. La texture est caractérisée à partir d'une analyse des coefficients issus d'une décomposition en ondelettes des images. Les outils développés comprennent : une méthode de correction de l'effet de vignettage des photographies aériennes anciennes ; une technique de segmentation d'images ; une méthode d'estimation de l'orientation dominante de motifs texturés ; une méthode de classification ; une méthode de détection de changements. L'ensemble de ces outils a été validé à partir d'exemples synthétiques, puis appliqué sur un secteur périurbain de l'agglomération rennaise afin de détecter les changements d'occupation et d'utilisation des sols à partir de photographies aériennes acquises en 1978 et 2001. Les taux de changement correctement détectés, qui varient de 78 % à 85 %, montrent l'intérêt d'exploiter la texture pour classer des images à THRS. Il est possible de détecter automatiquement différents types de changements et ainsi de distinguer des changements de pratiques culturales et des changements liés à l'artificialisation des sols. Les outils développés dans cette thèse sont génériques et s'appliquent à l'analyse de tout objet texturé. Ainsi nous avons exploité certains outils proposés pour détecter et caractériser des parcelles viticoles ou estimer des mouvements fluides en aéronautique

Les molécules H2, HD et D2 occupent une place fondamentale en physique moléculaire, en astrophysique et en physique des plasmas. H2 est la molécule la plus abondante dans l'univers. Les récentes observations à haute résolution des transitions VUV de cette molécule et de son isotope HD ont été effectuées par le satellite FUSE dans le domaine 90.5 -118.7 nm. Ces observations permettent de déterminer le rapport d'intensités des raies HD/H2, considéré comme un outil nouveau pour évaluer le rapport d'abondances D/H, qui est connu pour être un traceur efficace de l'évolution chimique de l'Univers. Par ailleurs, les molécules H2, HD et D2 sont formées dans le plasma de bord des tokamaks et contribuent aux pertes radiatives du milieu. Par conséquent, il est indispensable de disposer de données spectroscopiques de haute qualité obtenues en laboratoire pour une exploitation fiable des résultats d'observations ou pour une modélisation réaliste des plasmas de fusion.<br /> <br />L'objectif de cette thèse est d'effectuer une étude expérimentale à haute résolution des spectres d'émission et d'absorption des isotopes D2 et HD de l'hydrogène moléculaire dans le VUV et de la compléter par une étude théorique des états électroniques excités en relation avec les transitions observées. Une telle étude avait été effectuée dans notre laboratoire et avait abouti à la réalisation d'un atlas VUV dans le domaine 78-170 nm.<br /> <br />Les spectres d'émission de HD et D2 sont produits par une source à décharge Penning opérant sous faible pression, et sont enregistrés dans la région spectrale 78 -170 nm à l'aide du spectrographe sous vide de 10 mètres à haute résolution (~ 150 000) de l'Observatoire de Meudon, soit sur plaques photographiques, soit sur des écrans phosphore photostimulables pour mesure d'intensités. Les spectres enregistrés contiennent plus de 20 000 raies. Les longueurs d'onde sont mesurées avec une précision de Δλ/λ= 10-6.Les raies des molécules D2 et H2 étant inévitablement présentes dans le spectre de HD, nous avons d'abord cherché à réaliser l'analyse du spectre de D2, qui consiste à identifier et à assigner les raies aux transitions électroniques entre des niveaux d'énergie de la molécule.<br /><br /> Nous avons par ailleurs réalisé une étude en absorption des molécules HD et D2 au Centre Laser LCVU d'Amsterdam. Nous avons mesuré par spectroscopie laser à deux photons 1XUV+1UV, de nouvelles longueurs d'onde avec une précision inégalée de Δλ/λ= 10-8 dans le domaine spectral 99.9-104 nm permis par l'accordabilité du laser XUV.<br /><br /> Ces nouvelles longueurs d'ondes constitueront une base de données de raies de référence pour la calibration des spectres moléculaires, mais leurs intérêts ne s'arrêtent pas au laboratoire. En effet, les nouvelles raies de HD mesurées par spectroscopie laser, ajoutées aux raies de H2 déjà mesurées avec une précision similaire, seront utilisées comme référence pour mettre en évidence une possible variation cosmologique du rapport de masse proton-électron μ= mp/me, par comparaison avec des longueurs d'onde de raies de H2 ou de HD observées dans les spectres d'absorption de quasars à grands déplacements vers le rouge. Cette étude nécessite la connaissance des coefficients de