Méthodes informées de factorisaton matricielle pour l'étalonnage de réseaux de capteurs mobiles et la cartographie de champs de pollution

par Clément Dorffer

Thèse de doctorat en Automatique, Génie informatique, Traitement du Signal et des Images

Sous la direction de Gilles Roussel.

Soutenue le 13-12-2017

à Littoral , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique, signal et image de la Côte d'Opale (Calais, Pas de Calais) (laboratoire) , Pôle métropolitain de la Côte d'Opale (Financeur) et de Laboratoire d'Informatique Signal et Image de la Côte d'Opale / LISIC (laboratoire) .

Le président du jury était Saïd Moussaoui.

Le jury était composé de Nadège Thirion-Moreau, Hervé Rivano, Angélique Drémeau, Anda Ionescu, Matthieu Puigt.

Les rapporteurs étaient Nadège Thirion-Moreau, Hervé Rivano.


  • Résumé

    Le mobile crowdsensing consiste à acquérir des données géolocalisées et datées d'une foule de capteurs mobiles (issus de ou connectés à des smartphones). Dans cette thèse, nous nous intéressons au traitement des données issues du mobile crowdsensing environnemental. En particulier, nous proposons de revisiter le problème d'étalonnage aveugle de capteurs comme un problème informé de factorisation matricielle à données manquantes, où les facteurs contiennent respectivement le modèle d'étalonnage fonction du phénomène physique observé (nous proposons des approches pour des modèles affines et non linéaires) et les paramètres d'étalonnage de chaque capteur. Par ailleurs, dans l'application de surveillance de la qualité de l'air que nous considérons, nous supposons avoir à notre disposition des mesures très précises mais distribuées de manière très parcimonieuse dans le temps et l'espace, que nous couplons aux multiples mesures issues de capteurs mobiles. Nos approches sont dites informées car (i) les facteurs matriciels sont structurés par la nature du problème, (ii) le phénomène observé peut être décomposé sous forme parcimonieuse dans un dictionnaire connu ou approché par un modèle physique/géostatistique, et (iii) nous connaissons la fonction d'étalonnage moyenne des capteurs à étalonner. Les approches proposées sont plus performantes que des méthodes basées sur la complétion de la matrice de données observées ou les techniques multi-sauts de la littérature, basées sur des régressions robustes. Enfin, le formalisme informé de factorisation matricielle nous permet aussi de reconstruire une carte fine du phénomène physique observé.

  • Titre traduit

    Informed method of matrix factorization for calibration of mobile sensor networks and pollution fields mapping


  • Résumé

    Mobile crowdsensing aims to acquire geolocated and timestamped data from a crowd of sensors (from or connected to smartphones). In this thesis, we focus on processing data from environmental mobile crowdsensing. In particular, we propose to revisit blind sensor calibration as an informed matrix factorization problem with missing entries, where factor matrices respectively contain the calibration model which is a function of the observed physical phenomenon (we focus on approaches for affine or nonlinear sensor responses) and the calibration parameters of each sensor. Moreover, in the considered air quality monitoring application, we assume to pocee- some precise measurements- which are sparsely distributed in space and time - that we melt with the multiple measurements from the mobile sensors. Our approaches are "informed" because (i) factor matrices are structured by the problem nature, (ii) the physical phenomenon can be decomposed using sparse decomposition with a known dictionary or can be approximated by a physical or a geostatistical model, and (iii) we know the mean calibration function of the sensors to be calibrated. The proposed approaches demonstrate better performances than the one based on the completion of the observed data matrix or the multi-hop calibration method from the literature, based on robust regression. Finally, the informed matrix factorization formalism also provides an accurate reconstruction of the observed physical field.


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