▼ Abstract : Classifying remote sensing images is an increasingly difficult task due to the availability of very high spatial resolution (VHSR) data. The amount of details in such images is a major obstacle to the use of spectral classification methods as well as most textural classification algorithms, including statistical methods. However, structural methods offer an interesting alternative to this issue: these object-oriented approaches focus on analyzing the structure of an image in order to interpret its meaning. In the first part of this thesis, we propose a new algorithm belonging to this category: KPC (KeyPoint-based Classification). KPC is based on keypoint detection and analysis and offers an efficient answer to the issue of classifying VHSR images. Tests led on artificial and real remote sensing images have proven its discriminating power. Furthermore, many studies have proven that evidential fusion (based on Dempster-Shafer theory) is well-suited to remote sensing images because of its ability to handle abstract concepts such as ambiguity and uncertainty. However, few studies did focus on the application of this theory to complex textural data such as structural data. This issue is dealt with in the second part of this thesis; we focused on fusing multiscale KPC classifications with the help of Dempster-Shafer theory. Tests have shown that this multi-scale approach leads to an increase in classification efficiency when the original image has a low quality. Our study also points out a substantial potential for improvement gained from the estimation of intermediate classifications reliability and provides ideas to get these estimations. Advisors/Committee Members: Bénié, Goze Bertin (advisor), Germain, Mickaël (advisor).

▼ 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… Advisors/Committee Members: Baghdadi, Nicolas (thesis director), Luque, Sandra (thesis director).

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Le compartiment phytoplanctonique joue un rôle prépondérant dans les écosystèmes marins de par sa position comme principal producteur primaire et fixateur de carbone, mais aussi en raison de sa capacité de multiplication élevée, qui lui permet de réagir rapidement aux changements environnementaux et d'en faire un potentiel bio indicateur. La plupart des études antérieures ne se sont basées que sur des observations réalisées à basse fréquence, ou bien ne ciblant qu'une partie des groupes/espèces phytoplanctoniques entraînant une perte importante d'information sur la variabilité d'abondance et composition du phytoplancton. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet européen transfrontalier DYMAPHY dont l'objectif principal visait à améliorer les connaissances et l'évaluation de la qualité des eaux marines de la Manche et de la Mer du Nord, à travers l'étude de l'ensemble du compartiment phytoplanctonique et ses paramètres complémentaires. Dans ce contexte, une approche à haute fréquence et/ou haute résolution spatiale, via l'utilisation de la cytométrie en flux semi-automatisée, a permis de mieux caractériser la variabilité spatiale et temporelle du phytoplancton en Manche Orientale. Pour cela on a utilisé 3 approches complémentaires dont les résultats principaux obtenus lors de ce travail de thèse sont les suivants : (i) une étude à haute fréquence, avec une analyse cytométrique toutes les 10 minutes, qui a permis de révéler une forte variabilité spatiale du phytoplancton, à une échelle régionale (Manche Orientale), dont l'assemblage communautaire n'était pas déterminé par l'hydrologie ; (ii) un suivi saisonnier de l'ensemble du spectre de taille des cellules phytoplanctoniques le long d'un gradient côte-large proche du détroit du Pas de Calais, qui a révélé, au-delà d'une certaine hétérogénéité spatiale, une forte variabilité temporelle permettant de définir les successions saisonnières et les principaux facteurs les régissant, à savoir la luminosité et la concentration en sels nutritifs ; (iii) un suivi de 3 ans sur un point fixe en eaux côtières, qui a permis de mettre en relation les traits de vie des groupes phytoplanctoniques avec l'environnement, afin de comprendre comment les communautés phytoplanctoniques s'assemblent en réponse à la variabilité environnementale. Les résultats ont montré une différenciation fonctionnelle liée à l'utilisation des ressources et des stratégies de croissance, associées à un gradient de ressources. Cette étude confirme notamment l'importance de "l'hypothèse du ratio de masse", qui prédit que les traits de vie de l'espèce la plus abondante au sein d'une communauté, seraient le moteur des processus les plus importants au sein d'un écosystème.

Phytoplankton micro-organisms play a key role in marine ecosystems as main primary producers, being responsible for most of carbon uptake, but also due to their fast division rates which allow them to effectively react to environmental changes and which make them potentially good bio-indicators. Most previous studies have based their…

Advisors/Committee Members: Christaki, Urania (thesis director), Artigas Pereira, Luis Felipe (thesis director).

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La littérature économique attribuant des rôles endogènes à l'évolution technologique et à lagéographie pour expliquer la croissance économique suggère que la compréhension des fluxde connaissances dans l'espace et de leurs conséquences sur les activités d'innovation est aucoeur de l'explication des disparités dans la croissance économique. À cet égard, cette thèsemet l'accent sur les réseaux de connaissances comme un mécanisme permettant la circulationdes connaissances dans l'espace et le temps. Parmi les différents types de réseaux deconnaissances, elle étudie les réseaux de collaboration de R&D et explore deux questionsprincipales.Tout d'abord, elle examine l'effet de la géographie sur la formation du réseau pour savoir si lesflux de connaissances par les réseaux de collaboration en R&D sont limités dans l'espace oupas. Elle s'enquiert de cette question à la fois pour le réseau multilatéral entre lesorganisations et le réseau inter-régional entre les régions européennes dans le domaine desbiotechnologies en utilisant les données sur les collaborations de R&D promues par lesProgrammes-Cadres Européens.Deuxièmement, elle explore comment un réseau évolutif de collaborations de R&D entre lesrégions affecte les performances des régions en matière d'innovation. Elle utilise l'économétriespatiale pour quantifier les effets statiques et dynamiques des flux de connaissances desvoisins spatiaux et d'un ensemble évolutif de partenaires de collaboration sur l'activitéinventive des régions dans le domaine des TIC au cours de la période 2003-2009.

The economic literature attributing endogenous roles to technological change and geography inexplaining economie growth suggests that understanding knowledge flows in space and theirconsequences on innovative activities is central to explaining disparities in economie growth. Inthis regard, this PhD thesis focuses on knowledge networks as a mechanism that enablesknowledge flows in space and time. Among different types of knowledge networks, it studiesR&D collaboration networks and addresses two main issues.First, it investigates the effect of geography on network formation to figure out whetherknowledge flows through R&D collaboration networks are constrained in space or not. It inquiresthis question both for multilateral R&D collaboration network among organizations and theresulting inter-regional network among European regions in the field of biotechnology using dataon R&D collaborations promoted via European Framework Programmes.Second, it addresses how an evolving network of R&D collaborations among regions affectsregional innovation performances in time. It employs a spatial econometric approach to quantifythe static and dynamic effects of knowledge flows from spatial neighbors and an evolving set ofcollaboration partners on inventive activity of regions in the field of ICT durin 2003-2009.

Advisors/Committee Members: Autant-Bernard, Corinne (thesis director).

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Cette thèse vise à trouver des approches possibles pour l’amélioration des propriétés électromécaniques de monocristaux piézoélectriques à base de KNN. La TSSG et la SSSG sont entreprises afin de faire croître des monocristaux La conclusion de l'aspect de croissance cristalline est: (1) Pour chaque élément pris individuellement, leurs coefficients de ségrégation reposent fortement sur leurs concentrations initiales dans la solution liquide. (2) La compétition entre éléments occupant le même site du réseau est démontrée. (3) Le très faible coefficient de ségrégation de Li dans la matrice KNN est responsable de l'apparition d'une phase secondaire présentant la structure bronze de tungstène quadratique. (4) Les régions optiquement laiteuses observées dans les monocristaux diminuent la réponse électrique et peuvent être réduites par traitement thermique et refroidissement lent. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé trois approches pour améliorer le comportement piézo/ferroélectrique des monocristaux à base de KNN. La Ta ou Sb substitution indique qu'une réponse électromécanique améliorée est obtenue lorsque la transition orthorhombique-quadratique est à proximité de la température ambiante. Le traitement thermique sous atmosphère d'O2 pur a conduit au doublement de la valeur du coefficient piézoélectrique et des paramètres ferroélectriques d'un monocristal de (K,Na,Li) (Ta,Nb,Sb)O3. Son coefficient piézoélectrique à la température ambiante, qui constitue un record mondial à l’heure actuelle vis-à-vis de ce qui est reporté dans la littérature internationale, vaut 732 pC/N. La troisième approche consiste au dopage des monocristaux de (K,Na,Li)(Ta,Nb)O3 avec Mn.

