These Mascret

N: 2009 ENAM XXXX

Arts et Mtiers ParisTech - Centre de Paris Institut de Recherche de lEcole Navale, Groupe des Systmes dInformation

Gographique

2010-ENAM-0006

cole doctorale n 432 : Sciences des Mtiers de l Ingnieur

prsente et soutenue publiquement par

Ariane MASCRET

15 Mars 2010

Dveloppement dune approche SIG pour lintgration de donnes Terre/Mer

Doctorat ParisTech

T H S E pour obtenir le grade de docteur dlivr par

lcole Nationale Suprieure d'Arts et Mtiers Spcialit Informatique

Directeur de thse : Christophe CLARAMUNT Co-encadrement de la thse : Thomas DEVOGELE

T H S E

Jury Mme. Christiane WEBER, Professeur, Image, Ville et Environnement, Strasbourg Rapporteur Mme. Anne RUAS, Ingnieur HDR, COGIT, IGN Paris Rapporteur M. Christophe DELACOURT, Professeur, UBO/IUEM, Brest Examinateur M. Marc ROBIN, Professeur, LETG, Nantes Examinateur M. Christophe CLARAMUNT, Professeur, IRENav, Ecole Navale, Brest Examinateur M. Thomas DEVOGELE, Professeur, IRENav, Ecole Navale, Brest Examinateur

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

1

RREEMMEERRCCIIEEMMEENNTTSS Au crpuscule de la rdaction de ce manuscrit, jaimerais remercier les personnes qui ont particip ce projet de longue haleine et qui ont permis sa ralisation. Merci Christophe Claramunt tout dabord pour mavoir propos ce sujet de thse alors que je venais postuler sur une tout autre thmatique, ainsi qu Thomas Devogele pour avoir accept de mencadrer alors quil ne me connaissait pas. Je leur suis reconnaissante davoir os se lancer dans laventure en nayant de moi que limage dune survolte capable de faire une prsentation de soixante slides en dix minutes chrono. Merci galement au jury de thse davoir accept dvaluer ce travail. Certains me connaissaient pour avoir longuement parl avec moi de mon sujet de recherche et mavaient mise en garde contre certains points trs dlicats de lapproche propose. Dautres navaient jamais entendu parl de mon travail ni des algorithmes sur lesquels il se base mais ont dcid de participer quand mme son valuation : merci pour leurs retours et la pertinence de leurs commentaires. Merci tous les collaborateurs et intervenants qui ont particip directement ou indirectement ce travail : la socitt Seazone qui a travaill sur la fusion de donnes et ma gracieusement fait part de ses rsultas, le SHOM et lIGN qui entreprenaient le programme Litto3D et nous ont permis laccs aux donnes, le laboratoire Gomer pour avoir collabor avec nous et particip la relecture dun de mes chapitres et enfin Jacques Populus pour nous avoir fourni des donnes lidar haute dfinition. Par ailleurs une thse est toujours supporte par ce que jappelle affectueusement le staff technique : informaticiens, professeurs danglais/de math, secrtaires et tous les gens de lcole (officiers militaires en particulier) qui ont pris le temps de sintresser mon travail ou mont aide dans mes dmarches. Je tiens deux certaines ficelles administratives, la recette dun pain de Nol aux pices (merci Mr Marion) et la conception de flchettes en papier pour sarbacanes. Ensuite tout ne se passe pas toujours comme prvu, et malgr tout le meilleur optimisme du monde, parfois trop cest dcidment trop : cest l que les proches prennent le relai. Jaurais donc des penses reconnaissantes envers tous ceux qui ne mont pas laisse baisser les bras quand jen avais vraiment raz le bol. H oui, cest souvent la fin o il faudrait garder le plus de dtermination, que Motivation se fait joyeusement la malle avec Persvrance et Srieux. Le moral en prenant un bon coup dans laile, la tentation est grande de laisser en plan le boulot quasi fini. Que nenni donc, mes proches mont affronte moi et ma mauvaise volont : - Mon Cher et Tendre en relisant et corrigeant un boulot qui ntait pas de lui ma remis sur les rails dserts de la rdaction. - Mathieu qui par son flegme et sa dtermination sans faille crire ses deux pages par jour a russi me redonner envie de relever le pari. - Marie Laure, qui supportant mes jrmiades et pistant mes nombreux moments dinaction, de flemme, et de vagabondage ma force terminer malgr moi. - Mriam pour son ct raliste : la rdac cest long, pnible et loin dtre grisant (saoulant la rigueur et cest pourtant un synonyme) !! Ceux qui vous soutiennent le contraire sont aux choix des gnis ou des cabotins. Cest par elle aussi que jai appris tout le sens du mot procrastination : fait de dcouvrir que tout ce que vous aviez laiss en plan depuis des sicles est dcidment beaucoup plus passionnant que rdiger. Cest ainsi que jai exhum le cycle complet de Fondation dIsaac Asimov, les chroniques dAlvin le Faiseur suivies du cycle dEnder dOrson Scott Card, lintgrale de la compagnie noire de Glen Cook, Terry

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

REMERCIEMENTS

2

Pratchett et ses Annales du disque-monde et jen passe (merci au passage Thierry et Antoine pour mavoir fait dcouvrir ces auteurs). Lapport culturel a beau tre indniable, les vingts malheureuses pages de thse restantes rdiger nont pas avance dun chouia - Eric, compagnon dinfortune de rdaction qui en bavait en mme temps que moi pour terminer au plus vite. - Calixte dans son le lointaine qui ma soutenue et rpt sans cesse TERMINE TA THESE, on verra a APRES !! . - Marie pour avoir relu et corrig ma thse de ses fautes dorthographe. Il y a encore bien dautres personnes parmi mes amis et ma famille mais je ne puis malheureusement citer tout le monde, sous peine davoir des remerciements aussi lphantesques que le reste de la thse (dj deux pages, a commence faire). Je pense nanmoins eux et les remercie davoir t l tout au long du priple.

Bien, mais et aprs ? Beaucoup mont parl dun hypothtique vide ressenti aprs la thse tout a Bon, soyons honnte, pas vraiment ! Faisons le point : il y a de bons films voir, dexcellents livres lire (mme si je nen dvorerais probablement pas autant que ce que jai dj fait), des tas de projets plus fous les uns que les autres rests en suspens et un post-doc (suivi temporel des dunes sous-marines pour les curieux) faire courir jusquen dcembre 2010 : la routine reprend son cours

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

TABLE DES MATIERES

3

TTAABBLLEE DDEESS MMAATTIIEERREESS

Rmerciements........................................................................................................................... 1 Table des Matires..................................................................................................................... 3 Rsum....................................................................................................................................... 7 Contexte de la thse................................................................................................................... 9

1 Acteurs et donnes gographiques littorales.............................................................. 9 2 Continuit et cohrence au sein des donnes gographiques ................................. 10 3 Contexte de recherche................................................................................................ 11 4 Dmarche et problmatique ...................................................................................... 14 5 Plan de thse ............................................................................................................... 16

I Littoral et intgration : prsentation, tat de lart et discussion.................................... 17 I.1 Prsentation du milieu littoral .............................................................................. 18

I.1.1 Agents morphogniques des reliefs littoraux .................................................................. 19 I.1.1.1 Actions mcaniques ............................................................................................................. 19 I.1.1.2 Actions physico-chimiques et biologiques .......................................................................... 20

I.1.2 Zonalit des formes littorales selon les grands domaines climatiques ............................ 21 I.1.2.1 Zones tempres .................................................................................................................. 21 I.1.2.2 Zones sub-tropicales ............................................................................................................ 21 I.1.2.3 Zones polaires...................................................................................................................... 21

I.2 Intgration dlments 2D ..................................................................................... 22 I.2.1 Dfinitions ....................................................................................................................... 22

I.2.1.1 Dimensions gographiques des objets ................................................................................. 22 I.2.1.2 Comparaison entre deux objets ou un ensemble dobjets .................................................... 22 I.2.1.3 Appariement de deux jeux de donnes ................................................................................ 25 I.2.1.4 Fusion de donnes................................................................................................................ 26

I.2.2 Intgration de points ........................................................................................................ 27 I.2.2.1 Outils dappariement de points ............................................................................................ 27 I.2.2.2 Fusion de points................................................................................................................... 28

I.2.3 Intgration de lignes ........................................................................................................ 28 I.2.3.1 Outils de comparaison de lignes .......................................................................................... 28

Distance moyenne .............................................................................................................................. 28 Distance de Hausdorff........................................................................................................................ 28 Distance de Frchet et drives.......................................................................................................... 30 Conclusion sur les distances linaires ................................................................................................ 32 Outils de comparaison de formes pour des objets linaires ............................................................... 32 Outils de comparaison par zone dfinie ............................................................................................. 33

I.2.3.2 Outils dappariement gomtrique de lignes ....................................................................... 34 I.2.3.3 Fusion et dformation lastique de lignes............................................................................ 35

I.2.4 Intgration de polygones ................................................................................................. 38 I.2.4.1 Comparaison de surfaces ..................................................................................................... 39

Distance entre surfaces....................................................................................................................... 39 Comparaison de ressemblance de forme entre surfaces ..................................................................... 39

