Estimate of the total ice volume of Svalbard glaciers and their potential contribution to sea-level rise = Estimación del volumen de hielo de Svalbard y su contribución potencial a la subida del nivel del mar

El objetivo final de las investigaciones recogidas en esta tesis doctoral es la estimación del volumen de hielo total de los ms de 1600 glaciares de Svalbard, en el Ártico, y, con ello, su contribución potencial a la subida del nivel medio del mar en un escenario de calentamiento global. Los cálculos más exactos del volumen de un glaciar se efectúan a partir de medidas del espesor de hielo obtenidas con georradar. Sin embargo, estas medidas no son viables para conjuntos grandes de glaciares, debido al coste, dificultades logísticas y tiempo requerido por ellas, especialmente en las regiones polares o de montaña. Frente a ello, la determinación de áreas de glaciares a partir de imágenes de satélite sí es viable a escalas global y regional, por lo que las relaciones de escala volumen-área constituyen el mecanismo más adecuado para las estimaciones de volúmenes globales y regionales, como las realizadas para Svalbard en esta tesis. Como parte del trabajo de tesis, hemos elaborado un inventario de los glaciares de Svalbard en los que se han efectuado radioecosondeos, y hemos realizado los cálculos del volumen de hielo de más de 80 cuencas glaciares de Svalbard a partir de datos de georradar. Estos volúmenes han sido utilizados para calibrar las relaciones volumen-área desarrolladas en la tesis. Los datos de georradar han sido obtenidos en diversas campañas llevadas a cabo por grupos de investigación internacionales, gran parte de ellas lideradas por el Grupo de Simulación Numérica en Ciencias e Ingeniería de la Universidad Politécnica de Madrid, del que forman parte la doctoranda y los directores de tesis. Además, se ha desarrollado una metodología para la estimación del error en el cálculo de volumen, que aporta una novedosa técnica de cálculo del error de interpolación para conjuntos de datos del tipo de los obtenidos con perfiles de georradar, que presentan distribuciones espaciales con unos patrones muy característicos pero con una densidad de datos muy irregular. Hemos obtenido en este trabajo de tesis relaciones de escala específicas para los glaciares de Svalbard, explorando la sensibilidad de los parámetros a diferentes morfologías glaciares, e incorporando nuevas variables. En particular, hemos efectuado experimentos orientados a verificar si las relaciones de escala obtenidas caracterizando los glaciares individuales por su tamaño, pendiente o forma implican diferencias significativas en el volumen total estimado para los glaciares de Svalbard, y si esta partición implica algún patrón significativo en los parámetros de las relaciones de escala. Nuestros resultados indican que, para un valor constante del factor multiplicativo de la relacin de escala, el exponente que afecta al área en la relación volumen-área decrece según aumentan la pendiente y el factor de forma, mientras que las clasificaciones basadas en tamaño no muestran un patrón significativo. Esto significa que los glaciares con mayores pendientes y de tipo circo son menos sensibles a los cambios de área. Además, los volúmenes de la población total de los glaciares de Svalbard calculados con fraccionamiento en grupos por tamaño y pendiente son un 1-4% menores que los obtenidas usando la totalidad de glaciares sin fraccionamiento en grupos, mientras que los volúmenes calculados fraccionando por forma son un 3-5% mayores. También realizamos experimentos multivariable para obtener estimaciones óptimas del volumen total mediante una combinación de distintos predictores. Nuestros resultados muestran que un modelo potencial simple volumen-área explica el 98.6% de la varianza. Sólo el predictor longitud del glaciar proporciona significación estadística cuando se usa además del área del glaciar, aunque el coeficiente de determinación disminuye en comparación con el modelo más simple V-A. El predictor intervalo de altitud no proporciona información adicional cuando se usa además del área del glaciar. Nuestras estimaciones del volumen de la totalidad de glaciares de Svalbard usando las diferentes relaciones de escala obtenidas en esta tesis oscilan entre 6890 y 8106 km3, con errores relativos del orden de 6.6-8.1%. El valor medio de nuestras estimaciones, que puede ser considerado como nuestra mejor estimación del volumen, es de 7.504 km3. En términos de equivalente en nivel del mar (SLE), nuestras estimaciones corresponden a una subida potencial del nivel del mar de 17-20 mm SLE, promediando 19_2 mm