sensibilité des longueurs d'onde par rapport à la possible variation de μ, que nous avons calculés par la résolution d'un système d'équations couplées pour les états électroniques B, B', C et D de la molécule H2 et HD pour diverses valeurs de μ. <br /><br />Durant ce travail de thèse, nous nous sommes également intéressés à des transitions entre états libres-libres et états libres-liés de la molécule H2. Ces transitions se produisent lors d'une collision H-H formant une quasi-molécule et sont responsables de l'apparition de satellites dans l'aile des raies de l'atome d'hydrogène. Nous avons effectué une étude quantique du satellite quasi-moléculaire de la raie Lymanβ et calculé le profil d'absorption du satellite en fonction de la température. Cette variation est un outil important de diagnostic pour la détermination des caractéristiques des atmosphères des naines blanches.

La disponibilité d'images satellites à très haute résolution spatiale au dessus de zones urbaines est récente. Elle constitue potentiellement un très grand apport pour la cartographie des villes à des échelles de l'ordre du 1:10 000. La très haute résolution spatiale permet une représentation réelle des rues sue une carte, mais engendre une augmentation significative du bruit. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d'extraction des réseaux de rues en milieu urbain à partir des images à très haute résolution spatiale. Son objectif est de répondre à une forte demande dans la création automatisée de cartes. La méthode proposée n'utilise que l'image numérique comme source d'information. Elle est semi-automatique au niveau de la détection et exploite la coopération entre la représentation linéique de la rue et sa représentation surfacique. Le graphe topologique du réseau est d'abord extrait et est utilisé pour initialiser l'étape de reconstruction surfacique. Le résultat d'extraction peut alors servir à recaler le graphe précisément sur l'axe des rues. La méthode utilise des contraintes géométriques fortes afin de ne pas dépendre d'un modèle de profil radiométrique de la rue, trop variable en milieu urbain. Dans cette optique, un modèle de contours actif associé à la transformée en ondelettes, le DoubleSnake, a été développé. Son évolution dans un cadre multi-échelle permet d'extraire les sections de rues à bords parallèles dans un environnement bruité. Les positions finales des DoubleSnakes permettent ensuite l'extraction des intersections. La méthode a été appliquée à des images de différents capteurs et avec différents types d'urbanisation. Un protocole innovant d'évaluation quantitative des résultats par comparaison à l'interprétation humaine a permis de montrer le caractère générique de la méthode, ainsi que sa bonne robustesse vis-à-vis du bruit. Cette méthode constitue un pas vers une cartographie automatisée du réseau de rues urbain.

Ce manuscrit présente le transfert d'une référence de fréquence optique ultra-stable grâce à un lien optique et son application à la stabilisation en fréquence d'un laser moyen-infrarouge. Un lien optique permet de transférer un signal ultrastable de fréquence par fibre optique sans dégrader sa stabilité grâce à une compensation du bruit apportée lors de la propagation. Nous avons étendu cette technique à des liens de grande longueur en transférant la référence de fréquence simultanément avec les données du réseau internet. Ainsi des liens de 300 km puis 540 km ont été démontrés avec une stabilité de l'ordre de 10-19 à 104 s. Ce dispositif a été utilisé au LPL pour asservir un laser CO2 émettant à 10 µm sur une référence de fréquence développée au LNE-SYRTE, à l'Observatoire de Paris. Celle-ci est constituée d'un laser ultra-stable émettant à 1,54 µm, dont la fréquence est mesurée par rapport aux étalons primaires du LNE-SYRTE grâce à un laser femtoseconde. Cette référence est transférée par lien optique jusqu'au LPL où elle permet de stabiliser la fréquence de répétition d'un second laser femtoseconde et de mesurer ou contrôler la fréquence d'un laser CO2. Lorsque celui-ci est asservi sur une référence moléculaire (OsO4), la stabilité est de 4.10-14 à 1 s. Les performances sont encore meilleures lorsque le laser CO2 est asservi directement sur la référence optique. Le laser stabilisé pourra ensuite être utilisé pour l'expérience d'observation de la violation de parité dans les molécules chirales développée au LPL. Ceci démontre la faisabilité d'expériences de spectroscopie moléculaire à ultra haute résolution dans les laboratoires ne disposant pas d'étalons de fréquences.