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

TABLE DES MATIERES

4

I.2.4.2 Appariement de surfaces...................................................................................................... 39 I.2.4.3 Fusion de surfaces................................................................................................................ 40

I.3 Intgration de Donnes 2.5D (MNT) .................................................................... 40 I.3.1 Caractristiques des MNT ............................................................................................... 40

I.3.1.1 Acquisition et gnration dun MNT................................................................................... 40 MNT terrestres : acquisitions et traitements ...................................................................................... 41 Modes dacquisition de MNT maritimes ........................................................................................... 43 Synthse sur les modes de production des MNT ............................................................................... 45

I.3.1.2 Formats des MNT................................................................................................................ 46 Les nuages et grilles de points ........................................................................................................... 46 Les profils .......................................................................................................................................... 46 Les courbes de niveau ........................................................................................................................ 47 Triangular Irregular Network (TIN)................................................................................................... 47 Grille raster ........................................................................................................................................ 47 Mthodes dinterpolation de laltitude ............................................................................................... 48

I.3.1.3 Qualit des MNT ................................................................................................................. 49 Types derreurs prsentes dans les donnes ....................................................................................... 50 Prcision et rsolution........................................................................................................................ 50

I.3.2 Fusion de MNT : travaux en cours ou dj raliss......................................................... 51 I.3.2.1 Intgration de donnes Terre/ Mer....................................................................................... 52

ICZMap.............................................................................................................................................. 52 Litto 3D.............................................................................................................................................. 54 MNT intgr sur la Baie du Mont-Saint-Michel ................................................................................ 55 Projet Amricain ................................................................................................................................ 56

I.3.2.2 Fusion de MNT terrestres avec recouvrement total ............................................................. 57 I.3.2.3 Bilan des travaux prsents.................................................................................................. 57

I.4 Bilan sur ltat de lart........................................................................................... 59 II Extensions de la distance linaire de Frchet et algorithmes dappariement ............. 61

II.1 Extension 1 : distance moyenne de Frchet et couples de points homologues.. 63 II.2 Extension 2 : distance de Frchet sur des lignes demprises ou de natures diffrentes............................................................................................................................ 67

II.2.1 Distance de Frchet discrte partielle .............................................................................. 67 II.2.2 Distance de Frchet discrte entre deux lignes fermes .................................................. 68 II.2.3 Distance de Frchet discrte partielle entre une ligne ouverte et une ligne ferme......... 72 II.2.4 Distance de Frchet discrte partielle / partielle entre deux lignes ouvertes ................... 73

II.3 Algorithme dappariement .................................................................................... 78 II.3.1 Recherche de la nature des lignes compares.................................................................. 79 II.3.2 Relations demprises entre les lignes............................................................................... 79 II.3.3 Types dappariement entre lignes.................................................................................... 81

II.3.3.1 Appariement simple 1 1 de deux lignes : .................................................................... 81 II.3.3.2 Appariement total/partiel 1 P entre deux lignes.......................................................... 82 II.3.3.3 Appariement partiel/partiel (PP) et deux partiel/partiel (2PP) entre deux lignes ..... 82

II.3.4 Mthode globale : appariement par fichier...................................................................... 86

II.4 Exemple dapplications de la mthode sur la comparaison de traits de cte ... 89 II.4.1 Prsentation des donnes et de la zone dtude ............................................................... 89 II.4.2 Mthode de comparaison des traits de cte ..................................................................... 89 II.4.3 Rsultats et perspectives.................................................................................................. 90

II.5 Bilan sur les apports des extensions...................................................................... 93 III Mthodologie dintgration......................................................................................... 95

III.1 Prsentation des donnes ....................................................................................... 97 III.1.1 Donnes gographiques acquises ................................................................................ 97

III.1.1.1 Description de la zone dtude............................................................................................. 97

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

TABLE DES MATIERES

5

III.1.1.2 Description des jeux de donnes........................................................................................ 100 III.1.2 Evaluation de la cohrence des donnes gographiques ........................................... 101

III.1.2.1 Etude des valeurs de diffrences entre donnes altimtriques ........................................... 101 III.1.2.2 Comparaison de la densit dchantillonnage des donnes altimtriques.......................... 104

III.1.3 Donnes Simules ..................................................................................................... 107 III.1.3.1 Mcanisme de production des donnes simules............................................................... 107 III.1.3.2 Modles de base................................................................................................................. 108 III.1.3.3 MNT bruits ...................................................................................................................... 109

III.2 Mthode dintgration globale ............................................................................ 114 III.2.1 Comparaison de MNT............................................................................................... 115

III.2.1.1 Conversion dans un mme rfrentiel cartographique....................................................... 116 III.2.1.2 Partition en domaine de recouvrement .............................................................................. 116 III.2.1.3 Analyse de corrlation ....................................................................................................... 117

III.2.2 Segmentation et extraction de lignes caractristiques ............................................... 117 III.2.2.1 Segmentation ..................................................................................................................... 117 III.2.2.2 Extraction de lignes carastristiques.................................................................................. 118

III.2.3 Intgration des modles de terrain............................................................................. 119 III.2.3.1 Interpolation des trous ....................................................................................................... 119 III.2.3.2 Appariement ...................................................................................................................... 120 III.2.3.3 Dformation lastique et Fusion de MNT ......................................................................... 120

III.3 Validation de la mthodologie sur les donnes simules................................... 122 III.3.1 Modle du chenal ...................................................................................................... 122 III.3.2 Modle Numrique de Terrain reprsentant un littoral ............................................. 130

III.3.2.1 Fusion dun modle bruit et dun modle dorigine......................................................... 130 III.3.2.2 Fusion du modle topographique et du modle bathymtrique ........................................ 136

III.4 Perspectives dapplication de la mthodologie sur des donnes littorales ...... 153 III.4.1 Conversion gographique.......................................................................................... 154 III.4.2 Partition en domaines de recouvrement .................................................................... 154 III.4.3 Analyse de corrlation............................................................................................... 154 III.4.4 Analyse paysagre..................................................................................................... 154

III.4.4.1 Extraction et pr-enrichissement ....................................................................................... 155 III.4.4.2 Segmentation ..................................................................................................................... 156 III.4.4.3 Enrichissement................................................................................................................... 156

III.4.5 Appariement .............................................................................................................. 157 III.4.6 Corrections lastiques ............................................................................................... 157

III.5 Bilan sur la mthodologie dintgration............................................................. 157 Conclusion gnrale.............................................................................................................. 159

1 De la reconnaissance dlments caractristiques leur appariement. .............. 160 2 Mthode globale dintgration des donnes topo-bathymtriques ...................... 161 3 Perspectives............................................................................................................... 162

Rfrences bibliographiques................................................................................................. 167 Table des Figures .................................................................................................................. 175 Table des Tableaux................................................................................................................ 180

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

TABLE DES MATIERES

6

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

RREESSUUMMEE Le domaine maritime littoral constitue un milieu fragile, plac linterface Terre/Mer o sexercent de nombreuses pressions issues des milieux terrestres, maritimes et atmosphriques. Les approches globales de Gestion Intgre des Zones Ctires (GIZC) ont pour but de pallier les lacunes des politiques prcdentes au niveau des interactions simultanes des diffrents acteurs du littoral. Cette approche requiert un Modle Numrique de Terrain (MNT) littoral continu ainsi que des donnes maritimes et terrestres cohrentes entre elles.

En raison dacquisitions ou de productions diffrentes pour les MNT terrestres et maritimes, lensemble du relief nest pas trait de manire ni homogne ni continue. De plus les techniques dintgration des MNT actuelles entranent des lissages des reliefs, voire la perte des lments caractristiques.

Des outils et une nouvelle mthodologie dintgration de MNT ont donc t dfinis. Les outils utilisent la distance de Frchet pour calculer une distance maximale dcartement entre les points homologues de deux lignes. La valeur de cette distance donne une mesure de ressemblance de forme qui sert de base leur appariement ultrieur.

La mthodologie de fusion propose dans cette thse se veut gnrique tout en sappuyant sur des lignes caractristiques spcifiques du paysage. Elle effectue un enchanement de traitements rpartis en trois tapes majeures : 1) transformations cartographiques et analyse des zones de recouvrement ; 2) Segmentation et extraction de lignes caractristiques ; 3) appariement et fusion laide de dformations lastiques.

Ces outils dintgration ont t tests sur des donnes relles en 2D pour la comparaison du trait de cte, puis valids sur des MNT simuls 3D.

