Conférence Nationale d'Intelligence Artificielle Année 2020

National audienc

Individualisation d'indices acoustiques pour la synthèse binaurale

Binaural synthesis is a sound spatialization technology, which is the closest to na-tural hearing. It allows the spatialization of a monophonic sound source with only twofilters for a given position. The filters are defined by the HRTFs (Head Related TransferFunction) corresponding to the left and right ear of the listener. The major drawback ofbinaural synthesis is that the HRTF, which are related to the listener's morphology, arestrongly individual. Listening with non-individual HRTF could lead to audible artifacts.Therefore binaural rendering of high quality requires individualized HRTF. This thesistackles the problem of the individualization of binaural synthesis in the framework ofits implementation as a pure delay, the interaural time di®erence (ITD), and a minimalphase filter determined by the magnitude of the HRTF. The work conducted on the ITDvalidates the implementation chosen even for the positions where the HRTF are poorlyminimum phase filters. In addition the ITD calculation methods which are close to per-ception are pointed out. An experimental study is also undertaken to investigate theresolution of the ITD with the elevation angle along the cones of confusion. Perceptualresults indicate that the ITD variation with the elevation angle needs to be reproduced.In order to account for this variation, a new formula is proposed on the basis of thespherical head model. Optimization of the parameters of this formula for a whole ITDdatabase provides an average formulation which is appropriate for a large number of sub-jects and for many applications. Concerning the modeling of the spectral cues (HRTFmagnitude), the Boundary Element Method (BEM) has been examined. It is concludedthat BEM methods are useful in combination with measurement for the modeling ofthe low frequency part. A new approach, which involves statistical learning technique, isproposed for the HRTF prediction. A neural network is built to compute HRTF in anydirection from a limited set of measured HRTF. Preliminary assessment of this modelingshows that the neural network succeeds well in individualizing spectral cues. This resultsuggests a simplified protocol of HRTF measurement : HRTF are measured for only afew directions and the HRTF for the other locations are obtained by the neural network.La synthèse binaurale est la technique de spatialisation sonore la plus proche del'écoute naturelle. Elle permet un rendu spatialisé d'une source monophonique à une po-sition donnée avec seulement deux filtres qui correspondent aux oreilles gauche et droite :les HRTF (Head Related Transfer Function). L'inconvénient majeur de la technique bi-naurale repose sur le fait que les HRTF, liées à la morphologie de l'auditeur, sont propresà chaque utilisateur. Une écoute avec des HRTF non-individuelles comporte des artefactsaudibles. Il faut donc acquérir des HRTF individuelles. Cette thèse aborde le problèmede l'individualisation de la synthèse binaurale dans le cadre de son implémentation en unretard pur, la différence interaurale de temps (ITD), et un filtre à phase minimale déter-miné par le module de la HRTF. Le travail sur l'ITD permet de valider l'implémentationchoisie même pour les positions où les HRTF sont mal décrites par des filtres à phaseminimale et permet de déterminer, parmi les méthodes classiques de calcul de l'ITD,celles qui estiment une ITD proche de la perception. Une étude expérimentale est aussimenée pour établir la résolution de l'ITD avec l'angle d'élévation. Les résultats indiquentla nécessité perceptive de reproduire les variations de l'ITD en élévation. Une nouvelleformule d'estimation de l'ITD créée sur la base d'un modèle de tête sphérique, la formulede déplacement des oreilles (FDO), est développée pour rendre compte de ces variations.L'optimisation des paramètres de cette formule aux ITD de toute une base de donnéesde HRTF permet d'entrevoir une formulation moyenne convenant pour un grand nombrede personne et pour de nombreuses applications. L'étude s'est ensuite focalisée sur lamodélisation du module spectral (filtre à phase minimale). Le travail réalisé sur l'appli-cation des méthodes de calcul par éléments de frontière (BEM pour Boundary ElementMethod) pour l'acquisition de HRTF, indique que cette méthode, peut notamment êtreutilisée en complément des mesures pour l'acquisition de la partie basse fréquence desHRTF. Une approche originale, qui applique des techniques d'apprentissage statistique,est proposée et étudiée pour la modélisation de HRTF. Un réseau de neurones artificiels(RNA) est entra^³né pour calculer des HRTF d'un individu à partir de la connaissancedes HRTF mesurées en un nombre réduit de positions. Les premiers résultats sont en-courageants : le modèle permet d'atteindre un degré assez fin d'individualisation, ce quisuggère un protocole simplifié d'acquisition de HRTF. Un faible nombre de mesures estacquis et les autres sont prédites par le modèle