The thesis aims to find possible approaches for improved electromechanical properties in KNN-based piezoelectric single crystals. Both submerged-seed and top-seeded solution growth techniques were employed to produce single crystals. Conclusions from the crystal growth aspect are: (i) For individual elements, segregation coefficients highly rely on the initial concentration in the liquid solution. (ii) A competition between elements occupied on the same lattice site was found. (iii) The very low Li segregation coefficient in the KNN matrix is responsible for the occurrence of a secondary phase with the tetragonal tungsten bronze structure. (iv) Observed optically-cloudy regions in as-grown crystals decrease the electrical response and can be reduced by thermal treatment with slow cooling. In the second part, we used three approaches to enhance the piezoelectric and ferroelectric behavior of KNN-based single crystals. Ta or Sb substitutions indicates that enhanced electromechanical response is achieved when the orthorhombic-tetragonal phase transition is near room temperature. Thermal treatment in pure O2 atmosphere resulted in a twofold increase of the piezoelectric coefficient and ferroelectric parameters of a (K,Na,Li)(Ta,Nb,Sb)O3 single crystal. The highest room-temperature piezoelectric coefficient in annealed KNN-based single crystals of 732 pC/N was…

Advisors/Committee Members: Maglione, Mario (thesis director), Veber, Philippe (thesis director).

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Les nouveaux capteurs satellitaires permettent l'acquisition d'images d'un très haut niveau de détail à des cadences élevées, produisant ainsi une importante masse de données. Le traitement manuel de ces données étant devenu impossible, de nouveaux outils sont nécessaires afin de les traiter automatiquement. Des algorithmes de segmentation efficaces sont nécessaires pour extraire des objets d'intérêt de ces images. Cependant les segments produits ne correspondent pas aux objets d'intérêt, rendant difficile l'utilisation de connaissances expertes.Dans le cadre de cette thèse nous proposons de changer le niveau d'interprétation d'une image afin de voir les objets d'intérêt pour l'expert comme des objets composés par des segments. Pour cela, nous avons mis en place un processus d'apprentissage multi-niveaux dans le but d'apprendre ces règles de composition. Une règle de composition ainsi apprise peut ensuite être utilisée pour extraire les objets d'intérêt correspondant. Dans un second temps, nous proposons d'utiliser l'algorithme d'apprentissage de règles de composition comme première étape d'une approche montante-descendante. Cette chaîne de traitement a pour objectif d'améliorer la classification à partir des informations contextuelles et de connaissances expertes. Des objets composés de plus haut niveau sémantique sont extraits à partir de règles apprises ou fournies par l'expert, et cette nouvelle information est utilisée pour mettre à jour la classification des objets aux niveaux inférieurs. L'ensemble de ces travaux ont été testés et validés sur des images Pléiades représentant la ville de Strasbourg. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de l'apprentissage de règles de composition pour faire le lien entre connaissance experte et segmentation, ainsi que l'intérêt de l'utilisation d'informations contextuelles dans l'analyse d'images de télédétection à très haute résolution spatiale.

The new remote sensors allow the acquisition of very high spatial resolution images at high speeds, thus producing alarge volume of data. Manual processing of these data has become impossible, new tools are needed to process them automatically. Effective segmentation algorithms are required to extract objects of interest of these images. However, the produced segments do not match to objects of interest, making it difficult to use expert knowledge.In this thesis we propose to change the level of interpretation of an image in order to see the objects of interest of the expert as objects composed of segments. For this purpose, we have implemented a multi-level learning process in order to learn composition rules. Such a composition rule can then be used to extract corresponding objects of interest.In a second step, we propose to use the composition rules learning algorithm as a first step of a bottom-up top-down approach. This processing chain aims at improving the classification from contextual knowledge and expert information.Composed objects of higher semantic level are extracted from learned rules or rules provided by the…

Advisors/Committee Members: Wemmert, Cédric (thesis director), Weber, Christiane (thesis director).

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Les images à très haute résolution spatiale (THR) telles que les images Pléiades (50 cm en Panchromatique, 2m en multispectral) rendent possible une description fine de la structure forestière (distribution et dimensions des arbres) à l'échelle du peuplement, en exploitant la relation entre la structure spatiale des arbres et la texture d'image quand la taille du pixel est inférieure à la dimension des arbres. Cette attente répond au besoin d'inventaire spatialisé de la ressource forestière à l'échelle du peuplement et de ses changements dus à la gestion forestière, à l'aménagement du territoire ou aux événements catastrophiques. L'objectif est double: (1) évaluer le potentiel de la texture d'images THR pour estimer les principales variables de structure forestière (diamètre des couronnes, diamètre du tronc, hauteur, densité ou espacement des arbres) à l'échelle du peuplement; (2) sur ces bases, classer les données image, au niveau pixel, par types de structure forestière afin de produire l'information spatialisée la plus fine possible. Les principaux développements portent sur l'automatisation du paramètrage, la sélection de variables, la modélisation par régression multivariable et une approche de classification par classifieurs d'ensemble (Forêts Aléatoires ou Random Forests). Ils sont testés et évalués sur deux sites de la forêt landaise de pin maritime à partir de trois images Pléiades et une Quickbird, acquises dans diverses conditions (saison, position du soleil, angles de visée). La méthodologie proposée est générique. La robustesse aux conditions d'acquisition des images est évaluée. Les résultats montrent que des variations fines de texture caractéristiques de celles de la structure forestière sont bien identifiables. Les performances en terme d'estimation des variables forestières (RMSE) : ~1.1 m pour le diamètre des couronnes, ~3 m pour la hauteur des arbres ou encore ~0.9 m pour leur espacement, ainsi qu'en cartographie des structures forestières (~82 % de taux de bonne classification pour la reconnaissance des 5 classes principales de la structure forestière) sont satisfaisantes d'un point de vue opérationnel. L'application à des images multi-annuelles permettra d'évaluer leur capacité à détecter et cartographier des changements tels que coupe forestière, mitage urbain ou encore dégâts de tempête.

Very High spatial Resolution (VHR) images like Pléiades imagery (50 cm panchromatic, 2m multispectral) allows a detailed description of forest structure (tree distribution and size) at stand level, by exploiting the spatial relationship between tree structure and image texture when the pixel size is smaller than tree dimensions. This information meets the expected strong need for spatial inventory of forest resources at the stand level and its changes due to forest management, land use or catastrophic events. The aim is twofold : (1) assess the VHR satellite images potential to estimate the main variables of forest structure from the image texture: crown diameter, stem diameter, height, density or tree…

Advisors/Committee Members: Boukir, Samia (thesis director).

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En épidémiologie, une connaissance précise des populations à risque constitue un pré requis aucalcul d'indicateurs de l’état de santé d’une communauté (taux d'incidence). Néanmoins, les effectifsde population peuvent être indisponibles, ou peu fiables, ou insuffisamment détaillés pour un usageépidémiologique.L'objectif principal de ce travail est d'obtenir des taux d'incidence en l'absence de donnéesdémographiques, à une échelle spatiale infra-communale. Les objectifs secondaires sont d'estimerles populations humaines par l'intermédiaire de données satellitaires à très haute résolution spatiale(THRS), d'évaluer l'apport de ces données THRS par rapport aux données à haute résolution spatiale(Landsat) dans un même cadre urbain (Besançon), et de mettre au point une méthodologie simple etrobuste, pour garantir son exportabilité à d'autres zones.Nous proposons une approche en trois étapes, fondée sur la corrélation existant entre la densité depopulation et la morphologie urbaine. La première étape consiste à extraire des bâtiments à partirdes données télédétection THRS. Ces bâtiments sont utilisés dans la deuxième étape pour modéliserla population. A leur tour, ces populations servent de dénominateur, lors de la dernière étape, pourcalculer des taux d’incidence (cancers). Des données de référence sont utilisées à chaque étape pourévaluer les performances de notre méthodologie.Les résultats obtenus soulignent le potentiel de la télédétection pour mesurer l'état de santé d'unecommunauté (sous la forme de taux bruts d’incidence) à une échelle géographique fine. Ces tauxd'incidence estimés peuvent alors constituer des éléments de décision pour mieux adapter l'offre desoins aux besoin de santé, même en l'absence de données démographiques

In epidemiology, a precise knowledge of populations at risk is a prerequisite for calculating state ofhealth indicators of a community (incidence rates). The population data, however, may beunavailable, unreliable, or insufficiently detailed for epidemiological use.The main objective of this research is to estimate incidence rates, in cases of absence of demographicdata, at an infra-communal scale. The secondary objectives are to estimate the human populationthrough satellite data at very high spatial resolution (VHSR), to assess the contribution of this data(VHSR) compared with high spatial resolution data (Landsat) in a same urban framework (Besançon),and to develop a simple and robust methodology to ensure its exportability to other areas.We proposed a three-step approach based on the correlation between population density and urbanmorphology. The first step is to extract buildings from VHSR imagery data. These buildings are thenused in the second step to model the population data. Finally, this population data is used as thedenominator to calculate incidence rates (cancers). Reference data are used at each step to assessthe performance of our methodology.The results obtained highlight the potential of remote sensing to measure the state of health of acommunity (in the form of crude…

Advisors/Committee Members: Viel, Jean-François (thesis director), Joly, Daniel (thesis director).