Mots-cls: Modle numrique de terrain (MNT), intgration terre/mer de MNT, gomorphologie littorale, dformation lastique, Systme d'Information Gographique (SIG), distance de Frchet, appariement et fusion de donnes.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

8

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

CCOONNTTEEXXTTEE DDEE LLAA TTHHEESSEE

Sommaire 1 Acteurs et donnes gographiques littorales.............................................................. 9 2 Continuit et cohrence au sein des donnes gographiques ................................. 10 3 Contexte de recherche................................................................................................ 11 4 Dmarche et problmatique ...................................................................................... 14 5 Plan de thse ............................................................................................................... 16

Les rcentes catastrophes survenues en domaine littoral et leur impact sur la population humaine (mares noires, tsunamis) ont amen les acteurs du littoral prendre conscience de limportance de la frange littorale et repenser son mode de gestion. En effet, le littoral constitue une zone gographique aux limites floues o la confrontation Terre/Mer gnre des espaces complexes o interfrent de multiples composantes, physiques, biologiques, ou anthropiques, et ce diffrentes chelles spatio-temporelles. Ce systme riche et diversifi se trouve tre le sige denjeux la fois environnementaux, patrimoniaux, conomiques et nationaux, o les conflits pour les ressources, les paysages ou lespace sont les plus exacerbs. Dans ce cadre, la comprhension des interactions entre les activits anthropiques et le milieu littoral est un objectif majeur de la recherche pour laide au dveloppement durable des socits humaines. Cest pourquoi il est ncessaire de se focaliser sur les modalits dutilisation et dexploitation de lenvironnement par lhomme. Linformation gographique, par sa capacit reprsenter une information localise dans le temps et lespace, simpose comme un support privilgi pour avoir une vision globale et interdisciplinaire du territoire et de ses acteurs.

1 Acteurs et donnes gographiques littorales

Jusqu prsent les interactions simultanes des politiques envisages, des enjeux de durabilit et des conditions cologiques ntaient pas respectes par les approches sectorielles classiques. En effet, de nombreux intervenants se partagent le droit au littoral, crant des tensions en cas de mauvaises concertations ou dintrts contradictoires [RUOA, 2006]. Plusieurs ples majeurs centralisent ces enjeux parfois divergents. Le premier ple concerne la problmatique environnementale au travers des programmes de recherche scientifique sur ltude et la protection des cosystmes ctiers [RUOA, 2006], ainsi que la prvention des risques naturels prsents (rosion ctire1, tsunamis, inondations).

1 http://www.eurosion.org/

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

CONTEXTE DE LA THESE

10

A ces problmatiques sajoutent de nombreuses applications cartographiques en gologie (IFREMER, BRGM) et des thmatiques plus gographiques centres sur la remise jour du trait de cte2 ([Allain et al., 2000], [Le Berre et al., 2004]) ou ltablissement des cartes marines (SHOM). De faon plus marginale, le besoin de cartographie continue du littoral intervient dans beaucoup dapplications militaires sur la frange littorale. Elles concernent les problmes de dbarquement des troupes ou de vhicules amphibies sur des rivages. A cette prservation du milieu sopposent les activits damnagement du littoral dune part et les activits conomico-industrielles dautre part. Les premires concernent les amnagements urbain, touristique et de loisirs, tandis que les secondes reprsentent les constructions industrielles : installations portuaires, usines nergie marmotrice. Les activits conomiques ont trait lexploitation des ressources maritimes et de lestran (pche, aquaculture). Lensemble de ces acteurs ont besoin dune connaissance prcise du littoral ainsi que dune reprsentation suffisamment fine pour obtenir une bonne comprhension des phnomnes tudis et orienter au mieux les dcisions envisages. Ceci passe par lintermdiaire dinformations acquises soit par des organismes publics, soit par des socits prives dans le cadre de programmes de recherche spcifiques. Parmi toutes les donnes collectes, le modle numrique de terrain (MNT) tient une place importante en raison de sa capacit modliser lenvironnement dtude au plus proche de la ralit ([Li et al., 2005]). Il permet de localiser dans un espace gographique un phnomne (rpartition biologique, construction, courant marin, etc.), tout en permettant un dplacement dans une dimension supplmentaire. En effet, il reprsente le relief la manire dune carte avec dautres informations majeures : laltitude et ses drives. Mme sil nintervient pas directement dans les tudes, il sert de support pour la majorit des informations collectes grce son impact visuel fort :

- limpact des mcanismes drosion, et donc de lvolution du trait de cte, est fortement dpendant de la force des vagues et de la rudesse du paysage concern (altitudes hautes ou basses, reliefs mousss ou crtes saillantes) ;

- un plan de prvention des risques utilise un MNT pour prdire les zones potentiellement inondables suite une monte des eaux, que ce soit en raison de grandes mares ou de tsunamis (raz de mare). Ltude des raz de mare utilise le calcul des pentes et de leur angle de stabilit : la formation de ces vagues meurtrires est induite par un glissement de terrain provoqu lors dun tremblement de terre ;

- lamnagement du littoral sappuie galement sur une vision du milieu pour tudier le rendu dun ouvrage important (pont, barrage), ou tout simplement limpact, aussi bien visuel qucologique, dune construction touristique ;

- en biologie marine, la finesse dun MNT permet de prdire les lieux privilgis dhabitats ctiers (dans les infractuosites par exemple) ;

- toute tude multi-chelle ou temporelle de la godynamique dun milieu en gomorphologie repose sur un modle de relief.

Dans ce cadre, un logiciel capable dimporter et de grer un grand nombre de donnes de sources varies impose la reconsidration de leur cohrence et de leur complmentarit.

2 Continuit et cohrence au sein des donnes gographiques

La vulgarisation des Systmes dInformations Gographiques (SIG) a considrablement favoris lchange dinformations ainsi que la concertation entre ces divers intervenants au

2 Notamment : http://www.logicacmg.com/coastchart/default.htm

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


11

travers dune vision densemble du littoral. Un SIG est un logiciel informatique capable dorganiser et de prsenter des donnes numriques spatialement rfrences en vue de les analyser ou de les cartographier. En parallle, ce mouvement est favoris par le constat de la ncessit relle de mettre en place une politique globale de gestion intgre des zones ctires (GIZC) qui ne soit plus dpendante des secteurs conomiques ou des communauts urbaines. Il y a donc un besoin croissant de donnes suffisamment homognes pour croiser les informations, et continues dans le temps (pour les visions long terme) et dans lespace littoral (pour le suivi des phnomnes naturels qui ignorent les frontires terrestre/marin). Ces requis impliquent une reconsidration des mthodes de production des donnes et de leurs traitements. En effet, en France (comme dans certains autres pays, europens ou non), la majorit des donnes littorales disponibles est acquise par des organismes publics diffrents selon le milieu considr : le service hydrographique de la marine (SHOM) pour la bathymtrie et linstitut gographique national (IGN) pour la topographie. Certains problmes surviennent alors : rfrentiels, systmes de coordonnes, formats de donnes, standards utiliss, mthodes dacquisition diffrentes et surtout continuit de linformation non assure. Tout ceci entrane la prsence simultane de plusieurs bases de donnes gographiques qui fournissent des reprsentations du milieu qui varient selon les spcifications, lchelle de saisie, la qualit, lactualit. Ces diffrences sont susceptibles dengendrer des rponses discordantes sur une requte faite via un SIG ou lors dun travail de synthse dinformations. Il est donc impratif de mettre les donnes en cohrence, ou de disposer dun standard (comme par exemple le format S57 du SHOM), avant toute analyse. Par ailleurs la majorit des activits ignore les frontires (phnomnes de pollution par exemple), ce qui implique galement de disposer de donnes ininterrompues.

3 Contexte de recherche

Le manque de cohrence et de continuit des donnes a entran la mise en place depuis une trentaine dannes, aux niveaux international et national, de programmes relatifs la gestion intgre des zones ctires et de recherches scientifiques dans ce domaine.

EuroSDR3 (European Spatial Data Research) [EuroSDR, 2007] est un organisme europen tabli Paris en 1953 qui comprend dix-sept pays au travers dorganisations gographiques nationales, dinstituts de recherche et dentreprises du secteur priv. Il a pour finalit didentifier les besoins de la recherche au niveau du financement de la gestion et de la distribution de donnes spatiales. Ceci se ralise notamment grce des collaborations internationales sur des projets de recherche ou des confrences. Lobjectif est de dterminer et de documenter ltat de lart et les progrs effectus en Europe au niveau de lintgration de bases de donnes marines et terrestres. Les rapports issus des diffrentes confrences ont montr la ncessit :

- de dfinir un standard de donnes spatiales (nomm S-100 en rfrence au format actuel des donnes marines S-57) afin de faciliter lchange de donnes hydrographiques ;

- de promouvoir ce format auprs des organismes gographiques ; - et de planifier au niveau des organismes participants des campagnes dacquisition

continue du littoral.

3 http://www.eurosdr.net/workshops/landsea_2007/organisers.htm

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


12

Lassociation Eurocoast4 (European Coastal Association for Science and Technology), fonde en 1989, reprsente un regroupement de scientifiques, ingnieurs et acteurs de la prise de dcision en milieu littoral. Les objectifs de cette association sont, en premier lieu, de crer un rseau dchange et de coopration technique sur des sujets relatifs la protection, au dveloppement et la gestion des zones ctires, et ainsi amliorer les connaissances existantes dans ce domaine. En second lieu, elle vise promouvoir les recherches inter disciplinaires ainsi que la synthse de thmes communs entre utilisateurs de domaines diffrents. Son objectif global est la conception dune base de donnes comportant tous les aspects de la zone ctire et sa large communication au sein de la communaut scientifique. Par exemple, en 2002, cette association a permis des changes internationaux pour la mise en place dun projet de gestion intgre des zones ctires (ICZM5) en Ukraine6.

