Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Drones – Télédétection“

Les systèmes aériens sans pilote, appelés encore drones, se présentent comme une nouvelle tendance dans le domaine de la télédétection et connaissent un essor sans précédent dans le domaine civil depuis le début de la dernière décennie. Ces systèmes permettent de combler plusieurs lacunes de la télédétection aéroportée. En effet, contrairement aux avions, les drones se caractérisent par une facilité et une rapidité de mise en oeuvre, et par l’acquisition d’images à très haute résolution spatiale. Ce mode d’acquisition à coûts d’opération très réduits offre également des vols à basses altitudes réduisant ainsi les nuisances atmosphériques et l’effet des nuages fréquemment présents dans les acquisitions aéroportées. Les drones sont utilisés en combinaison avec différents capteurs imageurs. Les capteurs hyperspectraux montés sur ce type de plateforme figurent parmi les solutions en émergence. Comme toute donnée de télédétection, les données d’imagerie hyperspectrale acquises depuis un drone doivent être corrigées des différentes distorsions et dégradations avant de pouvoir être exploitées. L’utilisation du drone est encore en phase d’exploration et n’a pas encore atteint sa maturité notamment lorsqu’il est combiné avec un capteur hyperspectral. En effet, peu de travaux ont été consacrés à l’étude de ce système et de ses capacités. Cet article propose de passer en revue les différents types de distorsion affectant les données hyperspectrales acquises depuis un drone ainsi que les prétraitements à mettre en oeuvre pour les corriger.

La démocratisation récente des drones engendre une rupture méthodologique en matière de télédétection archéologique. Le premier point concerne la facilité d'utilisation de ces vecteurs, qui fournissent des environnements de vol sécurisés, notamment grâce aux systèmes de navigation GPS et la possibilité de définir des waypoints pour des vols semi-automatisés. Cette flexibilité permet également de répéter des vols sur la même zone. Le deuxième point intéressant pour la télédétection archéologique est la faible altitude de vol des drones, permettant la documentation d'une échelle intermédiaire entre le site et la micro-région. La basse altitude est aussi un moyen d'acquérir des informations de meilleure qualité et de plus grande résolution. Le dernier point concerne le faible coût d'utilisation, même si le prix d'acquisition de l'équipement est assez élevé. Le développement des drones en télédétection archéologique implique donc la définition de nouvelles utilisations pour les capteurs traditionnels. Nous décrivons celles développées dans le cadre du programme toulousain Archéodrones en matière de photogrammétrie et thermographie aéroportée. De nouveaux capteurs seront sans doute adaptés à l'avenir sur drone permettant un accès plus large à ces méthodes de prospection non-invasives.

Les dernières années ont montré l'intérêt croissant de la télédétection basse altitude (TBA) pour l'étude de zones na-turelles. Mais au-delà de la problématique d'accès au milieu, la cartographie de ces zones à grande échelle pose denombreuses contraintes sur la partie capteurs d'acquisition. En effet, ce sont des milieux difficiles pour les algorithmesclassiques de traitement d'images : intrinsèquement en mouvement (aux échelles d'observations des individus), com-posés d'objets difficilement discernables, ces milieux présentent des conditions météorologiques variables, voir hostiles(éclairage, humidité, température, etc.). Cette cartographie se place généralement dans une étude thématique qui ra-joute ses propres contraintes opérationnelles (besoin d'information 3D comme le relief ou la rugosité, signature spectralespécifique, prises de vues obliques pour simplifier l'identification visuelle par les experts, etc.). Par ailleurs, l'utilisationen télédétection basse altitude de porteurs légers, comme les micro-drones, limite fortement les ressources disponiblespour les capteurs : puissance de calcul embarquée, encombrement, poids, etc.. Nous présenterons dans cet article deuxcapteurs : le capteur tri-caméras et le banc stéréoscopique uEye. Le capteur tri-caméras a été développé en 2009 pour l'ac-quisition d'images stéréoscopiques ou obliques à basse altitude. En analysant l'expérience tirée des campagnes terrainseffectuées, nous soulignerons l'importance cruciale de la synchronisation précise des prises de vues. Nous présenteronsalors notre nouveau banc stéréoscopique amphibie en développement depuis 2013, et qui vise la possibilité d'acquisitionsstéréoscopiques parfaitement synchronisées, ce qui en fait un outil idéal pour l'étude des zones littorales (pour la télédé-tection basse altitude ou in situ à faible profondeur). Nous terminerons par une présentation des premiers résultats obtenusavec ce nouveau banc.

Le relevé aérien constitue, dans le domaine de l'archéologie et de l'architecture, un vaste champ d'applications et d'intérêt. Au-delà des capacités croissantes des drones existants, le potentiel opérationnel de tels outils dépasse aujourd'hui l'imagination de leur propres créateurs : initialement conçus dans le secteur de la robotique civile et militaire, de récentes expérimentations ont pu tester le vol autonome, la prise de décision automatique, ainsi que l'intelligence distribuée.Avec près de dix ans d'expérience dans le domaine du relevé aérien, le laboratoire MAP a expérimenté un large panel de vecteurs aériens, pilotés ou semi-autonomes, équipés de capteurs de différentes natures, à des fns de télédétection et d'acquisition de données spatiales, ce travail étant principalement dévolu à la modélisation et à la simulation d'environnements 3D à haute valeur patrimoniale. Les compétences du MAP concernent donc la mobilisation de vecteurs aériens sans équipage, mais aussi le développement d'outils experts pour la modélisation et représentation 3D ou encore les protocoles d'analyse d'image dans le domaine de l'architecture, de l'urbanisme et du paysage.

