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Une nouvelle approche d'aide à la conception par ordinateur en architecture basée sur la modélisation d'opérateurs sémantiques et la création de maquettes procédurales
Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal
Identification du bâti à partir d'images satellitaires à très hautes résolutions spatiales
Résumé: L'urbanisation est un phénomène croissant qui touche l'ensemble du globe et qui a comme conséquence l'étalement des surfaces urbanisées. L'ampleur et la rapidité de cet étalement posent partout des problèmes socio-économiques et environnementaux. Pour réduire au maximum ces problèmes, les aménageurs ont besoin de données spatiales à intégrer aux outils de gestion et de planification. Dans ce contexte général, l'apparition des images satellitaires à Très Haute Résolution Spatiale (THRS) suscitent de fortes attentes. Ces images conjuguent en effet des résolutions spatiales fines, à des coûts raisonnables d'acquisition et à des courtes périodes de revisites. Les méthodes d'interprétation actuelles apparaissent cependant inadaptées à ces nouvelles images. À partir de cette problématique, l'objectif de notre recherche est identifié comme l'élaboration d'une méthode d'extraction semi-automatique des bâtiments à partir d'images THRS. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé plusieurs étapes. Chacune d'elles est associée à un chapitre de cette thèse. Le premier chapitre expose le contexte général de notre recherche et conduit à l'identification de notre objectif. Nous présentons tout d'abord un bref historique de l'urbanisation avant de nous concentrer sur le phénomène d'étalement et sur les problèmes qu'il engendre. Nous nous intéressons ensuite à ce que la géographie peut apporter pour diminuer ces problèmes. Les positionnements conceptuels, théoriques et méthodologiques de l'analyse géographique des villes sont suivis d'une présentation des principaux outils de gestion et de planification urbaine. Il ressort un besoin croissant en données spatiales à intégrer à ces outils, besoin à partir duquel nous identifions notre objectif. Dans le second chapitre, nous vérifions la faisabilité de notre objectif à travers l'analyse des caractéristiques techniques des images puis des perturbations subies par le signal. La capacité des images à représenter fidèlement les objets urbains est ensuite abordée à travers les notions de qualité et d'interprétabilité des images. Les résultats confirment l'intérêt de l'utilisation des images satellitaires THRS pour l'analyse des objets urbains. Le troisième chapitre présente les phases préliminaires à l'élaboration de notre méthode d'extraction des bâtiments. Nous évaluons tout d'abord la qualité (géométrique et radiométrique) de l'image Ikonos support d'étude. Une revue des méthodes existantes fait ensuite ressortir une limite commune : la délimitation précise des bâtiments. Ce constat nous conduit à évaluer la qualité des méthodes de segmentation puis à réorienter nos choix méthodologiques. Le quatrième chapitre présente ce qui constitue le coeur de notre travail, à savoir le développement d'une méthode d'extraction du bâti. Après une formalisation rigoureuse des objectifs, nous présentons les principes théoriques de notre approche qui s'appuie sur une définition texturale des bâtiments. Le processus d'identification est basé sur la prise en compte conjointe, à l'aide d'un paramètre unique, de la variance du bâtiment et de celle de son entourage proche. Des informations additionnelles (présence d'ombre et de végétation) sont ensuite intégrées dans le but de diminuer les erreurs de commission. Le cinquième chapitre présente les résultats. Il montre la capacité de la méthode à identifier les bâtiments malgré certaines limites d'applicabilité, en particulier dans le cas des grands bâtiments et/ou dans les milieux hétérogènes. Des pistes d'améliorations sont proposées ainsi que des perspectives d'applications. Il ressort de ce travail que le principal apport tient dans l'originalité de l'approche théorique qui ouvre de nouvelles pistes de réflexion pour les travaux futurs.||Abstract: Urbanisation still remains one of the main problems worldwide. The extent and rapidity of the urban growth induce a number of socio-economic and environmental conflicts everywhere. In order to reduce these problems, urban planners need to integrate spatial information in planning tools. Actually high expectations are made on Very High Spatial Resolution imagery (VHSR). These high-spatial resolution images are available at a reasonable price and due to short revisit periods, they offer a high degree of actuality. However, interpretation methods seem not to be adapted to this new type of images. The aim of our study is to develop a new method for semi-automatic building extraction with VHSR. The different steps performed to achieve our objective are each presented in a chapter. In the first chapter, the general context of our research is described with the definition of our objective. After a short historical review of urbanisation, we focus on urban growth and associated problems. In the following we discuss the possible contributions of geography to reduce these