L'aérosol atmosphérique a des effets sur le changement climatique global et un impact sanitaire non-négligeables. Dans l'aérosol atmosphérique terrestre, les composés organiques représentent une fraction importante. Du fait de l'extrême complexité de cette fraction organique et des processus dynamiques qui l'animent, une fraction non négligeable de celle-ci n'est pas clairement identifiée à ce jour malgré des techniques d'analyses toujours plus nombreuses. Dans cette thèse, nous avons voulu explorer la richesse d'information fournie par une technique innovante : la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS). La haute résolution du LTQ-Orbitrap fournit une extrême précision sur la masse des molécules analysées et permet d'en identifier les formules brutes. Tout d'abord, nous avons utilisé cette nouvelle méthode de caractérisation afin d'élucider en laboratoire des mécanismes de production de l'aérosol se déroulant en phase aqueuse. Associée à une caractérisation par RMN, la HRMS nous permet d'identifier des voies de fabrication de composés de faible poids moléculaires (acides carboxyliques, aldéhydes, cétone) ainsi que des composés à haut poids moléculaire : les oligomères formés se transforment en HULIS au cours de leur vieillissement. Le fait que la méthacroléine (MACR) et la méthyl-vinyl-cétone (MVK), les deux principaux produits d'oxydation de l'isoprène, forment des AOS en phase aqueuse avait été précédemment montré. Ce travail montre que les précurseurs des AOS sont différents selon l'isomère et que les séries d'oligomères formées atteignent 1400 Da.. L'étude HRMS des produits permet de proposer un mécanisme radicalaire d'oligomérisation de la MVK. L'analyse HRMS des produits de la MACR montre qu'en plus du mécanisme valable pour la MVK, la réactivité de la MACR engendre co-polymérisation et production d'Hulis. Une signature HRMS des Hulis a été mise en évidence. Ensuite, nous avons utilisé les méthodes de traitement de données HRMS pour tenter de les appliquer à l'identification d'aérosol ambiant. Les composés organiques représentent la fraction majeure des particules de l'aérosol atmosphérique ; une grande partie reste mal identifiée. Une compréhension détaillée des sources et des procédés de transformations est nécessaire. L'investigation de la composition chimique des particules de matière fine et ultrafine peut être apporter par HRMS. L'ESI-Orbitrap apporte une description moléculaire qui détermine les propriétés chimiques et physiques de l'aérosol organique. Les particules ont été échantillonnées selon leur taille respective. Les prélèvements ont été fait à Grenoble en été et en hiver. Une comparaison saisonnière permet d'identifier des signatures chimiques différentes. Enfin, une intercomparaison est établie avec des échantillons d'une troisième campagne prélevées en proximité routière: MOCOPO. / Atmospheric aerosol has an important impact on the radiative balance of Earth. Organics compounds represent the major fraction of atmospheric aerosol particles; a large part is still not well characterized. A detailed understanding of the sources, transformations processes and fates of organics aerosols is needed. This work investigates the ability of the ESI-Orbitrap to characterize organics molecules of aerosol. Firstly, experimental and analytical methods were developed to unveil mechanistic ambiguities that were previously shown. Methacrolein (MACR) and methyl vinyl ketone (MVK) (the two main gas phase atmospheric oxidation products of isoprene) were known to form oligomers and secondary organic aerosol (SOA) upon aqueous phase OHoxidation and subsequent water evaporation. For the two precursors, ESI-MS analysis of the reacting solutions brought clear evidence for the formation of oligomer systems having a mass range of up to 1400 Da.. Taking advantage of the regularities observed in the oligomer systems, the ESI-HRMS data were used to propose stoichiometries for more than 75% of the observed signal. Moreover, we show here that MACR oligomers aging give rise to HULIS production. In addition, global estimates of secondary organic aerosol (SOA) formation flux show that current descriptions miss a large fraction of the sources. This gaping underestimation has been linked to a poor understanding of aerosol functionalization