SLE, donde el error corresponde al error en volumen antes indicado. En comparación, las estimaciones usando las relaciones V-A de otros autores son de 13-26 mm SLE, promediando 20 _ 2 mm SLE, donde el error representa la desviación estándar de las distintas estimaciones. ABSTRACT The final aim of the research involved in this doctoral thesis is the estimation of the total ice volume of the more than 1600 glaciers of Svalbard, in the Arctic region, and thus their potential contribution to sea-level rise under a global warming scenario. The most accurate calculations of glacier volumes are those based on ice-thicknesses measured by groundpenetrating radar (GPR). However, such measurements are not viable for very large sets of glaciers, due to their cost, logistic difficulties and time requirements, especially in polar or mountain regions. On the contrary, the calculation of glacier areas from satellite images is perfectly viable at global and regional scales, so the volume-area scaling relationships are the most useful tool to determine glacier volumes at global and regional scales, as done for Svalbard in this PhD thesis. As part of the PhD work, we have compiled an inventory of the radio-echo sounded glaciers in Svalbard, and we have performed the volume calculations for more than 80 glacier basins in Svalbard from GPR data. These volumes have been used to calibrate the volume-area relationships derived in this dissertation. Such GPR data have been obtained during fieldwork campaigns carried out by international teams, often lead by the Group of Numerical Simulation in Science and Engineering of the Technical University of Madrid, to which the PhD candidate and her supervisors belong. Furthermore, we have developed a methodology to estimate the error in the volume calculation, which includes a novel technique to calculate the interpolation error for data sets of the type produced by GPR profiling, which show very characteristic data distribution patterns but with very irregular data density. We have derived in this dissertation scaling relationships specific for Svalbard glaciers, exploring the sensitivity of the scaling parameters to different glacier morphologies and adding new variables. In particular, we did experiments aimed to verify whether scaling relationships obtained through characterization of individual glacier shape, slope and size imply significant differences in the estimated volume of the total population of Svalbard glaciers, and whether this partitioning implies any noticeable pattern in the scaling relationship parameters. Our results indicate that, for a fixed value of the factor in the scaling relationship, the exponent of the area in the volume-area relationship decreases as slope and shape increase, whereas size-based classifications do not reveal any clear trend. This means that steep slopes and cirque-type glaciers are less sensitive to changes in glacier area. Moreover, the volumes of the total population of Svalbard glaciers calculated according to partitioning in subgroups by size and slope are smaller (by 1-4%) than that obtained considering all glaciers without partitioning into subgroups, whereas the volumes calculated according to partitioning in subgroups by shape are 3-5% larger. We also did multivariate experiments attempting to optimally predict the volume of Svalbard glaciers from a combination of different predictors. Our results show that a simple power-type V-A model explains 98.6% of the variance. Only the predictor glacier length provides statistical significance when used in addition to the predictor glacier area, though the coefficient of determination decreases as compared with the simpler V-A model. The predictor elevation range did not provide any additional information when used in addition to glacier area. Our estimates of the volume of the entire population of Svalbard glaciers using the different scaling relationships that we have derived along this thesis range within 6890-8106 km3, with estimated relative errors in total volume of the order of 6.6-8.1% The average value of all of our estimates, which could be used as a best estimate for the volume, is 7,504 km3. In terms of sea-level equivalent (SLE), our volume estimates correspond to a potential contribution to sea-level rise within 17-20 mm SLE, averaging 19 _ 2 mm SLE, where the quoted error corresponds to our estimated relative error in volume. For comparison, the estimates using the V-A scaling relations found in the literature range within 13-26 mm SLE, averaging 20 _ 2 mm SLE, where the quoted error represents the standard deviation of the different estimates.