Parmi les multiples symposiums centrs sur la thmatique de la gestion ctire, CoastGIS7 se dmarque par ses orientations SIG et cartographie assiste par ordinateur applique aux domaines ctiers et marins. La premire rencontre CoastGIS, qui a eu lieu Cork (Irlande) en 1995, navait pas une thmatique bien dfinie mais a servi dtat de lart bilan aux groupes dintrt varis alors participants. Depuis, tous les deux ans, ce symposium constitue un portail dchanges complmentaires et interdisciplinaires entre experts du SIG et spcialistes ctiers. Le but est dinitier un partage dexprience et/ou de connaissances entre chercheurs et ingnieurs tout en favorisant des collaborations mutuelles. Il vise galement utiliser lexpertise scientifique aux travers de SIG afin de rsoudre les problmes de gestion ctire.

En parallle ces organismes et congrs, de nombreux programmes europens ont t lancs avec des thmatiques assez diverses mais concernant toute la recherche et le dveloppement en milieu littoral : les programmes successifs ROCC et PROTECT visent tudier lrosion des falaises de craie du littoral de la manche. EUROSION et son successeur RESPONSE tudient lrosion ctire en gnral, tout en prenant en compte les problmes de variations ctires et lapparition de risques lis aux changements climatiques.

Au niveau national, le projet Litto 3D [Louvart & Grateau, 2005] a t initi pour rpondre une directive europenne datant de 2002. En effet, suite aux catastrophes ptrolires successives, lEurope a dcid de renforcer sa politique environnementale ctire en recommandant aux tats membres deffectuer un inventaire dtaill du littoral. En France, les deux organismes de cartographie, lIGN et le SHOM, se sont alors associs pour mettre en commun leurs comptences. Une gestion optimale du littoral ncessite de prendre en compte plusieurs thmatiques :

- environnementales, au travers du suivi du trait de cte sous leffet de lrosion, de la protection du domaine ctier et de la protection de la faune et de la flore ;

- humaines, avec la prvention des risques dinondation, de pollution, ou de catastrophes naturelles ;

- dquipement, avec les amnagements de loisirs ou industriels ; - conomiques, avec lexploitation des ressources maritimes ; - de recherche scientifique, avec ltude des cosystmes spcifiques lestran, ou de

limpact des mares noires sur la faune et la flore par exemple ;

4 http://www.eurocoast.org/index.html

5 http://ec.europa.eu/environment/iczm/home.htm

6 http://www.eurocoast.org/ukraine%20project.pdf

7 http://www.coastgis.org/

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


13

- militaires, dans le cadre de dbarquements de troupes et dapplications amphibies.

Suite au bilan des ces besoins, le constat a t fait que les donnes existantes dans le domaine taient insuffisantes au niveau de leur prcision, de leur validit et de leur continuit. En effet, les donnes bathymtriques du SHOM sont de grande prcision mais discontinues dans le temps et lespace. A linverse, les donnes de lIGN sont denses avec une grande frquence dacquisition mais insuffisamment prcises pour produire des cartes de navigation ou destimation de risque li lrosion ou autres phnomnes ctiers. Dans ce cadre, il a t dcid de procder la racquisition complte du littoral laide de nouveaux moyens de mesure. Dans lattente de la production de cette cartographie exhaustive du littoral, une base de donnes historique, Histolitt [Louvart & Grateau, 2005], a t constitue partir des bases de donnes du SHOM et de lIGN. Au final, cette base de donnes comporte une densit dinformation bien suprieure celle figurant sur les cartes, car elle rassemble toutes les donnes historiques collectes depuis la cration des deux organismes.

De mme, au niveau de la recherche franaise, la problmatique plus large de lintgration de reprsentations multiples est traite par laxe de reprsentations multiples de linformation gographique, antenne du Groupe de Recherche SIGMA8 (Systmes dInformation Gographique, Mthodologies et Applications) dit CASSINI. Lobjectif de ce groupe de travail est de proposer des mthodologies facilitant la multi reprsentation en fonction des besoins et permettant la gestion conjointe de donnes disponibles diffrents niveaux de dtail. La multi reprsentation nat de diffrentes traductions de phnomnes naturels ou anthropiques complexes, dans des bases de donnes gographiques ou des cartes, selon les spcifications, le modle attendu, les besoins des utilisateurs et/ou les objectifs de lapplication. Elle se traduit par des niveaux de dtail, des reprsentations de simulation, des reprsentations temporelles ou des points de vue diffrents, ncessaires une bonne prise de dcision. Les donnes possdant de multiples reprsentations du mme phnomne entranent des difficults lors du processus dintgration et de fusion. Cest pourquoi le but final de ce groupe de travail est de proposer un formalisme et/ou des mthodologies qui permettent dintgrer la reprsentation multiple dans la gestion de linformation gographique sous toutes ses formes. De nombreux intervenants travaillent sur lintgration de bases de donnes vectorielles, lappariement automatique [Mustire & Devogele, 2008], lvaluation de la cohrence entre les reprsentations [Sheeren, 2005] ou entre MNT dans un contexte de risques [Rousseaux, 2005]. Leurs approches offrent une vision complmentaire cette thse au niveau de la gestion des incohrences entre reprsentations, de la problmatique dappariement9 ou de lintgration.

En parallle, le groupe de recherche SIG de linstitut de recherche de lcole navale (IRENav) a donn cette thse son aspect interdisciplinaire entre les divers domaines de la gographie, de linformatique, et de la gomatique. En effet, les axes de recherche de ce groupe se focalisent sur la modlisation et lanalyse de linformation spatiale et temporelle dans les SIG deux et trois dimensions appliques au contexte maritime. Ils sorganisent selon deux axes majeurs :

- le dveloppement de modles spatio-temporels dintgration et danalyse de linformation gographique ;

8 http://recherche.ign.fr/labos/cogit/sigma/index.htm

9 Processus qui vise identifier entre deux bases de donnes les reprsentations du mme phnomne du monde

rel.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


14

- le dveloppement de modles de reprsentation et de traitement des donnes maritimes dans les domaines du transport et de la scurit maritime.

Ces thmatiques comprennent le raisonnement spatial et temporel, la gomtrie algorithmique et gomorphomtrique et la conception de SIG. Le sujet de cette thse se place donc transversalement entre ces domaines dtudes : premirement parce quelle tient compte des changements morphologiques temporels, sources dincohrences lors du processus dintgration [Sriti et al., 2005]. Deuximement parce quelle se base galement sur la caractrisation de relief via ses lments topographiques [Saux et al., 2004]. Et finalement parce quelle reprend les travaux dvelopps par [Devogele, 2002] sur lappariement de bases de donnes laide de lalgorithme de Frchet. Toutes ces notions sont utilises afin de raliser un outil SIG dintgration de MNT bas sur lanalyse du paysage littoral afin de proposer une reprsentation continue terre/mer. En effet de nombreuses organisations ou organismes gouvernementaux ont tabli limportance et la ncessit de possder une cartographie complte et prcise du littoral.

4 Dmarche et problmatique

Pour faire face cette demande, de nombreux programmes de recherche et de campagnes de r acquisition ont t lancs. Cependant il nexiste aucune indication sur la manire de traiter par la suite ces donnes au mieux afin dobtenir une reprsentation continue ni comment les intgrer avec celles dj existantes. Cette tape a longtemps t considre comme secondaire. Nanmoins elle entrane de nombreuses erreurs et imprcisions lies aux traitements effectus parfois de manire non approprie. En effet, les processus dintgration employs sont dfinis selon un jeu de donnes spcifique ayant une qualit qui lui est propre, et la connaissance qua lutilisateur du milieu quil tudie. Il en rsulte la plupart du temps, la mise en place de mthodes ponctuelles non rutilisables dans un autre contexte. Lidal serait de pouvoir disposer doutils permettant dans un premier temps un pr traitement gnrique des donnes et dans un deuxime temps, en cas de difficults, de permettre lutilisateur de dcider des traitements les meilleurs. Ceci se rapproche de ce qui est ralis pour lintgration de bases de donne gographiques. La dmarche ici est donc dtablir un lien entre les domaines de la gomtrie algorithmique, de la gomorphologie et enfin des systmes dinformation gographique au travers de lintgration de donnes Terre/Mer. Les processus dintgration actuellement dcrits font appel des notions et des outils dvelopps par la gomtrie algorithmique et appliqus aux bases de donnes gographiques multi reprsentations (deux dimensions). Les donnes Terre/Mer utilises dans ce travail sont des modles numriques de terrain (trois dimensions) pour lesquels trs peu doutils SIG ont t dvelopps.