problems. After discussing concepts, theories and methodologies of geographical analysis in urban areas, we present existing general urban planning tools. Finally, we show the special interest of our study that is due to a growing need to integrate spatial information in these decision support tools. In the second chapter we verify the possibility of reaching our objective by analysing the technical characteristics of the images, the noise and the distortions which affect the images. Quality and interpretability of the studied image is analysed in order to show the capacity of these image to represent urban objects as close to reality as possible. The results confirm the potential of VHSR Imagery for urban objects analysis. The third chapter deal with the preliminary steps necessary for the elaboration of our method of building extraction. First, we evaluate the quality of the Sherbrooke Ikonos image (geometric and radiometric quality), the basic image of our analysis. A review of existing methods clearly show a common limit: the detection of building boundaries. Consequently, we evaluate the efficiency of several segmentation methods that finally induces a change in our methodological approach. The fourth chapter contains the central part of our work, which consists in the development of a building extraction method. After strict formalisation of our, objectives, we present the theoretical principles of our approach based on textural buildings definition. In the identification process we use only one parameter that accounts at the same time for the variance of the building and the variance of its immediate surroundings. In the following, additional information (shadow and vegetation) is integrated to reduce commission errors. The last chapter exposes the results. They clearly show the capacity of our method for building identification. However, they show some limitations of application, especially on large size buildings and/or in heterogeneous areas. We also propose possible applications such as analysis of suburban buildings or detection of natural disaster damages. The main outcome of this work is the originality of our theoretical approach that encourages new reflections for future research
Un modèle d'architecture 3D par voxels pour simuler les paramètres structuraux des couverts forestiers de conifères
La qualité des mesures indirectes de la structure du couvert végétal repose principalement sur la connaissance de l'architecture des couverts végétaux. Nous avons développé des modèles d'architecture du couvert forestier selon plusieurs niveaux de détails afin d'aider l'interprétation des images de télédétection. C'est le cas pour le modèle VoxTreK (Voxel Tree with 3D-Kites) qui utilise les données géométriques recueillies sur le terrain pour reproduire l'architecture du couvert au niveau de détail des branches. Ce modèle est conçu pour son utilisation par les modèles de réflectance en télédétection. Toutefois, la photographie hémisphérique est utilisée dans cette étude comme complément aux approches de télédétection satellitaire ou aéroportée pour sa capacité à déceler un plus grand détail de la structure du couvert. L'objectif principal est de déterminer les apports du modèle d'architecture par voxels VoxTreK dans l'estimation des paramètres structuraux à l'aide de la photographie hémisphérique."--résumé abrégé par UMI
Génération de maillage de peau pour géométries complexes par décomposition spatiale hiérarchique
Introduction générale, position du problème et motivations -- Objectifs de notre recherche -- Considérations pratico-théoriques du maillage -- Étude des méthodes de génération de maillage -- Méthodes de Delaunay-Voronoï -- Méthodes de type frontales -- Méthode de décomposition spatiale -- Un condensé de quelques problèmes -- Les maillages hybrides -- Outils techniques pour générer un maillage hybride -- Modélisation et calculs géométriques -- Outils techniques de la génération de maillage par décomposition hiérarchique -- Mise en oeuvre informatique -- Bilan de conception du programme Octree -- Design conceptuel, mise ne oeuvre informatique et évaluation des algorithmes -- Les structures de données du programme -- Le programme Octree appliqué sur le nez d'un avion -- Proposition de récupération de coins concaves -- Proposition d'une avenue pour un critère physique automatique d'arrêt -- Proposition pour une accélération de la décomposition Octree
Développement d'une grille hexagonale hiérarchique et d'algorithmes de clustering "géosémantique" pour l'analyse et la découverte de connaissances géo-spatiales
