Optimizaci��n de la Exactitud Geométrica al Integrar Diversas Fuentes de Datos en Proyectos de Inventario Forestal Basados en Escaneo Laser Aerotransportado=Optimizing Geometric Accuracy in Data Source Integration for Airborne Laser Scanning-based Forest Inventory Projects

La mayoría de las aplicaciones forestales del escaneo laser aerotransportado (ALS, del inglés airborne laser scanning) requieren la integraci��n y uso simultaneo de diversas fuentes de datos, con el propósito de conseguir diversos objetivos. Los proyectos basados en sensores remotos normalmente consisten en aumentar la escala de estudio progresivamente a lo largo de varias fases de fusi��n de datos: desde la informaci��n más detallada obtenida sobre un área limitada (la parcela de campo), hasta una respuesta general de la cubierta forestal detectada a distancia de forma más incierta pero cubriendo un área mucho más amplia (la extensi��n cubierta por el vuelo o el satélite). Todas las fuentes de datos necesitan en ultimo termino basarse en las tecnologías de sistemas de navegaci��n global por satélite (GNSS, del inglés global navigation satellite systems), las cuales son especialmente erróneas al operar por debajo del dosel forestal. Otras etapas adicionales de procesamiento, como la ortorectificaci��n, tambi��n pueden verse afectadas por la presencia de vegetaci��n, deteriorando la exactitud de las coordenadas de referencia de las imágenes ópticas. Todos estos errores introducen ruido en los modelos, ya que los predictores se desplazan de la posici��n real donde se sitúa su variable respuesta. El grado por el que las estimaciones forestales se ven afectadas depende de la dispersi��n espacial de las variables involucradas, y tambi��n de la escala utilizada en cada caso. Esta tesis revisa las fuentes de error posicional que pueden afectar a los diversos datos de entrada involucrados en un proyecto de inventario forestal basado en teledetecci��n ALS, y como las propiedades del dosel forestal en sí afecta a su magnitud, aconsejando en consecuencia métodos para su reducci��n. Tambi��n se incluye una discusi��n sobre las formas más apropiadas de medir exactitud y precisi��n en cada caso, y como los errores de posicionamiento de hecho afectan a la calidad de las estimaciones, con vistas a una planificaci��n eficiente de la adquisici��n de los datos. La optimizaci��n final en el posicionamiento GNSS y de la radiometría del sensor óptico permiti�� detectar la importancia de este ultimo en la predicci��n de la desidad relativa de un bosque monoespecífico de Pinus sylvestris L. ABSTRACT Most forestry applications of airborne laser scanning (ALS) require the integration and simultaneous use of various data sources, pursuing a variety of different objectives. Projects based on remotely-sensed data generally consist in upscaling data fusion stages: from the most detailed information obtained for a limited area (field plot) to a more uncertain forest response sensed over a larger extent (airborne and satellite swath). All data sources ultimately rely on global navigation satellite systems (GNSS), which are especially error-prone when operating under forest canopies. Other additional processing stages, such as orthorectification, may as well be affected by vegetation, hence deteriorating the accuracy of optical imagery’s reference coordinates. These errors introduce noise to the models, as predictors displace from their corresponding response. The degree to which forest estimations are affected depends on the spatial dispersion of the variables involved and the scale used. This thesis reviews the sources of positioning errors which may affect the different inputs involved in an ALS-assisted forest inventory project, and how the properties of the forest canopy itself affects their magnitude, advising on methods for diminishing them. It is also discussed how accuracy should be assessed, and how positioning errors actually affect forest estimation, toward a cost-efficient planning for data acquisition. The final optimization in positioning the GNSS and optical image allowed to detect the importance of the latter in predicting relative density in a monospecific Pinus sylvestris L. forest.

Comparison of Airborne Laser Scanning Methods for Estimating Forest Structure Indicators Based on Lorenz Curves

The purpose of this study was to compare a number of state-of-the-art methods in airborne laser scan- ning (ALS) remote sensing with regards to their capacity to describe tree size inequality and other indi- cators related to forest structure. The indicators chosen were based on the analysis of the Lorenz curve: Gini coefficient ( GC ), Lorenz asymmetry ( LA ), the proportions of basal area ( BALM ) and stem density ( NSLM ) stocked above the mean quadratic diameter. Each method belonged to one of these estimation strategies: (A) estimating indicators directly; (B) estimating the whole Lorenz curve; or (C) estimating a complete tree list. Across these strategies, the most popular statistical methods for area-based approach (ABA) were used: regression, random forest (RF), and nearest neighbour imputation. The latter included distance metrics based on either RF (NN–RF) or most similar neighbour (MSN). In the case of tree list esti- mation, methods based on individual tree detection (ITD) and semi-ITD, both combined with MSN impu- tation, were also studied. The most accurate method was direct estimation by best subset regression, which obtained the lowest cross-validated coefficients of variation of their root mean squared error CV(RMSE) for most indicators: GC (16.80%), LA (8.76%), BALM (8.80%) and NSLM (14.60%). Similar figures [CV(RMSE) 16.09%, 10.49%, 10.93% and 14.07%, respectively] were obtained by MSN imputation of tree lists by ABA, a method that also showed a number of additional advantages, such as better distributing the residual variance along the predictive range. In light of our results, ITD approaches may be clearly inferior to ABA with regards to describing the structural properties related to tree size inequality in for- ested areas.