Depuis la genèse des techniques modernes de télédétection au moyen de drones, les applications se multiplient dans tous les domaines pour parfois devenir des outils indispensables de la recherche et de l'industrie actuelle. Cependant, dans le domaine des Sciences Humaines et tout particulièrement en archéologie ancienne (Préhistoire, Protohistoire), malgré un dynamisme indéniable, certaines techniques dites « classiques » ne cèdent pas véritablement le pas aux techniques plus modernes, pourtant plus efficaces et sources d'innovations. Certaines techniques intermédiaires, comme l'usage de théodolites ou plus récemment de GPS RTK associé aux Systèmes d'Information Géographique, se sont pourtant relativement bien implantées dans les problématiques de relevés topographiques, d'architectures et de structures archéologiques de divers types. L'incroyable bon avant que constituent les drones équipés de LiDAR, de matériel photogrammétrique et thermique, tout comme celui des techniques de photogrammétrie opérées depuis le sol, n'a pourtant pas encore détrôné les techniques « séculaires » de dessin et de documentation des sites en cours de fouille et de leurs contextes. Si ce sont, dans un premier temps, des contextes très spécifiques qui ont généré l'application de nouvelles technologies en Archéologie, notamment dans des cas d'accès difficile aux vestiges (archéologie sous-marine, reliefs difficilement accessibles) ou bien des sites exceptionnels (grottes ornées du Paléolithique), les tendances actuelles montrent que ces technologies sont encore au stade expérimental dans d'autres contextes et que le plus souvent seules des solutions mixtes entre les procédures classiques et modernes sont appliquées. Le présent article a pour objectif premier de définir, dans le cadre d'un état de l'art spécifique à la discipline archéologique, les problématiques et les contextes dans lesquels interviennent déjà les nouvelles techniques de relevés photogrammétriques depuis le sol et depuis les airs. Cet état de l'art ne peut être complètement exhaustif au vu de la quantité d'information disponible sur le sujet, parfois très répétitive, mais cherche à couvrir toute l'amplitude des applications passées et actuelles et de réfléchir aux applications futures. Il permet également de pointer du doigt et de mieux comprendre les réticences passées et actuelles vis-à-vis de supposés problèmes de précision et de problèmes d'éthique liés à la documentation automatisée de certains vestiges des sociétés anciennes. L'archéologue aura toujours, du moins faut-il l'espérer, le besoin d'être en contact avec son sujet, de l'analyser de ses propres yeux et de le tester de ses propres mains. L'on se demande désormais pourquoi il apparaît encore fréquemment si délicat d'abandonner un peu plus le papier et le crayon en faveur de procédés de télédétection et de relevé offrant un gain de temps, une meilleure qualité de documentation et un archivage de données exploitables sur le long terme. Ces « réticences » liées au passage à une pleine mise en œuvre de ces nouveaux moyens démontre aujourd'hui qu'un peu de recul est nécessaire afin d'obtenir une vue d'ensemble des résultats et des applications potentielles, afin de redéfinir les pratiques et les enjeux de la recherche archéologique de terrain. L'objectif second de cet article est de présenter le projet de recherche « METAdAtA » (« METAdAtA : sviluppo MEtodologico, Tecnico e sperimentale del volo Autonomo di Aeromobili senza pilota a bordo nell'ambito Archeologico sardo »), financé par les fonds européens de la Région Sardaigne et impliquant l'utilisation de drones pour la documentation de sites archéologiques néolithiques et de l'âge du Bronze en Sardaigne (Italie), sous divers de ses aspects : problématiques, objectifs, cas d'étude et résultats préliminaires. Ce projet de recherche a notamment permis de mettre au point des procédés et protocoles types pour la documentation de sites archéologiques assistée par drone mais également de démontrer que les nouvelles technologies constituent un facteur essentiel de l'apparition et du développement de nouvelles problématiques scientifiques, de nouveaux besoins auxquels la discipline tarde peut être un peu trop à donner libre cours.

L'étude de la biodiversité des écosystèmes et de leur dynamique est un enjeu majeur de notre siècle de transition climatique.Pour cela, il est nécessaire de réaliser un suivi précis de l'évolution des populations, basé sur une cartographierégulière et à haute résolution pour recueillir des informations à l'échelle des individus étudiés. Dans cet article, on s'intéresseau potentiel de la télédétection basse altitude utilisant un prototype de micro-drone avec une charge cartographiquedédiée développés au laboratoire. Les retours d'expérience sur un site d'étude classé en zone Natura 2000 montrent unpotentiel très utile pour les gestionnaires de la réserve, tant du point de vue de l'exploitation des données brutes que desnuages de points 3D générés à partir de celles-ci.

La matière organique (MO) est un élément important de la fertilité des sols cultivés. Les mesures de réflectance ont déjàété utilisées avec succès pour prédire la teneur en carbone organique (CO) des sols agricoles, soit au laboratoire surdes échantillons de sols séchés, soit directement au champ à l'aide de spectro-radiomètres de terrain ou grâce à desimages satellitaires. Cette étude propose une méthode de prédiction spatialisée du CO des sols, à partir d'imageriedrone. Une parcelle agricole de 13 ha « la Grande Borne », située dans la plaine de Versailles (78), a été suivie en avril2013, peu avant le semis alors qu'elle était encore en sol nu. Le drone AIRINOV® utilisé était équipé de la caméramultispectrale quadri-bande multiSPEC 4C® (550nm, 660nm, 735 nm et 790 nm) et évoluait à une altitude de 150 m.Vingt-trois placettes de contrôle au sol, réparties dans la parcelle, ont été délimitées par des cibles géolocaliséescentimétriquement par DGPS et ont fait l'objet de mesures synchrones au vol drone : mesures spectrales de terrain(ASD FieldSpec 3®), mesures de rugosité par une méthode photogrammétrique, prélèvements d'échantillons de solpour analyse de la composition chimique et de la teneur en eau. Les images obtenues d'une résolution de 15cm ont étégéoréférencées avec une précision infra-pixellaire. Les spectres de terrain ont été agrégés sur les bandes spectrales de2la multiSPEC® 4C afin de valider par régression linéaire la qualité des données de réflectance du drone. Les Robtenus, entre 0,8 et 0,9 selon les bandes, ainsi que l'erreur comprise entre 1 et 3% en réflectance, ont montrés lafiabilité du capteur multiSPEC 4C®. La teneur en CO a ensuite été estimée par régression des moindres carrés partiels(PLSR) à partir des mesures spectrales sur les 23 placettes. L'erreur quadratique moyenne de validation croisée(RMSECV) par la méthode LOO (Leave One Out) était de 1,97 g de CO par kg de sol. Un second modèle intégrant lacorrection des effets de l'humidité et de la rugosité sur la réflectance, a permis d'améliorer la qualité de la prédiction de18% avec une RMSECV de 1,61 g/kg. Le modèle a enfin été spatialisé sous SIG et comparé à de simples interpolationsspatiales des analyses de sol.

