Analysis, modelling and visualisation of spatiotemporal data for urban studies

The proportion of population living in or around cites is more important than ever. Urban sprawl and car dependence have taken over the pedestrian-friendly compact city. Environmental problems like air pollution, land waste or noise, and health problems are the result of this still continuing process. The urban planners have to find solutions to these complex problems, and at the same time insure the economic performance of the city and its surroundings. At the same time, an increasing quantity of socio-economic and environmental data is acquired. In order to get a better understanding of the processes and phenomena taking place in the complex urban environment, these data should be analysed. Numerous methods for modelling and simulating such a system exist and are still under development and can be exploited by the urban geographers for improving our understanding of the urban metabolism. Modern and innovative visualisation techniques help in communicating the results of such models and simulations. This thesis covers several methods for analysis, modelling, simulation and visualisation of problems related to urban geography. The analysis of high dimensional socio-economic data using artificial neural network techniques, especially self-organising maps, is showed using two examples at different scales. The problem of spatiotemporal modelling and data representation is treated and some possible solutions are shown. The simulation of urban dynamics and more specifically the traffic due to commuting to work is illustrated using multi-agent micro-simulation techniques. A section on visualisation methods presents cartograms for transforming the geographic space into a feature space, and the distance circle map, a centre-based map representation particularly useful for urban agglomerations. Some issues on the importance of scale in urban analysis and clustering of urban phenomena are exposed. A new approach on how to define urban areas at different scales is developed, and the link with percolation theory established. Fractal statistics, especially the lacunarity measure, and scale laws are used for characterising urban clusters. In a last section, the population evolution is modelled using a model close to the well-established gravity model. The work covers quite a wide range of methods useful in urban geography. Methods should still be developed further and at the same time find their way into the daily work and decision process of urban planners. La part de personnes vivant dans une région urbaine est plus élevé que jamais et continue à croître. L'étalement urbain et la dépendance automobile ont supplanté la ville compacte adaptée aux piétons. La pollution de l'air, le gaspillage du sol, le bruit, et des problèmes de santé pour les habitants en sont la conséquence. Les urbanistes doivent trouver, ensemble avec toute la société, des solutions à ces problèmes complexes. En même temps, il faut assurer la performance économique de la ville et de sa région. Actuellement, une quantité grandissante de données socio-économiques et environnementales est récoltée. Pour mieux comprendre les processus et phénomènes du système complexe "ville", ces données doivent être traitées et analysées. Des nombreuses méthodes pour modéliser et simuler un tel système existent et sont continuellement en développement. Elles peuvent être exploitées par le géographe urbain pour améliorer sa connaissance du métabolisme urbain. Des techniques modernes et innovatrices de visualisation aident dans la communication des résultats de tels modèles et simulations. Cette thèse décrit plusieurs méthodes permettant d'analyser, de modéliser, de simuler et de visualiser des phénomènes urbains. L'analyse de données socio-économiques à très haute dimension à l'aide de réseaux de neurones artificiels, notamment des cartes auto-organisatrices, est montré à travers deux exemples aux échelles différentes. Le problème de modélisation spatio-temporelle et de représentation des données est discuté et quelques ébauches de solutions esquissées. La simulation de la dynamique urbaine, et plus spécifiquement du trafic automobile engendré par les pendulaires est illustrée à l'aide d'une simulation multi-agents. Une section sur les méthodes de visualisation montre des cartes en anamorphoses permettant de transformer l'espace géographique en espace fonctionnel. Un autre type de carte, les cartes circulaires, est présenté. Ce type de carte est particulièrement utile pour les agglomérations urbaines. Quelques questions liées à l'importance de l'échelle dans l'analyse urbaine sont également discutées. Une nouvelle approche pour définir des clusters urbains à des échelles différentes est développée, et le lien avec la théorie de la percolation est établi. Des statistiques fractales, notamment la lacunarité, sont utilisées pour caractériser ces clusters urbains. L'évolution de la population est modélisée à l'aide d'un modèle proche du modèle gravitaire bien connu. Le travail couvre une large panoplie de méthodes utiles en géographie urbaine. Toutefois, il est toujours nécessaire de développer plus loin ces méthodes et en même temps, elles doivent trouver leur chemin dans la vie quotidienne des urbanistes et planificateurs.

Social network architecture and the maintenance of deleterious cultural traits.

How have changes in communications technology affected the way that misinformation spreads through a population and persists? To what extent do differences in the architecture of social networks affect the spread of misinformation, relative to the rates and rules by which individuals transmit or eliminate different pieces of information (cultural traits)? Here, we use analytical models and individual-based simulations to study how a 'cultural load' of misinformation can be maintained in a population under a balance between social transmission and selective elimination of cultural traits with low intrinsic value. While considerable research has explored how network architecture affects percolation processes, we find that the relative rates at which individuals transmit or eliminate traits can have much more profound impacts on the cultural load than differences in network architecture. In particular, the cultural load is insensitive to correlations between an individual's network degree and rate of elimination when these quantities vary among individuals. Taken together, these results suggest that changes in communications technology may have influenced cultural evolution more strongly through changes in the amount of information flow, rather than the details of who is connected to whom.