Canonical Correlation Analysis for Interpreting Airborne Laser Scanning Metrics along the Lorenz Curve of Tree Size Inequality

Canonical Correlation Analysis for Interpreting Airborne Laser Scanning Metrics along the Lorenz Curve of Tree Size Inequality

Estimaci��n de los costes de inventario forestal con y sin informaci��n LIDAR

Las aplicaciones tecnológicas obtenidas a partir de sensores láser aerotransportados (Airborne Laser Scanner, ALS), han supuesto una gran expectativa para mejorar la calidad de los datos del inventario forestal, mediante su actualizaci��n y la posible disminuci��n de los costes de inventario. Sin embargo, todavía existen problemas de aplicaci��n que no están resueltos de manera que su empleo como sustitutivo de un inventario tradicional presenta algunas incógnitas, tanto de carácter técnico como económicas. Por ello, en este trabajo se va a realizar un estudio analítico de costes de utilizaci��n, teniendo en cuenta los objetivos del inventario y las limitaciones de la técnica. El caso de estudio se sitúa en el Pinar de Valsaín (Segovia).

Estimaci��n de variables dasométricas a partir de datos LiDAR y obtenci��n de modelos de referencia para las distribuciones de alturas y di��metros del arbolado

La Gesti��n Forestal Sostenible se define como “la administraci��n y uso de los bosques y tierras forestales de forma e intensidad tales que mantengan su biodiversidad, productividad, capacidad de regeneraci��n, vitalidad y su potencial para atender, ahora y en el futuro, las funciones ecológicas, económicas y sociales relevantes a escala local, nacional y global, y que no causan daño a otros ecosistemas” (MCPFE Conference, 1993). Dentro del proceso los procesos de planificaci��n, en cualquier escala, es necesario establecer cuál será la situaci��n a la que se quiere llegar mediante la gesti��n. Igualmente, será necesario conocer la situaci��n actual, pues marcará la situaci��n de partida y condicionará el tipo de actuaciones a realizar para alcanzar los objetivos fijados. Dado que, los Proyectos de Ordenaci��n de Montes y sus respectivas revisiones son herramientas de planificaci��n, durante la redacci��n de los mismos, será necesario establecer una serie de objetivos cuya consecuci��n pueda verificarse de forma objetiva y disponer de una caracterizaci��n de la masa forestal que permita conocer la situaci��n de partida. Esta tesis se centra en problemas prácticos, propios de una escala de planificaci��n local o de Proyecto de Ordenaci��n de Montes. El primer objetivo de la tesis es determinar distribuciones diamétricas y de alturas de referencia para masas regulares por bosquetes, empleando para ello el modelo conceptual propuesto por García-Abril et al., (1999) y datos procedentes de las Tablas de producci��n de Rojo y Montero (1996). Las distribuciones de referencia obtenidas permitirán guiar la gesti��n de masas irregulares y regulares por bosquetes. Ambos tipos de masas aparecen como una alternativa deseable en aquellos casos en los que se quiere potenciar la biodiversidad, la estabilidad, la multifuncionalidad del bosque y/o como alternativa productiva, especialmente indicada para la producci��n de madera de calidad. El segundo objetivo de la Tesis está relacionado con la necesidad de disponer de una caracterizaci��n adecuada de la masa forestal durante la redacci��n de los Proyectos de Ordenaci��n de Montes y de sus respectivas revisiones. Con el fin de obtener estimaciones de variables forestales en distintas unidades territoriales de potencial interés para la Ordenaci��n de Montes, así como medidas de la incertidumbre en asociada dichas estimaciones, se extienden ciertos resultados de la literatura de Estimaci��n en Áreas Pequeñas. Mediante un caso de estudio, se demuestra el potencial de aplicaci��n de estas técnicas en inventario forestales asistidos con informaci��n auxiliar procedente de sensores láser aerotransportados (ALS). Los casos de estudio se realizan empleando datos ALS similares a los recopilados en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA). Los resultados obtenidos muestran que es posible aumentar la eficiencia de los inventarios forestales tradicionales a escala de proyecto de Ordenaci��n de Montes, mediante la aplicaci��n de estimadores EBLUP (Empirical Best Linear Unbiased Predictor) con modelos a nivel de elemento poblacional e informaci��n auxiliar ALS similar a la recopilada por el PNOA. ABSTRACT According to MCPFE (1993) Sustainable Forest Management is “the stewardship and use of forests and forest lands in a way, and at a rate, that maintains their biodiversity, productivity, regeneration capacity, vitality and their potential to fulfill, now and in the future, relevant ecological, economic and social functions, at local, national, and global levels, and that does not cause damage to other ecosystems”. For forest management planning, at any scale, we must determine what situation is hoped to be achieved through management. It is also necessary to know the current situation, as this will mark the starting point and condition the type of actions to be performed in order to meet the desired objectives. Forest management at a local scale is no exception. This Thesis focuses on typical problems of forest management planning at a local scale. The first objective of this Thesis is to determine management objectives for group shelterwood management systems in terms of tree height and tree diameter reference distributions. For this purpose, the conceptual model proposed by García-Abril et al., (1999) is applied to the yield tables for Pinus sylvestris in Sierra de Guadrrama (Rojo y Montero, 1996). The resulting reference distributions will act as a guide in the management of forests treated under the group shelterwood management systems or as an approximated reference for the management of uneven aged forests. Both types of management systems are desirable in those cases where forest biodiversity, stability and multifunctionality are pursued goals. These management systems are also recommended as alternatives for the production of high quality wood. The second objective focuses on the need to adequately characterize the forest during the decision process that leads to local management. In order to obtain estimates of forest variables for different management units of potential interest for forest planning, as well as the associated measures of uncertainty in these estimates, certain results from Small Area Estimation Literature are extended to accommodate for the need of estimates and reliability measures in very small subpopulations containing a reduced number of pixels. A case study shows the potential of Small Area Estimation (SAE) techniques in forest inventories assisted with remotely sensed auxiliary information. The influence of the laser pulse density in the quality of estimates in different aggregation levels is analyzed. This study considers low laser pulse densities (0.5 returns/m2) similar to, those provided by large-scale Airborne Laser Scanner (ALS) surveys, such as the one conducted by the Spanish National Geographic Institute for about 80% of the Spanish territory. The results obtained show that it is possible to improve the efficiency of traditional forest inventories at local scale using EBLUP (Empirical Best Linear Unbiased Predictor) estimators based on unit level models and low density ALS auxiliary information.

Experimental and numerical study of cw green laser crystallization of a-Si:H thin films

Crystallization and grain growth technique of thin film silicon are among the most promising methods for improving efficiency and lowering cost of solar cells. A major advantage of laser crystallization and annealing over conventional heating methods is its ability to limit rapid heating and cooling to thin surface layers. Laser energy is used to heat the amorphous silicon thin film, melting it and changing the microstructure to polycrystalline silicon (poly-Si) as it cools. Depending on the laser density, the vaporization temperature can be reached at the center of the irradiated area. In these cases ablation effects are expected and the annealing process becomes ineffective. The heating process in the a-Si thin film is governed by the general heat transfer equation. The two dimensional non-linear heat transfer equation with a moving heat source is solve numerically using the finite element method (FEM), particularly COMSOL Multiphysics. The numerical model help to establish the density and the process speed range needed to assure the melting and crystallization without damage or ablation of the silicon surface. The samples of a-Si obtained by physical vapour deposition were irradiated with a cw-green laser source (Millennia Prime from Newport-Spectra) that delivers up to 15 W of average power. The morphology of the irradiated area was characterized by confocal laser scanning microscopy (Leica DCM3D) and Scanning Electron Microscopy (SEM Hitachi 3000N). The structural properties were studied by micro-Raman spectroscopy (Renishaw, inVia Raman microscope).