Dans le cadre du projet MUSCAMAGSJ ± Multi-scale multi-agent geo-simulation ¿, les simulations sont produites dans un environnement virtuel géographique (EV G) qui reflète la réalité géographique grâce à l'usage de données géoréférencées. Compte tenu des applications de mobilité urbaine visées dans ce projet et de la disponibilité des données, l'EVG a été représenté par une grille hexagonale. Cependant, bien qu' il réduise le biais directionnel lors de l'analyse spatiale, ce genre de grille présente un inconvénient important: il ne permet pas une représentation multi -échelle de l'environnement géographique. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, nous proposons une autre solution à ce problème. En effet, nous proposons de partitionner l'environnement à l'aide de cellules dont la forme géométrique fondamentale est le triangle équilatéral. Ensuite, à partir de ces cellules, nous développons un algorithme pour créer des cellules hexagonales hiérarchiques selon un indexage conforme à l'approche column-ordering. Ensuite nous intégrons ces grilles dans une application de système d'information géographique que nous emichissons par des techniques d'intelligence artificielle afin de faciliter la découverte et l'interprétation des phénomènes urbains. En effet, nous avons considéré plus particulièrement les automates cellulaires et les techniques de clustering issues du data mining. Ainsi, nous avons exploré une technique de regroupement ±géo-sémantique¿ des cellules en nous basant sur un algorithme de clustering par fusion. Également, nous avons associé aux grilles hexagonales hiérarchiques des automates cellulaires afin d'obtenir un processus de regroupement automatique (auto-regroupement) qui puisse être utilisé pour l'analyse des données spatiales
Annotation sémantique 2D/3D d'images spatialisées pour la documentation et l'analyse d'objets patrimoniaux
In the field of architecture and historic preservation , the information and communication technologies enable the acquisition of large amounts of data introducing analysis media for different purposes and at different levels of details ( photographs, point cloud, scientific imaging, ...). The organization and the structure of these resources is now a major problem for the description, the analysis and the understanding of cultural heritage objects. However the existing solutions in semantic annotations on images or on 3D model are insufficient, especially in the linking of different analysis media.This thesis proposes an approach for conducting annotations on different two-dimensional media while allowing the propagation of these annotations between different representations (2D or 3D) of the object. The objective is to identify solutions to correlate (from a spatial, temporal and semantic point of view) sets of annotations within sets of images. Thus, the system is based on the principle of data spatialization for establishing a relationship between the 3D representations, incorporating all the geometric complexity of the object and therefore to the metric information extraction, and 2D representations of object. The approach seeks to the establishment of an information continuity from the image acquisition to the construction of 3D representations semantically enhanced by incorporating multi-media and multi-temporal aspects. This work resulted in the definition and the development of a set of software modules that can be used by specialists of conservation of architectural heritage as by the general public.Dans le domaine de l’architecture et de la conservation du patrimoine historique, les technologies de l’information et de la communication permettent l’acquisition de grandes quantités de données introduisant des supports d’analyses pour différentes finalités et à différents niveaux de détails (photographies, nuages de points, imagerie scientifique, …). L’organisation et la structuration de ces ressources est aujourd’hui un problème majeur pour la description, l’analyse et la compréhension d’objets patrimoniaux. Cependant les solutions existantes d’annotations sémantiques d’images ou de modèle 3D se révèlent insuffisantes notamment sur l’aspect de mise en relation des différents supports d’analyse.Cette thèse propose une approche permettant de conduire des annotations sur les différents supports bidimensionnels tout en permettant la propagation de ces annotations entre les différentes représentations (2D ou 3D) de l’objet. L’objectif est d’identifier des solutions pour corréler (d’un point de vue spatial, temporel et sémantique) des jeux d’annotations au sein d’un jeu d’images. Ainsi le système repose sur le principe de spatialisation des données permettant d’établir une relation entre les représentations 3D, intégrant toute la complexité géométrique de l’objet et par conséquent permettant l’extraction d’informations métriques, et les représentations 2D de l’objet. L’approche cherche donc à la mise en place d’une continuité informationnelle depuis l’acquisition d’images jusqu’à la construction de représentations 3D sémantiquement enrichies en intégrant des aspects multi-supports et multi-temporels. Ce travail a abouti à la définition et le développement d’un ensemble de modules informatiques pouvant être utilisés par des spécialistes de la conservation d’un patrimoine architectural comme par le grand public
Mosquées médiévales en Algérie du VIIe au XVe siècle ; propriétés spatio-syntaxiques et spécificités socioculturelles
Notre travail de recherche étudie dix-huit cas de mosquées médiévales en Algérie du VIIe au XVe siècle, sélectionnées dans diverses villes représentant la diversité culturelle du territoire. La problématique tourne principalement autour d’une nouvelle lecture de la dimension spatiale et sociale de ces mosquées et de la relation entre la configuration spatiale et le comportement social des fidèles.