Emergence of Swiss metropole and scaling properties of urban clusters

Defining the limits of an urban agglomeration is essential both for fundamental and applied studies in quantitative and theoretical geography. A simple and consistent way for defining such urban clusters is important for performing different statistical analysis and comparisons. Traditionally, agglomerations are defined using a rather qualitative approach based on various statistical measures. This definition varies generally from one country to another, and the data taken into account are different. In this paper, we explore the use of the City Clustering Algorithm (CCA) for the agglomeration definition in Switzerland. This algorithm provides a systemic and easy way to define an urban area based only on population data. The CCA allows the specification of the spatial resolution for defining the urban clusters. The results from different resolutions are compared and analysed, and the effect of filtering the data investigated. Different scales and parameters allow highlighting different phenomena. The study of Zipf's law using the visual rank-size rule shows that it is valid only for some specific urban clusters, inside a narrow range of the spatial resolution of the CCA. The scale where emergence of one main cluster occurs can also be found in the analysis using Zipf's law. The study of the urban clusters at different scales using the lacunarity measure - a complementary measure to the fractal dimension - allows to highlight the change of scale at a given range.

The fixation of the cemented femoral component. Effects of stem stiffness, cement thickness and roughness of the cement-bone surface.

After cemented total hip arthroplasty (THA) there may be failure at either the cement-stem or the cement-bone interface. This results from the occurrence of abnormally high shear and compressive stresses within the cement and excessive relative micromovement. We therefore evaluated micromovement and stress at the cement-bone and cement-stem interfaces for a titanium and a chromium-cobalt stem. The behaviour of both implants was similar and no substantial differences were found in the size and distribution of micromovement on either interface with respect to the stiffness of the stem. Micromovement was minimal with a cement mantle 3 to 4 mm thick but then increased with greater thickness of the cement. Abnormally high micromovement occurred when the cement was thinner than 2 mm and the stem was made of titanium. The relative decrease in surface roughness augmented slipping but decreased debonding at the cement-bone interface. Shear stress at this site did not vary significantly for the different coefficients of cement-bone friction while compressive and hoop stresses within the cement increased slightly.

Biomechanical concept and clinical outcome of dual mobility cups

La luxation d'une prothèse totale de la hanche est une complication majeure en termes de morbidité pour le patient et des coûts pour le système de santé. Cette complication est retrouvée entre 2 à 3% selon les séries (1-3) pour des prothèses primaires, et beaucoup plus élevée suite à des révisions. Pour remédier à ce problème, des systèmes de prothèses contraintes sont une option, cependant associés à des descellements fréquents entre 10 à 26 % selon les séries (4-6). Ces échecs étant en partie expliqués par une usure rapide des surfaces de frottements due aux fortes contraintes, mais également par les contraintes cupule-os occasionnant des descellements mécaniques (7). Par conséquent, pour augmenter la stabilité, tout en évitant les contraintes sur le couple de frottement, Bousquet développe, en 1976, une prothèse totale de hanche « à double mobilité ». Ce système consiste à combiner deux articulations apparentes, premièrement une tête métallique dans un insert de polyéthylène, articulé lui- même dans la concavité d'une cupule métallique fixée au bassin. En tant que tel, ce système biomécanique réduirait en théorie le risque de luxation. Dès lors, on aperçoit depuis environ 15 ans une augmentation progressive de l'utilisation de ce type d'implants que ce soit comme implant primaire ou secondaire, chez des patients jeunes ou âgés. Cependant, des études in vitro, ont montré que des grandes surfaces de friction sont associées à une augmentation de l'usure du polyéthylène (8). En revanche, les données sur la cinématique et l'usure, in vivo, de ce type d'implant étaient jusqu'alors limitées. Depuis quelques années, un certain nombre d'études cliniques avec un follow up significatif ont été publiées. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES FUTURES La prothèse totale de hanche à double mobilité, développée par Bousquet dans les années 1970, est un concept novateur dans l'arthroplastie totale de hanche. Depuis sa première conception, de nombreuses améliorations ont été adoptées. Cependant, ses effets à long terme sur la survie de l'implant doivent encore être effectué. Certes, des études ont montré un net effet sur la réduction du taux de luxation des prothèses primaires, lors de révision ou après résection tumorale. Toutefois, compte tenu des données limitées à long terme sur le taux d'usure et le descellement aseptique, il convient d'utiliser ce type d'implant avec prudence, en particulier lors d'arthroplastie primaire chez des patients jeunes.