Metodología para ejecuci��n y control de calidad para ortofotos, mediante combinaci��n de sensor digital con LIDAR en zonas rurales

La utilizaci��n de una cámara fotogramétrica digital redunda en el aumento demostrable de calidad radiométrica debido a la mejor relaci��n señal/ruido y a los 12 bits de resoluci��n radiométrica por cada pixel de la imagen. Simultáneamente se consigue un notable ahorro de tiempo y coste gracias a la eliminaci��n de las fases de revelado y escaneado de la película y al aumento de las horas de vuelo por día. De otra parte, el sistema láser aerotransportado (LIDAR - Light Detection and Ranging) es un sistema con un elevado rendimiento y rentabilidad para la captura de datos de elevaciones para generar un modelo digital del terreno (MDT) y tambi��n de los objetos sobre el terreno, permitiendo así alcanzar alta precisi��n y densidad de informaci��n. Tanto el sistema LIDAR como el sistema de cámara fotogramétrica digital se combinan con otras técnicas bien conocidas: el sistema de posicionamiento global (GPS - Global Positioning System) y la orientaci��n de la unidad de medida inercial (IMU - Inertial Measure Units), que permiten reducir o eliminar el apoyo de campo y realizar la orientaci��n directa de los sensores utilizando datos de efemérides precisas de los satélites. Combinando estas tecnologías, se va a proponer y poner en práctica una metodología para generaci��n automática de ortofotos en países de América del Sur. Analizando la precisi��n de dichas ortofotos comparándolas con fuente de mayor exactitud y con las especificaciones técnicas del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) se determinará la viabilidad de que dicha metodología se pueda aplicar a zonas rurales. ABSTRACT Using a digital photogrammetric camera results in a demonstrable increase of the radiometric quality due to a better improved signal/noise ratio and the radiometric resolution of 12 bits per pixel of the image. Simultaneously a significant saving of time and money is achieved thanks to the elimination of the developing and film scanning stages, as well as to the increase of flying hours per day. On the other hand, airborne laser system Light Detection and Ranging (LIDAR) is a system with high performance and yield for the acquisition of elevation data in order to generate a digital terrain model (DTM), as well as objects on the ground which allows to achieve high accuracy and data density. Both the LIDAR and the digital photogrammetric camera system are combined with other well known techniques: global positioning system (GPS) and inertial measurement unit (IMU) orientation, which are currently in a mature evolutionary stage, which allow to reduce and/or remove field support and perform a direct guidance of sensors using specific historic data from the satellites. By combining these technologies, a methodology for automatic generation of orthophotos in South American countries will be proposed and implemented. Analyzing the accuracy of these orthophotos comparing them with more accurate sources and technical specifications of the National Aerial Orthophoto (PNOA), the viability of whether this methodology should be applied to rural areas, will be determined.

Soil fragmentation study applying different tillage systems

Runoff generation depends on rainfall, infiltration, interception, and surface depressional storage. Surface depressional storage depends on surface microtopography, usually quantified trough soil surface roughness (SSR). SSR is subject to spatial and temporal changes that create a high variability. In an agricultural environment, tillage operations produce abrupt changes in roughness. Subsequent rainfall gradually decreases roughness. Beside it, local variation in soil properties and hydrology cause its SSR to vary spatially at different scales. The methods commonly used to measure it involve collecting point elevations in regular grids using laser profilers or scanners, digital close range stereo-photogrammetry and terrestrial laser scanning or LIDAR systems. In this case, a laser-scanning instrument was used to obtain representative digital elevation models (DEMs) at a grid resolution of 7.2x7.2mm that cover an area of 0.9x0.9m. The DEMs were obtained from two study sites with different soils. The first study site was an experimental field on which five conventional tillage methods were applied. The second study site was a large olive orchard with trees planted at 7.5x5.0m and bare soils between rows. Here, three tillage treatments were applied. In this work we have evaluated the spatial variability of SSR at several scales studying differences in height calculated from points separated by incremental distances h were raised to power values q (from 0 to 4 in steps of 0.1). The q = 2 data were studied as a semivariogram model. The logarithm of average differences plotted vs. log h were characterized by their slope, ?(q). Structure functions [?(q) vs. q] were fitted showing that data had nonlinear structure functions typical of multiscale phenomena. Comparisson of the two types of soil in their respective structure functions are shown.