Lobjectif de cette thse est de proposer une mthodologie dintgration de MNT de manire obtenir une reprsentation continue la plus exacte possible en fonction des donnes disponibles. Pour cela divers outils SIG sont ncessaires. Certains des outils identifis ont donc t implments afin de rpondre cette attente. Cette thse se place ainsi la frontire entre la gographie, la gomtrie algorithmique, et les SIG (voir figure 1). La gographie, par lintermdiaire de la gomorphologie littorale apporte la comprhension ncssaire du paysage pour raliser une intgration pertinente des MNT. La gomtrie algorithmique met disposition des outils de comparaison et dappariement dobjets linaires, ponctuels ou surfaciques. La programmation de ces outils permet deffectuer une fusion de ces objets. Les SIG, par la visualisation de ces donnes nouvellement intgres, offrent une multitude dapplications possibles.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


15

Le point fort de la mthodologie prsente est quelle est gnrique tous types de MNT (issus du programme Litto3D ou antrieurs) mais sadapte aux divers paysages traits dans les modles numriques. Ainsi, les lments qui font la particularit dun relief sont conservs. Loriginalit de cette prservation de linformation cl du relief est dviter une perte de linformation pertinente pour des modlisations ultrieures (prsence ou non d accidents dans le paysage). Les diffrentes tapes dintgration impliquent premirement de pouvoir mesurer des similitudes entre objets issus de deux bases de donnes. A partir de ces mesures il sagit de dterminer si les deux objets tudis reprsentent bien le mme phnomne du monde rel ou non (appariement). Les outils de comparaison et dappariement qui permettent de raliser cette tape sont issus de ceux dj existants pour les donnes 2D. Ensuite les diffrents types de relief sont identifis au sein de chaque modle numrique de terrain. Une typologie base sur des connaissances en gomorphologie du littoral recense de manire exhaustive les diverses classes de paysages ctiers.

Figure 1 : Positionnement de la thse.

Cette typologie est alors complte laide de valeurs numriques donnes par la gomorphomtrie. Ces valeurs permettent lextraction des reliefs identifis par la typologie dans nimporte quel MNT. Par ailleurs, des algorithmes de traitement ont t suggrs pour chaque type paysager en fonction de ses caractristiques. De cette manire il est possible dadapter les traitements effectus sur le modle et ainsi prserver les informations importantes lors de lintgration. La mthodologie dintgration mise en uvre a pour but de produire au final un modle continu et cohrent entre les divers modles. Elle effectue pour cela un enchanement de traitements rpartis en trois phases principales qui visent prparer au mieux les donnes au processus dintgration (conversion dans un systme cartographique, enrichissement et segmentation des modles, appariement, etc.). Lintrt de cette mthode est quelle travaille de manire relative sur les donnes elles-mmes. Elle saffranchit donc des problmes de positionnement, de variabilit temporelle ou de diffrence de qualits. En consquence, elle permet dintgrer des donnes dj existantes comme des donnes

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


16

nouvellement produites avec les mmes considrations paysagres. En ce sens, elle se veut adaptative tout en tant gnrique.

5 Plan de thse

Les diffrentes phases de la mthodologie dintgration sont directement dpendantes des outils sur lesquels elle se base. Par exemple la fusion proprement dite ne pourra seffectuer quaprs une tape pralable de recalage des donnes et de la dtection des lments reprsentant le mme phnomne du monde rel.

La premire partie de cette thse ralise tout dabord une description de lensemble du milieu littoral, des agents dificateurs du relief prsents et des classes de paysages rencontrs sur les ctes. Elle dfinie ensuite les termes utiliss lors du processus dintgration et pose ainsi les fondements des processus dintgration pour des donnes 2D. En complment, elle dtaille la structure des donnes 3D et ce qui a t tablit dans le domaine de la fusion de MNT.

Les algorithmes de fusion choisis suite ltat de lart et les types de relief traiter tant connus, il est ncessaire dans une seconde partie dexpliquer quelles sont les extensions imposes pour raliser cette intgration, conformment aux objectifs dfinis.

Une troisime partie effectue la synthse de tout ce qui a t introduit prcdemment en dcrivant en dtail la mthodologie dintgration propose et son application sur des donnes simules simples. Lapplication ce type de donnes permet de vrifier la robustesse des outils implments, et ainsi les valider, mais galement den mesurer les limites et de proposer des amliorations futures.

La conclusion dresse un bilan des apports de cette thse vis--vis du processus dintgration. En perspectives, elle propose galement des amliorations des outils dvelopps en vue dune chane de traitement la plus automatique et complte possible.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

II LLIITTTTOORRAALL EETT IINNTTEEGGRRAATTIIOONN :: PPRREESSEENNTTAATTIIOONN,, EETTAATT DDEE LLAARRTT EETT

DDIISSCCUUSSSSIIOONN

Sommaire I.1 Prsentation du milieu littoral .............................................................................. 18

I.1.1 Agents morphogniques des reliefs littoraux .................................................................. 19 I.1.2 Zonalit des formes littorales selon les grands domaines climatiques ............................ 21

I.2 Intgration dlments 2D ..................................................................................... 22 I.2.1 Dfinitions ....................................................................................................................... 22 I.2.2 Intgration de points ........................................................................................................ 27 I.2.3 Intgration de lignes ........................................................................................................ 28 I.2.4 Intgration de polygones ................................................................................................. 38

I.3 Intgration de Donnes 2.5D (MNT) .................................................................... 40 I.3.1 Caractristiques des MNT ............................................................................................... 40 I.3.2 Fusion de MNT : travaux en cours ou dj raliss......................................................... 51

I.4 Bilan sur ltat de lart........................................................................................... 59

CHAPITRE

1

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

LITTORAL ET INTEGRATION : PRESENTATION, ETAT DE LART ET DISCUSSION

18

Un processus dintgration de plusieurs jeux de donnes, quelles soient planes ou de relief, vise la compilation de lensemble des informations disponibles de manire cohrente et non redondante sur une mme zone. Selon la nature et lorganisation des donnes, la mthode de fusion ne peut pas tre la mme. Pour les donnes planes, de nombreuses mthodes et processus de fusion ont t amplement dvelopps et dcrits dans la littrature ([Laurini, 1996], [Devogele, 2000], [Beeri et al., 2004]). Ils se basent en gnral sur les identifiants communs contenus dans les tables attributaires des donnes vectorielles. Si aucune information analogue nest disponible, un processus de mise en correspondance des donnes homologues entre bases (appariement) est mis en jeu. Pour des donnes de relief en revanche, ces mthodes ont t trs peu ou pas dveloppes. En effet la fusion dun modle numrique de terrain (MNT), qui ne possde pas de table attributaire, se borne le plus souvent moyenner les altitudes Z selon le positionnement gographique X et Y des points (ou des cellules pour une grille raster). Si ces derniers sont dcals lun par rapport lautre, des difficults apparaissent. En effet il existe peu de moyens pour vrifier la bonne mise en correspondance des modles entre eux. Un processus de fusion complet se doit, pour garantir la qualit du rsultat final, tout dabord de comparer les donnes, puis dapparier celles qui sont homologues et peuvent tre mises en correspondance et enfin de les fusionner entre elles. Cest pourquoi lobjectif de ce chapitre est de faire la synthse des travaux faits prcdemment en matire dintgration, tout dabord sur des donnes planes (2D), puis sur des modles de relief numriques. Afin de bien comprendre le processus dappariement et comment il seffectue au travers dalgorithmes divers, il convient tout dabord de dtailler la reprsentation numrique des donnes 2D, puis de la mme faon de prsenter les donnes 3D et leurs diffrents formats.

La premire partie de ce chapitre esquisse le milieu littoral dans son ensemble, en dcrivant les agents intervenant dans la morphogense (formation et volution du relief) ainsi que le zonage li aux grands domaines climatiques.

La seconde partie dfinit les notions dlment plan, de comparaison, dappariement, et de fusion. Un tat de lart numre ensuite les diffrents types dlments 2D. Enfin il expose les mthodes de comparaison, dappariement et de fusion dj implmentes pour chacune de ces catgories.

La troisime partie prsente de la mme manire les MNT, savoir leur mode de production, leurs formats, lestimation de leur qualit ainsi quune synthse bibliographique des prcdents travaux en cours ou dj raliss en matire de fusion de MNT.

La quatrime partie se focalise sur les problmes dappariement de donnes de relief en retranant notamment les difficults lies la ncessit de surmonter les dcalages planimtriques et altimtriques. Le processus dappariement de modle numrique est introduit au travers de lnumration des lments qui vont permettrent sa ralisation.

I.1 Prsentation du milieu littoral

Le littoral reprsente linterface entre la terre, la mer et latmosphre, mais plus quun simple trait de cte, cest avant tout un espace gographique vivant qui possde sa dynamique propre issue des trois domaines quil ctoie. Il comporte lestran, superficie comprise entre le niveau

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


19

de plus haute mer et celui de plus basse mer (zone intertidale), la zone infratidale et larrire cte (zone supratidale). La zone infratidale est constitue par les fonds ocaniques toujours immergs qui dbutent au niveau des plus basses mers. Larrire cte dsigne les terres susceptibles dtre atteintes par leau sale (lors dune tempte ou dune inondation), ou directement influences par laction des eaux marines et le vent (dans les deltas, les estuaires ou les marais maritimes). De part sa position, llaboration du relief de la zone littorale reflte les effets de multiples processus dynamiques, quils soient maritimes, continentaux et/ou atmosphriques. Pour cette raison, certains milieux possdent une influence continentale plus marque (marais maritimes) tandis que dautres voient lexpression majoritaire des agents marins. En effet, le model paysager est dpendant de laction dagents morphogniques et de ses environnements gographique et climatique. Indpendamment du contexte lithologique qui, en lui-mme, entrane des variations morphologiques importantes, cette section dcrit les agents morphogniques (actions mcaniques et actions physico-chimiques et biologiques). Elle prsente galement les principaux domaines climatiques dans lesquels ces agents sexpriment plus ou moins.