Caractériser la dynamique d’une forêt est essentiel pour la gestion forestière. Les houppiers des arbres forment un élément clé de cette dynamique ; mais, en forêt tropicale, les mesurer n’est pas simple. Cette étude teste l’utilisation d’images aériennes à haute résolution pour estimer la croissance diamétrique des arbres, en intégrant des mesures fines des houppiers détectés. Des ortho-images de 10 cm/pixel de résolution ont été obtenues à l’aide d’un drone à aile fixe sur une parcelle de 9 ha, installée dans la forêt de Yoko en République démocratique du Congo. Les inventaires menés sur les arbres de DHP ≥ 10 cm en 2008 et en 2016 ont permis d’avoir accès à différentes caractéristiques dendrométriques individuelles, dont le diamètre des arbres et leur tempérament, et de calculer des accroissements diamétriques. Des modèles linéaires mixtes ont été calibrés pour prédire l’accroissement de 163 arbres identifiés à la fois sur le terrain et sur les ortho-images en utilisant les variables quantifiées uniquement sur le terrain et/ou à partir de variables mesurées sur les ortho-images. Les images aériennes ont permis de détecter 23,4 % des arbres de DHP ≥ 10 cm inventoriés au sol, et représentant 75,1 % de la biomasse aérienne du peuplement. La probabilité de détection des arbres a varié en fonction de leur DHP : de 0,09 pour les arbres de DHP < 30 cm à 0,97 pour les arbres de DHP ≥ 60 cm. Les variables quantifiées par télédétection ajoutées aux variables de terrain ont permis d’améliorer significativement la prédiction de l’accroissement diamétrique. Les meilleurs modèles d’estimation des accroissements diamétriques contiennent notamment un terme caractérisant la dimension du houppier des arbres qui n’a pu être mesuré que par télédétection. Parmi les variables déterminées par télédétection, la superficie convexe du houppier est apparue la plus performante dans les modèles, et s’avère ainsi être la mesure la plus intéressante pour décrire la compétition entre les houppiers. Ces résultats ouvrent des perspectives pour construire de nouveaux outils d’acquisition de données au service de l’aménagement forestier.

Le suivi de l’utilisation des terres par télédétection a récemment connu un essor important. Cela s’explique par une accessibilité accrue et souvent gratuite des images à (très) haute résolution ainsi que par le développement d’applications web destinées au suivi de l’utilisation des terres. L’accès à ces applications reste cependant soumis à l’existence d’une connexion Internet fiable faisant encore défaut dans certaines régions du globe. Dans ce contexte, la présente étude décrit une méthode permettant de produire des statistiques sur l’évolution de l’occupation du sol en réalisant une photo-interprétation par point sur des images en couleurs vraies à très haute résolution produites par mini-drone. La méthode utilise une application (PINT pour Photo-INTerprétation) intégrée dans le logiciel open source QGIS. Les surfaces de différentes occupations du sol sont dérivées des estimations des proportions de points affectées à chaque classe à partir d’une grille systématique. Pour illustrer l’intérêt de l’outil, l’étude considère les statistiques d’occupation du sol au sein de deux terroirs villageois du Complexe d’aires protégées de la Garamba, en République démocratique du Congo. Les résultats obtenus sont comparés avec ceux d’une cartographie de référence basée sur une photo-interprétation exhaustive après segmentation des images. Les écarts entre surfaces estimées par échantillonnage et surfaces de référence varient entre 0,2 % et 6,1 % pour les principales occupations du sol (forêts et savanes, défriches, jachères, implantations humaines et cultures). Des différences plus importantes (17,4 % et 13,4 %) sont enregistrées pour la classe « arbres isolés ». Le temps global de mise en œuvre de la méthode est de l’ordre de 60 ha par heure d’opérateur. L’utilisation du plugin PINT avec des images « drone » constitue une solution pertinente pour estimer des statistiques d’occupation du sol dans des régions web-isolées et pour des sites d’étendues de quelques (dizaines de) km².