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La spectrométrie de masse joue un rôle clef dans l’exploration spatiale, notamment dans la caractérisation de la matière organique présente sur de nombreux objets du Système Solaire. Dans ce manuscrit, l’accent est particulièrement mis sur Titan, présentant une chimie organique complexe initiée dans son ionosphère et se répercutant jusqu’à sa surface. Les spectromètres de masse embarqués à bord de la mission Cassini-Huygens ont permis de nombreuses détections de composés organiques. Cependant, les limites instrumentales d’un point de vue analytique poussent la communauté scientifique à se pencher sur de nouvelles techniques de spectrométrie de masse dites à haute résolution (HRMS).Mon travail de thèse s’est inscrit dans le développement d’un nouveau type d’analyseur en masse basé sur la technologie Orbitrap, instrumentation HRMS de laboratoire, pour une application spatiale. Ce projet se nomme CosmOrbitrap. L’objectif s’est ainsi concentré sur les possibilités d’analyse de la matière organique avec une configuration instrumentale simple et compacte couplant directement l’analyseur CosmOrbitrap à une ionisation par ablation laser (LAb-CosmOrbitrap), dans un contexte de future mission spatiale. L’identification univoque de composés organiques purs ou formant des mélanges complexes, la démonstration des performances en termes de résolution, de précision en masse et d’étude des rapports isotopiques mais également l’influence de la pression sur la résolution en masse obtenue sur des composés organiques sont détaillées dans ce manuscrit. L’analyse de la matière brute d’analogues d’aérosols de Titan synthétisés en laboratoire (tholins) montre un cas d’étude concret sur les capacités du LAb-CosmOrbitrap à permettre une analyse chimique profonde des échantillons représentatifs d’un environnement d’intérêt exobiologique.

Mass spectrometry is a key tool in space exploration, for the analysis of organic matter of many Solar System bodies. In this dissertation, we mainly focus on Titan. This amazing object in the Solar System shows a very rich organic chemistry from the ionosphere to the surface. Mass spectrometers aboard the Cassini-Huygens spacecraft have allowed the detection of many organic compounds. However, instrumental limits in terms of analytical performances lead scientists to develop new high resolution mass spectrometry techniques (HRMS).My PhD is rooted to the development of a new high resolution mass analyzer based on the Orbitrap technology, for a space application. This project is named CosmOrbitrap. The efficiency of a simple and compact instrumental version of CosmOrbitrap coupled with a laser ablation ionization process (LAb-CosmOrbitrap) is demonstrated on organic matter analyses in the framework of a future space mission. Univocal identification of pure organics compounds and complex organic mixtures, analytical performances such as mass resolving power, mass accuracy and isotopic abundances determination as well as the impact of the pressure on the mass resolution of organics are part of this…

Advisors/Committee Members: Tagger, Michel (thesis director), Carrasco, Nathalie (thesis director).

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Depuis une quinzaine d’années, l’émergence des données de télédétection à Très Haute Résolution Spatiale (THRS) et la démocratisation des Systèmes d’Information Géographique (SIG) aident à répondre aux nouveaux besoins croissants d’informations spatialisées. Le développement de nouvelles méthodes de cartographie offre une opportunité pour comprendre et anticiper les mutations des surfaces terrestres aux grandes échelles, jusqu’ici mal connues. En France, l’emploi de bases de données spatialisées sur l’occupation du sol à grande échelle (BD Ocsol GE) est devenu incontournable dans les opérations courantes de planification et de suivi des territoires. Pourtant, l’acquisition de ce type de bases de données spatialisées est encore un besoin difficile à satisfaire car les demandes portent sur des productions cartographiques sur-mesure, adaptées aux problématiques locales des territoires. Face à cette demande croissante, les prestataires réguliers de ce type de données cherchent à optimiser les procédés de fabrication avec des techniques récentes de traitements d’image. Cependant, la Photo-Interprétation Assistée par Ordinateur (PIAO) reste la méthode privilégiée des prestataires. En raison de sa grande souplesse, elle répond toujours au besoin de cartographie aux grandes échelles, malgré son coût important. La substitution de la PIAO par des méthodes de production entièrement automatisées est rarement envisagée. Toutefois, les développements récents en matière de segmentation d’images peuvent contribuer à l’optimisation de la pratique de la photo-interprétation. Cette thèse présente ainsi une série d’outils (ou modules) qui participent à l’élaboration d’une assistance à la digitalisation pour l’exercice de photo-interprétation d’une BD Ocsol GE. L’assistance se traduit par la réalisation d’un prédécoupage du paysage à partir d’une segmentation menée sur une image THRS. L’originalité des outils présentés est leur intégration dans un contexte de production fortement contraint. La construction des modules est conduite à travers trois prestations cartographiques à grande échelle commandités par des entités publiques. L’apport de ces outils d’automatisation est analysé à travers une analyse comparative entre deux procédures de cartographie : l’une basée sur une démarche de photo-interprétation entièrement manuelle et la seconde basée sur une photo-interprétation assistée en amont par une segmentation numérique. Les gains de productivité apportés par la segmentation sont, évalués à l’aide d’indices quantitatifs et qualitatifs, sur des configurations paysagères différentes. À des degrés divers, il apparaît que quelque soit le type de paysage cartographié, les gains liés à la cartographie assistée sont substantiels. Ces gains sont discutés, à la fois, d’un point de vue technique et d’un point de vue thématique dans une perspective commerciale.

Over the last fifteen years, the emergence of remote sensing data at Very High Spatial Resolution (VHRS) and the democratization of Geographic Information Systems (GIS) have helped to…

Advisors/Committee Members: Etlicher, Bernard (thesis director), Jacqueminet, Christine (thesis director).

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L'imagerie laser 3D est une technique performante utilisée notamment pour cartographier l'environnement dans lequel évolue un aéronef, en mesurant la distance le séparant d'un objet, en plus des coordonnées (x,y). Le système est capable d'acquérir des mesures par tout temps (nuit, pluie, brouillard). Une nouvelle génération de capteurs, multi-pixels et ultra-sensibles, permet alors de répondre aux besoins identifiés pour cartographier avec précision une zone de grande superficie : haute résolution spatiale, longue portée avec précision centimétrique et rapidité d'acquisition. Il s'agit des plans focaux 3D Geiger. Avant leur utilisation en aéroporté, il était nécessaire de se familiariser avec leur fonctionnement, basé sur les probabilités de détection. Un simulateur reproduisant l'ensemble de la chaîne d'acquisition à été développé, puis validé sur des cas réels, au sol et en conditions statiques. Il a ensuite permis de démontrer l'intérêt des plans focaux Geiger pour la cartographie aéroportée à longue distance.

3D laser imaging is a powerful technique used to recognize the environment around an aircraft, by measuring the distance between the system and an objet, in addition to its spatial coordinates. Also, it allows data acquisition under any weather condition (night, rain, fog). A new kind of sensors, multi-pixel arrays with high sensitivity, seems in line with the needs of an accurate 3D mapping of a big area : high spatial resolution, longe range detection with centimeter accuracy and low acquisition time. There are 3D Geiger-mode focal plane arrays. Before an onboard use, it was necessary to analyze the operation of such a sensor, based on probabilities of detection. An end-to-end simulator reproducing the entire acquisition process has been implemented, then experimentally validated on ground and static cases. It finally allowed to demonstrate the potential and contribution of Geiger-mode focal plane arrays for long distance and high spatial resolution airborne 3D mapping.

Advisors/Committee Members: Briottet, Xavier (thesis director).