Commande Robuste et Contraintes d'Optimisation

This thesis presents an overview of my research activities carried out since my PhD in 2001. In the first section, description of the projects, my different contributions to robust control applied to the spatial field and underwater robotics, are highlighted. My research project for the coming years is then presented; I propose an original and efficient methodology to compute simple control laws by combining \textit{robust control} and \textit{global optimization}. The second part of this thesis is dedicated to the scientific aspects that will help clarify the proposed research project. As a starting point, Youla parametrization is presented as a tool to \textit{render convex} the control problem, and the subsequent work is used as a foundation to establish specifications based on the constraints related to optimization. This theme has served as a driving thread in illustrating how industrial requirements could lead to a control problem. Parallel to this, the question also arose as to the practical realization of results from these methodologies, that is, how they might be implemented in an embedded system. Ariane 5 launcher control is taken as an example for research on the structured control and validation.Ce mémoire présente un panorama des activités de recherche menées depuis ma thèse de doctorat en 2001. Dans une première partie, à travers la description des projets, sont mises en avant les différentes contributions à la commande robuste appliquée au monde spatial et au monde de la robotique sous-marine. On montre alors comment s'est construit le projet de recherche proposé pour les années à venir. Il s'agit de proposer une méthodologie originale et efficace pour régler des lois de commande simple à implémenter en combinant \textit{commande robuste} et \textit{optimisation globale}. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à quelques aspects scientifiques qui aident à comprendre le projet de recherche proposé. On y trouve comme point de départ la paramétrisation de Youla en tant qu'outil pour \textit{convexifier} le problème de commande et les travaux qui en ont découlés pour traduire un cahier des charges en terme de contrainte dans un problème d'optimisation. Cette thématique a été un fil conducteur important pour faire le lien avec la demande industrielle de savoir comment les exigences étaient traduites dans le problème de commande. En parallèle, s'est posée la question de la réalisation pratique des résultats issues de ces méthodologies, c'est-à-dire leur implémentation sur un système embarqué. On prendra comme exemple les activités de recherche sur la structuration de correcteur et leur qualification pour les lois de pilotage des lanceurs Ariane 5

Ontologie pour la traçabilité des manipulations d'images médicales

In medicine, physicians (general practitioner or specialist) realize a diagnosis to determine patients’disease and propose an adapted treatment. This diagnosis is based on research of causes (pathologies)and effects (symptoms) of affection. Today, to realize an effective medical diagnosis, it isimportant to realize a multidisciplinary analysis at a data level. But it is also important to make worktogether experts from different domains. A problem can happen if these experts do not work in thesame place. Thus, how is it possible to ease the way to collaborate together?With evolutions of communication technologies and more particularly Internet, it is easier to developremote collaborative applications. One of the fields covered by theses applications is telemedicineand telediagnosis. Thus, a remote panel of experts can meet together virtually through a virtual roomto ease diagnosis collaboration and co-production. Despite everything, forensic aspects slowed downdevelopment of remote practices due to privacy and personal information sharing.In this context, we developed a platform called COOVADIS (COllabOrative VAscular DIagnoSis) thatenables traceability in such applications based on three original ontologies (pathologies ontology,diagnosis ontology and traceability ontology). This framework was implemented in SaaS (Softwareas a Service) as a web server, to support the collaborative work between health professionals. It wasalso validated from a theoretical and clinical point of view.En médecine, le diagnostic est la démarche par laquelle le médecin, généraliste ou spécialiste vadéterminer l’affection dont souffre le patient, et qui va permettre de proposer un traitement. Il reposesur la recherche des causes (pathologie) et des effets (symptômes) de l’affection. Un diagnosticmédical efficace doit aujourd’hui int égrer des analyses multidisciplinaires tant au niveau des donnéesque des experts: et compte tenu de la r épartition géographique (par exemple de la désertificationm´ edicale), il peut être compliqué de réunir au même endroit les experts.L’ évolution des technologies de communication, en particulier Internet, a ouvert de nouvelles possibilités dans le domaine des applications collaboratives à distance et tout particulièrement celuidu t élé-diagnostic médical : par exemple un panel d’experts distants se réunit virtuellement parl’intermédiaire d’une salle d’examen virtuelle qui favorisera la collaboration afin de coproduire undiagnostic. Mais dans le domaine de la médecine, l’aspect médico-l égal est crucial, et il a freinéledéveloppement de ces pratiques à distances.Dans ce contexte, nous avons développé une plateforme appelée COOVADIS (COllabOrative VAscularDIagnoSis) qui permet la traçabilité dans de telles applications en s’appuyant sur trois ontologiesoriginales (ontologie de la pathologie, ontologie du diagnostic et ontologie de traçabilité). Cette plateformed’aide `a la collaboration entre professionnels de santé à été implémentée en mode SaaS(Software as a Service) sous la forme d’un serveur Web, et validé d’un point de vue théorique et clinique