3D Wavelet-based Fusion Techniques for Biomedical Imaging

Hoy en día las técnicas de adquisici��n de imágenes tridimensionales son comunes en diversas áreas, pero cabe destacar la relevancia que han adquirido en el ámbito de la imagen biomédica, dentro del cual encontramos una amplia gama de técnicas como la microscopía confocal, microscopía de dos fotones, microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisi��n de positrones, tomografía de coherencia óptica, ecografía 3D y un largo etcétera. Un denominador común de todas esas aplicaciones es la constante necesidad por aumentar la resoluci��n y la calidad de las imágenes adquiridas. En algunas de dichas técnicas de imagen tridimensional se da una interesante situaci��n: aunque que cada volumen adquirido no contiene informaci��n suficiente para representar el objeto bajo estudio dentro de los parámetros de calidad requeridos por algunas aplicaciones finales, el esquema de adquisici��n permite la obtenci��n de varios volúmenes que representan diferentes vistas de dicho objeto, de tal forma que cada una de las vistas proporciona informaci��n complementaria acerca del mismo. En este tipo de situaci��n es posible, mediante la combinaci��n de varias de esas vistas, obtener una mejor comprensi��n del objeto que a partir de cada una de ellas por separado. En el contexto de esta Tesis Doctoral se ha propuesto, desarrollado y validado una nueva metodología de proceso de imágenes basada en la transformada wavelet disc¬reta para la combinaci��n, o fusi��n, de varias vistas con informaci��n complementaria de un mismo objeto. El método de fusi��n propuesto aprovecha la capacidad de descom¬posici��n en escalas y orientaciones de la transformada wavelet discreta para integrar en un solo volumen toda la informaci��n distribuida entre el conjunto de vistas adquiridas. El trabajo se centra en dos modalidades diferentes de imagen biomédica que per¬miten obtener tales adquisiciones multi-vista. La primera es una variante de la micro¬scopía de fluorescencia, la microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, que se utiliza para el estudio del desarrollo temprano de embriones vivos en diferentes modelos animales, como el pez cebra o el erizo de mar. La segunda modalidad es la resonancia magnética nuclear con realce tardío, que constituye una valiosa herramienta para evaluar la viabilidad del tejido miocárdico en pacientes con diversas miocardiopatías. Como parte de este trabajo, el método propuesto ha sido aplicado y validado en am¬bas modalidades de imagen. En el caso de la aplicaci��n a microscopía de fluorescencia, los resultados de la fusi��n muestran un mejor contraste y nivel de detalle en comparaci��n con cualquiera de las vistas individuales y el método no requiere de conocimiento previo acerca la funci��n de dispersi��n puntual del sistema de imagen. Además, los resultados se han comparado con otros métodos existentes. Con respecto a la aplicaci��n a imagen de resonancia magnética con realce tardío, los volúmenes fusionados resultantes pre-sentan una mejora cuantitativa en la nitidez de las estructuras relevantes y permiten una interpretaci��n más sencilla y completa de la compleja estructura tridimensional del tejido miocárdico en pacientes con cardiopatía isquémica. Para ambas aplicaciones los resultados de esta tesis se encuentran actualmente en uso en los centros clínicos y de investigaci��n con los que el autor ha colaborado durante este trabajo. Además se ha puesto a libre disposici��n de la comunidad científica la implementaci��n del método de fusi��n propuesto. Por último, se ha tramitado tambi��n una solicitud de patente internacional que cubre el método de visualizaci��n desarrollado para la aplicaci��n de Resonancia Magnética Nuclear. Abstract Nowadays three dimensional imaging techniques are common in several fields, but es-pecially in biomedical imaging, where we can find a wide range of techniques including: Laser Scanning Confocal Microscopy, Laser Scanning Two Photon Microscopy, Light Sheet Fluorescence Microscopy, Magnetic Resonance Imaging, Positron Emission To-mography, Optical Coherence Tomography, 3D Ultrasound Imaging, etc. A common denominator of all those applications being the constant need for further increasing resolution and quality of the acquired images. Interestingly, in some of the mentioned three-dimensional imaging techniques a remarkable situation arises: while a single volume does not contain enough information to represent the object being imaged within the quality parameters required by the final application, the acquisition scheme allows recording several volumes which represent different views of a given object, with each of the views providing complementary information. In this kind of situation one can get a better understanding of the object by combining several views instead of looking at each of them separately. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and test new image processing methodologies based on the discrete wavelet transform for the combination, or fusion, of several views containing complementary information of a given object. The proposed fusion method exploits the scale and orientation decomposition capabil¬ities of the discrete wavelet transform to integrate in a single volume all the available information distributed among the set of acquired views. The work focuses in two different biomedical imaging modalities which provide such multi-view datasets. The first one is a particular fluorescence microscopy technique, Light-Sheet Fluorescence Microscopy, used for imaging and gaining understanding of the early development of live embryos from different animal models (like zebrafish or sea urchin). The second is Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, which is a valuable tool for assessing the viability of myocardial tissue on patients suffering from different cardiomyopathies. As part of this work, the proposed method was implemented and then validated on both imaging modalities. For the fluorescence microscopy application, the fusion results show improved contrast and detail discrimination when compared to any of the individual views and the method does not rely on prior knowledge of the system’s point spread function (PSF). Moreover, the results have shown improved performance with respect to previous PSF independent methods. With respect to its application to Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, the resulting fused volumes show a quantitative sharpness improvement and enable an easier and more complete interpretation of complex three-dimensional scar and heterogeneous tissue information in ischemic cardiomyopathy patients. In both applications, the results of this thesis are currently in use in the clinical and research centers with which the author collaborated during his work. An imple¬mentation of the fusion method has also been made freely available to the scientific community. Finally, an international patent application has been filed covering the visualization method developed for the Magnetic Resonance Imaging application.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creaci��n de atlas, o modelos digitales, donde la informaci��n de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene informaci��n complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresi��n genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresi��n genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resoluci��n celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evoluci��n en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisici��n es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementaci��n de estrategias de creaci��n de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalizaci��n del cerebro y la formaci��n de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integraci��n, a resoluci��n celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embri��n completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformaci��n deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposici��n de la comunidad científica tanto la herramienta de generaci��n de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualizaci��n (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresi��n genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresi��n genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisici��n in vivo de un embri��n. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Algoritmo para la clasificaci��n de nubes de puntos LiDAR en entornos urbanos: discriminaci��n entre vegetaci��n y edificaciones.

