Propriétés radiatives des couronnes de Noyers (Juglans nigra x J. regia) et croissance des pousses annuelles - Influence de la géométrie du feuillage, de la position des pousses et de leur climat radiatif

Th-0602Modelling tree architectural development according to environmental factors is an emerging field ofresearch thanks to the development of adequate computational methods. However, modelling virtualplants is greatly constrained by the difficulty in collecting the architectural and geometric data of woodyarchitecture and foliage. Moreover, partial understanding of functional processes that drive shoot growthlimits the analysis and the modelling of the processes involved. Cross-fertilization of insights intoarchitectural and morphological variability of Walnut tree on the one hand, and into growth physiology onthe other hand, enables to better understand crown development. Thanks to 3-dimensional measurementsof topology and geometry made on 7 to 9 years-old Walnut trees, we have analysed the impact on lightinterception of variables required for virtual plant modelling that are tedious to measure and that renderextrapolation methods necessary. Secondly, we quantified the part of variance of growth variables whichcan be explained by radiation intercepted by comparison with other factors such as topological position.Our results point out the limitations of using allometric relationships and statistical laws for thereconstruction of 3D canopies. Leaf clumping inside the crown, including the clumping of leaflets at leafscale, strongly determines the radiative properties of reconstructed crowns. Thanks to an approach basedon correlations and statistics, an effect of light intercepted by mother shoots on the growth of daughtershoots was established. Strong correlations between shoot vigour (quantified by an index) and the lengthof the pathway between the collar and shoots on the one hand and shoot growth on the other handsuggest an effect of hydraulic architecture.La modélisation du développement architectural des arbres en réponse aux facteurs environnementaux est un thème de recherche en plein essor grâce au développement récent de méthodes informatiques adéquates. Cependant, l'utilisation de couronnes 3D est fortement contrainte par la difficulté à collecter les données architecturales et géométriques nécessaires à leur reconstruction. Par ailleurs, la compréhension partielle des processus fonctionnels contrôlant la croissance des pousses au sein des couronnes limite actuellement l'analyse et la modélisation des processus impliqués. La confrontation des connaissances acquises sur la variabilité architecturale et morphologique du Noyer d'une part, et celles acquises sur la physiologie de sa croissance d'autre part offre la possibilité de mieux comprendre le développement de la couronne. A partir de mesures et d'échantillonnage de la topologie et de la géométrie de Noyers hybrides âgés de 7 à 9 ans, nous avons analysé l'impact sur l'interception de la lumière de variables nécessaires à la reconstruction de plantes virtuelles mais dont la mesure nécessite un travail long et difficile qui rend indispensable l'utilisation de méthodes d'extrapolation. Puis, nous avons quantifié la part de variance des variables de croissance qui peut être attribuée à la lumière interceptée vis-à-vis d'autres facteurs tels que la position topologique. Nos résultats quantifient les biais introduit par l'utilisation de relations allométriques et de lois statistiques pour reconstruire des couronnes tridimensionnelles de différentes tailles. Nous avons montré que l'agrégation du feuillage au sein de la couronne, y compris à l'échelle des feuilles (composées de folioles), détermine fortement les propriétés radiatives des couronnes reconstruites. Grâce à une approche corrélative et statistique, un effet de la lumière interceptée par les pousses mères sur la croissance des pousses filles a été mis en évidence. Les fortes corrélations observées entre d'une part la vigueur des pousses (quantifiée par un indice) et la longueur du chemin entre le collet et les pousses et d'autre part leur croissance suggèrent un rôle de l'architecture hydrauliqu

Identification automatisée des espèces d'arbres dans des scans laser 3D réalisés en forêt