Alternativas al desalojo masivo. Una aplicacion metodologica del desarrollo a escala humana en Pikine, Dakar (Senegal)

El artículo presenta los resultados de un estudio de caso del proyecto en curso para construir una carretera del peaje entre Dakar y Diamniadio. El proyecto forma parte de la estrategia para la reducción de la pobreza de Senegal y en 2009 fue reconocida como buena práctica por el Banco Mundial. A pesar de este reconocimiento institucional, la carretera implica el desalojo de más de 30.000 personas y por lo tanto la destrucción de sus organizaciones sociales de apoyo mutuo. Los gobiernos africanos tienden a invertir sus escasos recursos en las principales zonas urbanas. Intentan de esta manera « conectarlas con el espacio global del negocio y de flujos financieros ». La gente local se ve forzada a irse, en lo que supone una agresión múltiple: no se beneficiarán en absoluto de las inversiones y de la revalorización del precio del suelo; pierden sus vínculos con la ciudad en una localización central. Además en el prooceso se rompen los movimientos de base, pues realojarán a la gente en diversos puntos lejanos de Dakar. En este contexto de la alta vulnerabilidad, en el cual las autoridades no tienen en cuenta a los habitantes más desfavorecidos, un grupo de ciudadanos se organizó para reclamar sus derechos, intentando evitar los desalojos. La investigación analiza este caso aplicando el efoque de desarrollo a escala humana en un proceso participativo. Los resultados demuestran que existen alternativas a partir de procesos locales que permiten satisfacer de una manera sinérgica las necesidades humanas del conjunto. Se puede haccer frente a la exclusión social y a la vulnerabilidad a través de un desarrollo endógeno. Si las instituciones se implican en el proceso podrían a su vez aumentar su legitimidad.