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Avec l'augmentation exponentielle de nombre d'images disponibles sur Internet, le besoin en outils efficaces d'indexation et de recherche d'images est devenu important. Dans cette thèse, nous nous baserons sur le contenu visuel des images comme source principale d'informations pour leur représentation. Basés sur l'approche des sacs de mots visuels, nous proposons une représentation visuelle avancée. Chaque image est modélisée par un mélange de catégories visuelles sémantiques, reliées à des catégories de haut niveau. Dans un premier temps, nous améliorons l'approche des sacs de mots visuels en caractérisant la constitution spatio-colorimétrique d'une image par le biais d'un mélange de n Gaussiennes dans l'espace de caractéristiques. Cela permet de proposer un nouveau descripteur de contour qui joue un rôle complémentaire avec le descripteur SURF. Cette proposition nous permet de résoudre le problème lié à la perte d'informations spatiales des sacs de mots visuels, et d'incorporer différentes informations relatives au contenu de l'image. Dans un deuxième temps, nous introduisons un nouveau modèle probabiliste basé sur les catégories : le modèle MSSA (Multilayer Semantic Significance Analysis ou Analyse multi-niveaux de la pertinence sémantique) dans le but d'étudier la sémantique des mots visuels construits. Ce modèle permet de construire des mots visuels sémantiquement cohérents (SSVW - Semantically Significant Visual Word). Ensuite, nous renforçons la capacité de catégorisation des SSVW en construisant des phrases visuelles sémantiquement cohérentes (SSVP - Semantically Significant Visual Phrase), à partir des SSVW qui apparaissent fréquemment. Nous améliorons également l'invariance intra-classes des SSVW et des SSVP en les indexant en fonction de leur répartition, ce qui nous amène à générer une représentation d'un glossaire visuel invariant et sémantiquement cohérent (SSVIG - Semantically Significant Visual Glossary). Enfin, nous proposons un nouveau schéma de pondération spatiale ainsi qu'un classifieur multi-classes basé sur un vote. Nos résultats expérimentaux extensifs démontrent que la représentation visuelle proposée permet d'atteindre de meilleures performances comparativement aux représentations traditionnelles utilisées dans le domaine de la recherche, la classification et de la reconnaissance d'objets.

With the availability of massive amounts of digital images in personal and on-line collections, effective techniques for navigating, indexing and searching images become more crucial. In this thesis, we rely on the image visual content as the main source of information to represent images. Starting from the bag of visual words (BOW) representation, a higher-level visual representation is learned where each image is modeled as a mixture of visual topics depicted in the image and related to high-level topics. First, we enhance the BOW representation by characterizing the spatial-color constitution of an image with a mixture of n Gaussians in the feature space. This leads to propose a novel descriptor, the…

Advisors/Committee Members: Djeraba, Chaabane (thesis director), Martinet, Jean (thesis director).

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La littérature sur les zones humides porte le plus souvent sur un nombre restreint d'espaces naturels « emblématiques » ; à côté de ceux-ci, il existe cependant un grand nombre de petites zones humides, peu citées voire oubliées. Les besoins de l'aménagement du territoire dans les régions urbanisées modifient sensiblement le regard porté sur ces zones humides oubliées, car elles deviennent le support de projets qui s'insèrent dans le cadre du Développement Durable. Ceci incite à renouveler les approches et les outils d'analyse utilisés classiquement, par exemple dans le cadre du PNRZH. A travers les exemples des marais de Guines, vallées de la Sensée et de la Haute Deûle (Nord-Pas de Calais), notre propos est moins de caractériser, délimiter les zones humides et d'en comprendre le fonctionnement, que de définir et d'examiner les interventions humaines, passées et actuelles, et leurs effets sur les espaces et les paysages. Notre travail s'est organisé autour de deux principales investigations : - la première est une étude historique des états paysagers et des rapports entre la société et son milieu. La démarche a consisté à reconstruire à partir de documents d'archives et de photographies aériennes les occupations du sol passées, -la seconde est une étude des enjeux et de l'appropriation actuelle des zones humides par les politiques publiques régionales et locales. Ces marais se caractérisaient jusqu'à une époque récente par des évolutions contradictoires, leur insertion actuelle dans le paysage régional urbain gomme leurs différences et pourrait compromettre leur avenir en tant qu'espaces naturels. Quelle est à terme l'évolution possible pour ces zones humides périurbaines?

The literature on wetlands mostly concems a limited number of "emblematic" natural spaces and neglects the exIstence of a large number of small wetlands, which are rarely mentioned when not outnght forgotten. The needs of the regionnal planning in. the urbanized regions modify appreciably the outlook of land planners on the latter areas, because they become the support of projects which fit ·within the framework of the Sustanable. development..This situation calls for a renewal of classic approaches and analytical tools such as used in the context of The national research Programme into wetlands. Throug the examples of the Guines marsh, the Sensée valleys and the Haute Deûle (Nord-Pas de Calais), the point is less to characterise and circumscribe wetlands, and to understand how they work than to define and examine the human interventions, past and present and their efIects on spaces and landscapes. Research was therefore articulated around two main investigations ::- the first is a histoncal study of the successive states of the landscape and of the relationships between society and Its environment. The approach consIsted in reconstructmg past land covers from archivaI documents and aerial photographs, - the second is a study of what is currently at stake in wetlands and how they are being appropriated by local and regional public policies.…

Advisors/Committee Members: Kergomard, Claude (thesis director), Scarwell, Helga-Jane (thesis director).

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Dans le cadre du développement des technologies Na-ion, le composé NaFePO4, équivalent chimiquedu matériau très attractif LiFePO4, représente une alternative intéressante aux problèmes deressourcement du lithium. Toutefois, les composés LiFePO4 et NaFePO4 de structure olivineprésentent des divergences de comportement structural et électrochimique lors de l'insertioncationique. Ce travail présente une analyse des mécanismes de (dés)insertion des ions Li+ et Na+ ausein de la phase FePO4 par voie chimique et électrochimique. Les échantillons de LiFePO4 ont étésynthétisés par deux méthodes différentes (hydrothermale et précipitation), puis délithiéschimiquement via différents procédés. Dans un premier temps, les analyses structurales (DRX)associées aux analyses nucléaires ont permis d'effectuer un suivi de la cinétique de réaction. Nousavons montré que la présence de joints de grains, issus du traitement thermique effectué, limitefortement la vitesse de délithiation. L'analyse de l’évolution des domaines de cohérences a permis deproposer un mécanisme de délithiation original de type "Coeur-Coquille" avec un coeur de LiFePO4,confirmé par HRTEM et STEM-EELS. Dans un deuxième temps, afin de comparer les mécanismes dedélithiation chimique et électrochimique, l’insertion et la cyclabilité des ions Li+ et Na+ ont étécaractérisées en demi-cellules lithium et sodium. Bien que la signature électrochimique des matériauxLiFePO4 et NaFePO4 soit différente, les performances en termes de capacité restituée ou de tenue enpuissance s'avèrent similaires. Enfin, l'insertion électrochimique des ions Li+ et Na+ au sein d'unepoudre comportant des défauts structuraux a été caractérisée par DRX Operando durant un cycle decharge / décharge effectué à régime lent. Ces analyses ont révélées que la co-insertion cationiques'effectue via une solution solide de type LixNayFePO4 (0<x+y<1).

As part of the development of Na-ion technology, NaFePO4 compound, chemical equivalent of theattractive LiFePO4 material, would be a promising option facing possible lithium shortage. However,olivine-type LiFePO4 and NaFePO4 display different structural and electrochemical behaviors duringcationic insertion. This thesis presents an analysis of the (de)insertion mechanisms of Li+ and Na+ ionswithin olivine-type FePO4 by chemical and electrochemical means. Samples of LiFePO4 weresynthesized by two different methods (hydrothermal and precipitation), then chemically delithiated bydifferent processes. In a first step, structural analysis (XRD) associated with nuclear analyses enabledfollowing the reaction kinetics. We have pointed out that the presence of grain boundaries, resultingfrom the heat treatment, strongly limits the delithiation kinetics. The analysis of the evolution of thecoherency domains enabled us to propose an original "Shrinking Core" type delithiation mechanismwith a core of LiFePO4, observed by HRTEM and STEM-EELS. In a second step, in order to comparechemical and electrochemical mechanisms, insertion and cyclability of Li+ and Na+ were…

Advisors/Committee Members: Obbade, Saïd (thesis director), Alloin, Fannie (thesis director), Rossignol, Cécile (thesis director).

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La disponibilité de nouveaux moyens d’acquisition en télédétection, satellitaire (PLEIADES, HYPXIM), aéroportée ou par drone (UAV) à très haute résolution spatiale ouvre la voie à leur utilisation pour l’étude de milieux complexes telles que les villes. En particulier, la connaissance de la ville pour l’étude des îlots de chaleur, la planification urbaine, l’estimation de la biodiversité de la végétation et son état de santé nécessite au préalable une étape de classification des matériaux qui repose sur l’utilisation de l’information spectrale accessible en télédétection hyperspectrale 0,4-2,5μm. Une des principales limitations des méthodes de classification réside dans le non traitement des zones à l’ombre. Des premiers travaux ont montré qu’il était possible d’exploiter l’information radiative dans les ombres des bâtiments. En revanche, les méthodes actuelles ne fonctionnent pas dans les ombres des arbres du fait de la porosité de leur couronne. L’objectif de cette thèse vise à caractériser les propriétés optiques de surface à l’ombre de la végétation arborée urbaine au moyen d’outils de transfert radiatif et de correction atmosphérique. L’originalité de ce travail est d’étudier la porosité d’un arbre via la grandeur de transmittance de la couronne. La problématique a donc été abordée en deux temps. Premièrement, la caractérisation de la transmittance d’un arbre isolé a été menée avec l’utilisation de l’outil DART à travers la mise en œuvre d’un plan d’expériences et d’études de sensibilité qui ont permis de la relier à des paramètres biophysiques et externes. Une campagne de mesures terrain a ensuite été réalisée afin d’évaluer son estimation à partir de différents niveaux de modélisation de l’arbre, dont un modèle réel acquis par mesures lidar terrestre. Deuxièmement, une nouvelle méthode de correction atmosphérique 3D adaptée à la végétation urbaine, ICARE-VEG, a été développée à partir des résultats précédents. Une campagne aéroportée et de mesures terrain UMBRA a été dédiée à sa validation. Ses performances comparées à d’autres outils existants ouvrent de larges perspectives pour l’interprétation globale d’une image par télédétection et pour souligner la complexité de modéliser des processus physiques naturels à une échelle spatiale très fine.

