Gouvernance, concertation et géomatique : considérations pour le déploiement du réseau d'aires protégées dans le sud du Québec

La biodiversité et les écosystèmes font parties d’un ensemble qui confère des biens et services essentiels à la survie et au bien-être des populations. L’action humaine et ses interactions avec l’environnement génèrent des pressions qui le poussent vers sa dégradation. Afin d’éviter la perte irrémédiable d’éléments de cet environnement, des aires protégées viennent réduire de manière importante l’impact de ces pressions sur le territoire qu’elles couvrent. Le réseau d’aires protégées du Québec conserve actuellement 9,32 % du territoire, et cherche à atteindre 12 % d’ici 2020. Basé sur le Cadre écologique de référence du Québec, il vise à représenter l’ensemble de la biodiversité de la province et à réduire les pressions exercées sur ses écosystèmes. À ce jour, la majorité des aires protégées sont développées dans le nord du Québec et en terres publiques. Or, le Sud est principalement composé de territoires privés, et recèle de la plus grande biodiversité de la province. Afin de corriger cette problématique, les outils de planification du réseau doivent être repensés pour rendre compte de l’urgence de protéger les territoires du Sud et recréer une connectivité dans le paysage fragmenté, tout en conservant les principes de représentativité et d’efficacité qui font leur force. Pour y parvenir, la mission et les paramètres de suivi du réseau doivent être également revus. Les acteurs locaux, dont les municipalités régionales de comtés et les municipalités, doivent être mis à profit pour considérer les enjeux propres aux terres privées du sud de la province. Ces derniers possèdent déjà plusieurs outils légaux et administratifs pour participer activement à la protection du territoire, qui sont cependant souvent mal connus ou mal compris. Un effort doit être fait pour agencer ces actions avec celles du gouvernement provincial de manière à agir dans une logique d’ensemble. De même, tous les intervenants gagneraient à disposer de meilleurs outils concernant la diffusion des données sur la connaissance du territoire, notamment d’une plateforme centralisée, de protocoles d’acquisition de données standardisés et d’une saine gestion du cycle de vie de ces données. L’application de la géomatique dans la planification et le suivi du réseau d’aires protégées, de même que dans l’aménagement général du territoire pour la conservation et pour la diffusion des données, présente des avantages qui devraient être intégrés plus largement au Québec, notamment par les acteurs locaux du sud de la province.

Mapping of Environmental Data Using Kernel-Based Methods

Recently, kernel-based Machine Learning methods have gained great popularity in many data analysis and data mining fields: pattern recognition, biocomputing, speech and vision, engineering, remote sensing etc. The paper describes the use of kernel methods to approach the processing of large datasets from environmental monitoring networks. Several typical problems of the environmental sciences and their solutions provided by kernel-based methods are considered: classification of categorical data (soil type classification), mapping of environmental and pollution continuous information (pollution of soil by radionuclides), mapping with auxiliary information (climatic data from Aral Sea region). The promising developments, such as automatic emergency hot spot detection and monitoring network optimization are discussed as well.