Aplicación de documentos de identificación electrónica a un esquema de voto telemático a escala paneuropea, seguro, auditable y verificable.

En este trabajo de tesis se propone un esquema de votación telemática, de carácter paneuropeo y transnacional, que es capaz de satisfacer las más altas exigencias en materia de seguridad. Este enfoque transnacional supone una importante novedad que obliga a identificar a los ciudadanos más allá de las fronteras de su país, exigencia que se traduce en la necesidad de que todos los ciudadanos europeos dispongan de una identidad digital y en que ésta sea reconocida más allá de las fronteras de su país de origen. Bajo estas premisas, la propuesta recogida en esta tesis se aborda desde dos vertientes complementarias: por una parte, el diseño de un esquema de votación capaz de conquistar la confianza de gobiernos y ciudadanos europeos y, por otra, la búsqueda de una respuesta al problema de interoperabilidad de Sistemas de Gestión de Identidad (IDMs), en consonancia con los trabajos que actualmente realiza la UE para la integración de los servicios proporcionados por las Administraciones Públicas de los distintos países europeos. El punto de partida de este trabajo ha sido la identificación de los requisitos que determinan el adecuado funcionamiento de un sistema de votación telemática para, a partir de ellos,proponer un conjunto de elementos y criterios que permitan, por una parte, establecer comparaciones entre distintos sistemas telemáticos de votación y, por otra, evaluar la idoneidad del sistema propuesto. A continuación se han tomado las más recientes y significativas experiencias de votación telemática llevadas a cabo por diferentes países en la automatización de sus procesos electorales, analizándolas en profundidad para demostrar que, incluso en los sistemas más recientes, todavía subsisten importantes deficiencias relativas a la seguridad. Asimismo, se ha constatado que un sector importante de la población se muestra receloso y, a menudo, cuestiona la validez de los resultados publicados. Por tanto, un sistema que aspire a ganarse la confianza de ciudadanos y gobernantes no sólo debe operar correctamente, trasladando los procesos tradicionales de votación al contexto telemático, sino que debe proporcionar mecanismos adicionales que permitan superar los temores que inspira el nuevo sistema de votación. Conforme a este principio, el enfoque de esta tesis, se orienta, en primer lugar, hacia la creación de pruebas irrefutables, entendibles y auditables a lo largo de todo el proceso de votación, que permitan demostrar con certeza y ante todos los actores implicados en el proceso (gobierno, partidos políticos, votantes, Mesa Electoral, interventores, Junta Electoral,jueces, etc.) que los resultados publicados son fidedignos y que no se han violado los principios de anonimato y de “una persona, un voto”. Bajo este planteamiento, la solución recogida en esta tesis no sólo prevé mecanismos para minimizar el riesgo de compra de votos, sino que además incorpora mecanismos de seguridad robustos que permitirán no sólo detectar posibles intentos de manipulación del sistema, sino también identificar cuál ha sido el agente responsable. De forma adicional, esta tesis va más allá y traslada el escenario de votación a un ámbito paneuropeo donde aparecen nuevos problemas. En efecto, en la actualidad uno de los principales retos a los que se enfrentan las votaciones de carácter transnacional es sin duda la falta de procedimientos rigurosos y dinámicos para la actualización sincronizada de los censos de votantes de los distintos países que evite la presencia de errores que redunden en la incapacidad de controlar que una persona emita más de un voto, o que se vea impedido del todo a ejercer su derecho. Este reconocimiento de la identidad transnacional requiere la interoperabilidad entre los IDMs de los distintos países europeos. Para dar solución a este problema, esta tesis se apoya en las propuestas emergentes en el seno de la UE, que previsiblemente se consolidarán en los próximos años, tanto en materia de identidad digital (con la puesta en marcha de la Tarjeta de Ciudadano Europeo) como con el despliegue de una infraestructura de gestión de identidad que haga posible la interoperabilidad de los IDMs de los distintos estados miembros. A partir de ellas, en esta tesis se propone una infraestructura telemática que facilita la interoperabilidad de los sistemas de gestión de los censos de los distintos estados europeos en los que se lleve a cabo conjuntamente la votación. El resultado es un sistema versátil, seguro, totalmente robusto, fiable y auditable que puede ser aplicado en elecciones paneuropeas y que contempla la actualización dinámica del censo como una parte crítica del proceso de votación. ABSTRACT: This Ph. D. dissertation proposes a pan‐European and transnational system of telematic voting that is capable of meeting the strictest security standards. This transnational approach is a significant innovation that entails identifying citizens beyond the borders of their own country,thus requiring that all European citizens must have a digital identity that is recognized beyond the borders of their country of origin. Based on these premises, the proposal in this thesis is analyzed in two mutually‐reinforcing ways: first, a voting system is designed that is capable of winning the confidence of European governments and citizens and, second, a solution is conceived for the problem of interoperability of Identity Management Systems (IDMs) that is consistent with work being carried out by the EU to integrate the services provided by the public administrations of different European countries. The starting point of this paper is to identify the requirements for the adequate functioning of a telematic voting system and then to propose a set of elements and criteria that will allow for making comparisons between different such telematic voting systems for the purpose of evaluating the suitability of the proposed system. Then, this thesis provides an in‐depth analysis of most recent significant experiences in telematic voting carried out by different countries with the aim of automating electoral processes, and shows that even the most recent systems have significant shortcomings in the realm of security. Further, a significant portion of the population has shown itself to be wary,and they often question the validity of the published results. Therefore, a system that aspires to win the trust of citizens and leaders must not only operate correctly by transferring traditional voting processes into a telematic environment, but must also provide additional mechanisms that can overcome the fears aroused by the new voting system. Hence, this thesis focuses, first, on creating irrefutable, comprehensible and auditable proof throughout the voting process that can demonstrate to all actors in the process – the government, political parties, voters, polling station workers, electoral officials, judges, etc. ‐that the published results are accurate and that the principles of anonymity and one person,one vote, have not been violated. Accordingly, the solution in this thesis includes mechanisms to minimize the risk of vote buying, in addition to robust security mechanisms that can not only detect possible attempts to manipulate the system, but also identify the responsible party. Additionally, this thesis goes one step further and moves the voting scenario to a pan‐European scale, in which new problems appear. Indeed, one of the major challenges at present for transnational voting processes is the lack of rigorous and dynamic procedures for synchronized updating of different countries’ voter rolls, free from errors that may make the system unable to keep an individual from either casting more than one vote, or from losing the effective exercise of the right to vote. This recognition of transnational identity requires interoperability between the IDMs of different European countries. To solve the problem, this thesis relies on proposals emerging within the EU that are expected to take shape in the coming years, both in digital identity – with the launch of the European Citizen Card – and in the deployment of an identity management infrastructure that will enable interoperability of the IDMs of different member states. Based on these, the thesis proposes a telematic infrastructure that will achieve interoperability of the census management systems of European states in which voting processes are jointly carried out. The result is a versatile, secure, totally robust, reliable and auditable system that can be applied in pan‐European election, and that includes dynamic updating of the voter rolls as a critical part of the voting process.