The new advances in remote sensing acquisitions at very high spatial resolution, either spaceborne (PLEIADES, HYPXIM), airborne or unmanned aerial vehicles borne, open the way for the study of complex environments such as urban areas. In particular, the better understanding of urban heat islands, urban planning, vegetation biodiversity, requires the knowledge of detailed material classification mapsbased on the use of spectral information brought by hyperspectral imagery 0.4-2.5μm. However, one of the main limitations of classification methods relies on the absence of shadow processing. Past studies have demonstrated that spectral information was possible to be extracted from shadows cast by buildings. But existing methods fail in shadows cast by trees because of…

Advisors/Committee Members: Briottet, Xavier (thesis director).

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Notre recherche vise à évaluer l’apport d’une seule image polarimétrique RSO (Radar à Synthèse d’Ouverture) à haute résolution spatiale pour classifier les surfaces urbaines. Pour cela, nous définissons plusieurs types de toits, de sols et d’objets.Dans un premier temps, nous proposons un inventaire d’attributs statistiques, texturaux et polarimétriques pouvant être utilisés dans un algorithme de classification. Nous étudions les lois statistiques des descripteurs et montrons que la distribution de Fisher est bien adaptée pour la plupart d’entre eux. Dans un second temps, plusieurs algorithmes de classification vectorielle supervisée sont testés et comparés, notamment la classification par maximum de vraisemblance basée sur une distribution gaussienne, ou celle basée sur la distribution de Wishart comme modèle statistique de la matrice de cohérence polarimétrique, ou encore l’approche SVM. Nous proposons alors une variante de l’algorithme par maximum de vraisemblance basée sur une distribution de Fisher, dont nous avons étudié l’adéquation avec l’ensemble de nos attributs. Nous obtenons une nette amélioration de nos résultats avec ce nouvel algorithme mais une limitation apparaît pour reconnaître certains toits. Ainsi, la forme des bâtiments rectangulaires est reconnue par opérations morphologiques à partir de l’image d’amplitude radar. Cette information spatiale est introduite dans le processus de classification comme contrainte. Nous montrons tout l’intérêt de cette information puisqu’elle empêche la confusion de classification entre pixels situés sur des toits plats et des pixels d’arbre. De plus, nous proposons une méthode de sélection des attributs les plus pertinents pour la classification, basée sur l’information mutuelle et une recherche par algorithme génétique. Nos expériences sont menées sur une image polarimétrique avec un pixel de 35 cm, acquise en 2006 par le capteur aéroporté RAMSES de l’ONERA.

In this research, our aim is to assess the potential of a one single look high spatial resolution polarimetric radar image for the classification of urban areas. For that purpose, we concentrate on classes corresponding to different kinds of roofs, objects and ground surfaces.At first, we propose a uni-variate statistical analysis of polarimetric and texture attributes, that can be used in a classification algorithm. We perform a statistical analysis of descriptors and show that the Fisher distribution is suitable for most of them. We then propose a modification of the maximum likelihood algorithm based on a Fisher distribution; we train it with all of our attributes. We obtain a significant improvement in our results with the new algorithm, but a limitation appears to recognize some roofs.Then, the shape of rectangular buildings is recognized by morphological operations from the image of radar amplitude. This spatial information is introduced in a Fisher-based classification process as a constraint term and we show that classification results are improved. In particular, it overcomes classification…

Advisors/Committee Members: Polidori, Laurent (thesis director), Simonetto, Elisabeth (thesis director).

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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.…

Advisors/Committee Members: Eckert, Denis (thesis director), Tinel, Claire (thesis director).

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Ce travail porte sur le développement d’une nouvelle technique de diagnostic associant la résonance magnétique à haute résolution spatiale à la spectroscopie optique d’autofluorescence et de réflectance. La mise au point d’une telle sonde endoluminale bimodale s’inscrit dans les recherches de méthodes complémentaires ou alternatives à l’endoscopie conventionnelle pour le diagnostic précoce des pathologies du tube digestif. En effet le cancer colorectal représente aujourd’hui un enjeu majeur de santé publique avec plus de 1,2 millions de cas diagnostiqués dans le monde sachant que le taux de survie à 5 ans d’un patient est actuellement de 94% dans le cas de lésions détectées à un stade précoce (stade I) et seulement de 8% à un stade tardif (stade IV). Dans la première partie du manuscrit, nous abordons les différentes modalités d’imagerie et d’analyse spectrale en cours de développement ou d’évaluation, en mettant l’accent sur les principes physiques utilisés en RMN et spectroscopie optique. Dans une deuxième partie, nous détaillons la conception et la réalisation de prototypes de sondes endoluminales ainsi que les bancs optiques associés. Nous traitons également de la mise en oeuvre de dispositifs d’acquisition ainsi que des méthodes d’analyse de données au moyen de programmes informatiques dédiés. Dans une dernière partie, le système bimodal est caractérisé et validé lors d’études sur fantômes et une étude in vivo sur lapin. Les images obtenues par RM, fournissant l’information morphologique des échantillons ou du tissu, et les spectres optiques liés à leur composition sont corrélés

The main aim of this work is the development of a new diagnostic technique combining high spatial resolution MRI to autofluorescence and reflectance spectroscopy through the conception of a bimodal endoluminal probe. Such a technique falls within the framework of alternative innovative techniques to conventional colonoscopy that would allow better sensitivity to early stage digestive pathologies. Colorectal cancer is today a major health issue worldwide with more than 1.2 million cases diagnosed each year bearing the fact that the 5 year survival rate is 94% when precancerous lesions are diagnosed at an early stage (stage I) and only 8% when diagnosed at an advanced stage (stage IV). The promising imaging and spectral analysis techniques under investigation or undergoing clinical evaluation in different parts of the world are presented in the first chapter of this manuscript along with the basic physics involved in magnetic resonance imaging and optical spectroscopy. Chapter 2 gives a detailed description of the work carried out in devising and conceiving different endoluminal bimodal probe prototypes along with the dedicated optical test benches. Dedicated data processing and visualisation programmes developed are also presented within this chapter. The final chapter of this work deals with the different studies carried out in-vitro on different phantoms and in-vivo on a rabbit. Morphological information obtained through the MR…

Advisors/Committee Members: Beuf, Olivier (thesis director), Sablong, Raphaël (thesis director).

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Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d’évaluer le potentiel de modèles probabilistes multivariés appliqués sur les sous-bandes d’une décomposition en ondelettes pour la classification d’images de télédétection optiques à très haute résolution spatiale. Trois thématiques principales ont été investiguées dans ce travail : la différenciation de classes d’âge de peuplements de pins maritimes, la détection de parcelles viticoles et la détection de parcs ostréicoles. Une contribution originale concerne la proposition d’une chaîne traitement pour une classification supervisée orientée objet se basant sur des mesures de similarité adaptées au contexte de modélisation probabiliste. Celle-ci implique la création d’une base de données de patchs de texture pour l’apprentissage et l’utilisation d’une pré-segmentation de l’image à classifier. Les modèles probabilistes multivariés testés ont tout d’abord été évalués dans une procédure d’indexation d’images. Les modèles les plus performants identifiés par cette procédure ont été ensuite appliqués dans la chaîne de traitement proposée. Dans les trois thématiques explorées, les modèles multivariés ont révélé des capacités remarquables de représentation de la texture et ont permis d’obtenir une qualité de classification supérieure à celle obtenue par la méthode des matrices de co-occurrence. Ces résultats démontrent l’intérêt de la représentation multi-échelles et multi-orientations de la texture dans l’espace transformé en ondelettes et la pertinence de la modélisation multivariée des coefficients d’ondelettes issus de cette décomposition.