Los sistemas de registro aerotransportados que utilizan láser (LiDAR) se están convirtiendo en el principal instrumental para la recogida de la informaci��n cartográfica debido, principalmente, a la gran densidad de puntos, precisi��n alcanzada y rapidez en la obtenci��n de modelos digitales. Sin embargo, sería importante disponer de algoritmos que permitan filtrar la informaci��n, seleccionando aquellos puntos medidos en zonas deseadas. Cuando se miden zonas urbanas, los elementos más importantes son las edificaciones. Por ello, se propone un nuevo algoritmo que permite clasificar y diferenciar aquellos puntos medidos sobre edificios, extrayendo, como resultado, el límite exterior que definen, de tal forma que se podría calcular la zona edificada. Abstarct: Registration systems using airborne laser (LIDAR) are becoming the main device for the collection of cartographic information, mainly due to the high density of points, accuracy and rate achieved in obtaining digital models. However, it would be important to have algorithms that filter the information by selecting those points measured in targeted areas. When measuring urban areas, buildings are the most important objects. Therefore, a new algorithm is proposed to classify those measured points on buildings and to compute their outer boundaries, so the built up area can be computed.

Interconexi��n monolítica de dispositivos fotovoltaicos basados en a-Si mediante ablaci��n directa con fuentes láser ultravioleta