Estudio en modelo físico a escala reducida de la viabilidad del empleo de buques fondeados como diques flotantes para abrigo portuario y defensa de costas

Los diques flotantes son estructuras que atenúan la energía del oleaje fundamentalmente por reflexión y turbulencia. Aunque presentan importantes ventajas en términos constructivos y medioambientales, su efectividad es limitada y en la práctica sólo se emplean en condiciones climáticas propias de zonas con oleajes poco energéticos. Por otro lado, el buque es la estructura flotante por excelencia y su empleo para el abrigo portuario y costero en determinadas situaciones puede aportar las ventajas propias de los diques flotantes, al tiempo que ampliar el rango de oleajes frente a los que estas estructuras son efectivas. El propósito de esta Tesis Doctoral es evaluar la viabilidad del empleo de buques fondeados como diques flotantes para el abrigo portuario y costero. Para ello, se han realizado ensayos en modelo físico a escala reducida en un canal de oleaje del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC), con el objeto de determinar los coeficientes de transmisión (Ct), reflexión (Cr) y disipación (Cd) de barcos de diversas tipologías y dimensiones, sometidos a diferentes oleajes en distintas situaciones de carga, fondeo y profundidad del emplazamiento. La efectividad de los buques empleados en los ensayos se ha determinado mediante el análisis de dichos coeficientes y su variación con la altura de ola y el periodo de los oleajes incidentes. Además, se han registrado las fuerzas existentes en las cadenas de fondeo con objeto de comprobar la viabilidad del mismo y facilitar una estimación del diámetro de las cadenas que serían necesarias en cada situación. Posteriormente, se han aplicado los resultados obtenidos en los ensayos en modelo físico reducido a dos situaciones de abrigo portuario y costero. La primera aplicación consiste en el empleo de buques como defensa temporal en fases constructivas por medios marítimos, partiendo de la hipótesis de que, actuando como diques flotantes, puede proteger la zona de la obra y ampliar las ventanas temporales de periodos de actividad en obra marítima. Las actividades que se han analizado son las de dragado de fondos, vertidos de material granular y transporte y fondeo de cajones flotantes para diques y muelles. La segunda aplicación estudiada es el empleo de buques para la protección costera y la formación de salientes y tómbolos. Los coeficientes de transmisión obtenidos se han introducido en formulaciones analíticas que permiten prever la evolución de la costa frente a la protección procurada por el buque actuando como dique flotante exento. Finalmente se han redactado las conclusiones de la investigación y se han propuesto nuevas líneas de investigación relacionadas con esta Tesis Doctoral. Floating breakwaters are structures which attenuate wave energy mainly by reflection and turbulence. They display advantages in terms of construction and ecology, amongst others. However, their use is restricted in practice to certain areas with good climatic conditions and low energy waves. Moreover, ships are the most common floating structures and their use for port and coastal shelter in certain situations could widen the range of applicability in addition to the rest of advantages of floating breakwaters. The purpose of this research is to assess the feasibility of ships anchored as floating breakwaters for port and coastal protection. To that end, tests in a scaled down physical model have been conducted in a wave flume in the Centre of Port and Coastal Studies (CEPYC), in order to determine the transmission (Ct), reflection (Cr) and dissipation (Cd) coefficients of ships of diverse types and dimensions, under different wave, load, anchoring and depth conditions. The effectiveness of the several ships used in the tests has been determined by analyzing these coefficients and their variation with the wave height and period of the incident waves. In addition, the existing forces in the anchor chains have been registered to verify the feasibility of the anchoring systems, as well as to provide an estimation of the diameter of the chains that would be needed in each situation. Subsequently, the results of the tests have been applied to two situations of port and coastal protection. The first one is the use of ships as a temporary defense for maritime works with construction phases by maritime means, on the assumption that, acting as floating breakwaters, they can protect the work area and increase the time windows of periods of activity in maritime works. Dredging, dumping of granular material and transport and positioning of big concrete caissons for docks and breakwaters were the activities analyzed. The second situation is the use of ships for coastal protection and forming salients of sand or tombolos. Some analytical formulations which take into account the transmission coefficients from the tests have been used to predict the evolution of the coastline under the protection given by the ships acting as detached floating breakwaters. Finally, the conclusions of the research have been addressed and the proposal of new lines of work related to the topic has been made.

Evaluación de modelos multivariados para la simulación estocástica de lluvia a escala diaria

La obtención de leyes de frecuencia de caudales de avenida mediante simulación hidrometeorológica requiere de la extensión de las series observadas de lluvia mediante series sintéticas que conserven sus propiedades extremales. Para cuencas pequeñas, cuya lluvia media pueda asimilarse a la registrada en un único pluviómetro, existen varios modelos puntuales que pueden realizar eficazmente la tarea. En el caso de cuencas medianas y grandes, deben utilizarse modelos multivariados, cuya calibración es más difícil que en el caso univariado. El objetivo de este trabajo es la simulación estocástica de lluvias a escala a través del empleo de un modelo multivariado en el tiempo y en el espacio. Para ello se ha empleado el programa Rainsim, que se basa en el modelo espacio-temporal de Neyman-Scott de pulsos rectangulares (e.g. Coperwait et al., 2002; Fowler et al., 2005; Burton et al., 2008). A partir de series históricas de lluvias se obtienen sus estadísticos, con los que se ajustan los parámetros del modelo para poder generar largas series de precipitaciones. En el trabajo se ha empleado el modelo Rainsim en un caso univariado y otro multivariado con tres pluviómetros, y se han comparado los resultados. El caso univariado es el embalse de Alloz, situado en la cuenca del Ebro, que cuenta con un pluviómetro con una serie histórica de 43 años con paso diario. En el caso multivariado se ha trabajado con el embalse de Fuensanta, situado en la cuenca del Segura, donde se escogieron tres pluviómetros (Gontar, Arguellite y Siles), que cuentan con series de datos de precipitación diaria de 31, 42 y 22 años. En los trabajos realizados se han obtenido resultados muy satisfactorios para el modelo puntual de un pluviómetro estudiado en la cuenca de Alloz, el comparar el comportamiento extremal de los datos observados y los datos simulados. En cuanto al modelo multivariado, los datos simulados presentan un comportamiento no tan acertado como en el caso univariado.