Notre objectif est de dévoiler la logique d’organisation de ces mosquées afin de déceler leurs propriétés spatiales, définir leurs relations sociales intérieures et rendre intelligibles leurs systèmes spatiaux, et d’identifier les structures topologiques ainsi que les génotypes architecturaux.
Les mosquées sont analysées en matière de visibilité, de perméabilité et d’interaction sociale en appliquant la méthode de la syntaxe spatiale (space syntax) de Bill Hillier et de Julienne Hanson (1984) dans ses déclinaisons qualitatives et quantitatives. Cette méthode est complétée d’une enquête par l’observation qui se fait par la technique dite du "Snapshot" et une analyse de contenu des textes historiques.
Les résultats de cette recherche dérivent d'une part, de l'analyse exhaustive des différents spécimens constituant le corpus d’étude par la méthode des graphes justifiés, l'analyse isoviste, la méthode des graphes de visibilité (VGA) et la carte convexe. Cet arsenal de méthodes a été complété par l’observation par Snapshot. Par la suite, une comparaison a été effectuée entre les mesures syntaxiques et les pratiques des fidèles, entre les graphes justifiés, les VGA et les propriétés socio-spatiales avec les textes historiques.
L'analyse de la space syntax a révélé l'existence de types topologiques avec une subdivision de la mosquée médiévale en trois génotypes. L’observation a révélé l'existence d’une relation entre interactions sociales et configuration spatiale.
Les résultats de la recherche vont au-delà des résultats basés uniquement sur les descriptions historique, sociale et physique de l’espace et confèrent de nouvelles significations à la mosquée médiévale. L’analyse nous a permis d’établir une corrélation entre l'abstrait social et la construction physique de la mosquée
Élaboration d'un système à base de règles pour l'identification des zones perturbées en milieu forestier
La gestion d’un territoire forestier exige régulièrement une mise à jour de cartes. Cette actualisation peut s’effectuer automatiquement grâce aux techniques de détection du changement. La procédure s’accomplit en plusieurs étapes, où chacune d’entre elles risque d’introduire des erreurs. La carte finale comporte alors de nombreuses fausses alarmes qui doivent être corrigées pour obtenir un document fiable. C’est pourquoi la méthode traditionnelle par photo-interprétation est souvent préférée, car l’interprète effectue avec une plus grande précision l’identification des zones réellement perturbées. Lors de cette procédure, l’interprète utilise divers paramètres, tels que la texture, l’aspect, le contexte spatial mais aussi sa connaissance sur la région. Afin de reproduire automatiquement ce travail, il est donc nécessaire de développer une démarche similaire en utilisant une approche par région (aussi appelée orientée objet). De plus, l’intégration d’informations issues de la connaissance nécessite l’utilisation de méthodes dites intelligentes. Ces méthodes permettent d’intégrer dans l’analyse les attributs de chaque région ainsi que la connaissance spécifique à l’application. Il existe deux groupes de méthodes, celles dont l’apprentissage est pratiqué avec une base d’exemples, telles que l’arbre de décision C4.5 ou le réseau de neurones Perceptron multi-couches (PMC), et celles dont l’apprentissage est dirigé par l’usager, telles que le système à base de règles (JESS). Les systèmes intelligents ont déjà été utilisés dans le cadre de la mise à jour de cartes forestières. Malheureusement ce type d’approche n’a jamais dépassé l’étape du prototype. Le travail de cette thèse consiste à évaluer l’association d’une méthode classique et d’un système à base de règles. Cette association permet de réduire la complexité du problème à résoudre. En effet, le système intelligent doit uniquement raisonner sur les cas critiques relevés par la méthode classique. Dans le contexte d’une identification du changement en milieu forestier, une analyse post-classification est combinée avec le système expert JESS. Le système proposé a été testé sur un site d’étude au Labrador. Les résultats obtenus sont supérieurs à ceux des méthodes conventionnelles de détection du changement et des méthodes C4.5 et PMC. Le système JESS permet d’intégrer de nombreuses règles sur le contexte spatial, les transitions temporelles et les indices de végétation. La combinaison de toutes ces informations dans un même système surclasse toutes les autres méthodes évaluées. Par ailleurs, l’approche développée peut être reproduite pour une nouvelle mise à jour sans aucune modification.