On precise three-dimensional environment modeling via UAV-based photogrammetric systems

Abstract : Images acquired from unmanned aerial vehicles (UAVs) can provide data with unprecedented spatial and temporal resolution for three-dimensional (3D) modeling. Solutions developed for this purpose are mainly operating based on photogrammetry concepts, namely UAV-Photogrammetry Systems (UAV-PS). Such systems are used in applications where both geospatial and visual information of the environment is required. These applications include, but are not limited to, natural resource management such as precision agriculture, military and police-related services such as traffic-law enforcement, precision engineering such as infrastructure inspection, and health services such as epidemic emergency management. UAV-photogrammetry systems can be differentiated based on their spatial characteristics in terms of accuracy and resolution. That is some applications, such as precision engineering, require high-resolution and high-accuracy information of the environment (e.g. 3D modeling with less than one centimeter accuracy and resolution). In other applications, lower levels of accuracy might be sufficient, (e.g. wildlife management needing few decimeters of resolution). However, even in those applications, the specific characteristics of UAV-PSs should be well considered in the steps of both system development and application in order to yield satisfying results. In this regard, this thesis presents a comprehensive review of the applications of unmanned aerial imagery, where the objective was to determine the challenges that remote-sensing applications of UAV systems currently face. This review also allowed recognizing the specific characteristics and requirements of UAV-PSs, which are mostly ignored or not thoroughly assessed in recent studies. Accordingly, the focus of the first part of this thesis is on exploring the methodological and experimental aspects of implementing a UAV-PS. The developed system was extensively evaluated for precise modeling of an open-pit gravel mine and performing volumetric-change measurements. This application was selected for two main reasons. Firstly, this case study provided a challenging environment for 3D modeling, in terms of scale changes, terrain relief variations as well as structure and texture diversities. Secondly, open-pit-mine monitoring demands high levels of accuracy, which justifies our efforts to improve the developed UAV-PS to its maximum capacities. The hardware of the system consisted of an electric-powered helicopter, a high-resolution digital camera, and an inertial navigation system. The software of the system included the in-house programs specifically designed for camera calibration, platform calibration, system integration, onboard data acquisition, flight planning and ground control point (GCP) detection. The detailed features of the system are discussed in the thesis, and solutions are proposed in order to enhance the system and its photogrammetric outputs. The accuracy of the results was evaluated under various mapping conditions, including direct georeferencing and indirect georeferencing with different numbers, distributions and types of ground control points. Additionally, the effects of imaging configuration and network stability on modeling accuracy were assessed. The second part of this thesis concentrates on improving the techniques of sparse and dense reconstruction. The proposed solutions are alternatives to traditional aerial photogrammetry techniques, properly adapted to specific characteristics of unmanned, low-altitude imagery. Firstly, a method was developed for robust sparse matching and epipolar-geometry estimation. The main achievement of this method was its capacity to handle a very high percentage of outliers (errors among corresponding points) with remarkable computational efficiency (compared to the state-of-the-art techniques). Secondly, a block bundle adjustment (BBA) strategy was proposed based on the integration of intrinsic camera calibration parameters as pseudo-observations to Gauss-Helmert model. The principal advantage of this strategy was controlling the adverse effect of unstable imaging networks and noisy image observations on the accuracy of self-calibration. The sparse implementation of this strategy was also performed, which allowed its application to data sets containing a lot of tie points. Finally, the concepts of intrinsic curves were revisited for dense stereo matching. The proposed technique could achieve a high level of accuracy and efficiency by searching only through a small fraction of the whole disparity search space as well as internally handling occlusions and matching ambiguities. These photogrammetric solutions were extensively tested using synthetic data, close-range images and the images acquired from the gravel-pit mine. Achieving absolute 3D mapping accuracy of 11±7 mm illustrated the success of this system for high-precision modeling of the environment.