Influencia del viento en los ensayos de rebase en modelo físico a escala reducida = Wind effect on wave overtopping in physical model test

El artículo que se presenta a continuación recoge la ampliación de una investigación previa sobre los rebases en los espaldones de los diques verticales y en talud. Para ello se han realizado una serie de ensayos en modelo físico a escala reducida sobre la sección vertical del Dique de Levante de Málaga, cuyo objeto principal fue analizar el efecto del viento en el rebase. Los ensayos se han realizado generando oleaje con y sin viento, comparando los resultados obtenidos en cada una de las dos situaciones y se han llevado a cabo en el Canal de Oleaje y Viento de Gran Escala existente en el Laboratorio de Experimentación Marítima del Centro de Estudios de Puertos y Costas del CEDEX. The purpose of the research work as summarised in this article, resulting from diverse work carried out at the CEDEX, is to make an analysis of the influence of wind effects on the wave overtopping of vertical sea-walls. The results obtained in the Málaga´s Levante breakwater tests are presented here. The test was carried out in large sized facilities where waves and wind are generated.

Gestión de conflictos a escala humana para el desarrollo: marco de análisis para la red estratégica del semiárido

El mejor proceso de desarrollo es el que permite elevar más la calidad de vida de las personas, lo que implica la satisfacción adecuada de sus necesidades humanas fundamentales, garantizando el ambiente necesario para que puedan desarrollar sus potencialidades, no obstante, las diferencias, incompatibilidades y oposiciones que supone dicho proceso tienden a generar situaciones de tensión que pueden derivarse en conflictos. Por ello, este trabajo persigue la finalidad de construir un marco de análisis para una efectiva gestión de conflictos a escala humana, integrando tres enfoques: intercultural, sostenible y basado en derechos humanos, identificando elementos que fortalezcan la aplicación de la metodología de diálogo social y gestión de conflictos del Instituto Brasileño de Desarrollo y Sostenibilidad- IABS en las acciones que adelanta la Red Estratégica del Semiárido brasileño. Para las situaciones de conflicto, se propone a esta red comprenderlos para promover el empleo de medios pacíficos y constructivos de cara a lograr que los actores del desarrollo en la región, puedan llegar a obtener resultados sostenibles que les sean mutuamente beneficiosos respetando los aspectos que los diferencian, proyectando la gestión como un proceso que construye opciones para que las personas puedan satisfacer sinérgicamente sus necesidades e intereses, de forma individual y colectiva.

Sistemas de ayuda al diagnóstico y reconocimiento de microcalcificaciones en mamografía mediante descriptores de escala y redes jerárquicas

La presente Tesis investiga el campo del reconocimiento automático de imágenes mediante ordenador aplicado al análisis de imágenes médicas en mamografía digital. Hay un interés por desarrollar sistemas de aprendizaje que asistan a los radiólogos en el reconocimiento de las microcalcificaciones para apoyarles en los programas de cribado y prevención del cáncer de mama. Para ello el análisis de las microcalcificaciones se ha revelado como técnica clave de diagnóstico precoz, pero sin embargo el diseño de sistemas automáticos para reconocerlas es complejo por la variabilidad y condiciones de las imágenes mamográficas. En este trabajo se analizan los planteamientos teóricos de diseño de sistemas de reconocimiento de imágenes, con énfasis en los problemas específicos de detección y clasificación de microcalcificaciones. Se ha realizado un estudio que incluye desde las técnicas de operadores morfológicos, redes neuronales, máquinas de vectores soporte, hasta las más recientes de aprendizaje profundo mediante redes neuronales convolucionales, contemplando la importancia de los conceptos de escala y jerarquía a la hora del diseño y sus implicaciones en la búsqueda de la arquitectura de conexiones y capas de la red. Con estos fundamentos teóricos y elementos de diseño procedentes de otros trabajos en este área realizados por el autor, se implementan tres sistemas de reconocimiento de mamografías que reflejan una evolución tecnológica, culminando en un sistema basado en Redes Neuronales Convolucionales (CNN) cuya arquitectura se diseña gracias al análisis teórico anterior y a los resultados prácticos de análisis de escalas llevados a cabo en nuestra base de datos de imágenes. Los tres sistemas se entrenan y validan con la base de datos de mamografías DDSM, con un total de 100 muestras de entrenamiento y 100 de prueba escogidas para evitar sesgos y reflejar fielmente un programa de cribado. La validez de las CNN para el problema que nos ocupa queda demostrada y se propone un camino de investigación para el diseño de su arquitectura. ABSTRACT This Dissertation investigates the field of computer image recognition applied to medical imaging in mammography. There is an interest in developing learning systems to assist radiologists in recognition of microcalcifications to help them in screening programs for prevention of breast cancer. Analysis of microcalcifications has emerged as a key technique for early diagnosis of breast cancer, but the design of automatic systems to recognize them is complicated by the variability and conditions of mammographic images. In this Thesis the theoretical approaches to design image recognition systems are discussed, with emphasis on the specific problems of detection and classification of microcalcifications. Our study includes techniques ranging from morphological operators, neural networks and support vector machines, to the most recent deep convolutional neural networks. We deal with learning theory by analyzing the importance of the concepts of scale and hierarchy at the design stage and its implications in the search for the architecture of connections and network layers. With these theoretical facts and design elements coming from other works in this area done by the author, three mammogram recognition systems which reflect technological developments are implemented, culminating in a system based on Convolutional Neural Networks (CNN), whose architecture is designed thanks to the previously mentioned theoretical study and practical results of analysis conducted on scales in our image database. All three systems are trained and validated against the DDSM mammographic database, with a total of 100 training samples and 100 test samples chosen to avoid bias and stand for a real screening program. The validity of the CNN approach to the problem is demonstrated and a research way to help in designing the architecture of these networks is proposed.