I.1.1 Agents morphogniques des reliefs littoraux

Les agents morphogniques sont des processus lmentaires qui se combinent de manire faonner le relief [Coque, 1993]. Selon le type daltration engendre sur le milieu, il est possible dtablir un classement des divers processus : actions dominantes mcanique, physico-chimique et biologique.

I.1.1.1 Actions mcaniques Les agents dominante mcanique agissent majoritairement par lintermdiaire de leau (via les vagues, les courants marins, les mares, le gel et le sel). Leur action combine au vent entrane le plus souvent lrosion (fragmentation et dsagrgation) de la roche en relation avec sa porosit et sa fracturation. Sur dautres types de substrats comme le sable laction se manifeste galement par un dplacement de matire puis une sdimentation.

Vagues Les vagues peuvent avoir sur le paysage une action dominante rosive (phnomne dablation), de dpt (jet de rive) ou de transport (drive littorale), modifie ou non par les mares. Ces actions sont gouvernes par la bathymtrie qui entrane les phnomnes de turbulence, ou de dferlement en bord de plage. Ce dernier a un impact plus fort sur llaboration des formes (morphogense) en raison de limportante dissipation dnergie contenue dans la vague. Leffet de cette action mcanique est plus ou moins marqu selon la topographie, lexposition et le substrat rocheux rencontrs. Ainsi, sur des ctes falaises, les vagues peuvent dtacher des blocs importants, crer des encoches susceptibles dentraner des boulements, et engendrer labrasion des affleurements rocheux grce au sable et aux blocs vhiculs dans leau [Valadas, 2005].

Courants marins Les courants marins sont des dplacements lchelle plantaire des masses deau des mers et des ocans. Les facteurs qui dterminent ces mouvements sont dune part les vents, et dautre part la diffrence de tempratures, de salinits et donc les diffrences de densits des eaux. Ces facteurs distinguent deux types de courants : les courants de surface et les courants profonds [Saint-Guily, 2006]. Concernant leur influence sur le model littoral, seuls les

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


20

courants de surface ont un rel impact sur le model littoral avec les courants de dbris (ou de drives littorales), les courants de dcharge, et les courants de mare [Derruau, 1988].

Les courants de mare La mare est le mouvement montant (flux) ou descendant (reflux) des eaux des mers ou des ocans caus par leffet conjugu des forces de gravitation de la lune et du soleil. Selon la force de son courant (influenc par la pente gnrale), elle peut soit avoir une action rosive, soit au contraire favoriser la sdimentation et difier des cordons littoraux par exemple [Tricart, 1995].

Gel Le gel agit en tant que processus climatique majoritairement dans les rgions froides, et une chelle moindre aux latitudes tempres, de trois manires :

- Par lintermdiaire de la glace dhiver qui constitue un pied de glace adhrant aux falaises au niveau des hautes mers. Lorsque celle-ci descend, le poids entrane alors le dtachement de blocs entiers du support [Derruau, 1988]. Par ailleurs la succession de phases de gel et de dgel favorise lclatement de la roche par agrandissement de ses fissures (phnomnes de cryoclastie).

- Par lintermdiaire des icebergs qui emprisonnent des blocs qui peuvent soit tre dlests soit racls sur les fonds marins de faible profondeur [Derruau, 1988].

- Lors de la fonte de coins de glace en t, ce qui a pour consquences dvacuer par la mer des morceaux de substrat prsents entre les coins de glace et dentraner le recul de la cte de plusieurs mtres par an [Derruau, 1988].

Vents En plus dtre lorigine de la houle, les vents ont un impact fort sur des paysages de sable dpourvus de vgtation. En effet, selon sa force, sa rgularit et la granulomtrie des sables, le vent mobilise les lments sableux, le plus souvent vers lintrieur des terres, pour constituer des dunes littorales [Valadas, 2005].

I.1.1.2 Actions physico-chimiques et biologiques Ce type dactions privilgie en majorit les processus daltrations : corrosion et dissolution. La composition du substrat va donc jouer un rle beaucoup plus important que pour les actions mcaniques.

Dissolution Le processus de dissolution, produit essentiellement par les organismes vivants et leau de mer, exploite les fractures et lignes de faiblesse de la roche, majoritairement les roches carbonates. Elle seffectue par les embruns au dessus du niveau de mare haute (appele dissolution karstique en raison de sa prsence majoritaire dans les paysages de type karst) et sur lestran grce la prsence de flaques [Derruau, 1988]. Les formes de dissolution des calcaires se traduisent par :

- Les lapis littoraux (forme la plus courante des karsts, paysages faonns dans des roches solubles carbonates) qui se manifestent par une surface dchiquete par de nombreuses rainures, fissures et crevasses de tailles variables plus ou moins profondes issues de la dissolution et regroupes en ensembles denses.

- Les vasques de quelques mtres de diamtre et dont le fond plat permet la persistance de mares mare basse.

- Les encoches de corrosion, plus frquentes en milieu tropical, et favorises par les scrtions des tres vivants.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


21

- La dsagrgation granulaire, engendre par les variations de volume dues aux cristaux salins forms par vaporation de leau [Tricart, 1995] (processus dhaloclastie).

Actions biologiques La faune et la flore prsentes dans lcosystme littoral ont divers types dactions sur leur environnement. Les dbris des organismes coquilles et tests fournissent des matriaux meubles qui augmentent la quantit de matriel sdimentaire des plages et des cordons littoraux [Tricart, 1995]. Certains autres organismes comme les algues encrotantes ou les rcifs coralliens sont des organismes constructeurs qui permettent ldification de models tout en les protgeant de lattaque rosive des vagues. Dautres au contraire participent au dmembrement des roches, soit en les perforant pour y vivre, soit en les corrodant comme certaines algues cyanophyces sur le calcaire [Tricart, 1995].

I.1.2 Zonalit des formes littorales selon les grands domaines climatiques

Les models dune rgion sont marqus par la prsence de formes lmentaires spcifiques dues des combinaisons de processus morphogniques particuliers dpendant du contexte gographique et climatique. Les travaux de [Valadas, 2005] que nous utilisons ici permettent de diffrencier trois grands domaines lchelle plantaire.

I.1.2.1 Zones tempres Ces types de littoraux comportent surtout des ctes rocheuses, des ctes basses (sableuses ou en sdimentation) des vasires et accumulation de galets. Ils sont caractriss par une forte action mcanique des vagues (vents, temptes frquentes) entranant une rosion importante et un recul du trait de cte [documentation franaise, 1997]. Le dpt du matriel rod engendre une superficie assez consquente des ctes construites partir daccumulation de sdiments (marins, oliens ou terrestres) : plages, dunes et marais [Valadas, 2005].

I.1.2.2 Zones sub-tropicales Ces latitudes favorisent les actions physico-chimiques et biochimiques comme agents morphogniques du relief. Il est galement frquent quune fort littorale pntre jusqu la mer par le biais de mangroves et joue un rle fixateur de matriaux fins, favorisant le remplissage de baies et de marais [Valadas, 2005]. Les ctes sableuses, les vasires littorales et les deltas sont de tailles trs importantes en raison de labondance de sdiments apports par les fleuves.

I.1.2.3 Zones polaires Ces milieux sont marqus par une saisonnalit forte dans les zones o il existe un dgel saisonnier. Laction mcanique est dominante ainsi que des conditions climatiques extrmes. Tous les processus morphogniques sont majoritairement commands par le gel, ce qui entrane la formation dimmenses calottes glaciaires (inlandsis) qui, lorsquelles dbordent sur la mer, forment des plates-formes paisses de plusieurs dizaines ou centaines de mtres lorigine des icebergs. Les plates-formes drosion littorales, les deltas, et les plages sont galement trs dvelopps [Valadas, 2005].

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


22

I.2 Intgration dlments 2D

Cette section prsente les lments plans pour lesquels les processus dintgration de donnes ont tout dabord t dvelopps vis vis des donnes 3D. Les notions de dimensions gographiques dun objet, de fusion, de comparaison et dappariement sont donc dfinies en premier lieu afin de permettre au lecteur davoir une base bien dfinie pour considrer la suite du rapport. En effet, dans le domaine de lintgration de donnes, un mme terme a souvent des significations multiples ou est utilis de diffrentes manires. Ensuite les multiples processus dappariement et leur mode de comparaison des donnes sont dtaills.

I.2.1 Dfinitions I.2.1.1 Dimensions gographiques des objets La notion de dimension peut avoir plusieurs sens : on parle soit de dimension dun objet relativement sa taille (longueur, largeur, profondeur, diamtre), soit de sa dimension comme tant le nombre de variables qui dfinissent lespace vectoriel dans lequel est dcrit cet objet (X, Y, Z, mais il peut y avoir dautres grandeurs comme le temps par exemple). Dans cette thse, un objet plan avec deux coordonnes (X et Y) est de dimension 2 . La dimension 2.5 sutilise pour les modles qui un X et un Y nassocient quune seule et unique hauteur Z. Sil sagit dinformations de relief, ces reprsentations sont appeles des Modles Numriques de Terrain. La 2.75D [Cambray, 1994] ajoute un niveau de dtail en permettant dassocier deux altitudes Z une mme position tandis que la 3D autorise les trous et donc plusieurs Z pour un mme X et Y.