Resumen En la última década la tecnología láser se ha convertido en una herramienta imprescindible en la fabricaci��n de dispositivos fotovoltaicos, muy especial¬mente en aquellos basados en tecnología de lámina delgada. Independiente¬mente de crisis coyunturales en el sector, la evoluci��n en los próximos años de estas tecnologías seguirá aprovechándose de la flexibilidad y calidad de proceso de la herramienta láser para la consecuci��n de los dos objetivos básicos que harán de la fotovoltaica una opci��n energética económicamente viable: la reducci��n de costes de fabricaci��n y el aumento de eficiencia de los dispositivos. Dentro de las tecnologías fotovoltaicas de lámina delgada, la tecnología de dispositivos basados en silicio amorfo ha tenido un gran desarrollo en sistemas estándar en configuraci��n de superestrato, pero su limitada efi��ciencia hace que su supervivencia futura pase por el desarrollo de formatos en configuraci��n de substrato sobre materiales flexibles de bajo coste. En esta aproximaci��n, las soluciones industriales basadas en láser actualmente disponibles para la interconexi��n monolítica de dispositivos no son aplica¬bles, y desde hace años se viene investigando en la búsqueda de soluciones apropiadas para el desarrollo de dichos procesos de interconexi��n de forma que sean transferibles a la industria. En este contexto, esta Tesis propone una aproximaci��n completamente orig¬inal, demostrando la posibilidad de ejecutar una interconexi��n completa de estos dispositivos irradiando por el lado de la lámina (es decir de forma com¬patible con la opci��n de configuraci��n de substrato y, valga la redundancia, con el substrato del dispositivo opaco), y con fuentes láser emitiendo en UV. Este resultado, obtenido por primera vez a nivel internacional con este trabajo, aporta un conocimiento revelador del verdadero potencial de estas fuentes en el desarrollo industrial futuro de estas tecnologías. Si bien muy posiblemente la soluci��n industrial final requiera de una soluci��n mixta con el empleo de fuentes en UV y, posiblemente, en otras longitudes de onda, esta Tesis y su planteamiento novedoso aportan un conocimiento de gran valor a la comunidad internacional por la originalidad del planteamiento seguido, los resultados parciales encontrados en su desarrollo (un número importante de los cuales han aparecido en revistas del JCR que recogen en la actualidad un número muy significativo de citas) y porque saca además a la luz, con las consideraciones físicas pertinentes, las limitaciones intrínsecas que el desarrollo de procesos de ablaci��n directa selectiva con láseres UV en parte de los materiales utilizados presenta en el rango temporal de in¬teracci��n de ns y ps. En este trabajo se han desarrollado y optimizado los tres pasos estándar de interconexi��n (los habitualmente denominados Pl, P2 y P3 en la industria fotovoltaica) demostrando las ventajas y limitaciones del uso de fuentes en UV tanto con ancho temporal de ns como de ps. En particular destaca, por el éxito en los resultados obtenidos, el estudio de procesos de ablaci��n selectiva de óxidos conductores transparentes (en este trabajo utilizados tanto como contacto frontal así como posterior en los módulos) que ha generado resultados, de excelente acogida científica a nivel internacional, cuya aplicaci��n trasciende el ámbito de las tecnologías de silicio amorfo en lámina delgada. Además en este trabajo de Tesis, en el desarrollo del objetivo citado, se han puesto a punto técnicas de análisis de los procesos láser, basadas en métodos avanzados de caracterizaci��n de materiales (como el uso combi��nado de la espectroscopia dispersiva de rayos X y la microscopía confocal de barrido) que se presentan como auténticos avances en el desarrollo de técnicas específicas de caracterizaci��n para el estudio de los procesos con láser de ablaci��n selectiva de materiales en lámina delgada, procesos que no solo tienen impacto en el ámbito de la fotovoltaica, sino tambi��n en la microelectrónica, la biotecnología, la microfabricaci��n, etc. Como resultado adicional, parte de los resultados de este trabajo, han sido aplicados exi��tosamente por el grupo de investigaci��on en la que la autora desarrolla su labor para conseguir desarrollar procesos de enorme inter´es en otras tec-nolog´ıas fotovoltaicas, como las tecnolog´ıas est´andar de silicio amorfo sobre vidrio en configuraci��on de superestrato o el procesado de capas delgadas en tecnolog´ıas convencionales de silicio cristalino. Por u´ltimo decir que este trabajo ha sido posible por una colaboraci��on muy estrecha entre el Centro L´aser de la UPM, en el que la autora de¬sarrolla su labor, y el Grupo de Silicio Depositado del Centro de Inves¬tigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas, CIEMAT, que, junto al Grupo de Energ´ıa Fotovoltaica de la Universidad de Barcelona, han preparado la mayor parte de las muestras utilizadas en este estudio. Dichas colaboraciones se han desarrollado en el marco de varios proyectos de investigaci��on aplicada con subvenci��on pu´blica, tales como el proyecto singular estrat´egico PSE-MICROSIL08 (PSE-120000-2006-6), el proyecto INNDISOL (IPT-420000-2010-6), ambos financiados porel Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (UE) ”Una