Propagation de la sensibilité dans les modèles hydrodynamiques.: Analyse d’incertitude et estimation des paramètres.

La modélisation des phénomènes hydrodynamiques est généralement entachée d’erreurs qui proviennent des multiples approximations faites à chaque étape de la construction et de l’application des modèles. La complexité des processus mis en jeux conduit à l’utilisation d’équations mathématiques simplifiées faisant intervenir des paramètres à ajuster; celles-ci sont résolues de manière approchées par des méthodes numériques et nécessitent des variables mesurées ou estimées. Afin d’assurer la maitrise des risques liés aux événements pluvieux, il est primordial de connaitre l’impact des différentes incertitudes liées au modèle sur l’estimation des niveaux d’eau ou de débit dans les zones sensibles. L’objectif à terme de ces recherches est donc de fournir, en complément des résultats de modélisation, des recommandations pour l’acquisition de mesures (position des capteurs, précision…) ; ceci afin d’optimiser la description géométrique ou hydraulique du domaine, pour une meilleure précision des résultats de modélisation. Ces travaux présentent trois applications de l'analyse de sensibilité locale à la modélisation hydrodynamique : 1) Elle permet d'estimer l’étendue de l’influence d’une perturbation localisée et de hiérarchiser l’importance des paramètres du modèle afin d’organiser les mesures à effectuer. 2) Dans le cadre d’études de scénarios, on montre qu'elle fournit une approximation à l’ordre 1 d’une analyse d’incertitude, qui ne requiert qu'une seule simulation et reste comparable aux résultats de simulations de Monte Carlo, même dans le cas de problèmes hydrodynamiques complexes avec variation de plusieurs paramètres, corrélés ou non. 3) Enfin, elle est utilisée de façon originale dans un processus d’estimation automatique des paramètres, d'une part, directement dans l'algorithme de résolution basé sur une formulation faible de la distance entre mesures et simulations, et d'autre part, comme filtre dans l'estimation de l'erreur pour ne pas caler un paramètre en utilisant des observations qui coïncident avec une sensibilité locale faible