Figure 2 : Exemple de reprsentation dun pont selon les diffrents types de modles disponibles (2D, 2.5D, 2.75D et 3D, source : [Devogele, 1997])

A titre dexemple, la figure 2 illustre diffrentes reprsentations dun pont dans les diverses dimensions : 2D, 2.5D, 2.75D et 3D.

I.2.1.2 Comparaison entre deux objets ou un ensemble dobjets Les sections qui suivent se focalisent uniquement sur la dfinition gnrale de la comparaison et linventaire des disparits les plus communes. En effet, les outils propres au processus de comparaison sont diffrents selon le type de gomtrie considr. Ils sont donc dtaills plus amplement par la suite dans les parties consacres aux objets 2D et 3D. Une comparaison entre objets met en jeu toute fonction qui value des diffrences ou des similitudes. Ces mesures seffectuent laide de divers outils disponibles comme lemprise de lobjet (figure 3(a)), sa forme (figure 3(b)), sa gomtrie (figure 4), ses attributs thmatiques (figure 5), et ses relations topologiques (figure 6) avec un ensemble dobjets voisins. La comparaison entre lments issus de deux jeux de donnes divers nest pas un processus simple car il existe un grand nombre de disparits entre les objets 2D.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


23

La figure 3 illustre un exemple de comparaison entre deux objets issus de deux jeux de donnes diffrents, chacun reprsentant des parties distinctes dun mme fleuve. La figure 3(a) montre les emprises dcales avec nanmoins un recouvrement entre elles. Lemprise dun objet gographique est souvent reprsente par le plus petit rectangle englobant sa gomtrie. Ce rectangle est gnralement orient selon les axes X et Y.

(a) (b) Figure 3 : Reprsentation dun mme fleuve dans deux bases gographiques avec a) des emprises

diffrentes, b) des niveaux de dtail diffrents dune base lautre.

La figure 3(b) dessine des niveaux de granularit variables entre les objets des deux bases de donnes. Le trac en pointill a t simplifi (par un processus de gnralisation cartographique [Ruas, 2002a] par exemple) alors que pour le deuxime trac, un niveau de dtail important est prsent. Pour cet exemple figure 3(b), si des outils de comparaison des formes sont employs, les deux objets ne sont pas reconnus comme identiques car lcart entre les niveaux de dtail est trop grand. Il en va de mme pour des objets variables dans le temps comme le trait de cte ou le lit des fleuves.

a) b) Figure 4 : Exemple de diffrences de gomtries pour un fleuve selon lchelle : a) une ligne (au Nord de

Crozon) et b) un polygone (avec un zoom plus fort sur le fleuve) (Source : http://www.geoportail.fr/)

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


24

Lexemple de la figure 4 reprsente un mme fleuve dont la gomtrie diffre (voir ellipse rouge) selon lchelle et le type de carte considrs : une ligne au 1/ 50 000 et une surface au 1/25 000 (Scan 25 de lIGN). La comparaison de ces deux objets nest alors possible quaprs avoir effectu auparavant une squelettisation de la surface [Mustire, 1995]]. Par ailleurs, il est noter quau sein dune mme carte un objet peut avoir une smiologie graphique volutive. Un fleuve par exemple est dessin par une ligne sa source, l o il est le plus petit. A linverse dans un estuaire, o son tendue est plus importante, il est reprsent par une surface. Au niveau des attributs thmatiques, il existe aussi des disparits illustres dans la figure 5: les trois objets dans la base de donnes 1, ayant un attribut type de cours deau de valeur fleuve, sont dcrits comme un cours deau important ou un cours deau moyen dans la seconde base. Les dissemblances entre les attributs proches et labsence didentifiant commun obligent lutilisateur favoriser les outils de comparaison gomtrique pour les donnes gographiques.

Attributs thmatiques BD1 :

1 : Fleuve

2 : Rivire

3 : Torrent

Attributs thmatiques BD2 :

1 : Cours deau important

2 : Cours deau moyen

3 : Petit cours deau

Figure 5 : Exemple de tables attributaires thmatiques diffrentes dune base de donnes lautre.

Un phnomne du monde rel peut tre reprsent par un objet, un ensemble dobjets ou une partie dun objet plus gnral. Cette diversit oblige complter les outils de comparaison totale par des outils de comparaison partielle et des outils de comparaison entre un objet et un ensemble dobjets.

Figure 6 : Reprsentation dun mme fleuve dans deux bases gographiques avec des relations topologiques variables (absences de nuds)

1

2 3

2 3 2

3

1

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


25

Pour ces derniers outils les relations topologiques sont utiles pour regrouper les objets. Le terme relation topologique semploie pour voquer lorganisation spatiale et la connectivit des points (nuds) et arcs (entre deux nuds) des lignes qui constituent la base de donnes. Dans le cas dun objet linaire, le processus de comparaison mesure les diffrences ou les similarits entre cet objet et un objet composite form dune suite darcs et de nuds de lautre base. La figure 6 reprsente deux fleuves, lun sous la forme dun unique objet, lautre sous la forme de plusieurs arcs. Dans cet exemple, lobjet 1 peut tre compar avec lun des objets composites suivants : ADEGH, ADEFH, BDEGH et BDEFH. Pour recenser lensemble de ces disparits, il existe des fonctions de comparaison qui renvoient soit une distance (dautant plus importante que la diffrence entre les objets compars est grande) soit une similitude. Cette dernire se prsente sous forme dune valeur comprise le plus souvent entre 0 (aucune similitude) ou 1 (objets compltement identiques).

I.2.1.3 Appariement de deux jeux de donnes La notion dappariement est lie celle dhomologie. Des objets, issus de divers jeux de donnes, sont homologues sils reprsentent le mme phnomne du monde rel. Lappariement, aussi appel conflation ou data matching en anglais, est le processus qui consiste tablir les correspondances entre ces objets homologues [Devogele, 1997]. Cette mise en relation sappuie sur les outils de comparaison et elle peut tre soit totale entre les deux objets, soit partielle. Ce processus comprend de nombreuses applications et sadapte aussi bien la reconnaissance automatique dempreinte digitale, quau principe du morphing (passage continu dune image une autre, [Sederberg & Greenwood, 1992]) ou la mise jour de bases de donnes gographiques [Mustire & Devogele, 2008]. Lappariement gomtrique sapplique sur la comparaison de la forme et de la position des objets. L'appariement thmatique consiste rechercher les objets homologues grce aux valeurs des informations thmatiques portes par leurs attributs [Bel Hadj Ali, 2001]. L'appariement topologique utilise les relations topologiques et est souvent utilis pour mettre en correspondance les donnes de type rseau ([Gabay & Doytcher, 1994], [Dimitrijvic, 2000].

Type de relation

1-1

1-n

n-m

Figure 7 : Illustration des diffrents types de relations entre bases de donnes.

Le propos de cette thse tant lappariement et la fusion finale de deux types de MNT diffrents, nous ne dtaillerons pas lappariement thmatique ni topologique, tous deux peu adapts un modle numrique de terrain lheure actuelle.

BD 1

BD 2

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


26

Labsence frquente didentifiant commun entre les bases, les diffrences de reprsentation, les imprcisions de positionnement gographique ou bien de description des phnomnes font quaucune solution simple et gnrique nexiste et quun seul critre de comparaison ne suffit pas. Le type dappariement entre objets peut tre : 1-1,1-n, n-m. Un appariement 1-1, signifie qu un objet du jeu de donnes 1 correspond un et un seul objet du jeu de donnes 2. La relation 1-n signifie qu un objet du jeu de donnes 1 quivalent plusieurs objets du jeu de donnes 2 tandis que n-m indique quavec plusieurs objets du jeu de donnes 1 concident plusieurs objets du jeu de donnes 2 (voir figure 7). Les processus dappariement se basent rarement sur une seule mthode de comparaison pour dterminer si les objets sont homologues ou non. En effet une seule mesure ne suffit pas lever les indterminations dues aux disparits prsentes dans la partie comparaison. Par ailleurs, il existe galement le pr-appariement : ce processus consiste en une pr-slection des objets potentiellement homologues parmi les deux jeux de donnes. Ceci est souvent ralis laide de mesures de zones (comme lemprise aborde prcdemment), qui permet de slectionner parmi un jeu de donnes les candidats possibles, puis lappariement est finalis grce des mesures de distance et/ou de forme (dtailles ci-aprs).