Advanced Kernel Methods For Remote Sensing Image Classification

Résumé Suite aux recentes avancées technologiques, les archives d'images digitales ont connu une croissance qualitative et quantitative sans précédent. Malgré les énormes possibilités qu'elles offrent, ces avancées posent de nouvelles questions quant au traitement des masses de données saisies. Cette question est à la base de cette Thèse: les problèmes de traitement d'information digitale à très haute résolution spatiale et/ou spectrale y sont considérés en recourant à des approches d'apprentissage statistique, les méthodes à noyau. Cette Thèse étudie des problèmes de classification d'images, c'est à dire de catégorisation de pixels en un nombre réduit de classes refletant les propriétés spectrales et contextuelles des objets qu'elles représentent. L'accent est mis sur l'efficience des algorithmes, ainsi que sur leur simplicité, de manière à augmenter leur potentiel d'implementation pour les utilisateurs. De plus, le défi de cette Thèse est de rester proche des problèmes concrets des utilisateurs d'images satellite sans pour autant perdre de vue l'intéret des méthodes proposées pour le milieu du machine learning dont elles sont issues. En ce sens, ce travail joue la carte de la transdisciplinarité en maintenant un lien fort entre les deux sciences dans tous les développements proposés. Quatre modèles sont proposés: le premier répond au problème de la haute dimensionalité et de la redondance des données par un modèle optimisant les performances en classification en s'adaptant aux particularités de l'image. Ceci est rendu possible par un système de ranking des variables (les bandes) qui est optimisé en même temps que le modèle de base: ce faisant, seules les variables importantes pour résoudre le problème sont utilisées par le classifieur. Le manque d'information étiquétée et l'incertitude quant à sa pertinence pour le problème sont à la source des deux modèles suivants, basés respectivement sur l'apprentissage actif et les méthodes semi-supervisées: le premier permet d'améliorer la qualité d'un ensemble d'entraînement par interaction directe entre l'utilisateur et la machine, alors que le deuxième utilise les pixels non étiquetés pour améliorer la description des données disponibles et la robustesse du modèle. Enfin, le dernier modèle proposé considère la question plus théorique de la structure entre les outputs: l'intègration de cette source d'information, jusqu'à présent jamais considérée en télédétection, ouvre des nouveaux défis de recherche. Advanced kernel methods for remote sensing image classification Devis Tuia Institut de Géomatique et d'Analyse du Risque September 2009 Abstract The technical developments in recent years have brought the quantity and quality of digital information to an unprecedented level, as enormous archives of satellite images are available to the users. However, even if these advances open more and more possibilities in the use of digital imagery, they also rise several problems of storage and treatment. The latter is considered in this Thesis: the processing of very high spatial and spectral resolution images is treated with approaches based on data-driven algorithms relying on kernel methods. In particular, the problem of image classification, i.e. the categorization of the image's pixels into a reduced number of classes reflecting spectral and contextual properties, is studied through the different models presented. The accent is put on algorithmic efficiency and the simplicity of the approaches proposed, to avoid too complex models that would not be used by users. The major challenge of the Thesis is to remain close to concrete remote sensing problems, without losing the methodological interest from the machine learning viewpoint: in this sense, this work aims at building a bridge between the machine learning and remote sensing communities and all the models proposed have been developed keeping in mind the need for such a synergy. Four models are proposed: first, an adaptive model learning the relevant image features has been proposed to solve the problem of high dimensionality and collinearity of the image features. This model provides automatically an accurate classifier and a ranking of the relevance of the single features. The scarcity and unreliability of labeled. information were the common root of the second and third models proposed: when confronted to such problems, the user can either construct the labeled set iteratively by direct interaction with the machine or use the unlabeled data to increase robustness and quality of the description of data. Both solutions have been explored resulting into two methodological contributions, based respectively on active learning and semisupervised learning. Finally, the more theoretical issue of structured outputs has been considered in the last model, which, by integrating outputs similarity into a model, opens new challenges and opportunities for remote sensing image processing.

Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation models

Summary Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation modelsSlope movements, such as rockfalls, rockslides, shallow landslides or debris flows, are frequent in many mountainous areas. These natural hazards endanger the inhabitants and infrastructures making it necessary to assess the hazard and risk caused by these phenomena. This PhD thesis explores various approaches using digital elevation models (DEMs) - and particularly high-resolution DEMs created by aerial or terrestrial laser scanning (TLS) - that contribute to the assessment of slope movement hazard at regional and local scales.The regional detection of areas prone to rockfalls and large rockslides uses different morphologic criteria or geometric instability factors derived from DEMs, i.e. the steepness of the slope, the presence of discontinuities, which enable a sliding mechanism, and the denudation potential. The combination of these factors leads to a map of susceptibility to rockfall initiation that is in good agreement with field studies as shown with the example of the Little Mill Campground area (Utah, USA). Another case study in the Illgraben catchment in the Swiss Alps highlighted the link between areas with a high denudation potential and actual rockfall areas.Techniques for a detailed analysis and characterization of slope movements based on high-resolution DEMs have been developed for specific, localized sites, i.e. ancient slide scars, present active instabilities or potential slope instabilities. The analysis of the site's characteristics mainly focuses on rock slopes and includes structural analyses (orientation of discontinuities); estimation of spacing, persistence and roughness of discontinuities; failure mechanisms based on the structural setting; and volume calculations. For the volume estimation a new 3D approach was tested to reconstruct the topography before a landslide or to construct the basal failure surface of an active or potential instability. The rockslides at Åknes, Tafjord and Rundefjellet in western Norway were principally used as study sites to develop and test the different techniques.The monitoring of slope instabilities investigated in this PhD thesis is essentially based on multitemporal (or sequential) high-resolution DEMs, in particular sequential point clouds acquired by TLS. The changes in the topography due to slope movements can be detected and quantified by sequential TLS datasets, notably by shortest distance comparisons revealing the 3D slope movements over the entire region of interest. A detailed analysis of rock slope movements is based on the affine transformation between an initial and a final state of the rock mass and its decomposition into translational and rotational movements. Monitoring using TLS was very successful on the fast-moving Eiger rockslide in the Swiss Alps, but also on the active rockslides of Åknes and Nordnesfjellet (northern Norway). One of the main achievements on the Eiger and Aknes rockslides is to combine the site's morphology and structural setting with the measured slope movements to produce coherent instability models. Both case studies also highlighted a strong control of the structures in the rock mass on the sliding directions. TLS was also used to monitor slope movements in soils, such as landslides in sensitive clays in Québec (Canada), shallow landslides on river banks (Sorge River, Switzerland) and a debris flow channel (Illgraben).The PhD thesis underlines the broad uses of high-resolution DEMs and especially of TLS in the detection, analysis and monitoring of slope movements. Future studies should explore in more depth the different techniques and approaches developed and used in this PhD, improve them and better integrate the findings in current hazard assessment practices and in slope stability models.Résumé Détection, analyse et surveillance de mouvements de versant à l'aide de modèles numériques de terrain de haute résolutionDes mouvements de versant, tels que des chutes de blocs, glissements de terrain ou laves torrentielles, sont fréquents dans des régions montagneuses et mettent en danger les habitants et les infrastructures ce qui rend nécessaire d'évaluer le danger et le risque causé par ces phénomènes naturels. Ce travail de thèse explore diverses approches qui utilisent des modèles numériques de terrain (MNT) et surtout des MNT de haute résolution créés par scanner laser terrestre (SLT) ou aérien - et qui contribuent à l'évaluation du danger de mouvements de versant à l'échelle régionale et locale.La détection régionale de zones propices aux chutes de blocs ou aux éboulements utilise plusieurs critères morphologiques dérivés d'un MNT, tels que la pente, la présence de discontinuités qui permettent un mécanisme de glissement ou le potentiel de dénudation. La combinaison de ces facteurs d'instabilité mène vers une carte de susceptibilité aux chutes de blocs qui est en accord avec des travaux de terrain comme démontré avec l'exemple du Little Mill Campground (Utah, États-Unis). Un autre cas d'étude - l'Illgraben dans les Alpes valaisannes - a mis en évidence le lien entre les zones à fort potentiel de dénudation et les sources effectives de chutes de blocs et d'éboulements.Des techniques pour l'analyse et la caractérisation détaillée de mouvements de versant basées sur des MNT de haute résolution ont été développées pour des sites spécifiques et localisés, comme par exemple des cicatrices d'anciens éboulements et des instabilités actives ou potentielles. Cette analyse se focalise principalement sur des pentes rocheuses et comprend l'analyse structurale (orientation des discontinuités); l'estimation de l'espacement, la persistance et la rugosité des discontinuités; l'établissement des mécanismes de rupture; et le calcul de volumes. Pour cela une nouvelle approche a été testée en rétablissant la topographie antérieure au glissement ou en construisant la surface de rupture d'instabilités actuelles ou potentielles. Les glissements rocheux d'Åknes, Tafjord et Rundefjellet en Norvège ont été surtout utilisés comme cas d'étude pour développer et tester les diverses approches. La surveillance d'instabilités de versant effectuée dans cette thèse de doctorat est essentiellement basée sur des MNT de haute résolution multi-temporels (ou séquentiels), en particulier des nuages de points séquentiels acquis par SLT. Les changements topographiques dus aux mouvements de versant peuvent être détectés et quantifiés sur l'ensemble d'un glissement, notamment par comparaisons des distances les plus courtes entre deux nuages de points. L'analyse détaillée des mouvements est basée sur la transformation affine entre la position initiale et finale d'un bloc et sa décomposition en mouvements translationnels et rotationnels. La surveillance par SLT a démontré son potentiel avec l'effondrement d'un pan de l'Eiger dans les Alpes suisses, mais aussi aux glissements rocheux d'Aknes et Nordnesfjellet en Norvège. Une des principales avancées à l'Eiger et à Aknes est la création de modèles d'instabilité cohérents en combinant la morphologie et l'agencement structural des sites avec les mesures de déplacements. Ces deux cas d'étude ont aussi démontré le fort contrôle des structures existantes dans le massif rocheux sur les directions de glissement. Le SLT a également été utilisé pour surveiller des glissements dans des terrains meubles comme dans les argiles sensibles au Québec (Canada), sur les berges de la rivière Sorge en Suisse et dans le chenal à laves torrentielles de l'Illgraben.Cette thèse de doctorat souligne le vaste champ d'applications des MNT de haute résolution et particulièrement du SLT dans la détection, l'analyse et la surveillance des mouvements de versant. Des études futures devraient explorer plus en profondeur les différentes techniques et approches développées, les améliorer et mieux les intégrer dans des pratiques actuelles d'analyse de danger et surtout dans la modélisation de stabilité des versants.