La miniaturisation de l'électronique embarqué a permis le développement de drones de petites tailles et d'un large marché civil pour ces drones. La simplicité d'utilisation et le bas coût de ces drones en font des outils redoutables pour des personnes ou organisations mal intentionnées. Dans ce contexte, les systèmes radar peuvent jouer un rôle important pour contrecarrer une attaque menée avec un ou plusieurs drones. Néanmoins, les drones volent généralement à faible vitesse et proche du sol. De plus, ils ont généralement une faible surface équivalente radar. Ces cibles posent donc des problèmes aux systèmes radar qui ont du mal à les différencier du sol.Le but de cette thèse est d'améliorer les capacités de détection endo-clutter des drones en utilisant la polarisation. Nous présentons une méthode permettant d'étudier les propriétés du clutter terrestre polarimétrique. Nous proposons des méthodes de simulation permettant d'identifier le meilleur détecteur dans une scène avec un clutter changeant sur les axes temporel et spatial. Nous étudions les avantages des détecteurs polarimétriques par rapport aux détecteurs mono-polarimétriques à l'aide d'une méthode de comparaison des détecteurs qui permet de choisir le meilleur détecteur en fonction des propriétés du clutter.Pour atteindre cet objectif, nous analysons les propriétés spatio-temporelles du clutter à l'aide des données d'une campagne de mesure radar en environnement semi-urbain. Cette campagne de mesure nous permet de mettre en exergue des propriétés importantes du clutter telles que : la non-réciprocité du clutter polarimétrique pour un radar dont les antennes de réception des différentes polarisations sont distinctes, l'existence d'un temps d'intégration Doppler optimisant la stabilité du clutter et une instabilité de la signature polarimétrique du clutter. Nous proposons de modéliser l'évolution temporelle du clutter en utilisant conjointement, la distribution des valeurs propres de sa matrice de covariance, et, l'angle entre les matrices de covariances d'une même case clutter à deux instants différents. Cet angle est appelé "angle de désadaptation".Dans une deuxième phase nous comparons un ensemble de détecteurs polarimétriques et mono-polarimétriques pour des détections endo-clutter. Pour cela :- Nous étudions l'influence du rang efficace de la matrice de covariance du clutter - contrôlé par le temps d'intégration Doppler - sur les performances des détecteurs et montrons que la minimisation du rang effectif améliore les performances des détecteurs.- Ensuite, nous étudions les effet de l'angle de désadaptation sur les performances des détecteurs en fonction du clutter sélectionné.- Nous constatons que les détecteurs filtrant le clutter ont des performances qui diminuent avec l'intervalle de temps entre l'estimation des propriétés du clutter et la réalisation du test de détection, alors que les autres détecteurs ont des performances qui ne sont pas affectées par cet intervalle de temps.- Enfin, nous montrons que les détecteurs polarimétriques sont plus adaptés aux détections de drones endo-clutter que les détecteurs mono-polarimétriques.Les méthodes d'analyse que nous avons présentées permettent d'optimiser le temps d'intégration Doppler et peuvent être utilisées dans les système radar pour déterminer, de manière adaptative, le meilleur détecteur, en fonction du clutter étudié
In the past decades, Unmanned Aerial Vehicles have benefited from the miniaturization of electronic components, allowing for cheap and small drone designs, and allowing a rapid development of the civilian market. Unfortunately, due to their low cost, high availability and ease of use, these systems have become a tool of choice for malicious actors, and have become a force multiplier for such actors. In this context, radars can play a significant role in the effort to thwart an attack with one or several UAVs. However, UAVs usually fly at slow speed and close to the ground and have a low radar cross section, which makes them difficult to detect as radar systems may have troubles to differentiate them from the ground.This thesis aims at addressing this challenge with the use of polarization. In this thesis, we aim at improving endo-clutter detection of UAVs. We study the advantages of polarimetric detectors over mono-polarimetric detectors, proposing a method to compare the detectors and choosing the best performing one according to clutter's properties.In order to do so, we first analyse the spatio-temporal properties of polarimetric ground clutter thanks to a measurement campaign in semi-urban environment. This campaign outlines important properties of the clutter such as: the non-reciprocity of polarimetric clutter for quasi-monostatic radar with separated transmit and receive antennas, the existence of an optimal Doppler integration time and the instability of the clutter polarimetric signature with time. We propose to model the temporal evolution of the clutter using both the distribution of the eigenvalues of the covariance matrix and a measure of the mismatch angle between covariance matrices.Then, we implement a benchmark of polarimetric and mono-polarimetric detectors to assess the performances of endo-clutter detection under spatio-temporal varying clutters. We compare the robustness of the polarimetric detectors to choose the best performing detector for a given clutter:- First, we study the influence of the effective rank of the clutter - controlled by the Doppler integration time - on the performances of detectors and confirm that it is useful to minimize the effective rank of the covariance matrix to improve the detection performances.- Then, we analyse the influence of the mismatch angle on the performances of the detectors using simulated clutter in order to select the best detector, for a given time varying clutter. It turns out that endo-clutter detectors based on clutter filtering depend on the time delay between clutter estimation and detection test, while other detectors are time independent. Furthermore, this study shows the sensitivity of the detector performances to the eigenvalue distribution of the clutter.- Finally, we show a clear improvement with polarimetric detectors over single polarization detectors for endo-clutter detection of UAVs in a low grazing geometry.From these results, we conclude that multi-polarimetric detectors enable better performances for endo-clutter UAV detections. In addition we present a metric to optimize the effective-rank of the clutter with by adjusting Doppler integration time to increase the detection performances. Then, we determine that the shorter the time interval is between the clutter estimation and the detection test, the higher performances are. These results give a clear plan for polarimetric detections of endo-clutter UAVs, minimizing effective rank and the time interval between estimation and detection. We conclude that simulation methods described in this thesis could be used in a radar system to adaptively estimate the best polarimetric detector for a given clutter cell and target