in the atmosphere and lead to the formation of a new conceptual framework for the description of the aerosol, based on volatility versus polarity plots. This new framework is almost exclusively based on High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer(HR-Tof-AMS) data, as this instrument gives access to average H:C, N:C and O:C ratios for the bulk aerosol. The AMS estimates for O:C and H:C ratios are thus based on heavy fragmentation of organics followed by stoichiometry attribution on those fragments. Given the resolution of the HR-ToF-AMS, such an attribution is not feasible above a certain mass, making fragmentation a necessary aspect of the measurement. Conversely, Orbitrap-HRMS provide a resolution of 100,000 at m/z 400, with a mass range 50 – 2000 amu, enabling stoichiometry retrieval up to higher masses than the AMS. Coupled to a “soft” electrospray ionization method, Orbitrap-HRMS gives O:C and H:C ratios on entire molecules in the analysed mixture. We used samples from three contrasted field campaigns: the two first at an urban kerbside site in summer and in winter, the third one in the roadway vicinity (Grenoble, France). Accelerated Solvent Extraction provides a clear overview of the chemical composition of organic extracts from aerosol particles collected at different season at an urban site. The elemental composition was obtained within 2-5 ppm, on the range 150-300 m/z. However, this study shows that both ionization polarity were needed to get a complete picture of the chemical composition of the samples. We showed that Esi-Orbitrap-HRMS allows to compute a statistical distribution of the elementary ratios that is different from a simple average value. Keywords: HRMS, SOA.

Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

En milieu urbain, la concurrence entre les enjeux de préservation de la biodiversité et de la densification du territoire est particulièrement développée. Dans une optique d’aide à la décision, une meilleure connaissance des zones les plus conflictuelles est requise. Face au constat d’insuffisance et d’inadéquation des données et des méthodes nécessaires à la cartographie des Trames vertes urbaines, notre travail s’intègre en premier lieu dans une démarche technique. Celle-ci est centrée sur la mise en place d’une méthode de traitement d’images satellitaires Très Haute Résolution Spatiale Pléiades (THRS) pour l’extraction de la végétation arborée et herbacée à l’échelle fine d’une emprise urbaine. D’abord appliquée à des données fictives, cette méthode est ensuite déployée sur quatre territoires (Toulouse, Muret, Pierrefite-Nestalas et Strasbourg). Bien que fondée sur une approche pixel, la simplicité de la méthode, qui s’appuie sur des outils libres, et les résultats obtenus (indice Kappa supérieur à 85 %) garantissent sa reproductibilité sur de vastes territoires plus ou moins urbanisés. Cette donnée de végétation est ensuite exploitée pour modéliser les connectivités écologiques potentielles du paysage urbain et périurbain toulousain. L’approche mobilise la théorie des graphes et permet d’évaluer l’impact d’un aménagement urbain sur la biodiversité. Le cas du Boulevard Urbain Nord de Toulouse est étudié. La cartographie proposée des réservoirs de biodiversité, hiérarchisés à l’aide de métriques de connectivité, est avant tout indicative. Elle est finalement confrontée à des documents d’urbanisme (Plans Locaux d’Urbanisme) afin d’obtenir une meilleure visibilité des territoires à enjeux environnementaux et urbanistiques. En fonction des enjeux fixés par les acteurs du territoire et à travers le filtre applicatif, cette thèse propose un outil robuste d’analyse et d’aide à la décision pour la gestion et la planification du territoire. / In urban areas, competition between land development and ecological conservation is intense. To assist decision making, a better knowledge of those areas of interest is required. Regarding inadequacy data and methods needed for ecological network mapping in urban areas, the aim of our study is to develop a method for semi-automatic vegetation extraction with Very High Spatial Resolution Pleiades imagery (VHSR). Initially applied to training samples, the process is then be deployed to four French study areas (Toulouse, Muret, Pierrefite-Nestalas and