Représentation de trajectoires spatiotemporelles dans un système d’information géographique : le cas des activités d’observation de mammifères marins dans le Parc marin du Saguenay – Saint-Laurent

Parc marin du Saguenay - Saint-Laurent, Groupe de recherche et d'éducation sur les mammifères marins, GREMM, excursions aux baleines, bélugas, Tadoussac, règlementation, ArcCatalog, ArcMap.

La représentation numérique à l'épreuve de la complexité du projet de territoire

Le projet de territoire n’aura jamais suscité autant de débats et de passions. Son devenir mobilise à bien des égards la construction collective d’un dessein se matérialisant par des formes qui informent des forces tout autant que par des forces qui investissent des formes lesquelles traduisent les valeurs du moment. Par conséquent, cette projection dans un avenir partagé amène des exigences sociales en matière d’édification du projet de territoire mettant à l’ordre du jour la complexité d’une telle entreprise. L’enchevêtrement d’actions et de logiques qui s’y opèrent et qui s’y expriment pour en élaborer, dans la plus grande incertitude, les contours d’un futur souhaité nous presse de s’y prononcer : la construction complexe d’un dessein territorial s’exhibant nous interpelle quant à son évaluation voire quant à sa reformulation. Parmi les modalités d’expression qui permettent une telle délibération, il y a l’énoncé visuel. Médiation discursive privilégiée, elle autorise l’élaboration et la mise en scène collective d’un devenir territorial possible. Or depuis quelques années, au couple projet / représentation, vient se superposer une autre médiation, celle du numérique. Portée par le développement des technologies de l’information, celle-ci s’invite dans le champ de l’édification du projet de territoire. En s’alliant avec la puissance de l’image, elle recompose les représentations d’un dessein territorial collectivement formulé, ouvrant un nouvel espace d’actions à l’occasion d’une démarche de planification. Démarche de plus en plus complexe. De surcroit, la présente recherche tient cette complexité non comme un mot «fourre-tout» ou une tare dont il faudrait se débarrasser, mais se résout à l’affronter en s’inscrivant dans un paradigme en pleine gestation, celui de la «pensée complexe». La fécondité autant conceptuelle qu’opératoire d’une telle inscription permettra de jeter un regard renouvelé sur une pratique à travers une de ses modalités discursives à la fois la plus manifeste et la moins questionnée, à savoir l’énoncé visuel. En fin de compte, les représentations notamment celles construites et véhiculées par le numérique sauront-elles rendre compte et relever le défi de l’édification collective d’un projet de territoire qui se pose dans toute sa complexité ? Telle est en substance le questionnement dont cette recherche s’attellera à apporter des éléments de réponse et à esquisser de nouvelles perspectives.

Mise à jour de la Base de Données Topographiques du Québec à l'aide d'images à très haute résolution spatiale et du progiciel Sigma0 : le cas des voies de communication