Le développement des drones et leur accès à des coûts de plus en plus bas représentent une menace, notamment pour les sites les plus sensibles et les grands événements publics. La surveillance du ciel est devenue essentielle pour s'assurer qu'un drone ne pénètre pas dans une zone critique ou ne menace pas des foules en transportant, par exemple, des matériaux explosifs. Les techniques de surveillance couramment utilisées, basées sur la détection visuelle, thermique ou radar, présentent des limitations en milieu urbain à cause d'obstacles comme les bâtiments, la petite taille des drones et les aléas météorologiques. Dans ce contexte, l'écoute passive en radiofréquence se présente comme un outil prometteur pour surmonter ces défis. La majorité des drones disponibles pour le grand public utilisent des communications radiofréquence basées sur divers protocoles, qu'ils soient standardisés ou spécifiques à une marque. Cette thèse se concentre sur la conception de méthodes capables de détecter, d'identifier et de localiser les drones grâce à l'analyse de leurs communications radiofréquence. En étudiant les signaux spécifiques émis par différents drones, des techniques combinant traitement du signal et intelligence artificielle sont développées pour reconnaître ces protocoles. Parmi les défis à relever dans cette thèse, l'interférence des communications d'équipements voisins est notable, tout comme les phénomènes physiques affectant les signaux, tels que les effets de fading et de multipath. La motivation principale derrière ce travail est de créer un système de surveillance avancé pour protéger les zones à haut risque, telles que les aéroports ou les lieux de grands rassemblements. Ce système collaborera avec un dispositif de brouillage, dans le but de neutraliser les drones, particulièrement en milieu urbain. Pour éviter des interférences avec d'autres équipements de communication ou causer des dommages, la stratégie de brouillage est adaptée selon le protocole du drone détecté, garantissant ainsi une intervention précise et ciblée
The development of drones and their increasing affordability pose a threat, especially to critical sites and major public events. Sky surveillance is crucial to ensure that drones do not enter sensitive areas or target crowds, potentially carrying explosives. Traditional surveillance techniques, based on visual, thermal, or radar detection, have limitations in urban settings due to obstacles like buildings, the small size of drones, and weather variations. In this light, passive radiofrequency (RF) monitoring emerges as a promising solution. Most commercially available UAVs utilize RF communications with various standardized and proprietary protocols. This thesis delves into the design of methods to detect, identify, and locate drones by analyzing their RF communications. By examining specific signals emitted by different drones, this research develops techniques that merge signal processing with artificial intelligence to identify these protocols. Key challenges addressed in this work include interference from nearby devices and the physical behavior of signals, such as fading and multipath effects. The primary goal of this research is to devise an advanced jamming system to safeguard high-risk zones, such as airports or public gathering sites. This system will work in tandem with a jamming device to neutralize drones, especially in urban areas. To prevent interference with other communication devices or property damage, the jamming strategy is tailored based on the detected drone protocol, ensuring accurate and targeted intervention

Les feux de forêt sont des incendies de végétation incontrôlés qui causent des dégâts importants à l’environnement, aux biens et aux personnes. Les actions de lutte contre de tels feux sont risqués et peuvent par conséquent bénéficier de techniques d'automatisation pour réduire l’exposition humaine. La télédétection aérienne est une technique qui permet d’obtenir des informations précises sur l’état d'un feu de forêt, afin que les équipes d’intervention puissent préparer des contre-mesures. Avec des véhicules aériens habités, elle expose les opérateurs à des risques élevés, qui peuvent être évités par l’utilisation de véhicules autonomes. Cette thèse présente un système de surveillance de feux de forêt basé sur des flottes de véhicules aériens sans pilote (UAV) afin de fournir aux pompiers des renseignements précis et à jour sur un feu de forêt. Nous présentons une approche pour planifier les trajectoires d’une flotte de drones à voilure fixe afin d’observer un feu de forêt évoluant au fil du temps. Des modèles réalistes du terrain, du processus de propagation du feu et des drones sont exploités, ainsi qu’un modèle du vent, pour prédire la propagation des feux de forêt et planifier le mouvement des drones. L’approche présentée adapte une méthode générique de recherche à voisinage variable (VNS) à ces modèles et les contraintes associées. L’exécution de la mission d’observation planifiée fournit des cartes des feux de forêt qui sont transmises à l’équipe d’intervention et exploitées par l’algorithme de planification pour déterminer de nouvelles trajectoires d’observation. Les algorithmes et les modèles sont intégrés dans une architecture logicielle permettant l’exécution dans des scénarios avec différents niveaux de réalisme, avec des drones réels et simulés survolant un feu de forêt réel ou synthétique. Les résultats de simulation mixte montrent la capacité de planifier les trajectoires d’observation d’une petite flotte de drones et de mettre à jour les plans lorsque de nouvelles informations sur l’incendie sont incorporées dans le modèle de propagation de feu
Wildfires, also known as forest or wildland fires, are uncontrolled vegetation fires occurring in rural areas that cause tremendous damage to the society, harming environment, property and people. The firefighting endeavor is a dull, dirty and dangerous job and as such, can greatly benefit from automation to reduce human exposure to hazards. Aerial remote sensing is a common technique to obtain precise information about a wildfire state so fire response teams can prepare countermeasures. This task, when performed with manned aerial vehicles, expose operators to high risks that can be eliminated by the use of autonomous vehicles. This thesis introduces a wildfire monitoring system based on fleets of unmanned aerial vehicles (UAVs) to provide firefighters with timely updated information about a wildland fire. We present an approach to plan trajectories for a fleet of fixed-wing UAVs to observe a wildfire evolving over time. Realistic models of the terrain, of the fire propagation process, and of the UAVs are exploited, together with a model of the wind, to predict wildfire spread and plan UAV motion. The approach tailors a generic Variable Neighborhood Search method to these models and the associated constraints. The execution of the planned monitoring mission provides wildfire maps that are transmitted to the fire response team and exploited by the planning algorithm to plan new observation trajectories. Algorithms and models are integrated within a software architecture allowing for execution under scenarios with different levels of realism, with real and simulated UAVs flying over a real or synthetic wildfire. Mixed-reality simulation results show the ability to plan observation trajectories for a small fleet of UAVs, and to update the plans when new information on the fire are incorporated in the fire model