Strasbourg). The reproducibility of this method over large urbanized areas is ensured by its simplicity and the results of a pixel-based classification (kappa coefficient higher than 85 %). This extraction workflow uses free or open-source software. This vegetation data is then used in order to model potential ecological connectivity in Toulouse’s urban and peri-urban areas. Impacts on biodiversity due to urban planning are assessed using graph theory. The “Boulevard Urbain Nord de Toulouse” project, a road infrastructure, is studied. Graph metrics have been calculated to assess the level of connectivity at habitat patches and landscape scales. We classified the importance of the patches which is cross-tabulated with planning documents (PLU, a local town planning) in order to locate conflict urban areas: between biodiversity preservation and urbanization. Depending on the issues set out by local actors and through the application filter, this thesis proposes a robust analytical tool and decision-making aid for landscape management and land planning.

La préservation de la biodiversité est un enjeu prioritaire, identifié aussi bien au niveau national qu’au niveau européen et international. L’hétérogénéité spatiale des milieux naturels est l’une des composantes clefs pour l’étude de la biodiversité et permet de comprendre le fonctionnement des écosystèmes. Le bassin Méditerranéen est un hotspot de biodiversité pour lequel le lien entre biodiversité et hétérogénéité spatiale des paysages s’illustre particulièrement bien. Les milieux méditerranéens s'organisent en mosaïques hétérogènes de quatre strates verticales: le sol nu, l’herbe, les ligneux bas et les ligneux hauts. La biodiversité de ces milieux est aujourd'hui menacée par une fermeture de milieux naturels qui entraîne la disparition de certains habitats et l’homogénéisation des paysages, homogénéisation qui entraîne elle-même une augmentation des risques d’incendies.Cette thèse se propose de développer des indices caractérisant l’hétérogénéité spatiale des milieux naturels dans un contexte méditerranéen à partir d’images de télédétection à très haute résolution. Parmi les différentes méthodes permettant de caractériser l'hétérogénéité, la méthode FOTO (FOurier Based Textural Ordination) est particulièrement intéressante car elle produit de façon non supervisée un nombre limité de gradients de texture non corrélés, à partir desquels il est possible de décrire les variations continues de l’hétérogénéité spatiale, et ce, à plusieurs échelles spatiales. Ainsi le premier objectif de cette thèse est de tester le potentiel des gradients de texture issus de la méthode FOTO pour la caractérisation de l’hétérogénéité spatiale relative aux quatre strates verticales caractéristiques des milieux méditerranéens. Le deuxième objectif est de tester la sensibilité de l’approche développée à des facteurs techniques et environnementaux, afin de s’assurer de sa réplicabilité pour favoriser son utilisation dans un contexte opérationnel de suivi des milieux méditerranéens. Enfin, le dernier objectif est de valider la pertinence écologique des indices d’hétérogénéité développés à travers un cas d’application~: la caractérisation de la répartition spatiale d’espèces d’oiseaux sensibles à l’hétérogénéité de la végétation.Combinés avec un indice de végétation, le NDVI, les indices de texture issus de la méthode FOTO ont pu être interprétés en termes d'hétérogénéité spatiale et ont permis de caractériser la composition et l'organisation des quatre strates verticales étudiées. Ces indices sont influencés par la présence de surfaces anthropisées comme les cultures ainsi que par la nature de l'information radiométrique des images de télédétection utilisées, qui impacte le contraste apparent des strates de végétation. Ainsi, l'application de la méthode sur une bande panchromatique est plus sensible aux motifs liés à l'alternance de sol nu et d'herbe tandis que l'application de la méthode sur le NDVI est plus sensible aux motifs lié à l'alternance des ligneux avec la strate herbacée. Enfin, nous avons montré l’intérêt de l’approche développée pour la prédiction de plusieurs espèces d’oiseaux à fort enjeux de conservation. Les indices d’hétérogénéité ont permis de mettre en évidence des structures de la végétation