Design of algorithms for the automatic characterization of marine dune morphology and dynamics

par Julien Ogor

Thèse de doctorat en Traitement du signal et de l'image

Sous la direction de Benoît Zerr.

Soutenue le 11-06-2018

à Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire des sciences et techniques de l'information- de la communication et de la connaissance / Lab-STICC (laboratoire) .

Le président du jury était Luc Jaulin.

Le jury était composé de Carole Nahum, Thierry Garlan, Marc Roche.

Les rapporteurs étaient Brian Calder, Frédéric Cazals.

  • Titre traduit

    Description morphométrique de la dynamique des dunes et bancs de sable sous-marins en vue de leur classification


  • Résumé

    Les dunes marines sont de grandes structures sédimentaires qui, ensemble, couvrent de larges zones appelées champs de dunes. Des dunes ont été découvertes dans tous les océans, de la côte jusqu'aux talus continentaux. Leur forme et mobilité sont des témoins du lien étroit qui existe entre le transport sédimentaire, l'hydrodynamique (courants marins) et la topographie du fond. L'étude des dunes est intéressante scientifiquement parlant, mais elle est également motivée par des enjeux économiques et environnementaux. Les dunes peuvent être étudiées de deux manières : La modélisation et l'analyse de données de terrain (granulométrie, courantométrie, données sismiques, données bathymétriques). Ces deux approches sont très différentes mais complémentaires. Avec l'amélioration des données Sondeur Multi-Faisceaux (SMF), il est maintenant possible de visualiser la morphologie des dunes et de suivre leur évolution de manière plus détaillée. Plusieurs méthodes automatiques d'analyse de la morphologie et de la dynamique des dunes ont été développées pour analyser les Modèles Numériques de Terrain (MNTs) construits à partir de ces données SMF. Pourtant, aucun ne permet d'estimer les valeurs de descripteurs morphologiques et dynamiques pour chaque dune. L'analyse et l'évaluation de ces descripteurs restent régionales avec le découpage des MNTs en régions rectangulaires. Seul un traitement manuel permet d'estimer ces descripteurs pour chaque dune. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes automatiques permettant de quanti er la morphologie et la dynamique de chaque dune. Pour ce faire, une représentation des données SMF sous forme d'une tessellation triangulaire a été préférée au classique MNT régulier. Tout d'abord, les dunes doivent être extraites de la topographie du fond marin. Un algorithme par accroissement de régions avec adaptation de l'échelle d'analyse, issu de la géomorphométrie est proposé. Les crêtes de dunes sont d'abord extraites en combinant un algorithme de simplification de tessellations avec un algorithme d'extraction de lignes de crête. La résolution de la tessellation est adaptée par l'algorithme de simplification afin de faciliter l'extraction des lignes de crête. Les lignes de crête sont des objets bien définis en géométrie différentielle. Leur extraction s'appuie sur l'interprétation de cette définition appliquée à des modèles discrets du fond (tessellations). Les crêtes servent d'embryons à l'algorithme d'extraction des dunes. L'estimation des paramètres morphologiques des dunes (longueur, largeur, hauteur, etc.) découle de l'extraction automatique des dunes. L'utilisation d'une méthode de recalage non rigide (isométrique) pour la quantification de la dynamique est discutée. Des tessellations représentant la topographie d'un même champ de dunes à différents moments sont analysées par l'algorithme d'extraction des dunes. Ensuite, une dune est associée à une dune d'une autre tessellation qui lui correspond (même dune à un autre instant). La dynamique de chaque dune est quantifiée à partir des résultats de l'algorithme de recalage : les transformations permettant d'aligner différentes représentations d'une dune.


  • Résumé

    Marine dunes are large sedimentary mounds often organized in dunefields. Theyhave been discovered in oceans all around the globe, from continental rises to nearshore areas. These mobile seafloor structures reflect the unique and complex relationship between the sediment, the seafloor topography and the hydrodynamics (currents). Dunes are not only interesting at a scientific level. In fact, their study is also motivated by economic, safety and environmental reasons. The study of dunes can be divided into two complementary approaches: Modelling and analysis of in situ data (granulometry, current, bathymetric data).The increased quality of MultiBeam EchoSounder (MBES) data allows scientists to monitor and visualize the complexity of, both, dune morphology and dynamics. Au-tomatic methods to characterize dune morphology and dynamics using Digital TerrainModels (DTMs) have already been proposed. But, none does it at the dune scale. Mor-phological and dynamical descriptors are estimated for patches of the dunefield. Today, the evaluation of such descriptors for each dune can only be achieved manually.The objective of this thesis is to design automatic algorithms for the quantification of dune morphology and dynamics. A representation of MBES data as triangular meshes has been preferred to the usual gridded DTMs. The first stage consists of delineating dunes in the seafloor. A scale adaptative, region growing algorithm based on geomorphometry is proposed. The combination of mesh implification and crest extraction algorithms enables to accurately recover dune crest lines. The mesh simplification facilitates the crest extraction by adapting the mesh resolution. Crest extraction is based on the discrete interpretation of the definition of crest lines in differential geometry. The crests are, then, used as seed regions by the dune extraction algorithm.


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