L'extraction des paramètres de surface est une activité essentielle des Sciences de la vie et de la Terre. Ce mémoire propose une nouvelle méthodologie pour l'analyse des paramètres biophysiques et géophysiques, appelée Réalité Terrain Étendue, et qui mêle les avantages des relevés terrain et de la télédétection. Nous nous sommes en particulier attachés aux avantages de la télédétection basse altitude et d'un système micro-drone multi-caméras pour la cartographie de la dynamique de la végétation à l'échelle des individus. Cette problématique pose de nombreuses contraintes sur notre système car l'identification des arbrisseaux nécessite des capteurs innovants et une adaptation aux cycles phénologiques pour améliorer leur capacité de discrimination. La télédétection basse altitude semble être une solution intéressante en terme de résolution spatiale et de souplesse opérationnelle, et le développement des micro-drones civils permet des outils d'autant plus performants et fiables pour les missions terrain. Nous avons donc mis en place un système complet de drone avec une charge utile spécifique emportant simultanément trois appareils photographiques pour l'acquisition à la demande d'images obliques, stéréoscopiques ou multispectrales et permettant le développement de nouvelles méthodes d'identification de la végétation. Enfin, en participant à un relevé terrain du Muséum national d'Histoire naturelle, nous avons validé l'intérêt de notre système pour la cartographie de la dynamique de la végétation. Ce travail s'ouvre sur de nombreuses applications et perspectives de recherche, comme l'extraction de paramètres biophysiques par stéréo-restitution et l'agriculture de précision

Les régions sèches situées à la périphérie des déserts sont généralement peuplées et mises en valeur sur un mode sédentaire. Elles partagent cependant avec les milieux désertiques des conditions environnementales qui les rendent sensibles et fragiles. Cela implique de bien connaître les mécanismes de leurs milieux, a fortiori dans un contexte de désertification qui augmente le risque environnemental. Celui-ci est souvent évalué par le suivi de la végétation, mais l’expérience de terrain montre que les formes éoliennes pourraient apporter des compléments utiles. La morphodynamique éolienne joue en effet un rôle non négligeable dans le risque environnemental en régions sèches. Si, dans les systèmes désertiques, l’influence des activités humaines sur l’évolution des formes éoliennes de grande taille est réduite, dans les régions sèches non-désertiques, elles sont de plus petite dimension et leur vitesse de réaction aux changements des conditions du milieu est élevée. Elles sont de surcroît liées aux autres composants du paysage, avec lesquels elles interagissent fortement, et leur fonctionnement peut être corrélé aux modalités d’exploitation du milieu. Cela en fait des indicateurs pertinents et leur suivi doit donc être conçu dans une approche systémique appuyée sur une bonne maîtrise des fondements physiques de l’étude de la morphodynamique éolienne qui sont présentés en ouverture de ce mémoire. Différents outils et concepts élaborés dans les contextes désertiques, parmi lesquels les déplacements potentiels sableux et la densité d’obstacle, sont détaillés. Les effets paysagers de la morphodynamique éolienne sont illustrés par divers exemples. Son intégration dans les études de suivi est alors questionnée pour démontrer que de nouvelles approches peuvent être explorées. Les propositions faites s’intéressent en particulier à un objet, la forme éolienne d’obstacle, qui reste mal connu malgré la place qu’il tient dans les paysages des régions sèches. Une grille de caractérisation fine de cet objet est définie, à partir de laquelle un protocole de quantification et d’évaluation qualitative nécessaire à la production d’indicateurs peut être élaboré. Pour cela, les méthodes développées doivent être reproductibles et minimiser la complexité et les coûts de mise en oeuvre. Dans le domaine de la télédétection, la facilité d’utilisation et la précision des images du Pixy, paramoteur léger à voile souple, démontrent le potentiel des vecteurs de type drone. L’intérêt des satellites à très haute résolution spatiale pour, notamment, la généralisation d’études ciblées est également démontré. Les images produites correspondent notamment à une échelle intermédiaire qui faisait jusqu’alors défaut. Parmi les fournisseurs d’images très haute résolution spatiale, Google Earth est une alternative possible des fournisseurs commerciaux. La disponibilité de plus en plus grande d’images de résolution très élevée offre des perspectives d’applications dans des domaines variés. Leur exploitation présente cependant des contraintes que la Morphologie Mathématique (MM), discipline de l’analyse d’image orientée-objet, permet de contourner. Les outils de la MM facilitent l’analyse façon robuste des images non corrigées, du type Pixy ou Google Earth. Elle s’appuie sur des procédures simples à reproduire, dont les résultats s’expliquent facilement. Elle participe ainsi à réduire le coût des études. Or, la question économique du diagnostic environnemental ne peut être évacuée, en particulier dans les pays concernés par la lutte contre la désertification. Chaque chapitre de ce mémoire démontre l’importance de la prise en considération de deux seuils : d’une part, le seuil d’hétérogénéité, en-deçà duquel l’information recherchée est noyée dans le bruit d’un trop grand détail, d’autre part, le seuil d’homogénéité, au-delà duquel la maille d’analyse fait que l’information est trop lissée pour être pertinente
Drylands share with deserts many environmental conditions that make them sensitive and fragile. It is a necessity to understand the mechanisms of these environments, especially in contexts where there is a risk of desertification. Such an understanding is often assessed by monitoring vegetation. Field experience, however, shows that aeolian morphodynamics may provide useful additional information. The aeolian morphodynamics plays indeed a significant role in the environmental risk of drylands. In desert systems, the anthropogenic pressure on aeolian processes is low. On the other hand, in non-desert drylands, features are smaller but have a faster reaction time to environmental change. They interact strongly with other components of the landscape, such as human activities. Accordingly, the study of non-desertic aeolian morphodynamics has to be designed following a systematic approach. It relies on a good knowledge of fundamental physics of wind geomorphology that is described in this dissertation. Various tools and concepts developed in desert environments, including potential displacement and roughness density, are given. The effects of aeolian morphodynamics on landscapes are illustrated by various examples. Standard studies of wind dynamics are discussed and questioned to demonstrate that new approaches can be explored. This study focuses anchored dunes, which remain poorly studied despite their importance in drylands. Anchored dunes are described and characterized in detail. Then a protocole of quantification and qualitative evaluation can be elaborated.Our aim was to develop methods that are reproducible and minimize the complexity and costs of implementation. The unmanned platform, Pixy, illustrates the potential of drones which provide accurate images with a great flexibility of use. The interest of very high spatial resolution imagery provided by satellites such as QuickBird is also demonstrated. Their images introduce to an intermediate scale between field and large-scale satellite imagery. Among the providers of very high spatial resolution imagery, Google Earth (GE) appears to be a good alternative to commercial suppliers. Increasing availability of free high resolution images offers potential applications in various fields. However, their use has constraints that are managed by Mathematical Morphology (MM), an object-oriented image analysis discipline. Tools from MM allow the analysis of uncorrected images, like those of Pixy or GE. It relies on simple procedures easy to reproduce and explain. It thus contributes to reducing the cost of studies. This economic issue of environmental diagnosis cannot be ignored, especially in the countries concerned by the fight against desertification.Each chapter of this thesis demonstrates the importance of two thresholds through particular example. The threshold of heterogeneity, below which information is embedded in the background noise produced by too much detail, is the first one. The threshold of homogeneity, beyond which information is too smooth to be relevant, is the second one. This work attempts to show how these thresholds may have direct effects on results of a remote sensing study. This consideration is thus a structuring element of the methods used. Beyond the issue of aeolian morphodynamics, this thesis combines semi-automatic characterization methods of landscape elements with processes of multi-scalar integration. The results are potentially useful to any approach that seeks to understand the effects of a phenomenon at different scales