The prime objective of this thesis is to evaluate the potential of multivariate probabilistic models applied on wavelet subbands for the classification of very high resolution remote sensing optical data. Three main applications are investigated in this study: the differentiation of age classes of maritime pine forest stands, the detection of vineyards and the detection of oyster fields. One main contribution includes the proposal of an original supervised and object-oriented classification scheme based on similarity measurements adapted to the context of probabilistic modeling. This scheme involves the creation of a database of texture patches for the learning step and a pre-segmentation of the image to classify. The tested multivariate models were first evaluated in an image retrieval framework. The best models identified in this procedure were then applied in the proposed image processing scheme. In the three proposed thematic applications, multivariate models revealed remarkable abilities to represent the texture and reached higher classification accuracies than the method based on co-occurrence matrices. These results confirm the interest of the multi-scale and multi-orientation representation of textures through the wavelet transform, as well as the relevance of the multivariate modeling of wavelet coefficients

Advisors/Committee Members: Germain, Christian (thesis director), Bombrun, Lionel (thesis director).

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Un des avantages des lasers femtosecondes de haute puissance (TW-PW) est de pouvoir obtenir, au foyer d'une optique focalisante, des intensités très élevées atteignant jusqu'à 10^22W.cm^-2 soit un champ électrique de 2.7 PV.m^-1. Pour cela, ces chaînes lasers délivrent nécessairement des faisceaux de grands diamètres (jusqu'à 40 cm) et des impulsions très courtes (de l'ordre de la dizaine de femtosecondes). En conséquence, les propriétés spatiales et temporelles de l'impulsion ne sont généralement pas indépendantes. Ce type de dépendance, appelée couplage spatio-temporel, a pour conséquence d'augmenter la durée d'impulsion et la taille de la tache focale, ce qui peut conduire à une diminution notable de l'intensité maximale au foyer. Les dispositifs de métrologie couramment utilisés sur ces chaînes lasers femtosecondes de haute puissance ne permettent de mesurer les profils spatial et temporel de l'impulsion que de façon indépendante.L'objectif de cette thèse était de développer des techniques permettant de mesurer les couplages spatio-temporels afin de pouvoir quantifier leur effet et de les corriger dans l'optique d'obtenir l'intensité maximale au foyer. Ainsi, nous avons tout d'abord adapté une technique de caractérisation spatio-temporelle existante à la mesure de lasers TW. Afin d'éviter les contraintes induites au foyer, comme celles liées aux fluctuations de pointé, les mesures ont été réalisées sur le faisceau collimaté. Ajouter une source de référence en parallèle du dispositif initial, nous a aussi permis de prendre en compte les artéfacts de mesure dus aux variations thermiques et mécaniques affectant l'interféromètre. Grâce à cette amélioration, il est possible de reconstruire le profil spatio-temporel complet du faisceau, en particulier son front d'onde.Cependant, les limitations induites par cette technique, nous ont conduit à développer un nouveau dispositif de mesure. Basé sur une corrélation croisée, cette technique consiste à faire interférer le faisceau laser à caractériser avec une partie de ce dernier, suffisamment petite pour ne pas être distordue spatio-temporellement. Nous avons également mis en œuvre une variante de ce dispositif permettant une mesure mono-coup selon une dimension transverse de l'impulsion.A l'aide de ces différentes techniques, nous avons pu caractériser, pour la première fois, plusieurs chaînes lasers TW. Les mesures réalisées ont mis en lumière l'existence de couplages spatio-temporels résiduels conduisant à une baisse significative de l'intensité pic au foyer. Ces résultats montrent qu'il est indispensable de caractériser spatio-temporellement des chaînes lasers femtosecondes de haute puissance dans l'optique d'obtenir l'intensité maximale au foyer.

One of the advantages of high-power femtosecond lasers (TW-PW) is to obtain, at the focus of a focusing optic, very high intensities up to 10^22W.cm^-2 (i.e. an electric field of 2.7 PV.m^-1. Therefore, these lasers chains necessarily deliver beams with large diameter (up to 40 cm) and very short pulses (of the order of…

Advisors/Committee Members: Quéré, Fabien (thesis director).

▼ Résumé : La détection des bâtiments dans les images à très haute résolution spatiale (THRS) a plusieurs applications pratiques et représente un domaine de recherche scientifique intensive ces dernières années. Elle fait face à la complexité du milieu urbain et aux spécificités des images provenant des différents capteurs. La performance des méthodes existantes pour l’extraction des bâtiments n’est pas encore suffisante pour qu’elles soient généralisées à grande échelle (différents types de tissus urbains et capteurs). Les opérateurs morphologiques se sont montrés efficaces pour la détection des bâtiments dans les images panchromatiques (images en niveaux de gris) à très haute résolution spectrale (THRS). L’information spectrale issue des images multispectrales est jugée nécessaire pour l’amélioration de leur performance. L’extension des opérateurs morphologiques pour les images multispectrales exige l’adoption d’une stratégie qui permet le traitement des pixels sous forme de vecteurs, dont les composantes sont les valeurs dans les différentes bandes spectrales. Ce travail de recherche vise l’application de la transformation morphologique dite Hit-or-Miss (HMT) à des images multispectrales à THRS, afin de détecter des bâtiments. Pour répondre à la problématique de l’extension des opérateurs morphologiques pour les images multispectrales, nous proposons deux solutions. Comme une première solution nous avons généré des images en niveaux de gris à partir les bandes multispectrales. Dans ces nouvelles images les bâtiments potentiels sont rehaussés par rapport à l’arrière-plan. La HMT en niveaux de gris est alors appliquée à ces images afin de détecter les bâtiments. Pour rehausser les bâtiments nous avons proposé un nouvel indice, que nous avons appelé Spectral Similarity Ratio (SSR). Pour éviter de définir des configurations, des ensembles d’éléments structurants (ES), nécessaires pour l’application de la HMT, au préalable, nous avons utilisé l’érosion et la dilatation floues et poursuivi la réponse des pixels aux différentes valeurs des ES. La méthode est testée sur des extraits d’images représentant des quartiers de type résidentiel. Le taux moyen de reconnaissance obtenu pour les deux capteurs Ikonos et GeoEye est de 85 % et de 80 %, respectivement. Le taux moyen de bonne identification, quant à lui, est de 85 % et 84 % pour les images Ikonos et GeoEye, respectivement. Après certaines améliorations, la méthode a été appliquée sur des larges scènes Ikonos et WorldView-2, couvrant différents tissus urbains. Le taux moyen des bâtiments reconnus est de 82 %. Pour sa part, le taux de bonne identification est de 81 %. Dans la deuxième solution, nous adoptons une stratégie vectorielle pour appliquer la HMT directement sur les images multispectrales. La taille des ES de cette transformation morphologique est définie en utilisant la transformation dite chapeau haut-de-forme par reconstruction. Une étape de post-traitement inclut le filtrage de la végétation par l’indice de la végétation NDVI et la validation de la… Advisors/Committee Members: He, Dong-Chen (advisor).

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L’impact sanitaire lié à la pollution de l’air nécessite une estimation précise de celle-ci. Les réseaux de stations de mesures des agences de surveillance de la qualité de l’air (AIRPARIF en Île-de-France) ne sont pas suffisamment denses pour renseigner sur l’hétérogénéité de la pollution en ville. Et, les modèles haute résolution simulant les champs de concentration de polluants en 3D ont une large couverture spatiale mais sont limités par leurs incertitudes. Ces deux sources d’information exploitées indépendamment ne permettent pas d’évaluer finement l’exposition d’un individu. Nous proposons deux approches pour résoudre ce problème : (1) par la mesure directe des polluants avec des capteurs mobiles à bas coût et des instruments de référence. Des niveaux de pollution très variables ont été constatés entre les microenvironnements et dans une même pièce. Ces capteurs devraient être déployés en grand nombre pour palier à leurs contraintes techniques. Les instruments de référence, très coûteux et volumineux, ne peuvent être utilisés que ponctuellement. (2) en combinant les concentrations simulées par le modèle Parallel Micro-SWIFT-SPRAY (PMSS) à Paris avec une résolution horizontale de 3 mètres et les mesures des stations de surface AIRPARIF. Nous avons déterminé des « zones de représentativité » - zones géographiques où les concentrations sont très proches de celle de la station - uniquement à partir des sorties du modèle PMSS. Ensuite, nous avons développé un modèle bayésien pour propager la mesure des stations dans ces zones.