manera de hacer Europa y el MICINN, y los proyectos de Plan Nacional AMIC (ENE2010-21384-C04-´ 02) y CLASICO (ENE2007-6772-C04-04), cuya financiaci��on ha permitido en gran parte llevar a t´ermino este trabajo Abstract In the last decade, the laser technology has turned into an indispensable tool in the production of photovoltaic devices, especially of those based on thin film technology. Regardless the current crisis in the sector, the evolution of these technologies in the upcoming years will keep taking advantage of the flexibility and process quality of the laser tool for the accomplishment of the two basic goals that will convert the photovoltaic energy into economically viable: the manufacture cost reduction and the increase in the efficiency of the devices. Amongst the thin film laser technologies, the technology of devices based on amorphous silicon has had a great development in standard systems of superstrate configuration, but its limited efficiency makes its survival de¬pendant on the development of formats in substrate configuration with low cost flexible materials. In this approach, the laser industrial solutions cur¬rently available for the monolithic interconnection are not applicable, and in the last few years the investigations have been focused on the search of appropriate solutions for the development of such interconnection processes in a way that the same are transferable to the industry. In this context, this Thesis proposes a totally original approach, proving the possibility of executing a full interconnection of these devices by means of irradiation from the film side, i.e., compatible with the substrate con¬figuration, and with UV laser sources. This result, obtained for the first time at international level in this work, provides a revealing knowledge of the true potential of these sources in the future industrial development of these technologies. Even though very probably the final industrial solution will require a combination of the use of UV sources along with other wave¬lengths, this Thesis and its novel approach contribute with a high value to the international community because of the originality of the approach, the partial results found throughout its development (out of which, a large number has appeared in JCR journals that currently accumulate a signifi��cant number of citations) and brings to light, with the pertinent scientific considerations, the intrinsic limitations that the selective direct ablation processes with UV laser present in the temporal range of interaction of ns and ps for part of the materials used in this study. More particularly, the three standard steps of interconnection (usually de¬nominated P1, P2 and P3 in the photovoltaic industry) have been developed and optimized, showing the advantages as well as the limitations of the use of UV sources in both the ns and ps pulse-width ranges. It is highly remark¬able, because of the success in the obtained results, the study of selective ablation processes in transparent conductive oxide (in this work used as a front and back contact), that has generated results, of excellent interna¬tional scientific reception, whose applications go beyond the scope of thin film photovoltaic technologies based on amorphous silicon. Moreover, in this Thesis, with the development of the mentioned goal, differ¬ent techniques of analysis of laser processes have been fine-tuned, basing the same in advanced methods for material characterization (like the combined use of EDX Analysis and Confocal Laser Scanning Microscopy) that can be presented as true breakthroughs in the development of specific techniques for characterization in the study of laser processes of selective ablation of materials in thin film technologies, processes that not only have impact in the photovoltaic field, but also in those of microelectronics, biotechnology, micro-fabrication, etc. As an additional outcome, part of the results of this work has been suc¬cessfully applied, by the investigation group to which the author belongs, to the development of processes of enormous interest within other photo¬voltaic technologies, such as the standard technologies on amorphous silicon over glass in superstrate configuration or the processing of thin layers in conventional technologies using crystalline silicon. Lastly, it is important to mention that this work has been possible thanks to the close cooperation between the Centro L´aser of the UPM, in which the author develops her work, and the Grupo de Silicio Depositado of Centro de Investigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas, CIEMAT, which, along with the Grupo de Energ´ıa Fotovoltaica of Univer¬sidad de Barcelona, has prepared the largest part of the samples utilized in this study. Such collaborations have been carried out in the context of several projects of applied investigation with public funding, like Proyecto Singular Estrat´egico PSE-MICROSIL08 (PSE-120000-2006-6), Proyecto IN-NDISOL (IPT-420000-2010-6), both funded by the European Regional De¬velopment Fund (ERDF), ”Una manera de hacer Europa” and MICINN, and the projects of Plan Nacional AMIC (ENE2010-21384-C04-02) and ´ CLASICO (ENE2007-6772-C04-04), whose funds have enabled the devel-opment of large part of this work.