||Natural resources management has become an important topic concerning the environment. Sound management encourages the protection of our environment and supports sustainable development. Policies and regulations regarding the environment require the development of monitoring Systems. Remote sensing technologies are important tools in the elaboration of these Systems. Regional monitoring permits resource managers to obtain accurate information on the status of these resources. Based on this information, it is possible to plan actions contributing to the preservation of the environment. In this context, forest region monitoring requires the updating of forestry maps. The update can take place automatically with the assistance of change detection methods. The procedure takes place in several stages, where the possibility of introducing errors at each step exists. The final map may subsequently include numerous false alarms that must be corrected in order to obtain a reliable document. The traditional method is often preferred, because the interpreter identifies truly disturbed areas with great precision. According to the visual interpretation, the photo-interpreter uses various criteria, such as texture, appearance or context of the area to be identified. In order to reproduce this work automatically, it is necessary to develop a similar approach, such as an oriented-object method. In addition, the integration of information similar to that of the interpreter requires the use of intelligent methods. At the present, time, these methods analyse the attributes of each object, more accurately than conventional methods. In this case two groups of methods are distinguished; those based on the case-based reasoning (CBR), such as decision trees or neural networks; and those whose learning is supervised by the user, known as experts Systems (ES). For change identification in forest region, a method applying the second approach is preferred. A rule-based System has been elaborated for a study site in Labrador. Results of this approach reveal that the system provides more accurate results than the methods of the first approach. Indeed, the first group of methods depends on the samples. Otherwise, the rule-based system permits the conservation of the done work
Acquisition, visualisation et reconstruction 3D de données anatomiques issues de dissection (application aux fibres blanches cérébrales)
Dans cette thèse, nous présentons un système complet permettant de sauvegarder un processus destructif tel qu'une dissection anatomique. Nous proposons une méthode depuis l'acquisition 3D des données jusqu'à la visualisation interactive et immersive, dans le but de créer une vérité terrain. L'acquisition 3D regroupe l'acquisition de la géométrie par scanner laser (maillage) ainsi que de l'information de couleur par le biais d'un appareil photo haute résolution (texture). Ce processus d'acquisition et répété au cours de la dissection du spécimen. Les différentes acquisitions du spécimen sont représentées par des surfaces 3D texturées. Elles sont ensuite recalées entre elles. Un expert anatomiste peut alors explorer ces différentes étapes de dissections modélisées dans une visualisation immersive en utilisant du matériel d'interaction (bras haptique). Un outil d'étiquetage permet une segmentation manuelle précise de régions d'intérêt visibles sur chacune des surfaces 3D. Un objet tridimensionnel peut ensuite être reconstruit et proposé à l'utilisateur sur la base des zones d'intérêt étiquetées. Le but étant de créer des vérité terrains afin de confronter des résultats issus de modalités d'acquisition volumiques (IRM). Nous montrons l'application de la méthode à la reconstruction de faisceaux de fibres blanches humaine dans le but de valider des résultats de tractographie.In this thesis, we present a system to keep track of a destructive process such as a medical specimen dissection, from data acquisition to interactive and immersive visualization, in order to build ground truth models. Acquisition is a two-step process, first involving a 3D laser scanner to get a 3D surface, and then a high resolution camera for capturing the texture. This acquisition process is repeated at each step of the dissection, depending on the expected accuracy and the specific objects to be studied. Thanks to fiducial markers, surfaces are registered on each others. Experts can then explore data using interaction hardware in an immersive 3D visualization. An interactive labeling tool is provided to the anatomist, in order to identify regions of interest on each acquired surface. 3D objects can then be reconstructed according to the selected surfaces. We aim to produce ground truths which for instance can be used to validate data acquired with MRI. The system is applied to the specific case of white fibers reconstruction in the human brain.TOURS-Bibl.électronique (372610011) / SudocSudocFranceF
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