Estudio de los factores que condicionan, a escala local, la presencia de Epidendrum rhopalostele (Orchidaceae): Implicaciones para su conservación

El análisis de los factores que determinan el establecimiento y supervivencia de orquídeas epífitas, incluyen: a) las condiciones microambientales de los bosques que las mantienen, b) preferencias por las características de los hospederos donde crecen, c) limitación en la dispersión de semillas, d) interacciones planta-planta, y e) asociaciones micorrízicas para la germinación y resultan esenciales para el desarrollo de estrategias para la conservación y manejo de este grupo de plantas. Este trabajo ha evaluado la importancia de estos factores en Epidendrum rhopalostele, orquídea epífita del bosque de niebla montano, a través de los análisis de los patrones espaciales de los árboles que la portan y de la propia orquídea, a escala de población, estudios de asociación y métodos moleculares. Estos últimos han consistido en el uso de marcadores AFLP para el análisis de la estructura genética de la orquídea y en la secuenciación-clonación de la región ITS para la identificación de los hongos micorrízicos asociados. El objetivo de esta tesis es, por tanto, una mejor comprensión de los factores que condicionan la presencia de orquídeas epífitas en los remanentes de bosque de niebla montano y una evaluación de las implicaciones para la conservación y mantenimiento de sus hábitats y la permanencia de sus poblaciones. El estudio fue realizado en un fragmento de bosque de niebla montano de sucesión secundaria situado al este de la Cordillera Real, en los Andes del sur de Ecuador, a 2250 m.s.n.m y caracterizado por una pendiente marcada, temperatura media anual de 20.8°C y precipitación anual de 2193 mm. En este fragmento se mapearon, identificaron y caracterizaron todos los árboles presentes con DBH > 1 cm y todos los individuos de Epidendrum rhopalostele. Así mismo se tomaron muestras de hoja para obtener ADN de todas las orquídeas registradas y muestras de raíces de individuos con flor de E. rhopalostele, uno por cada forófito, para el análisis filogenético de micorrizas. Análisis espaciales de patrones de puntos basados en la K de Ripley y la distancia al vecino más cercano fueron usados para los árboles, forófitos y la población de E. rhopalostele. Se observó que la distribución espacial de árboles y forófitos de E. rhopalostele no es aleatoria, ya que se ajusta a un proceso agregado de Poisson. De ahí se infiere una limitación en la dispersión de las semillas en el fragmento estudiado y en el establecimiento de la orquídea. El patrón de distribución de la población de E. rhopalostele en el fragmento muestra un agrupamiento a pequeña escala sugiriendo una preferencia por micro-sitios para el establecimiento de la orquídea con un kernel de dispersión de las semillas estimado de 0.4 m. Las características preferentes del micro-sitio como tipos de árboles (Clusia alata y árboles muertos), tolerancia a la sombra, corteza rugosa, distribución en los dos primeros metros sugieren una tendencia a distribuirse en el sotobosque. La existencia de una segregación espacial entre adultos y juveniles sugiere una competencia por recursos limitados condicionada por la preferencia de micro-sitio. La estructura genética de la población de E. rhopalostele analizada a través de Structure y PCoA evidencia la presencia de dos grupos genéticos coexistiendo en el fragmento y en los mismos forófitos, posiblemente por eventos de hibridización entre especies de Epidendrum simpátricas. Los resultados del análisis de autocorrelación espacial efectuados en GenAlex confirman una estructura genético-espacial a pequeña escala que es compatible con un mecanismo de dispersión de semillas a corta distancia ocasionada por gravedad o pequeñas escorrentías, frente a la dispersión a larga distancia promovida por el viento generalmente atribuida a las orquídeas. Para la identificación de los micobiontes se amplificó la región ITS1-5.8S-ITS2, y 47 secuencias fueron usadas para el análisis filogenético basado en neighborjoining, análisis bayesiano y máximum-likelihood que determinó que Epidendrum rhopalostele establece asociaciones micorrízicas con al menos dos especies diferentes de Tulasnella. Se registraron plantas que estaban asociadas con los dos clados de hongos encontrados, sugiriendo ausencia de limitación en la distribución del hongo. Con relación a las implicaciones para la conservación in situ resultado de este trabajo se recomienda la preservación de todo el fragmento de bosque así como de las interacciones existentes (polinizadores, micorrizas) a fin de conservar la diversidad genética de esta orquídea epífita. Si fuere necesaria una reintroducción se deben contemplar distancias entre los individuos en cada forófito dentro de un rango de 0.4 m. Para promover el reclutamiento y regeneración de E. rhopalostele, se recomienda que los forófitos correspondan preferentemente a árboles muertos o caídos y a especies, como Clusia alata, que posean además corteza rugosa, sean tolerantes a la