The harmful effects of air pollution need a high-resolution concentration estimate. Ambient pollutant concentrations are routinely measured by surface monitoring sites of local agencies (AIRPARIF in Paris area, France). Such networks are not dense enough to represent the strong horizontal gradients of pollutant concentrations over urban areas. And, high-resolution models that simulate 3D pollutant concentration fields have a large spatial coverage but suffer from uncertainties. Those both information sources exploited independently are not able to accurately assess an individual’s exposure. We suggest two approaches to solve this problem : (1) direct pollution measurement by using low cost mobile sensors and reference instruments. A high variability across pollution levels is shown between microenvironments and also in the same room. Mobile sensors should be deployed on a large scale due to their technical constraints. Reference instruments are very expensive, cumbersome, and can only be used occasionally. (2) by combining concentration fields of the Parallel Micro-SWIFT-SPRAY (PMSS) model over Paris at a horizontal resolution of 3 meters with AIRPARIF local ground stations measurements. We determined “representativeness areas” - perimeter where concentrations are very close to the one of the station location – only from PMSS simulations. Next, we developed a Bayesian model to extend the stations measurements within these areas.

Advisors/Committee Members: Payan, Sébastien (thesis director), Myrto, Valari (thesis director).

▼ Dans un contexte de changements globaux, il est primordial de mettre au point des pratiques de gestion durable des forêts tropicales assurant le maintien de services environnementaux clés (e.g., biodiversité, stockage de carbone) et la production de biens essentiels aux communautés locales. La mesure, la spatialisation et la compréhension des déterminismes de la structure des forêts tropicales est un challenge pour la gestion durable des ressources forestières. Les forêts denses humides (FDH) de Nouvelle-Calédonie, un point chaud de biodiversité localisé dans le Pacifique Sud-Ouest, sont un modèle d'étude idéal pour comprendre les déterminants de la structure des FDH. En effet, les FDH néo-calédoniennes sont réparties le long d’une chaîne de montagne et sont ainsi soumises à de forts gradients environnementaux auxquels se superposent différents gradients de perturbations naturelles ou anthropiques. Les objectifs de cette thèse sont (i) de définir les caractéristiques structurales des FDH néo-calédoniennes, (ii) de cartographier les FDH et prédire leur structure à large échelle, et (iii) de quantifier l'influence de l’environnement et des dynamiques forestières sur la structure des FDH. Pour cela, 23 parcelles d’inventaire forestier de 100 m x 100 m ont été mise en place en Province Nord, entre 250 et 900 m d'altitude et 1500 et 3000 mm de précipitations annuelles. En plus de caractériser localement la structure des FDH, ces parcelles ont permis de calibrer un modèle prédictif basé sur l’analyse de la texture de la canopée, à l'aide la méthode FOTO (FOurier transform Textural Ordination), qui a été appliqué à huit images satellitaires à très haute résolution Pléiades (couvrant 1295 km2). Un tel modèle capable de lier texture et structure repose sur le postulat que la relation allométrique entre le DBH (Diameter at Breast Height) et l'aire de la couronne des arbres de canopée est stable. Nous avons également testé cette relation à échelle pantropicale. Nos résultats ont montré que les FDH néo-calédoniennes sont denses (1182 ± 233 tiges/ha), ont une aire basale élevée (44 ± 11 m2/ha), une canopée relativement basse (14 ± 3 m) et une biomasse aérienne caractéristique des forêts tropicales (299 ± 83 t/ha). Elles se distinguent également par une importante variabilité structurale. Cette variabilité est du même ordre que ce soit le long de gradients environnementaux ou de gradients de succession forestière. La méthode FOTO appliquée aux images Pléiades a permis de prédire et de spatialiser des paramètres structuraux clefs (tels que la densité de tiges et la biomasse aérienne des FDH) à partir de corrélations robustes avec les indices de texture de la canopée (R² ≥ 0,6; RMSE ≤ 20%). La structure des FDH est principalement dirigée par l'insolation potentielle et l'altitude à l'échelle des massifs montagneux, et par la pente et un indicateur topographique d'humidité à l'échelle du versant. Ces travaux permettront d'estimer les ressources forestières à l'échelle de la Nouvelle-Calédonie et de définir une nouvelle typologie des… Advisors/Committee Members: Couteron, Pierre (thesis director), Birnbaum, Philippe (thesis director).

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Cette thèse traite de l’étude et du développement d’un système d’optique adaptative pour la tomographie par cohérence optique plein champ (AO-FFOCT en anglais) appliquée à l’imagerie haute résolution de la rétine. L’analyse de l’effet des aberrations géométriques sur les performances en FFOCT a montré que pour une illumination spatialement incohérente, la résolution transverse est insensible aux aberrations et ne fait que diminuer le niveau du signal. Comme ce sont des aberrations de bas ordres comme la myopie et l’astigmatisme qui prédominent pour l’œil humain, une méthode d’optique adaptative avec une configuration sans conjugaison qui utilise une correction de front d’onde en transmission est suggérée, puis appliquée à la correction de ces ordres afin de simplifier le système d’AO-FFOCT. Des corrections de front d’onde sont effectuées sans analyseur de surface d’onde, en utilisant le niveau du signal de FFOCT comme métrique. Des expériences avec des échantillons diffusants et un œil artificiel sont menées pour démontrer la faisabilité d’un système d’AO-FFOCT conçu pour la correction d’aberration. Afin de résoudre les problèmes posés par les mouvements oculaires et de compenser en temps réel la différence de chemin optique entre les deux bras de l’interféromètre, l’instrument de FFOCT est couplé à un système d’OCT spectral. Avec cette combinaison de systèmes, l’imagerie FFOCT in vivo cellulaire de la rétine à haute résolution a été réalisée pour la première fois sur l’œil humain.

This thesis follows the study and development of an adaptive optics full-field optical coherence tomography (AO-FFOCT) system, aiming for high resolution en face human retinal imaging. During the quantification of the effects of geometrical aberrations on the FFOCT system performance, it is shown that, with spatially incoherent illumination, the lateral resolution of FFOCT is insensitive to aberrations, which only cause the FFOCT signal reduction. Since low order aberrations like myopia and astigmatism dominate in human eye, a non-conjugate AO configuration by using transmissive wavefront corrector is suggested and applied for low order aberrations correction to simplify the AO-FFOCT system. Wavefront corrections are done with a wavefront sensorless method by using FFOCT signal level as the metric. Experiments with scattering samples and artificial eye model are conducted to demonstrate the feasibility of the customized AO-FFOCT system for aberration correction. In order to resolve the eye motion effects and employ real-time matching of the optical path lengths of the two interferometric arms in FFOCT, a system combination of traditional spectral-domain OCT (SDOCT) with FFOCT is adopted. With this combined system, high resolution FFOCT cellular retinal imaging is achieved in human eye in vivo for the first time.

Advisors/Committee Members: Fink, Mathias (thesis director), Boccara, Albert-Claude (thesis director).

▼ Sets of data used for business and research are rapidly increasing in size. The problem of analysis on big data has becoming a pressing concern for the statistician. In this thesis, I compare different methods for performing least squares linear regressions on large data sets. Using the statistical program R, I test the limits of different functions suited for large volumes of data. Also, using an enhanced version of R called Microsoft R Open and Intel's Math Kernel Library, I show that computation times can be significantly improved. Furthermore I have connected to a cloud computing service, Amazon???s Elastic Compute Cloud, to perform regressions on ???big data???. Lastly, I used the methods investigated on a 12 GB data set of airline arrival times and list practical recommendations for working with large data sets. Advisors/Committee Members: King, Adam (advisor), Von Bremen, Hubertus (committee member).

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Ce travail de thèse se veut être une contribution à l'estimation globale des risques de collisions dans l'environnement spatial de la Terre. Deux échelles de temps s'affrontent pour l'estimation de ces risques : le très court terme (quelques heures à quelques jours) où les évolutions notables de probabilité de collisions vont être dues à des événements de caractère catastrophique (collision entre satellites ou explosion), et le long voire le très long terme (où il s'agit d'évaluer l'évolution spatio-temporelle de la population de l'ensemble des débris spatiaux). Dans les deux cas, il s'agit d'évaluer la dangerosité d'une région de l'espace où évoluent des satellites opérationnels. L'assimilation de bases de données des objets en orbite autour de la Terre est fortement présente dans ce travail, tout comme des simulations pour les objets petits, nombreux, et donc non-observables. L'objectif suivi est d'étudier les caractéristiques statistiques générales de la population ainsi que celles d'une famille particulière née d'un événement ponctuel (de type fragmentation), tant par le biais d'outils usuels que novateurs, afin d'aboutir à une estimation des risques engendrés à court et long termes. Une méthode innovante est proposée, basée sur des outils de statistique spatiale utilisés en mathématiques appliquées dans des domaines variés mais jusque là autres que l’astrodynamique. Nous avons déterminé la répartition des débris spatiaux d'un point de vue statistique, en décrivant la dynamique d'agrégation ou de répulsion entre les objets, puis évalué l'influence des particules de petite taille sur la distribution des fragments. L'étude d'une fragmentation particulière et de la formation de son nuage de débris en orbite est également réalisée. Elle passe par la description des caractéristiques géométriques du nuage au cours du temps ainsi que par la déterminationdes temps de fermeture de ses différentes étapes de formation. Cette fragmentation est également utilisée pour déterminer l'influence des paramètres propres à l'explosion et à l'évolution des orbites sur la dispersion du nuage d'un point de vue statistique. Sur la base de l’ensemble de ces travaux, une série de critères nous permet finalement de tracer des voies vers une calibration d'un modèle de fragmentation complet par comparaison avec des données réelles issues d'observations.