Part I of this thesis explores the interrelationship between the law of privacy and the technology of surveillance by satellite. International, United States and Canadian laws are examined leading to the conclusion that governmental agencies are more likely than private entities to be restricted in their attempt to violate the right of privacy of their nationals. Part II examines protection of data generated by remote sensing satellites in international treaties and in United States and Canadian legislations. It appears that neither copyright laws of Canada and the United States nor treaties provide adequate protection for unenhanced data obtained by satellite. This inquiry suggests that such protection will probably be accorded to enhanced data gathered by satellite.

Les cours d’eau font l’objet de prescriptions législatives encourageant leur restauration, et l’arasement de barrages est une des solutions utilisées actuellement en France pour y parvenir. La végétation riparienne participe à l’intégrité et à la stabilité des systèmes fluviaux, Elle est donc une composante majeure à évaluer dans le cadre des actions de restauration .Les objectifs de la thèse sont d'analyser la dynamique de colonisation des berges exondées à court terme dans le contexte de l’arasement des barrages de la Sélune (Normandie) et de développer des indicateurs de suivi à long terme des zones ripariennes. Dans un premier temps, une analyse des dynamiques de colonisation aux échelles intra et interannuelles réalisée à l’aide d’images drone et de relevés terrain a révélé la pertinence de l’utilisation d’images drones pour cartographier la végétation, ainsi que des dynamiques successionnelles rapides, avec un potentiel de restauration passive et de stabilisation des sédiments. Dans un second temps, l’analyse de nuages de points LiDAR en trois dimensions acquis en hiver et en été a montré la complémentarité des deux dates d’acquisition pour cartographier des indicateurs de statut des ripisylves à large échelle tels que les essences principales, l’ombrage ou la densité de strates herbacées et arbustives. Ces résultats permettent de discuter les dimensions méthodologiques et opérationnelles de l’utilisation des approches par télédétection pour le suivi des ripisylves
Rivers are the object of legislation encouraging their restoration, and dam removal operations represent one of the solution to achieve it in France. Riparian vegetation plays a fundamental role in stabilizing and maintaining fluvial systems, being at the interface between terrestrial and aquatic environments. It is therefore a very important component which has to be evaluated in river restoration operations. One of the consequences of dam removal on riparian vegetation is the colonization of the dewatered sediments in the reservoir. The objective of the thesis are to define short term colonization dynamics of vegetation in context of dam removal (Sélune River, Normandy), and to develop long term indicators for the monitoring of riparian vegetation. First, an analysis of intra and interannual colonization dynamics revealed the potential of using drone images to map riparian vegetation, and fast successional dynamics with high passive restoration and sediment stabilization potential. Secondly, the analysis of 3D point clouds extracted from LiDAR data acquired in winter and summer highlighted the complementarity of the two acquisition dates to map indicators of riparian status at large scale, such as main riparian species, shading or density of herbaceous and shrubby strata. These results make it possible to discuss the methodological and operational dimensions of the use of remote sensing approaches for the monitoring of riparian vegetation