Étude des possibilités de culture de l'algue rouge Eucheuma spinosum aux Antilles - Compte rendu de la mission effectuée du 14 mars au 6 mai 1980

En 1978, lors d'une mission de prospection, un chercheur de l'Institut scientifique et technique des Pêches maritimes (I.S.T.P.M.) a localisé un petit peuplement d'Eucheuma spinosum aux Antilles, à l'est de l'île Saint-Martin. On sait que cette algue rouge contient un colloide (iota carraghenane) de haute qualité. Elle pourrait faire l'objet d'une culture rentable si sa productivité s'avérait suffisante. Le but principal du programme qui a été entrepris consiste à définir cette productivité et à rechercher les lieux ainsi que les conditions pour qu'elle soit maximale.

Projet ANCRE-DMX2 : Indicateurs biologiques et écologiques pour une gestion durable des stocks de poissons DéMersauX profonds (100–700 m) d’intérêt halieutique à La Réunion

L'usage de la ligne à main mécanisée (moulinet électrique) s'est développé à La Réunion au cours des années 2000. Ce métier s’est développé à la suite d’une campagne de prospection des ressources halieutiques profondes (200-700m), menée conjointement par le CRPMEM et l’Ifremer en 2000. L’objectif de cette campagne par pêche au moulinet électrique visait à identifier de nouvelles ressources démersales à des fins de diversification pour la petite pêche artisanale côtière professionnelle réunionnaise. Ainsi, les premiers résultats de cette étude avaient mis en évidence l'existence de nouvelles espèces et des stocks encore peu exploités à l’époque. Leur exploitation par la pêche professionnelle mais aussi par la pêche plaisancière s’est dès lors développée rapidement, sans aucun contrôle. En l’absence de cadre juridique et de mesures de gestion appropriés, la baisse rapide des rendements et les conflits pour l’accès à ces ressources profondes limitées et réputées sensibles à l’exploitation avaient motivé un précédent projet d'étude pour caractériser l’état de ces ressources (ANCRE-DMX, nommé DMX1, Ifremer 2011). Ce premier diagnostic réalisé à peine 10 ans après le début de l’exploitation des principales espèces avait mis en évidence des premiers signes d’une exploitation non soutenable des ressources dans l'ouest et le nord de La Réunion. Il avait été alors préconisé de lever des lacunes importantes concernant la biologie et l’écologie des espèces, d’évaluer l’état de ces stocks et enfin, de définir des indicateurs biologiques et halieutiques permettant de suivre l’évolution de ces différents stocks. En effet, les stocks de poissons démersaux profonds sont connus pour leur vulnérabilité (croissance lente, maturité sexuelle tardive, recrutement aléatoire…), et ce d’autant plus que leurs habitats sont particulièrement restreints à La Réunion. Le présent projet DMX2 a donc eu pour principal objectif d’établir, à partir d’une approche « indicateur », les bases des connaissances halieutiques, biologiques et écologiques manquantes sur les 6 principales espèces ciblées par la pêcherie à la ligne mécanisée. Le plan d’échantillonnage mis en place a couvert des profondeurs comprises entre 80 et 700 mètres, intégrant pour la première fois les zones de transition plus côtières. La période d’échantillonnage s’est déroulée sur un cycle annuel complet, soit d’avril 2014 à mai 2015, avec le concours de 10 pêcheurs professionnels répartis tout autour de l’île. Ainsi, 143 marées ont permis d’échantillonner 3984 individus et plus de 60 espèces différentes. Pour les principales espèces retenues, le suivi des captures en mer et les prélèvements biologiques réalisés ont permis d’appréhender leur rendement, leur structure démographique, leurs relations biométriques, l’étude de leur croissance, leur cycle de reproduction, leur taille de première maturité, la composition relative de leur alimentation ainsi que la variabilité de leur condition corporelle selon les saisons et en fonction des secteurs géographiques de l’île. Pour certaines espèces, les paramètres biologiques et écologiques obtenus n’avaient jamais été étudiés à ce jour. A partir des indicateurs populationnels et bio-écologiques retenus dans le projet, il a été possible d’évaluer l’état de santé des principaux stocks exploités et de les confronter à la situation et à l’évolution de la pêcherie ciblant ces espèces. Sur la base d’une approche de précaution, les diagnostics rendus sont variables selon l’état de santé de chacun des stocks et de leur sensibilité à l’exploitation. L’approche « indicateur » développée dans le cadre de ce projet a été appliquée aux données historiques disponibles. Ces indicateurs seront désormais proposés dans le cadre des suivis qui devront être mis en place dans la définition d’un plan de gestion des ressources démersales profondes à La Réunion. La définition du plan de gestion devra être discutée et validée auprès des différents usagers pêcheurs ainsi que des gestionnaires scientifiques, professionnels et administratifs.