Advanced physics-based and data-driven strategies

Simulation Based Engineering Science (SBES) has brought major improvements in optimization, control and inverse analysis, all leading to a deeper understanding in many processes occuring in the real world. These noticeable breakthroughts are present in a vast variety of sectors such as aeronautic or automotive industries, mobile telecommunications or healthcare among many other fields. Nevertheless, SBES is currently confronting several difficulties to provide accurate results in complex industrial problems. Apart from the high computational costs associated with industrial applications, the errors introduced by constitutive modeling become more and more important when dealing with new materials. Concurrently, an unceasingly growing interest in concepts such as Big-Data, Machine Learning or Data-Analytics has been experienced. Indeed, this interest is intrinsically motivated by an exhaustive development in both data-acquisition and data-storage systems. For instance, an aircraft may produce over 500 GB of data during a single flight. This panorama brings a perfect opportunity to the so-called Dynamic Data Driven Application Systems (DDDAS), whose main objective is to merge classical simulation algorithms with data coming from experimental measures in a dynamic way. Within this scenario, data and simulations would no longer be uncoupled but rather a symbiosis that is to be exploited would achieve milestones which were inconceivable until these days. Indeed, data will no longer be understood as a static calibration of a given constitutive model but rather the model will be corrected dynamicly as soon as experimental data and simulations tend to diverge. Several numerical algorithms will be presented throughout this manuscript whose main objective is to strengthen the link between data and computational mechanics. The first part of the thesis is mainly focused on parameter identification, data-driven and data completion techniques. The second part is focused on Model Order Reduction (MOR) techniques, since they constitute a fundamental ally to achieve real time constraints arising from DDDAS framework.La Ciencia de la Ingeniería Basada en la Simulación (SBES) ha aportado importantes mejoras en la optimización, el control y el análisis inverso, todo lo cual ha llevado a una comprensión más profunda de muchos de los procesos que ocurren en el mundo real. Estos notables avances están presentes en una gran variedad de sectores como la industria aeronáutica o automotriz, las telecomunicaciones móviles o la salud, entre muchos otros campos. Sin embargo, SBES se enfrenta actualmente a varias dificultades para proporcionar resultados precisos en problemas industriales complejos. Aparte de los altos costes computacionales asociados a las aplicaciones industriales, los errores introducidos por el modelado constitutivo son cada vez más importantes a la hora de tratar con nuevos materiales. Al mismo tiempo, se ha experimentado un interés cada vez mayor en conceptos como Big-Data, Machine Learning o Data-Analytics. Ciertamente, este interés está intrínsecamente motivado por un desarrollo exhaustivo de los sistemas de adquisición y almacenamiento de datos. Por ejemplo, una aeronave puede producir más de 500 GB de datos durante un solo vuelo. Este panorama brinda una oportunidad perfecta a los denominados Sistemas de Aplicación Dinámicos Impulsados por Datos (DDDAS), cuyo objetivo principal es fusionar de forma dinámica los algoritmos clásicos de simulación con los datos procedentes de medidas experimentales. En este escenario, los datos y las simulaciones ya no se desacoplarían, sino que aprovechando una simbiosis se alcanzaría hitos que hasta ahora eran inconcebibles. Mas en detalle, los datos ya no se entenderán como una calibración estática de un modelo constitutivo dado, sino que el modelo se corregirá dinámicamente tan pronto como los datos experimentales y las simulaciones tiendan a diverger. A lo largo de este manuscrito se presentarán varios algoritmos numéricos cuyo objetivo principal es fortalecer el vínculo entre los datos y la mecánica computacional. La primera parte de la tesis se centra principalmente en técnicas de identificación de parámetros, basadas en datos y de compleción de datos. La segunda parte se centra en las técnicas de Reducción de Modelo (MOR), ya que constituyen un aliado fundamental para conseguir las restricciones de tiempo real derivadas del marco DDDAS.Les sciences de l'ingénieur basées sur la simulation (Simulation Based Engineering Science, SBES) ont apporté des améliorations majeures dans l'optimisation, le contrôle et l'analyse inverse, menant toutes à une meilleure compréhension de nombreux processus se produisant dans le monde réel. Ces percées notables sont présentes dans une grande variété de secteurs tels que l'aéronautique ou l'automobile, les télécommunications mobiles ou la santé, entre autres. Néanmoins, les SBES sont actuellement confrontées à plusieurs dificultés pour fournir des résultats précis dans des problèmes industriels complexes. Outre les coûts de calcul élevés associés aux applications industrielles, les erreurs introduites par la modélisation constitutive deviennent de plus en plus importantes lorsqu'il s'agit de nouveaux matériaux. Parallèlement, un intérêt sans cesse croissant pour des concepts tels que les données massives (big data), l'apprentissage machine ou l'analyse de données a été constaté. En effet, cet intérêt est intrinsèquement motivé par un développement exhaustif des systèmes d'acquisition et de stockage de données. Par exemple, un avion peut produire plus de 500 Go de données au cours d'un seul vol. Ce panorama apporte une opportunité parfaite aux systèmes d'application dynamiques pilotés par les données (Dynamic Data Driven Application Systems, DDDAS), dont l'objectif principal est de fusionner de manière dynamique des algorithmes de simulation classiques avec des données provenant de mesures expérimentales. Dans ce scénario, les données et les simulations ne seraient plus découplées, mais une symbiose à exploiter permettrait d'envisager des situations jusqu'alors inconcevables. En effet, les données ne seront plus comprises comme un étalonnage statique d'un modèle constitutif donné mais plutôt comme une correction dynamique du modèle dès que les données expérimentales et les simulations auront tendance à diverger. Plusieurs algorithmes numériques seront présentés tout au long de ce manuscrit dont l'objectif principal est de renforcer le lien entre les données et la mécanique computationnelle. La première partie de la thèse est principalement axée sur l'identification des paramètres, les techniques d'analyse des données et les techniques de complétion de données. La deuxième partie est axée sur les techniques de réduction de modèle (MOR), car elles constituent un allié fondamental pour satisfaire les contraintes temps réel découlant du cadre DDDAS

