Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Les sédiments aquatiques sont des archives précieuses de l'histoire des écosystèmes, et elles contiennent des informations permettant de reconstituer le passé et de prévoir l'évolution de l'état des écosystèmes. Les carottes de sédiments lacustres fournissent des données à long terme essentielles pour distinguer le rythme et l'étendue des changements environnementaux naturels, comprendre les écosystèmes avant les impacts anthropiques et établir l'état de référence des écosystèmes. Cependant, la plupart des techniques d'analyse des sédiments sont destructives, prennent du temps et ont une résolution relativement faible. Ces dernières années, l'imagerie hyperspectrale s'est imposée comme une nouvelle technologie en paléolimnologie. Contrairement aux méthodes traditionnelles, cette technologie permet la reconstruction rapide, non destructive et très détaillée (résolution spatiale submillimétrique) des caractéristiques physiques, biologiques et chimiques des carottes de sédiments. Ce doctorat vise à étudier les réponses des lacs à de multiples facteurs de stress au cours des 150 dernières années en utilisant diverses propriétés des carottes de sédiments identifiées grâce à l'imagerie hyperspectrale. Cette thèse examine 116 carottes de sédiments lacustres prélevées pendant trois étés (2017-2019) dans des lacs canadiens répartis dans 11 écozones. La recherche a été menée dans le cadre du programme du Réseau canadien Lake Pulse du CRSNG (Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada). Les images hyperspectrales (HSI), combinées avec d'autres proxies, ont été employées pour développer des modèles d'apprentissage automatique et statistiques. Ces modèles ont permis d'analyser la composition des sédiments et, par conséquent, de reconstituer les changements environnementaux passés dans l'ensemble du Canada. En plus des données principales provenant de l'imagerie hyperspectrale, des données supplémentaires proviennent des modèles de données climatiques globales, et d'analyses de spectrophotométrie, de granulométrie laser, et de spectrométrie gamma et alpha. Les principaux résultats de cette thèse incluent (1) le développement de méthodologies pour préparer des échantillons de carottes de sédiments avant l'acquisition d'images, pour la configuration du scanner hyperspectral, pour l'acquisition des données, et pour personnaliser les méthodes existantes et développer de nouvelles techniques de débruitage, de prétraitement et d'intégration de données spectrales; (2) le développement d'un modèle d'apprentissage profond basé sur des réseaux de neurones convolutifs pour estimer la taille moyenne des particules des carottes de sédiments à l'aide de l'imagerie hyperspectrale; (3) l'introduction d'un nouvel indice spectral pour estimer la teneur en chlorophylle dans les carottes de sédiments lacustres; et (4) l'analyse d'une vaste base de données provenant de carottes de sédiments lacustres de partout au Canada, couplée à des données climatiques historiques. Cette dernière analyse a révélé une augmentation généralisée des dépôts de chlorophylle dans les lacs canadiens due au climat depuis l'époque préindustrielle (après 1850), et surtout depuis la fin des années 1950. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse vont faciliter de futures études à haute résolution sur les changements environnementaux à partir de carottes de sédiments et font progresser notre compréhension de l'état des lacs canadiens et de leurs réponses au réchauffement climatique. / Aquatic sediments are valuable archives of ecosystem history which contain information that enables past reconstructions and predictions about the state of ecosystems. Lake sediment cores provide long-term data essential for distinguishing the rate and extent of natural environmental changes, understanding ecosystem patterns prior to human impacts, and establishing the baseline condition of ecosystems. However, most sediment analysis techniques are destructive, time-consuming, and relatively low-resolution. In recent years, hyperspectral imaging has emerged as a new technology in paleolimnology. Unlike traditional methods, this technology allows for the rapid, non-destructive, and highly detailed (submillimeter spatial resolution) reconstruction of physical, biological, and chemical characteristics within sediment cores. This Ph.D. aims to study lake responses to multiple stressors over the past 150 years utilizing various properties of sediment cores identified through hyperspectral imaging. This thesis involved the examination of 116 lake sediment cores collected during three summers (2017–2019) from Canadian lakes across 11 ecozones. The research was conducted as part of the NSERC (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Canadian Lake Pulse Network program. Hyperspectral images (HSI) from the surface of sediment cores, along with other proxies, were employed to develop machine learning and statistical models. These models were instrumental in analyzing sediment composition and, consequently, reconstructing past environmental changes across Canada. Besides hyperspectral data, which served as the primary focus, data were utilized from various techniques such as spectrophotometry, laser granulometry, gamma and alpha spectrometry, and global climate data models. The key outcomes of this thesis include (1) the development of a methodology for preparing sediment core samples before scanning, configuring hyperspectral scanner setup, acquiring data, customizing existing methods, and developing new techniques for denoising, preprocessing, and integrating spectral data; (2) the development of a deep learning model based on convolutional neural networks to estimate the mean particle size of sediment cores using hyperspectral imaging; (3) the introduction of a new spectral index to infer chlorophyll content within lake sediment cores; and (4) the analysis of a large database of lake sediment cores from across Canada, coupled with historical climate data, that revealed a widespread climate-mediated increase in chlorophyll deposition in Canadian lakes since pre-industrial times (post-1850), and particularly since the late 1950s. The research in this thesis enables future high-resolution studies of environmental change from sediment cores and advances our understanding of the state of Canadian lakes and their responses to warming climates.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/138803 |
| Date | 21 March 2024 |
| Creators | Ghanbari, Hamid |
| Contributors | Antoniades, Dermot, Gregory-Eaves, Irene |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 170 pages), application/pdf |
| Coverage | Canada. |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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