Le Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune (MRNF) a mandaté la compagnie de géomatique SYNETIX inc. de Montréal et le laboratoire de télédétection de l’Université de Montréal dans le but de développer une application dédiée à la détection automatique et la mise à jour du réseau routier des cartes topographiques à l’échelle 1 : 20 000 à partir de l’imagerie optique à haute résolution spatiale. À cette fin, les mandataires ont entrepris l’adaptation du progiciel SIGMA0 qu’ils avaient conjointement développé pour la mise à jour cartographique à partir d’images satellitales de résolution d’environ 5 mètres. Le produit dérivé de SIGMA0 fut un module nommé SIGMA-ROUTES dont le principe de détection des routes repose sur le balayage d’un filtre le long des vecteurs routiers de la cartographie existante. Les réponses du filtre sur des images couleurs à très haute résolution d’une grande complexité radiométrique (photographies aériennes) conduisent à l’assignation d’étiquettes selon l’état intact, suspect, disparu ou nouveau aux segments routiers repérés. L’objectif général de ce projet est d’évaluer la justesse de l’assignation des statuts ou états en quantifiant le rendement sur la base des distances totales détectées en conformité avec la référence ainsi qu’en procédant à une analyse spatiale des incohérences. La séquence des essais cible d’abord l’effet de la résolution sur le taux de conformité et dans un second temps, les gains escomptés par une succession de traitements de rehaussement destinée à rendre ces images plus propices à l’extraction du réseau routier. La démarche globale implique d’abord la caractérisation d’un site d’essai dans la région de Sherbrooke comportant 40 km de routes de diverses catégories allant du sentier boisé au large collecteur sur une superficie de 2,8 km2. Une carte de vérité terrain des voies de communication nous a permis d’établir des données de référence issues d’une détection visuelle à laquelle sont confrontés les résultats de détection de SIGMA-ROUTES. Nos résultats confirment que la complexité radiométrique des images à haute résolution en milieu urbain bénéficie des prétraitements telles que la segmentation et la compensation d’histogramme uniformisant les surfaces routières. On constate aussi que les performances présentent une hypersensibilité aux variations de résolution alors que le passage entre nos trois résolutions (84, 168 et 210 cm) altère le taux de détection de pratiquement 15% sur les distances totales en concordance avec la référence et segmente spatialement de longs vecteurs intacts en plusieurs portions alternant entre les statuts intact, suspect et disparu. La détection des routes existantes en conformité avec la référence a atteint 78% avec notre plus efficace combinaison de résolution et de prétraitements d’images. Des problèmes chroniques de détection ont été repérés dont la présence de plusieurs segments sans assignation et ignorés du processus. Il y a aussi une surestimation de fausses détections assignées suspectes alors qu’elles devraient être identifiées intactes. Nous estimons, sur la base des mesures linéaires et des analyses spatiales des détections que l’assignation du statut intact devrait atteindre 90% de conformité avec la référence après divers ajustements à l’algorithme. La détection des nouvelles routes fut un échec sans égard à la résolution ou au rehaussement d’image. La recherche des nouveaux segments qui s’appuie sur le repérage de points potentiels de début de nouvelles routes en connexion avec les routes existantes génère un emballement de fausses détections navigant entre les entités non-routières. En lien avec ces incohérences, nous avons isolé de nombreuses fausses détections de nouvelles routes générées parallèlement aux routes préalablement assignées intactes. Finalement, nous suggérons une procédure mettant à profit certaines images rehaussées tout en intégrant l’intervention humaine à quelques phases charnières du processus.

Modelizzazione spazio-temporale delle dinamiche di uso del suolo ed analisi comparativa di differenti approcci predittivi. Uso integrato di SIG e telerilevamento nello studio dei processi di deforestazione nella regione La Joyanca in Peten, Guatemala

L’uso frequente dei modelli predittivi per l’analisi di sistemi complessi, naturali o artificiali, sta cambiando il tradizionale approccio alle problematiche ambientali e di rischio. Il continuo miglioramento delle capacità di elaborazione dei computer facilita l’utilizzo e la risoluzione di metodi numerici basati su una discretizzazione spazio-temporale che permette una modellizzazione predittiva di sistemi reali complessi, riproducendo l’evoluzione dei loro patterns spaziali ed calcolando il grado di precisione della simulazione. In questa tesi presentiamo una applicazione di differenti metodi predittivi (Geomatico, Reti Neurali, Land Cover Modeler e Dinamica EGO) in un’area test del Petén, Guatemala. Durante gli ultimi decenni questa regione, inclusa nella Riserva di Biosfera Maya, ha conosciuto una rapida crescita demografica ed un’incontrollata pressione sulle sue risorse naturali. L’area test puó essere suddivisa in sotto-regioni caratterizzate da differenti dinamiche di uso del suolo. Comprendere e quantificare queste differenze permette una migliore approssimazione del sistema reale; é inoltre necessario integrare tutti i parametri fisici e socio-economici, per una rappresentazione più completa della complessità dell’impatto antropico. Data l’assenza di informazioni dettagliate sull’area di studio, quasi tutti i dati sono stati ricavati dall’elaborazione di 11 immagini ETM+, TM e SPOT; abbiamo poi realizzato un’analisi multitemporale dei cambi uso del suolo passati e costruito l’input per alimentare i modelli predittivi. I dati del 1998 e 2000 sono stati usati per la fase di calibrazione per simulare i cambiamenti nella copertura terrestre del 2003, scelta come data di riferimento per la validazione dei risultati. Quest’ultima permette di evidenziare le qualità ed i limiti per ogni modello nelle differenti sub-regioni.