Validation expérimentale de modèles : application aux bâtiments basse consommation

Construction of low, passive and positive energy buildings is generalizing and existing buildings are being renovated. For this reason, it is essential to use simulation in order to estimate, among other things, energy and environmental performances reached by these new buildings. Expectations regarding guarantee of energy performance being more and more important, it is crucial to ensure the reliability of simulation tools being used. Indeed, simulation codes should reflect the behavior of these new kinds of buildings in the most consistent and accurate manner. Moreover, the uncertainty related to design parameters, as well as solicitations and building uses have to be taken into account in order to guarantee building energy performance during its lifetime.This thesis investigates the empirical validation of models applied to a test cell building. This validation process is divided into several steps, during which the quality of the model is evaluated as far as consistency and accuracy are concerned. Several study cases were carried out, from which we were able to identify the most influential parameters on model output, inspect the influence of time step on the empirical validation process, analyze the influence of initialization and confirm methodology’s ability to test the model.Avec la généralisation de la construction des bâtiments basse consommation, passifs et à énergie positive, mais aussi la rénovation du parc existant, il est indispensable d’avoir recours à la simulation pour évaluer, entre autres, les performances énergétique et environnementale atteintes par ces nouveaux bâtiments. Les attentes en termes de garantie de performance énergétique étant de plus en plus importantes, il est primordial de s’assurer de la fiabilité des outils de simulation utilisés. En effet, les codes de simulation doivent être capables de représenter le comportement de ces nouveaux types de bâtiments de la façon la plus juste et fidèle possible. De plus, les incertitudes liées aussi bien aux paramètres de conception qu’aux différentes sollicitations ainsi qu’aux usages des bâtiments doivent être prises en compte pour pouvoir garantir la performance du bâtiment sur sa durée de vie.Cette thèse s’est intéressée à la validation expérimentale de modèles appliquée à un bâtiment de type cellule test. Cette méthodologie de validation se déroule en plusieurs étapes au cours desquelles on évalue la qualité du modèle en termes de justesse et de fidélité. Plusieurs cas d’études ont été menés sur lesquels nous avons pu identifier les paramètres les plus influents sur la sortie du modèle, examiner l’influence du pas de temps sur le processus de validation expérimentale, analyser l’influence de l’initialisation et confirmer l’aptitude de la méthodologie à tester le modèle

Identification and modeling of ground instabilities by geophysical methods and python-based tools: case of the city of Fez (Morocco) and the Sierra de Gador (Spain)