particulièrement favorables à certaines espèces d’oiseaux.L'approche développée dans cette thèse est particulièrement intéressante car elle permet la production non supervisée de trois indices complémentaires caractérisant plusieurs composantes de l'hétérogénéité spatiale relatives à quatre strates. Des efforts sont encore nécessaires pour améliorer i) notre compréhension de la contribution de facteurs environnementaux et instrumentaux sur la stabilité de l'approche et ii) son automatisation en vue d'une application dans un contexte opérationnel pour la cartographie et le suivi de l'état de conservation des habitats naturels et de l'avifaune. / The preservation of biodiversity is a priority issue, both at national, European and international levels. In order to provide a better understanding of ecosystem functioning, spatial heterogeneity of natural environments is becoming one of the key components for the study of biodiversity. The Mediterranean basin is a hotspot of biodiversity for which the synergies between biodiversity and spatial heterogeneity of landscapes are particularly important. Mediterranean environments are organized into heterogeneous mosaics of four vertical strata~: bare soil, herbs, low ligneous and high ligneous. The biodiversity of these unique hotspots is now threatened by a closure of the landscape that leads to the habitat loss and landscape homogenization. The loss of heterogeneity is also leading to an increase in fire risks.This thesis aims to develop indices characterizing the spatial heterogeneity of natural landscapes in a Mediterranean context using very high spatial resolution remote sensing images. Among the various methods dedicated to the characterization of heterogeneity, the FOTO (FOurier Based Textural Ordination) method is particularly relevant because it produces uncorrelated texture gradients in an unsupervised manner, allowing continuous variations in spatial heterogeneity to be characterized at different spatial scales. Thus, the first objective of this thesis is to test the potential of texture indices derived from the FOTO method for the characterization of spatial heterogeneity relative to four vertical strata. The second objective is to test the sensitivity of our approach to technical and environmental factors, in order to ensure its replicability, and promote its use in an operational context of monitoring Mediterranean environments. Finally, based on a case study centered on the spatial distribution of bird species sensitive to vegetation heterogeneity, the last objective is oriented towards the validation of the ecological relevance of the heterogeneity indices.Combined with a vegetation index, NDVI, the texture indices derived from the FOTO method could be interpreted in terms of spatial heterogeneity and make it possible to characterize the composition and organization of the four vertical strata studied. These indices are influenced bymultiple factors, including the anthropization of landscapes showing patterns translated into surfaces such as crops, and the nature of the radiometric information of the remote sensing images processed. This pattern information impacts the apparent contrast of vegetation strata. Thus, the application of the method on a panchromatic band is more sensitive to patterns related to the alternation of bare soil and herbs while the application of the method on NDVI is more sensitive to patterns related to the alternation of ligneous strata with the herbaceous stratum. Finally, we have shown the interest of the approach developed for the prediction of several bird species with high conservation stakes. Heterogeneity indices have made it possible to highlight vegetation structures that are particularly favourable to certain bird species.The approach developed in this thesis is particularly stimulating because it allows the unsupervised production of three complementary indices characterizing several components of spatial heterogeneity related to four strata. Further efforts are needed to improve i) our understanding of the contribution of environmental and instrumental factors to the stability of the approach and ii) its automation for application in an operational context for mapping and monitoring the conservation status of natural habitats and birdlife.