Dans un contexte d'anthropisation croissante de la frange littorale, et d'intensification des risques côtiers, la mise en œuvre de politiques de Gestion Intégrée des Zones Côtières (GIZC) s'impose. Cette gestion se concrétise notamment par un suivi de l'évolution littorale, nécessitant des techniques adaptées à ce type d'environnement et permettant de mesurer les variations morphologiques mais également de mieux comprendre les processus mis en jeu. Cette thèse s'inscrit dans la problématique de développement de méthodes d'observation et de quantification de l'évolution morphodynamique. Elle se focalise sur un suivi 3D à très haute résolution spatiale de l'interface Terre-Mer au niveau d'une plage sableuse, de l'échelle journalière à pluri-annuelle. Les méthodes proposées s'appuient sur des techniques de télédétection : stéréo-photogrammétrie depuis un drone hélicoptère, acquisitions au Scanner Laser Terrestre (TLS) et acquisitions au Sondeur Multi-Faisceaux (SMF) petits fonds sur les parties immergées de la plage. Pour chacune de ces techniques, nous avons élaboré un protocole spécifique d'acquisition et de traitement des données aboutissant à la génération de Modèles Numériques de Terrain (MNT), puis de MNT différentiels diachroniques. Cette approche multi-source permet de fusionner les données terre-mer (sur une frange s'étendant du haut de plage à 15 m de profondeur) et offre ainsi une vision synoptique des transferts de matière au sein du compartiment sédimentaire. Les techniques présentées ont été mises en oeuvre à la Plage de Porsmilin (Mer d'Iroise). Les résultats des levés récurrents ont fait l'objet d'une analyse de la variabilité morpho-sédimentaire à différentes échelles spatio-temporelles. Le suivi de la cellule sédimentaire a permis de déterminer la profondeur de fermeture à l'échelle annuelle et d'identifier les tendances saisonnières. Aux échelles spatio-temporelles plus fines, nous avons pu étudier l'évolution de figures sédimentaires telles que des bermes ou des croissants de plages. Autant que possible, chaque observation s'accompagne d'une identification du (des) forçage(s) hydrodynamique(s) sous-jacent(s).

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable.

L’inventaire aérien est une approche pratique pour effectuer l’inventaire de la grande faune sur de grands territoires; particulièrement pour les zones peu accessibles. Toutefois, les limitations liées aux capacités de détection des observateurs, la coloration cryptique de certaines espèces fauniques et la complexité structurelle de certains habitats font en sorte que les inventaires ont généralement des biais qui sous-estiment la densité réelle de la population. Par ailleurs, peu d’études ont démontré la capacité d’effectuer la détection aérienne simultanée de plusieurs espèces. La détection multiespèce peut s’avérer utile pour les espèces qui se côtoient spatialement afin de connaître leur utilisation de l’espace, pour étudier la relation proie/prédateur et pour limiter les coûts à un seul inventaire. Cette pratique s’avère néanmoins trop exigeante pour les observateurs qui doivent déjà faire preuve de beaucoup de concentration pour détecter une seule espèce lors d’un inventaire aérien traditionnel. L’utilisation d’imagerie aérienne multispectrale acquise avec un aéronef sans pilote (ASP) représente une méthode potentielle pour la détection d’une ou plusieurs espèces fauniques. Ce projet de recherche consistait donc dans un premier temps à détecter, identifier et dénombrer à l’aide d’imagerie acquise avec un ASP et par traitements d’images les cerfs de Virginie (Odocoileus virginianus). Différentes combinaisons de bandes spectrales, méthodes d’analyses d’images et résolutions spatiales ont été testées pour déterminer la méthode la plus efficace pour la détection du cerf. Dans un deuxième temps, la meilleure méthode identifiée pour les cerfs a été utilisée et adaptée pour effectuer la détection simultanée des bisons d’Amérique (Bison bison), des daims européens (Dama dama), des loups gris (Canis lupus) et des wapitis (Cervus canadensis). L’inventaire de la faune a été réalisé au Centre d’observation de la faune et d’interprétation de l’agriculture de Falardeau à Saint-David-de-Falardeau, Québec, Canada. Les résultats démontrent que l’imagerie visible et infrarouge thermique avec une résolution spatiale de 0.8 cm/pixel combinée à une analyse d’images par objet constitue la combinaison la plus efficace parmi celles testées pour la détection des cerfs de Virginie. Tous les individus visibles à l’œil nu sur les mosaïques ont été détectés. Néanmoins, considérant l’obstruction visuelle causée par la canopée coniférienne, cette approche offre un taux de détectabilité moyen de 0.5, comparable aux inventaires aériens classiques. La complexité structurelle de l’habitat demeure ainsi un problème non résolu. Quant à l’analyse multiespèce, les bisons et les wapitis ont tous été détectés même en présence d’autres espèces comme l’autruche (Struthio camelus), le coyote (Canis latrans) et l’ours noir (Ursus americanus). Pour les daims et les loups, entre 0 à 1 individu par parcelle a été confondu avec les autres éléments du paysage tels que le sol. De plus, entre 0 à 2 individus par parcelle n’ont pas été détectés alors qu’ils étaient présents dans la ligne de vol. Non seulement cette approche a démontré sa capacité à détecter une ou plusieurs espèces, mais également son adaptabilité à cibler spécifiquement les espèces d’intérêts pour le gestionnaire et à ignorer celles qui ne sont pas ciblées. Ce projet a donc permis de valider le potentiel des ASP pour l’acquisition d’imagerie d’une qualité permettant l’extraction de données d’inventaires. Cela ouvre la voie à l’utilisation de ce type de plateforme d’acquisition pour des applications reliées à la gestion de la faune grâce à leur faible impact sonore et leur haut taux de revisite. Toutefois, la réglementation canadienne actuelle limite l’utilisation de ces appareils sur de faibles superficies. Il n’en demeure pas moins que la technologie peut être développée en attendant les futurs progrès du domaine des ASP et de la réglementation.

La surveillance par télédétection en champ rapproché (sol, drone …) partage de nombreux points communs avec la télédétection spatiale, traitée dans un autre chapitre. Mais elle offre aussi une gamme d'approches plus riche en raison de la plus grande facilité de mise en œuvre et d'expérimentation et elle permet d'atteindre des résolutions très fines. Ce chapitre fait le point sur les principales méthodes actuelles de la télédétection en champ proche.