[SPA] La tesis propuesta viene a resolver los problemas relacionados con la detección y la localización de zonas inestables en medio urbano (Tghat Fès, Sefrou, Bhalil en Marruecos, y la zona de Sierra de Gádor en España), especialmente para investigación de cavidades, deslizamientos de terrenos y las formaciones cársticas. El estudio geológico detallado de las cuatro zonas ha permitido localizar los principales sectores más susceptibles al riesgo de inestabilidad en base a la litología y sobre los indicios de superficie. Los indicios en la región de Tghat son formas de fisuración de superficie, mientras que los sitios de Bhalil y Sefrou representan la presencia de cavidades de origen antrópico o natural en base a fenómenos de carstificación, y la presencia de dolinas de origen cárstico en la zona de estudio de la Sierra de Gádor. En este trabajo, diferentes métodos geofísicos han sido empleados para la detección y la investigación de cavidades, deslizamientos del terreno y de formas cársticas en zonas urbanas. Estos métodos consisten en el método de tomografía eléctrica (ERT, de eletrical resistivity tomography method), el método de sondeo eléctrico vertical (VES, de vertical electrical sounding method), el método georradar (GPR de ground penetrating radar method) y el método de tomografía sísmica de refracción (SRT de seismic refraction tomography method). Los resultados de los métodos geofísicos han sido presentados bajo la forma de secciones de resistividad 1D, 2D y 3D, de radargramas y de tomogramas sísmicos, facilitando información detallada sobre las variaciones de las propiedades físicas de las estructuras subterráneas. El tratamiento e interpretación de los datos ha permitido la determinación de las variaciones espaciales y de señalar numerosas zonas que pueden ser consideradas como zonas de alto riesgo, especialmente por el peligro de deslizamiento en la zona de Tghat con la localización de numerosas anomalías asociadas con la presencia de cavidades en el seno de formaciones margosas. Las técnicas eléctricas han permitido de localizar cavidades de origen cárstico, así como zonas de fracturación y de fisuración prolongadas en el seno de las formaciones carbonatadas en Sefrou. En la zona de estudio de Bhalil, el GPR se ha revelado muy eficaz para la detección de cavidades antrópicas abandonadas en el seno de la antigua medina. Finalmente, la tomografía eléctrica combinada con la sísmica de refracción ha demostrado ser un método eficaz para detectar formas de subsidencia asociadas a la presencia de dolinas en la región de la Sierra de Gádar (Almería, España). Por otro lado, el empleo de Python para la modelización se ha combinado con el estudio geológico y los métodos geofísicos con el fin de detectar y de investigar las zonas inestables en ambientes urbanos. Esta metodología directa de modelización es empleada para simular las condiciones del subsuelo en las zonas de estudio con la ayuda de programas de ordenador de código abierto tales como pyGIMLi y pyBERT. Gracias a esta simulación, es posible de predecir la respuesta de diferentes técnicas geofísicas a las condiciones específicas del sitio de estudio, permitiendo así de seleccionar las técnicas más apropiadas para las condiciones específicas del sitio y de optimizar la concepción del diseño de los dispositivo de medida así como los parámetros de adquisición de los datos para futuras campañas de campo. Con la integración de la modelización directa con los métodos geofísicos, el objetivo de esta tesis es la de mejorar la precisión, eficacia y la flexibilidad de la tomografía subterránea para la detección y la investigación de las cavidades, los deslizamientos del terreno y de las formas cársticas en las zonas urbanas. [ENG] The proposed thesis aims to solve problems related to the detection and localization of unstable areas in urban zones (Tghat Fes, Sefrou, Bhalil in Morocco, and the Sierra de Gádor area in Spain), in particular for cavity monitoring, landslides and karst forms. The detailed geological study of the four zones made it possible to locate the main sectors most susceptible to the risk of instability, based on the lithology and on surface indicators. The indices in the region of Tghat are forms of surface cracking, while the sites of Bhalil and Sefrou represent the presence of cavities of anthropic or natural origin due to the phenomenon of karstification, and the presence of doline of karstic origin. in the site of Sierra de Gádor. In this report, different geophysical methods were used for the detection and monitoring of cavities, landslides, and karst forms in urban areas. These methods include ERT (electrical tomography), VES (vertical electrical sounding), GPR (ground penetrating radar) and SRT (seismic refractive tomography). The results of the geophysical methods were presented in the form of 1D, 2D and 3D resistivity sections, radargrams and tomograms, providing detailed information on the variation of physical properties of underground structures. The processing and interpretation of the data made it possible to determine the spatial