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Laboratoire/Entreprise : Laboratoire GeF/laboratoire CEDRIC
Durée : 6 mois
Contact : nicolas.audebert@cnam.fr
Date limite de publication : 2021-11-30

Contexte :
Les plans cadastraux anciens représentent une mine d’informations sur un territoire, par exemple pour l’analyse de l’évolution du parcellaire au cours du temps en lien avec les politiques d’aménagement. Ces plans correspondent à la numérisation de feuilles au format papier de qualités très inégales selon leur année de création et les conditions de leur conservation. Une avancée considérable pour l’analyse fine de l’évolution du territoire par les historiens, géographes, urbanistes, aménagistes et sociologues, viendrait sans conteste de la construction d’une base de données multi-dates du cadastre « ancien » au cadastre « actuel ». A ce jour, il n’existe pas à notre connaissance d’outils permettant l’analyse automatique du contenu de ces planches en vue de les intégrer dans un SIG (Système d’Informations Géographiques).

Aussi, le laboratoire GeF mène depuis 2016 des travaux de recherche sur le développement d’une chaîne semi-automatique d’analyse des images du cadastre ancien appelée « GeFVectoMoCad » (pour Géoréférencement, Vectorisation et Mosaïquage du Cadastre) à partir d’outils libres, dont le langage Python. Cette chaîne comporte plusieurs étapes : 1) la vectorisation, 2) le géoréférencement et 3) le mosaïquage des planches cadastrales anciennes.

Sujet :
L’étape de vectorisation est cruciale pour la réussite du processus et repose actuellement sur l’emploi d’algorithmes classiques de détection de segments qui constituent ici les limites de parcelles, comme le « Line Segment Detector » et la Transformée de Hough Probabiliste. Ces segments sont ensuite convertis en polygones fermés formant les parcelles. Bien qu’efficace et intégrant des post-traitements adaptés, cette approche n’est pas exempte d’erreurs notamment avec de la sur-segmentation et de la sous-segmentation [Follin et al., 2021]. Elle requiert donc des corrections manuelles a posteriori.

L’amélioration de ces résultats peut notamment passer par la détection des numéros de parcelles. En effet chaque parcelle est associée à un numéro unique écrit à la main. Les numéros de parcelles extraits pourront être confrontés aux polygones des parcelles pour détecter les incohérences, et donc les éventuelles erreurs de segmentation, et les corriger.

Une approche par apprentissage profond ou « Deep Learning » (DL) semble adaptée à la détection des caractères manuscrits (digits). La reconnaissance de caractères écrits à la main est un des premiers cas traités par les réseaux de neurones convolutifs. [LeCun et al., 1989] a ainsi proposé une approche de type DL pour la reconnaissance des chiffres pour le service postal des États-Unis. Ce sujet étant plutôt bien maîtrisé, les problématiques du stage sont :

La production d’un jeu de données suffisamment volumineux pour entraîner des modèles profonds de reconnaissance de caractères. Cela pourra notamment passer par la génération d’images synthétiques et l’usage de techniques d’adaptation de domaine pour rendre ces images similaires aux planches de cadastres numérisées.

Le choix et la mise en œuvre d’’un ou plusieurs réseaux profonds de reconnaissance de chiffres manuscrits. On pourra notamment étudier des détecteurs génériques (YOLO [Redmon et al., 2015], Mask-RCNN [He et al. 2017]) mais aussi des architectures spécifiques à la reconnaissance de caractères (CharGrid-OCR [Reisswig et al., 2019], Calamari [Wick et al., 2018]).

Une fois les chiffres détectés, les numéros devront ensuite être reconstruits. Le parcellaire sera alors représentée sous forme de graphe avec pour sommets les parcelles et pour arêtes les relations d’adjacence. Chaque sommet sera associé éventuellement à un (ou plusieurs) numéro de parcelle. On pourra s’appuyer sur ce graphe pour détecter des incohérences (absence ou multiplicité de numéro) et réfléchir aux corrections à apporter.

Des travaux récents en traitement d’images ont prouvé l’intérêt de méthodes basées sur le DL pour l’extraction de textes [Laumer et al. 2020] et de nombres manuscrits [Kusetogullari et al., 2020] sur des documents anciens.

Plusieurs jeux de données existent. MNIST (Modified National Institute of Standards and Technology) contenant des chiffres manuscrits et USPS (United-States Postal Service) qui regroupe des chiffres mais aussi des lettres et des mots se présentent sous forme d’images respectivement en noir et blanc et en niveaux de gris. ARDIS (ARkiv Digital Sweden) correspond à des chiffres écrits à la main issus de registres religieux suédois et DIDA, extension d’ARDIS, contient des chiffres manuscrits issus de documents historiques suédois. Ces deux derniers jeux de données sont sous forme d’images en couleurs et se rapprochent le plus de nos données.

Un stage de fin d’études a été mené au laboratoire GeF en 2021 et a permis de réaliser de premières expérimentations. Elles ont consisté en la génération d’un jeu de données reprenant des chiffres de ARDIS et la mise en œuvre d’un réseau adoptant une architecture Faster-RCNN. Les résultats obtenus sur nos données, bien qu’encourageants, sont perfectibles.

Profil du candidat :
Nous recherchons pour ce stage un·e candidat·e de niveau M2 ou dernière année d’école d’ingénieur avec une formation en géomatique et/ou en apprentissage automatique.

Formation et compétences requises :
Le ou la candidat·e idéal·e a une appétence pour la recherche et des bases en apprentissage profond. Sans être indispensable, un intérêt pour les données géographiques est un point positif pour ce stage. Une connaissance de la programmation avec Python est nécessaire. Une première expérience avec une bibliothèque d’apprentissage profond (TensorFlow ou PyTorch) est un plus.

Adresse d’emploi :
Le stage se déroulera au laboratoire GeF situé au Mans, avec des visites à prévoir au laboratoire CEDRIC à Paris.

Document attaché : 202110071605_2022-Stage_CEDRIC_GeF.pdf