HYSCORES : Cartographies hyperspectrales appliquées aux écosystèmes coralliens et à leur état de santé.

En 2013, les résultats des travaux menés dans le cadre des projets "Spectrhabent-OI" (2009-2012), étendus au projet "Bioindication" (2012-2013) ont permis d'illustrer le potentiel important représenté par les nouvelles techniques d'imagerie aérienne hyperspectrale appliquées sur les plateformes récifales de l'île de La Réunion. L'objectif principal du projet HYSCORES (2015-2016) est de consolider ces premiers résultats dans une perspective de mise en œuvre opérationnelle de ces nouvelles méthodes dans le cadre de la DCE (directive-cadre européenne sur l’eau (2000/60/CE)). Pour cela 3 axes de recherche sont proposés : 1) l’étude et l'évaluation de la pertinence de l'indicateur VCH (vitalité corallienne hyperspectrale) proposé en 2012 ; 2) la capacité de l'indicateur à mettre en évidence une évolution de l'état global entre 2009 et 2015 ; 3) mieux cerner et quantifier les moyens et les ressources nécessaires à la mise en œuvre de ces nouvelles techniques en routine. Le projet s'appuie pour cela sur une nouvelle campagne d'acquisition de données brutes hyperspectrales réalisée en 2015 et couvrant les 4 principaux récifs frangeants de La Réunion. Ce rapport final présente le projet et ses objectifs dans leur globalité. Il détaille l'ensemble des méthodologies mises en œuvre dans le cadre des traitements numériques et décrit les résultats produits. Il s'attache également à l'analyse des résultats de la campagne 2015 HYSCORES en regard des résultats antérieurs (Spectrhabent-OI / BioIndication). A travers une analyse diachronique il confirme et illustre l'intérêt de ces nouvelles techniques pour évaluer les changements (gains et pertes) tant pour la Vitalité Corallienne Hyperspectrale (VCH) que pour le recouvrement corallien en général. Ce travail ouvre également sur de nouvelles perspectives en termes d'Indices (types coralliens par exemple) susceptibles de venir compléter la VCH dans le cadre de l'évaluation de l'Etat des plateformes récifales. L'ensemble des données et des résultats produits sont diffusés librement à travers les portails Sextant océan Indien et Archimer.

Influência da adição do NaCl e KCl em sistemas de pastas contendo sílica para poços de petróleo em zonas evaporíticas e carbonáticas

One of the major challenges faced nowadays by oil companies is the exploration of pre-salt basins. Thick salt layers were formed in remote ages as a consequence of the evaporation of sea water containing high concentrations of NaCl and KCl. Deep reservoirs can be found below salt formations that prevent the outflow of oil, thus improving the success in oil prospection. The slurries used in the cement operations of salt layers must be adequate to the properties of those specific formations. At the same time, their resulting properties are highly affected by the contamination of salt in the fresh state. It is t herefore important to address the effects of the presence of salt in the cement slurries in order to assure that the well sheath is able to fulfill its main role to provide zonal isolation and mechanical stability. In this scenario, the objective of the present thesis work was to evaluate the effect of the presence of NaCl and KCl premixed with cement and 40% silica flour on the behavior of cement slurries. Their effect in the presence of CO2 was also investigated. The rheological behavior of slurries containing NaCl and KCl was evaluated along with their mechanical strength. Thermal and microstructural tests were also carried out. The results revealed that the presence of NaCl and KCl affected the pozzolanic activity of silica flour, reducing the strength of the hardened slurries containing salt. Friedel´s salt was formed as a result of the bonding between free Cl- and tricalcium aluminate. The presence of CO2 also contributed to the degradation of the slurries as a result of a process of carbonation/bicarbonataion

Diversity and biotechnological potential of culturable bacteria from Brazilian mangrove sediment.