variations and to highlight several areas which can be considered as high-risk areas, in particular related to landslide risk in the Tghat area with the location of several anomalies correlated with the presence of cavities within marly formations. Electrical techniques have made it possible to locate cavities of karstic origin as well as zones of fracturing and prolonged fissuring within carbonate formations at Sefrou site. Thus, at the Bhalil site, the GPR proved to be very effective in detecting abandoned anthropic cavities within the old medina. Finally, electrical tomography combined with seismic refraction has proven to be an effective method for detecting forms of subsidence related to the presence of sinkholes in the Sierra de Gádor region. Furthermore, the use of Python for modeling is combined with geological survey and geophysical methods to detect and monitor unstable areas in urban environments. This direct modeling approach is used to simulate subsurface conditions at study sites using open-source software such as pyGIMLi and pyBERT. Through this simulation, it is possible to predict the response of different geophysical techniques to specific site conditions. Thus, it is possible to select the most appropriate techniques for the specific site conditions and to optimize the survey design as well as the data acquisition parameters for future campaigns. By integrating direct modeling with geophysical methods, the objective of this thesis is to improve the accuracy, efficiency, and flexibility of subsurface imagery for the detection and monitoring of cavities, landslides and landforms. karst in urban areas. [FRE] La thèse proposée vise à résoudre les problèmes liés à la détection et à la localisation de zones instables en milieu urbain (Tghat Fès, Sefrou, Bhalil au Maroc, et la zone de Sierra de Gádor en Espagne), notamment pour la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques. L'étude géologique détaillée des quatre zones a permis de localiser les principaux secteurs les plus susceptibles au risque d'instabilité en se basant sur la lithologie et sur des indices de surface. Les indices dans la région de Tghat sont des formes de fissuration de surface, tandis que les sites de Bhalil et Sefrou représentent la présence de cavités d'origine anthropique ou naturelle en raison du phénomène de karstification, et la présence de dolines d’origine karstique dans le site de Sierra de Gádor. Dans ce rapport, différentes méthodes géophysiques ont été utilisées pour la détection et la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques dans les zones urbaines. Ces méthodes comprennent l'ERT (tomographie électrique), le VES (sondage électrique vertical), le GPR (radar à pénétration de sol) et le SRT (tomographie sismique à réfraction). Les résultats des méthodes géophysiques ont été présentés sous forme de sections de résistivité 1D, 2D et 3D, de radargrammes et de tomogrammes, fournissant des informations détaillées sur la variation des propriétés physiques des structures souterraines. Le traitement et l'interprétation des données ont permis de déterminer les variations spatiales et de souligner plusieurs zones qui peuvent être considérées comme des zones à haut risque, notamment pour le danger de glissement dans la zone de Tghat avec la localisation de plusieurs anomalies corrélées avec la présence de cavités au sein de formations marneuses. Les techniques électriques ont permis de localiser des cavités d'origine karstique ainsi que des zones de fracturation et de fissuration prolongées au sein de formations carbonatées à Sefrou. Au site de Bhalil, le GPR s'est révélé très efficace pour la détection de cavités anthropiques abandonnées au sein de l'ancienne médina. Enfin, la tomographie électrique combinée à la sismique à réfraction s'est avérée être une méthode efficace pour détecter des formes de subsidence liées à la présence de dolines dans la région de Sierra de Gádor.En outre, l'utilisation de Python pour la modélisation est combinée avec l'étude géologique et les méthodes géophysiques afin de détecter et surveiller les zones instables dans les environnements urbains. Cette approche directe de modélisation est utilisée pour simuler les conditions du sous-sol des sites d'étude à l'aide de logiciels open source tels que pyGIMLi et pyBERT. Grâce à cette simulation, il est possible de prédire la réponse de différentes techniques géophysiques aux conditions spécifiques du site, permettant ainsi de sélectionner les techniques les plus appropriées pour les conditions spécifiques du site et d'optimiser la conception du levé ainsi que les paramètres d'acquisition de données pour les futures campagnes. En intégrant la modélisation directe avec les méthodes géophysiques, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la précision, l'efficacité et la flexibilité de l'imagerie souterraine pour la détection et la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques dans les zones urbaines.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnología y Modelización en Ingeniería Civil, Minera y Ambienta