Assessment of Underground Wine Cellars Using Geographic Information Technologies

Geographic information technologies (GIT) are essential to many fields of research, such as the preservation and dissemination of cultural heritage buildings, a category which includes traditional underground wine cellars. This article presents a methodology based on research carried out on this type of rural heritage building. The data were acquired using the following sensors: EDM, total station, close-range photogrammetry and laser scanning, and subsequently processed with a specific software which was verified for each case, in order to obtain a satisfactory graphic representation of these underground wine cellars. Two key aspects of this work are the accuracy of the data processing and the visualization of these traditional constructions. The methodology includes an application for geovisualizing these traditional constructions on mobile devices in order to contribute to raising awareness of this unique heritage.

Resources to introduce Inquire Based Scientic Education in Secondary and High School

The global Hands-on Universe association is producing and distributing free resources world- wide to implement Inquire Based Scienti?c Education (IBSE) at secondary and high school levels. The materials are inspired in astronomical research and space exploration. The association is implementing the Galileo Teacher Training Program world-wide. In this contribution, a summary on the most recent resources being implemented by HOU-Espa~na and developed with Spanish participation is presented.

LiDAR simulation in modelled orchards to optimise the use of terretrial laser scanners and derived vegetative measures

Light detection and ranging (LiDAR) technology is beginning to have an impact on agriculture. Canopy volume and/or fruit tree leaf area can be estimated using terrestrial laser sensors based on this technology. However, the use of these devices may have different options depending on the resolution and scanning mode. As a consequence, data accuracy and LiDAR derived parameters are affected by sensor configuration, and may vary according to vegetative characteristics of tree crops. Given this scenario, users and suppliers of these devices need to know how to use the sensor in each case. This paper presents a computer program to determine the best configuration, allowing simulation and evaluation of different LiDAR configurations in various tree structures (or training systems). The ultimate goal is to optimise the use of laser scanners in field operations. The software presented generates a virtual orchard, and then allows the scanning simulation with a laser sensor. Trees are created using a hidden Markov tree (HMT) model. Varying the foliar structure of the orchard the LiDAR simulation was applied to twenty different artificially created orchards with or without leaves from two positions (lateral and zenith). To validate the laser sensor configuration, leaf surface of simulated trees was compared with the parameters obtained by LiDAR measurements: the impacted leaf area, the impacted total area (leaves and wood), and th impacted area in the three outer layers of leaves.