The objective of the thesis is the automatic recognition of tree species from Terrestrial LiDAR data. This information is essential for forest inventory. As an answer, we propose different recognition methods based on the 3D geometric texture of the bark.These methods use the following processing steps: a preprocessing step, a segmentation step, a feature extraction step and a final classification step. They are based on the 3D data or on depth images built from 3D point clouds of tree trunks using a reference surface.We have investigated and tested several segmentation approaches on depth images representing the geometric texture of the bark. These approaches have the disadvantages of over segmentation and are quite sensitive to noises. For this reason, we propose a new 3D point cloud segmentation approach inspired by the watershed technique that we have called «Burst Wind Segmentation». Our approach succeed in extracting in most cases the characteristic scars that are next compared to those stored in a dictionary («ScarBook») in order to determine the tree species.A large variety of characteristics is extracted from the regions segmented by the different methods proposed. These characteristics are the roughness, the global shape of the segmented regions, the saliency and the curvature of the contour, the distribution of the contour points, the distribution of the shape according to the different orientations.Finally, for the classification of the visual characteristics, the Random Forest method by Leo Breiman and Adèle Cutler is used in a two steps approach: selection of the most important variables and cross classification with the selected variables.The bark of the tree changes with the trunk diameter. We have thus studied different natural variability criteria and we have tested our approaches on a test set that includes this variability. The accuracy rate is over 96% for all the proposed segmentation approaches but the best result is obtained with the «Burst Wind Segmentation» one due to the fact that this approach can better extract the scars, it uses a dictionary of scars for recognition, and it has been evaluated on a greater variety of shapes, curvatures, saliency and roughness.L’objectif de ces travaux de thèse est la reconnaissance automatique des espèces d’arbres à partir de scans laser terrestres, information indispensable en inventaire forestier. Pour y répondre, nous proposons différentes méthodes de reconnaissance d’espèce basées sur la texture géométrique 3D des écorces.Ces différentes méthodes utilisent la séquence de traitement suivante : une étape de prétraitement, une étape de segmentation, une étape d’extraction des caractéristiques et une dernière étape de classification. Elles sont fondées sur les données 3D ou bien sur des images de profondeur extraites à partir des nuages de points 3D des troncs d’arbres en utilisant une surface de référence.Nous avons étudié et testé différentes approches de segmentation sur des images de profondeur représentant la texture géométrique de l'écorce. Ces approches posent des problèmes de sur-Segmentation et d'introduction de bruit. Pour cette raison, nous proposons une nouvelle approche de segmentation des nuages de points 3D : « Burst Wind Segmentation », inspirée des lignes de partage des eaux. Cette dernière réussit, dans la majorité des cas, à extraire des cicatrices caractéristiques qui sont ensuite comparées à un dictionnaire des cicatrices (« ScarBook ») pour discriminer les espèces d’arbres.Une grande variété de caractéristiques est extraite à partir des régions segmentées par les différentes méthodes proposées. Ces caractéristiques représentent le niveau de rugosité, la forme globale des régions segmentées, la saillance et la courbure du contour, la distribution des points de contour, la distribution de la forme selon différents angles,...Enfin, pour la classification des caractéristiques visuelles, les forêts aléatoires (Random Forest) de Leo Breiman et Adèle Cutler sont utilisées dans une approche à deux étapes : sélection des variables importantes, puis classification croisée avec les variables retenues, seulement.L’écorce de l’arbre change avec l'accroissement en diamètre ; nous avons donc étudié différents critères de variabilité naturelle et nous avons testé nos approches sur une base qui présente cette variabilité. Le taux de bonne classification dépasse 96% dans toutes les approches de segmentation proposées mais les meilleurs résultats sont atteints avec la nouvelle approche de segmentation « Burst Wind Segmentation » étant donné que cette approche réussit mieux à extraire les cicatrices, utilise un dictionnaire de cicatrices et a été évaluée sur une plus grande variété de caractéristiques de forme, de courbure, de saillance et de rugosité

Représentation géométrique multi-échelles de l'architecture des plantes

Plant geometry is a complex object, combining geometries of numerous different organs, depending of the considered scale of analysis and variable in time and from one species to another. Because of this complexity and plasticity, modeling plants geometry become a challenging multi-disciplinary research topic for eco-physiological modeling to computer graphics. This study begins with the analysis of the various existing types of representation and generative systems of plants models. We identified two categories of approaches for modeling plant geometry : the global approaches, that consider plant as a whole and represents it by an envelop, and the modular one, where a plant is represented by all the geometric models of its components. Some recent works introduce the idea to organize plants models in different levels of details to adapt the complexity of the representation or for a better understanding of plant growth. In this context, the need for formalism has lead us to define a general multiscale geometric model of plant architecture, and to show its efficiency in different contexts. This model integrates coherently several geometric representations at different levels of details. It allows thus controlling and adapting the complexity of the representation during computations and a better understanding of the complex geometry of plants. We used this model in a « bottom-up » manner to characterize global shapes emerging from the detailed structure of a plant and consequently to study at different scale the space occupied by the plant. This model is then used in a « top-down » way to develop a model of plant growth based on a new simulation paradigm which allows specifying biological knowledges at different levels of organization. A hierarchization at different scales of the information makes an interactive and intuitive manipulation of complex plant models possible.La géométrie d'une plante est un objet complexe, combinant les géométries de nombreux organes, dépendant de l'échelle d'analyse considérée et très variable dans le temps ainsi que d'une espèce à l'autre. Malgré cette complexité et cette plasticité, la géométrie d'une plante est devenue un enjeu de modélisation majeur ces dernières années aussi bien en éco-physiologie, qu'en synthèse d'images. Cette étude commence par une analyse des différents types de représentations et systèmes génératifs de plantes existants. Deux catégories d' approches pour modéliser la géométrie d' une plante sont utilisées : les approches globales, qui considèrent la plante comme un tout et la représentent par une enveloppe, et les approches modulaires, dans lesquelles la plante est représentée par l'ensemble des modèles géométriques de ses composants. Certains travaux récents introduisent l'idée d'organiser des modèles de plantes en différents niveaux de détails pour adapter la complexité de la représentation ou pour une meilleure compréhension du développement de la plante. Dans ce travail nous développons et formalisons un modèle géométrique multi-échelles général de représentation de l'architecture des plantes. Ce modèle intègre de manière cohérente différentes représentations géométriques à différents niveaux de détails. Il permet ainsi de contrôler et d'adapter la complexité de la représentation au cours des calculs et d'acquérir une compréhension plus précise de la géométrie complexe des plantes. Nous utilisons ce modèle dans une approche « montante » pour caractériser des formes globales (émergentes) de la structure détaillée d'une plante et ainsi l'espace qu'elle occupe. Il est ensuite utilisé dans une approche « descendante » pour le développement d' modèle de croissance des plantes fondé sur un nouveau paradigme de simulation, permettant une spécification des connaissances biologiques à différents niveaux d'organisation. Le principe de cette approche s'appuie sur une hiérarchisation en échelles des informations qui permet la manipulation interactive et intuitive de modèles complexes de plantes