Une approche fondée sur les ontologies et les agents pour la caractérisation et la généralisation de formes de relief sous-marines

An ontologies and agents based approach for undersea feature characterisation and generalisation

• Auteur / Autrice : Jingya Yan
• Direction : Eric Saux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géomatique
• Date : Soutenance le 10/12/2014
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Tisseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Saux, Jacques Tisseau, Bernard Espinasse, Sébastien Mustière, Eric Guilbert, Christophe Claramunt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Espinasse, Sébastien Mustière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intelligence artificielle répartie

Cartographie marine

Mots clés libres

Carte marine

Relief sous-marin

Ontologie

Cartographie

Système multi-agent

Généralisation

Nautical chart

Submarine relief

Ontology

Cartography

Multi-agent system

Generalisation

Résumé

Une carte marine est un type de carte utilisé pour décrire la morphologie du fond marin et du littoral adjacent. Un de ses principaux objectifs est de garantir la sécurité de la navigation maritime. En conséquence, la construction d'une carte marine est contrainte par des règles très précises. Le cartographe doit choisir et mettre en évidence les formes du relief sous-marin en fonction de leur intérêt pour la navigation. Au sein d'un processus automatisé, le système doit être en mesure d'identifier et de classifier ces formes de relief à partir d’un modèle de terrain.Un relief sous-marin est une individuation subjective d'une partie du fond océanique. La reconnaissance de la morphologie du fond sous-marin est une tâche difficile, car les définitions des formes de relief reposent généralement sur une description qualitative et floue. Obtenir la reconnaissance automatique des formes de relief nécessite donc une définition formelle des propriétés des reliefs et de leur modélisation. Dans le domaine maritime, l'Organisation Hydrographique Internationale a publié une terminologie standard des noms des formes de relief sous-marines qui formalise un ensemble de définitions principalement pour des objectifs de communication. Cette terminologie a été utilisée ici comme point de départ pour la classification automatique des formes de relief sous-marines d'un modèle numérique de terrain.Afin d'intégrer les connaissances sur le relief sous-marin et sa représentation sur une carte nautique, cette recherche vise à définir des ontologies du relief sous-marin et des cartes marines. Les ontologies sont ensuite utilisées à des fins de généralisation de carte marine. Nos travaux de recherche sont structurés en deux parties principales. Dans la première partie de la recherche, une ontologie est définie afin d'organiser la connaissance géographique et cartographique pour la représentation du relief sous-marin et la généralisation des cartes marines. Tout d'abord, une ontologie de domaine du relief sous-marin présente les différents concepts de formes de relief sous-marines avec leurs propriétés géométriques et topologiques. Cette ontologie est requise pour la classification des formes de relief. Deuxièmement, une ontologie de représentation est présentée, qui décrit la façon dont les entités bathymétriques sont représentées sur la carte.Troisièmement, une ontologie du processus de généralisation définit les contraintes et les opérations usitées pour la généralisation de carte marine. Dans la deuxième partie de la recherche, un processus de généralisation fondé sur l'ontologie est conçu en s'appuyant sur un système multi-agents (SMA). Quatre types d'agents (isobathe, sonde, forme de relief et groupe de formes de relief) sont définis pour gérer les objets cartographiques sur la carte. Un modèle de base de données a été généré à partir de l'ontologie. Les données bathymétriques et l'ontologie sont stockées dans une base de données de type ``triple store'', et sont connectées à un système d'information implémenté en Java et C++. Le système proposé classe automatiquement les formes de relief sous-marines extraites à partir de la bathymétrie, et évalue les contraintes cartographiques. Dans un premier temps, les propriétés géométriques décrivant une forme de relief sont calculées à partir des sondes et des isobathes et sont utilisées pour la classification des formes de relief. Ensuite, les conflits de distance et de superficie sont évalués dans le SMA et des plans de généralisation sont proposés au cartographe. Des tests ont été réalisés avec des données bathymétriques du monde réel montrant ainsi l'intérêt de la recherche dans le domaine de la cartographie nautique.

A nautical chart is a kind of map used to describe the seafloor morphology and the shoreline of adjacent lands. One of its main purposes is to guaranty safety of maritime navigation. As a consequence, construction of a nautical chart follows very specific rules. The cartographer has to select and highlight undersea features according to their relevance to navigation. In an automated process, the system must be able to identify and classify these features from the terrain model.An undersea feature is a subjective individuation of a part of the seafloor. Landform recognition is a difficult task because its definition usually relies on a qualitative and fuzzy description. Achieving automatic recognition of landforms requires a formal definition of the landforms properties and their modelling. In the maritime domain, the International Hydrographic Organisation published a standard terminology of undersea feature names which formalises a set of definitions mainly for naming features and communication purpose. This terminology is here used as a starting point for the automatic classification of the features from a terrain model.In order to integrate knowledge about the submarine relief and its representation on the chart, this research aims to define ontologies of the submarine relief and nautical chart. Then, the ontologies are applied to generalisation of nautical chart. It includes two main parts. In the first part of the research, an ontology is defined to organize geographical and cartographic knowledge for undersea feature representation and nautical chart generalisation. First, a domain ontology of the submarine relief introduces the different concepts of undersea features with their geometric and topological properties. This ontology is required for the classification of features. Second, a representation ontology is presented, which describes how bathymetric entities are portrayed on the map. Third, a generalisation process ontology defines constraints and operations in nautical chart generalisation. In the second part, a generalisation process based on the ontology is designed relying on a multi-agent system. Four kinds of agents (isobath, sounding, feature and group of features) are defined to manage cartographic objects on the chart. A database model was generated from the ontology. The bathymetric data and the ontology are stored in a triplestore database, and are connected to an interface in Java and C++ to automatically classify the undersea features extracted from the bathymetry, and evaluate the cartographic constraints. At first, geometrical properties describing the feature shape are computed from soundings and isobaths and are used for feature classification. Then, conflicts are evaluated in a MAS and generalisation plans are provided.