sombra, y en el área del sotobosque con menor luminosidad. Además es conveniente que las orquídeas en su distribución vertical estén ubicadas en los primeros metros. En conclusión, la limitación en la dispersión, las características del micro-sitio, las interacciones intraespecíficas y con especies congenéricas simpátricas y las preferencias micorrízicas condicionan la presencia de esta orquídea epífita en este tipo de bosque. ABSTRACT The analysis of factors that determine the establishment and survival of epiphytic depends on factors such as a) microenvironmental conditions of forest, b) preference for host characteristics where orchids grow, c) seed dispersal limitation, d) plant-plant interaction, e) priority mycorrhizal associations for germination, are essential for the development of strategies for management and conservation. This work evaluated the importance of these factors in Epidendrum rhopalostele, an epiphytic orchid of montane cloud forest through the analysis of spatial patterns of host trees and the orchid, in a more specific scale, with association studies and molecular methods, including AFLPs for orchid population genetic structure and the sequencing of the ITS region for associated mycorrhizal fungi. The aim of this thesis is to understand the factors that condition the presence of epiphytic orchids in the remnants of montane cloud forest and to assess the implications for the conservation and preservation of their habitats and the persistence of the orchid populations. The study was carried out in a fragment of montane cloud forest of secondary succession on the eastern slope of Cordillera Real in the Andes of southern Ecuador, located at 2250 m a.s.l. characterized by a steep slope, mean annual temperature of 20.8°C and annual precipitation of 2193 mm. All trees with DBH > 1 cm were mapped, characterized and identified. All E. rhopalostele individuals present were counted, marked, characterized and mapped. Leaf samples of all orchid individuals were collected for DNA analysis. Root samples of flowering E. rhopalostele individuals were collected for phylogenetic analysis of mycorrhizae, one per phorophyte. Spatial point pattern analysis based on Ripley`s K function and nearest neighbor function was used for trees, phorophytes and orchid population. We observed that spatial distribution of trees and phorophytes is not random, as it adjusts to a Poisson cluster process. This suggests a limitation for seed dispersal in the study fragment that is affecting orchid establishment. Furthermore, the small-scale spatial pattern of E. rhopalostele evidences a clustering that suggests a microsite preference for orchid establishment with a dispersal kernel of 0.4 m. Microsite features such as types of trees (dead trees or Clusia alata), shade tolerance trees, rough bark, distribution in the first meters suggest a tendency to prefer the understory for their establishment. Regarding plant-plant interaction a spatial segregation between adults and juveniles was present suggesting competition for limited resources conditioned for a microsite preference. Analysis of genetic structure of E. rhopalostele population through Structure and PCoA shows two genetic groups coexisting in this fragment and in the same phorophyte, possibly as a result of hybridization between sympatric species of Epidendrum. Our results of spatial autocorrelation analysis develop in GenAlex confirm a small-scale spatial-genetic structure within the genetic groups that is compatible with a short-distance dispersal mechanism caused by gravity or water run-off, instead of the long-distance seed dispersal promoted by wind generally attributed to orchids. For mycobionts identification ITS1-5.8S-ITS2 rDNA region was amplified. Phylogenetic analysis was performed with neighborjoining, Bayesian likelihood and maximum-likelihood for 47 sequences yielded two Tulasnella clades. This orchid establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. In some cases both fungi clades were present in same root, suggesting no limitation in fungal distribution. Concerning the implications for in situ conservation resulting from this work, the preservation of all forest fragment and their interactions (pollinators, mycorrhiza) is recommended to conserve the genetic diversity of this species. If a reintroduction were necessary, distances between individuals in each phorophyte within a range of 0.4 m, are recommended. To promote recruitment and regeneration of E. rhopalostele it is recommended that phorophytes correspond to dead or fallen trees or species, such as Clusia alata. Trees that have rough bark and are shade tolerant are also recommended. Furthermore, regarding vertical distribution, it is also convenient that orchids are located in the first meter (in understory, area with less light). In conclusion, limitation on seed dispersal, microsite characteristics, plant-plant interactions or interaction with cogeneric sympatric species and mycorrhizal preferences conditioned the presence of this epiphytic orchid in this fragment forest.