I.2.1.4 Fusion de donnes Le terme fusion dsigne un ensemble de processus qui consiste partir de jeux de donnes multi sources nen obtenir plus quun seul : le jeu fusionn, possdant une information plus riche que les deux jeux dorigine. Le rsultat du processus de fusion est de :

- supprimer la redondance ; - rsoudre les problmes dhtrognit ; - regrouper les informations complmentaires apportes par chacune des donnes afin

de produire une description plus exhaustive du phnomne reprsent. Il existe essentiellement trois applications de la fusion :

- soit la propagation de mises jour dune base de donnes lautre laide des outils dappariement [Bel Hadj Ali, 2001],

- soit la fusion de la zone de recouvrement de deux jeux afin dobtenir un modle continu (base de donne, modle numrique, etc.),

- soit lenrichissement dun jeu de donnes laide dun autre qui dispose dinformations complmentaires ([Rousseaux, 2005], [Podobnikar, 2005]).

Une fusion de jeux donns de recouvrement total a pour but de produire une base de donnes multi reprsentations homogne au niveau des attributs recopis et sans objets redondants. En gographie, une reprsentation est une interprtation et une dcomposition du monde rel en bases de donnes exploitables par des SIG [Dengre & Salg, 1996]. Si le recouvrement nest pas total il sagit alors de faire une fusion dans la zone commune et de conserver les donnes dorigine dans les zones propres chaque jeu en assurant une transition continue entre les trois zones. Prenons lexemple de deux bases de donnes, la premire contenant les thalwegs issus dune base de donnes gographique terrestre (en rouge sur la figure 8) et la seconde leur prolongement dans le domaine marin proche (au niveau de leur embouchure, figure 8). Les deux bases ont des emprises diffrentes qui se recouvrent au niveau de lestran. Le rsultat de la fusion permet davoir un jeu final dune emprise plus large et continu dun domaine lautre.

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


27

Figure 8 : Exemple de fusion entre deux bases de donnes terrestre et maritime.

En conclusion, le processus dintgration va permettre dapparier entre eux les lments de diffrentes bases de donnes grce aux rsultats de leur comparaison afin de les fusionner en dernier lieu. Les diffrentes tapes sont les suivantes : premirement des outils de comparaison, bass sur des mesures de distances et/ou des valeurs demprise, sont utiliss. Ensuite vient lappariement de tout ou dune partie des gomtries issues des deux bases qui reprsentent les mmes phnomnes du monde rel. Enfin le modle final est obtenu en fusionnant les objets redondants au niveau de la zone de recouvrement des deux bases. Finalement les parties non apparies sont recales pour que lensemble reste cohrent.

I.2.2 Intgration de points I.2.2.1 Outils dappariement de points Les mthodes dappariement actuelles sont pour la majeure partie fondes soit sur lappariement des objets les plus proches (appariement gomtrique) soit sur lappariement thmatique. Seuls les appariements gomtriques bass sur le positionnement dun objet seront dtaills ici. Cet tat de lart sappuie majoritairement sur larticle publi par [Beeri et al.,, 04] sur le sujet. Lappariement gographique entre deux ensembles ponctuels se base sur la distance euclidienne afin de dterminer le voisin le plus proche. La principale mthode utilise pour lappariement gomtrique est celle du one-sided nearest neighbor join . Celle-ci fusionne un objet dune base de donnes avec lobjet dans lautre base le plus proche gographiquement. Ce type dappariement pose un premier problme dans le cas o la localisation dans une des deux bases est entache dun biais et un second si lappariement entre objets est de type 1-n . Par ailleurs, lauteur dmontre la non symtrie des rsultats obtenus : un appariement A-B ne donnera pas les mmes rsultats quun appariement B-A. Trois autres mthodes dappariement ont t dfinies par [Beeri et al., 2004] de manire prsenter de meilleurs rsultats au niveau de la symtrie quel que soit le taux de recouvrement tout en autorisant des relations de type 1-2. En complment, deux autres notions sont dfinies :

- un facteur de choix ( choice factor ) qui est le nombre dobjets dans un cercle dinvestigation dont le rayon daction est gal lintervalle derreur.

- le degr de recouvrement qui reprsente la mesure de la fraction dobjets qui possdent un homologue dans lautre jeu.

La premire mthode utilise, appele mutually nearest method , est base sur lide que deux objets sont homologues sils sont mutuellement les plus proches. Lavantage principal de cette mthode est une faible sensibilit au degr de recouvrement entre donnes, en

BD finale

BD maritime

BD terrestre

Fusion

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


28

revanche dans le cas dun facteur de choix important, les rsultats se montrent dcevants puisque seulement deux voisins proches au maximum sont pris en compte. Par ailleurs, les tests ont montr quelle donnait de meilleurs rsultats pour un pourcentage dobjets communs (ou degr de recouvrement) faible. La mthode probabiliste ( probabilistic method ), troisime mthode dcrite pour la fusion de jeux de points, sadapte beaucoup mieux lorsque le facteur de choix est large. Par contre elle ncessite un recouvrement important des donnes. La dernire mthode introduite, Normalized-Weights-Method voit son efficacit optimale pour des recouvrements moyens petits. Cette approche probabiliste permet de proposer une mthode dappariement qui aprs amliorations donne les meilleurs rsultats quels que soient le type, la densit et le degr de recouvrement des donnes. Nanmoins, les appariements 1-n et n-m entre bases ne peuvent pas tre grs.

I.2.2.2 Fusion de points La fusion entre des lments ponctuels est une fonction qui calcule une somme : soit une moyenne des points homologues des deux jeux, soit une conservation des points les meilleurs (indice de qualit ou prcision plus grande). Dans les deux cas une fonction supprime les redondances entre attributs des points modifis puis recale lensemble des points non apparis de faon ce que le jeu fusionn reste cohrent avec les jeux de points de dpart.

I.2.3 Intgration de lignes Aprs avoir dtaill les mthodes existantes pour lintgration de points, des outils dintgration de lignes vont maintenant tre prsents. Ceux-ci comprennent essentiellement la comparaison, base sur des mesures de distance, lappariement et la fusion qui inclut une tape de dformation lastique.

I.2.3.1 Outils de comparaison de lignes Les distances reprsentent les mesures les plus adquates pour comparer des objets et donc valuer leur similitude car elles permettent destimer les carts moyen, minimal et maximal entre eux. En ce qui concerne le processus dappariement, qui sappuie sur ces valeurs, lcart minimal na que peu dintrt. Nous dtaillerons donc les notions de distance moyenne et de distance maximum.

Distance moyenne Il existe plusieurs distances moyennes, dont une dfinie dans cette thse au chapitre IV. Un exemple de distance moyenne propos par [McMaster, 1986] est la surface entre deux lignes homologues, divise par la longueur de rfrence. La surface est dfinie partir des deux lignes comparer, du segment reliant les nuds initiaux et du segment reliant les nuds finaux. Cette surface est divise par la longueur de la ligne en rfrence pour rendre cette mesure indpendante de cette dernire. Cette mesure peut tre rendue symtrique en divisant la surface par la moyenne des longueurs des arcs. La distance moyenne entre les deux lignes est ainsi obtenue. La distance moyenne nous donne une ide de lcart moyen entre deux lignes et donc de la prcision globale de lune par rapport lautre. Cependant, elle doit toujours tre couple avec une distance maximale (distance de Hausdorff ou distance de Frchet), sinon elle risque de donner des rsultats errons [McMaster, 1986].

Distance de Hausdorff

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10


29

d2 d1

L2

L1

Par dfinition, la distance de Hausdorff entre deux lignes (L1, L2) est lcart maximum entre celles-ci [Hausdorff, 19]. Elle reprsente la plus grande des deux composantes :

- d1 qui est la plus grande distance parmi les distances minimales entre les points de L1 et le point le plus proche de L2,

- d2 qui est la plus grande distance parmi les distances minimales entre les points de L2 et le point le plus proche de L1.

Figure 9 : Dfinition et illustration de la distance de Hausdorff.

Ces deux distances, d1 et d2, ne sont pas forcment identiques (d1>d2 pour la figure 9), surtout si les lignes nont pas la mme emprise.

Figure 10 : Distance de Hausdorff entre deux lignes demprises diffrentes.

La figure 10 illustre le cas o les deux lignes possdent des tailles diffrentes : une des deux composantes de la distance de Hausdorff (d1) calcules nest rvlatrice que de lcartement maximal des extrmits des lignes et non de lcartement maximal de points homologues des lignes. Pour cet exemple, si la valeur d1 est la seule prise en compte, les lignes sont considres comme dissemblables. Si la composante d1 de la distance de Hausdorff est calcule partir dune partie de L1 homologue lextrmit de L2 (partie gauche du point Ph ), le rsultat sera bien meilleur. De la mme manire, la non prise en compte de lorientation des lignes fait que la distance de Hausdorff nest pas trs approprie pour la comparaison de lignes compltement diffrentes mais voisines gographiquement.

Figure 11 : Problme de la distance de Hausdorff avec des lignes sinueuses.

Les deux lignes prsentes en figure 11 possdent une rotation de lune par rapport lautre de 90 environ, pourtant la mesure de la distance entre les deux est faible. Au vu uniquement de cette valeur dH, ces lignes peuvent tre considres comme identiques alors quelles ne se

dH

[ ][ ]

),max(),(minmax

),(minmax

21

122

211

1122

2211

dddppdistd

ppdistd

H

LpLp

LpLp

=

=

=

tel-0

0492

953,

ver

sion

1 - 1

7 Ju

n 20

10

LITTORAL E

Documents

These Mascret