This PhD work is a contribution to the global estimation of collision risks in the Earth space environment. To estimate these risks, two time scales complement one another: over very short terms (from a few hours to a few days) the strongest changes of collision probabilities are likely to be due to catastrophic events (collision between satellites or explosions), whereas over long and even very long terms (decades or even centuries) the main goal is to assess the spatio-temporal evolution of a whole population of space debris. In both cases, this is the evaluation of the dangerousness of regions where active satellites evolve which is at stake.Throughout the discussion, we focuse on…

Advisors/Committee Members: Dèbes, Pierre (thesis director), Vienne, Alain (thesis director), Deleflie, Florent (thesis director), Dolado Perez, Juan-Carlos (thesis director).

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Pour poursuivre le développement de la géothermie de haute-enthalpie dans l’arc insulaire des Petites Antilles il faut d’une part identifier de nouvelles zones potentielles et d’autre part mieux comprendre le fonctionnement des réservoirs géothermaux. Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est de caractériser l’évolution spatio-temporelle de l’hydrothermalisme au niveau de la plaque supérieure de l’arc en Guadeloupe au travers d’une analyse pluridisciplinaire (études structurales, géochimiques, minéralogiques, pétrologiques et géochronologiques) des complexes volcaniques les plus anciens de l’archipel. Au Nord de la Basse-Terre nous identifions un métamorphisme d’arc de type sub-Schistes Verts. L’état thermique standard de la croûte d’arc en Guadeloupe ainsi établit indique une transition fragile-ductile située à 3-4 km de profondeur. Un paléo-réservoir exhumé, identifié au Sud de l’île de la Basse-Terre, illustre un métamorphisme hydrothermal de type Schistes-Verts synchrone du développement de couloirs de schistosité et révèle la présence d’horizons verticaux et latéraux de transfert de fluides hydrothermaux situés à 2-3 km de profondeur. En comparant l’âge du volcanisme et la datation Ar-Ar des phases hydrothermales de haute-température, nous estimons une durée maximale de fonctionnement du paléo-réservoir à 650 ka. Enfin, la découverte, l’analyse et la datation K-Ar d’une nouvelle brèche hydrothermale, au coeur du système géothermal actif, met en évidence un système épithermal distal relié à l’activité volcanique de la Soufrière. Nos résultats conduisent à un modèle conceptuel de fonctionnement d’un réservoir géothermal de haute-énergie en contexte d’arc actif.

To further develop high-enthalpy geothermal energy in Lesser Antilles arc, it is necessary to identify possible new key targets, and to better understand the modes of fluids and heat transfers in geothermal reservoirs. The objective of this work is thus to characterize the spatio-temporal evolution of hydrothermalism at the upper plate of the arc in Guadeloupe with a multidisciplinary approach (combined structural, geochemical, mineralogical, petrological and geochronological analyses) focussed on the oldest volcanic complexes of the archipelago. In the north of Basse-Terre Island reveals an arc metamorphism developed under sub-Greenschist facies. The standard thermal state of the arc crust in Guadeloupe thus established shows a brittle-ductile transition located at depths of 3 to 4 km. An exhumed geothermal paleo-reservoir, identified at the south of Basse-Terre Island, indicates a hydrothermal metamorphism developed under Greenschist facies synchronous with the development of schistose corridors and attests for both vertical and lateral hydrothermal fluid transfers at depths between 2 and 3 km. Comparison of the age of the volcanic activity and Ar-Ar dating of the high-temperature hydrothermal phases allows us to estimate a maximum operating time of the paleo-reservoir at 650 ka. Finally, the discovery, the analysis and the K-Ar dating of a new…

Advisors/Committee Members: Lebrun, Jean-Frédéric (thesis director), Lardeaux, Jean-Marc (thesis director), Verati, Chrystèle (thesis director).

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Ces dernières années, les missions spatiales bénéficient d'un regain d'intérêt. Cependant, lorsqu’arrive laphase d’entrée dans l’atmosphère, nous faisons encore face à d’importantes difficultés. Afin de répondre àce problème, une nouvelle technique est proposée : le contrôle par plasma pour augmenter la force detraînée sur le véhicule et ainsi, décroître sa vitesse. Dans cette thèse, un actionneur plasma est testé danstrois écoulements supersoniques (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) et un hypersonique (M20-0.062Pa), ces écoulements étant simulés par la soufflerie MARHy.L’actionneur plasma induit des modifications de l’écoulement autour du modèle étudié, comme unemodification de la géométrie de l’onde de choc et une augmentation de l’angle de choc. Afin de mieuxcomprendre les phénomènes gouvernant ces modifications, la pression Pitot, la température surfacique etvolumique, les données électroniques et des mesures spectroscopiques ont été analysées. Les résultatsmontrèrent que deux types d’effets interviennent : thermiques (surface et volume) et l’ionisation. De plus, il aété démontré que ces effets n’ont pas la même importance suivant les conditions d’écoulements.L’actionneur plasma lui-même a été modifié dans un but d’amélioration. En particulier, deux types degénérateurs ont été étudiés pour alimenter la cathode : DC et pulsé. Finalement, il est montré que pour unepuissance de décharge de 80 W, une augmentation de 13% de la traînée et donc, une diminution de plus de25% des flux de chaleur peuvent être attendus. Par conséquent, les actionneurs plasma semblent être descandidats idéaux pour les missions spatiales et les (r)entrées atmosphérique.

Space missions are arousing renewed interest in these recent years. However, when coming to the entryinto the atmosphere, major issues are still to be considered. To answer this problem, a new Entry DescentLanding technique is proposed: plasma actuation to increase the drag force over the vehicle body and thus,decrease its speed. In this thesis, a plasma actuator is tested in three supersonic rarefied flows (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) and a hypersonic one (M20-0.062Pa), all generated by the wind tunnelMARHy.The plasma actuator induces flow modifications over the studied model, such as a change in the shock waveshape and an increase in the shock wave angle. In order to better understand the phenomena governingthese modifications, Pitot pressure, surface and gas temperature, electron data and spectroscopicmeasurements were analyzed. The results shown that two types of effects are involved: thermal (bulk andsurface) and ionization. Moreover, it was demonstrated that these effects had not the same importancedepending on the flow conditions.The plasma actuator was also modified in order to improve it. In particular, two types of generators wereused to biase the cathode: DC and pulsed. Finally, it was shown that, for a discharge power of 80 W, a 13%increase in the drag force could be expected and thus, a decrease in the heat load over the model body ofmore than…

Advisors/Committee Members: Lago, Viviana (thesis director).

▼ Le mémoire nommé Brouter l'espace qui suit comporte deux parties à la fois distinctes et complémentaires qui témoignent chacune à leur manière de l'expérience sensible de l'espace. La première, Brouter l'espace ou Passeggiate, fait suite à deux années de déambulations flâneuses dans les îles de Berthier. Cette partie est constituée de fragments où une instance anonyme, en l'occurrence je, inspirée par la fréquentation d'espaces réels, transpose ses rencontres fortuites sur l'île de la page. Ces parcelles de monde, qui prennent place sur la scène de l'écriture, sont tissées non seulement de relations entre le dedans et le dehors, mais aussi de passages inattendus entre le réel et l'imaginaire. La seconde, Brouter l'espace ou Passages, est une quête, un vagabondage où se côtoient des réflexions inspirées de dialogues avec des philosophes, des scientifiques, des architectes, des écrivains, des peintres et des cinéastes qui ont parlé d'espace ou fait parler l'espace. Et si d'une certaine manière le je tente d'expliquer ce qu'est la perception sensible de l'espace, il ne fait que brouiller les pistes et empêche ainsi toute possibilité d'en arriver à une conclusion. L'enjeu de ce mémoire est porté par cette question: comment donner un habitat à ces expériences sensibles de l'espace où, comme le dit Merleau-Ponty, l'Être se dédouble infatigablement en dedans et dehors, visible et invisible? Et surtout, comment tisser des liens entre ce monde des mots et celui tout aussi insaisissable que provisoire qu'est le monde des espaces? ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Espace, Déambulation, Perception, Imaginaire, Événement.