Mangrove ecosystems are environments subject to substantial degradation by anthropogenic activities. Its location, in coastal area, interfacing the continents and the oceans makes it substantially important in the prospection for biotechnological applications. In this study, we assessed the diversity of culturable bacteria present over the seasons at two depths (0-10 and 30-40 cm) in a mangrove sediment and in a transect area from the land to the sea. In total, 238 bacteria were isolated, characterized by Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis (ARDRA) and further identified, by Fatty Acid Methyl Esther (FAME-MIDI), into the orders of Vibrionales, Actinomycetales and Bacillales. Also the ability of the isolates in producing economically important enzymes (amylases, proteases, esterases and lipases) was evaluated and the order Vibrionales was the main enzymatic source.

Étude de la symbiose actinorhizienne chez l'aulne en présence de résidus miniers aurifères acidogènes

Les concentrations de métaux lourds retrouvées dans les sols augmentent considérablement depuis la révolution industrielle et s’accumulent quotidiennement dans la biosphère. Ces composés métalliques persisteront pendant plusieurs années au niveau des différents écosystèmes affectés et voyageront dans les chaînes alimentaires par bioaccumulation. Les activités humaines, telle que l’industrie minière contribuent activement à cette problématique environnementale. En effet, l’excavation minière perturbe la roche-mère et favorise l’oxydation des métaux lourds sulfurés qui, lentement, produiront de l’acide sulfurique. Cette acidification peut mobiliser les éléments métalliques stables en condition neutre ou alcaline. Ces phénomènes induisent la formation du drainage minier acide (DMA) qui peut contaminer les cours d’eau ou les nappes phréatiques à proximité. Plusieurs mines sont situées en Abitibi-Témiscamingue en raison de l’abondance de divers minerais dans la roche mère tels que l’or. Une importante quantité de déchets industriels est produite lors de l’excavation du minerai, dont les résidus miniers entreposés dans des bassins de rétention extérieurs. Ces bassins prennent de l’expansion quotidiennement autour du site minier substituant la place de la végétation saine et des territoires. Une mise en végétation des sites miniers du Québec est exigée depuis 1995 afin de redonner une apparence naturelle aux sites et limiter le phénomène d’érosion. Depuis 2013, un plan de réaménagement et de restauration des sites exploités est obligatoire selon la loi sur les mines. Ces bassins seront donc ciblés pour effectuer des essais de revégétalisation par l’entremise de plantes actinorhiziennes. Les plantes actinorhiziennes sont des végétaux robustes pouvant coloniser nombreux habitats perturbés et hostiles. L’aulne est une plante actinorhizienne pouvant établir une relation symbiotique avec l’actinobactérie fixatrice d’azote du genre Frankia. La symbiose actinorhizienne est une interaction équitablement profitable entre la plante et la bactérie. Cette symbiose repose sur la capacité de la bactérie à transformer, au niveau des nodules, l’azote atmosphérique en ammonium assimilable grâce à une enzyme spécifique, la nitrogénase. Lorsque la symbiose est bien établie, elle donnera un avantage significatif aux plantes pour leur développement et leur croissance, et ce, même dans un substrat pauvre en nutriments ou contaminé. En effet, la symbiose actinorhizienne permet d’améliorer la structure physicochimique d’un sol et de l’enrichir en azote grâce à la fixation de l’azote atmosphérique. Dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue, la mine Doyon est une mine d’or qui détient des sols acidogènes contenant des traces non négligeables de métaux lourds. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale avait comme objectif principal d’évaluer la capacité des aulnes rugueux et des aulnes crispés à coloniser des résidus miniers acidogènes aurifères (concentrations différentes de 0 %, 35 %, 65 % et 100 %) avec ou sans l’aide de Frankia. La dispersion des contaminants par les feuilles a aussi été étudiée afin d’évaluer le risque environnemental de l’utilisation des aulnes sur le terrain à des fins de revégétalisation. Les objectifs préliminaires avaient comme but d’évaluer la résistance, de manière individuelle, de la souche ACN10a du genre Frankia (par extrait aqueux) puis des espèces d’aulne aux résidus miniers non stérilisés. Par le fait même, la microflore des résidus miniers a été étudiée dans le but d’isoler des espèces symbiotiques d’endophytes écoadaptées aux conditions arides du site minier Doyon. Concernant les objectifs préliminaires, les résultats ont démontré que la souche ACN10a résiste bien jusqu’à 35 % d’extrait aqueux de résidus miniers de la mine Doyon. Pour les concentrations supérieures à 50 %, Frankia (souche ACN10a) a démontré une respiration cellulaire et des concentrations protéiques décroissantes en raison de la présence d’éléments toxiques biodisponibles dans l’extrait aqueux. Par ailleurs, les aulnes rugueux et crispés ont démontré une tolérance jusqu’à la concentration de 35 % de résidus miniers non stérilisés sans la présence de Frankia. Par la suite, les résultats d’isolement n’ont pas démontré la capacité des aulnes à recruter des bactéries symbiotiques à partir des résidus miniers de la mine Doyon. Concernant l’objectif principal, les résultats ont démontré que l’aulne rugueux résiste mieux que l’aulne crispé jusqu’aux concentrations de 35 % de résidus miniers lorsqu’inoculés en manifestant une meilleure biomasse sèche totale, une plus grande concentration de chlorophylle dans les feuilles et un plus grand nombre spécifique de nodules. L’établissement symbiotique a été affecté par la présence des résidus miniers acidogène révélant que le nombre de site d’infection racinaire diminuait en fonction des concentrations de résidus miniers croissantes (0 %, 35 %, 65 % et 100 %). Ensuite, une analyse des éléments chimiques des feuilles a démontré que le transfert des métaux lourds des résidus miniers vers les feuilles était minime. Les plantes révélant de hautes teneurs en métaux lourds dans leurs feuilles ont développé par le fait même, une faible biomasse aérienne limitant ainsi la dispersion de contaminants lors de la perte des feuilles à l’automne. Le modèle expérimental aulne-Frankia possédait un seuil de tolérance visible à la concentration de 35 % de résidus miniers acidogènes aurifères de la mine Doyon. De plus, la présence de la symbiose actinorhizienne a modulé la distribution de certains éléments chimiques dans les feuilles en comparaison avec les aulnes non-inoculés (molybdène, nickel). Puis, une similarité a été notée dans la composition chimique des feuilles d’aulnes inoculés s’étant développés dans 0 % (témoin positif) et 35 % de résidus miniers.

LOS RECURSOS MINERALES POTENCIALES DE PEREZ ZELEDON PACIFICO SUR Y SUS POSIBILIDADES DE APROVECHAMIENTO ECONOMICO

Esta presentación tiene por objeto poner en evidencia el potencial minero de Pérez Zeledón en sus aspectos más relevantes desde el punto de vista de la prospección y evaluación con fines económicos. En este sentido se omiten tecnicismos que podrían oscurecer los alcances del enfoque, cuyo fin primordial es destacar la importancia de los recursos minerales potenciales en las políticas de desarrollo de la región.   SUMMARY The objective of this article is to make evident the most relevant aspects of the mining potential in the Perez Zeledon region of Costa Rica. Prospecting and evaluation aspects are studied from an economic point of view. Also, technical terms are left out that would have altered the scope of the initial approach, whose primary aim is to emphasize the importance of the mineral resources in the future development policies of the region.     RESUME Le canton de Perez Zeledon s’étend sur une zone qui présente un certain potentiel minier ce qui justifié l’effort de prospection et l’exploitation des gisements. Le but de cet article est démettre en relief l’importance de ce potentiel afin d’orienter les politiques de développement locales.