Towards a resolution of conflicting models of illusory contour processing in humans.

Despite myriad studies, neurophysiologic mechanisms mediating illusory contour (IC) sensitivity remain controversial. Among the competing models one favors feed-forward effects within lower-tier cortices (V1/V2). Another situates IC sensitivity first within higher-tier cortices, principally lateral-occipital cortices (LOC), with later feedback effects in V1/V2. Still others postulate that LOC are sensitive to salient regions demarcated by the inducing stimuli, whereas V1/V2 effects specifically support IC sensitivity. We resolved these discordances by using misaligned line gratings, oriented either horizontally or vertically, to induce ICs. Line orientation provides an established assay of V1/V2 modulations independently of IC presence, and gratings lack salient regions. Electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials (VEPs) disambiguated the relative timing and localization of IC sensitivity with respect to that for grating orientation. Millisecond-by-millisecond analyses of VEPs and distributed source estimations revealed a main effect of grating orientation beginning at 65 ms post-stimulus onset within the calcarine sulcus that was followed by a main effect of IC presence beginning at 85 ms post-stimulus onset within the LOC. There was no evidence for differential processing of ICs as a function of the orientation of the grating. These results support models wherein IC sensitivity occurs first within the LOC.

Computational problems in perfect phylogeny haplotyping: typing without calling the allele.

A haplotype is an m-long binary vector. The XOR-genotype of two haplotypes is the m-vector of their coordinate-wise XOR. We study the following problem: Given a set of XOR-genotypes, reconstruct their haplotypes so that the set of resulting haplotypes can be mapped onto a perfect phylogeny (PP) tree. The question is motivated by studying population evolution in human genetics, and is a variant of the perfect phylogeny haplotyping problem that has received intensive attention recently. Unlike the latter problem, in which the input is "full" genotypes, here we assume less informative input, and so may be more economical to obtain experimentally. Building on ideas of Gusfield, we show how to solve the problem in polynomial time, by a reduction to the graph realization problem. The actual haplotypes are not uniquely determined by that tree they map onto, and the tree itself may or may not be unique. We show that tree uniqueness implies uniquely determined haplotypes, up to inherent degrees of freedom, and give a sufficient condition for the uniqueness. To actually determine the haplotypes given the tree, additional information is necessary. We show that two or three full genotypes suffice to reconstruct all the haplotypes, and present a linear algorithm for identifying those genotypes.

A fast 3D approach for coronary MRA.

Two-dimensional (2D)-breath-hold coronary magnetic resonance angiography (MRA) has been shown to be a fast and reliable method to depict the proximal coronary arteries. Recent developments, however, allow for free-breathing navigator gated and navigator corrected three-dimensional (3D) coronary MRA. These 3D approaches have potential for improved signal-to-noise ratio (SNR) and allow for the acquisition of adjacent thin slices without the misregistration problems known from 2D approaches. Still, a major impediment of a 3D acquisition is the increased scan time. The purpose of this study was the implementation of a free-breathing navigator gated and corrected ultra-fast 3D coronary MRA technique, which allows for scan times of less than 5 minutes. Twelve healthy adult subjects were examined in the supine position using a navigator gated and corrected ECG triggered ultra-fast 3D interleaved gradient echo planar imaging sequence (TFE-EPI). A 3D slab, consisting of 20 slices with a reconstructed slice thickness of 1.5 mm, was acquired with free-breathing. The diastolic TFE-EPI acquisition block was preceded by a T2prep pre-pulse, a diaphragmatic navigator pulse, and a fat suppression pre-pulse. With a TR of 19 ms and an effective TE of 5.4 ms, the duration of the data acquisition window duration was 38 ms. The in-plane spatial resolution was 1.0-1.3 mm*1.5-1.9 mm. In all cases, the entire left main (LM) and extensive portions of the left anterior descending (LAD) and right coronary artery (RCA) could be visualized with an average scan time for the entire 3D-volume data set of 2:57 +/- 0:51 minutes. Average contiguous vessel length visualized was 53 +/- 11 mm (range: 42 to 75 mm) for the LAD and 84 +/- 14 mm (range: 62 to 112 mm) for the RCA. Contrast-to-noise between coronary blood and myocardium was 5.0 +/- 2.3 for the LM/LAD and 8.0 +/- 2.9 for the RCA, resulting in an excellent suppression of myocardium. We present a new approach for free-breathing 3D coronary MRA, which allows for scan times superior to corresponding 2D coronary MRA approaches, and which takes advantage of the enhanced SNR of 3D acquisitions and the post-processing benefits of thin adjacent slices. The robust image quality and the short average scanning time suggest that this approach may be useful for screening the major coronary arteries or identification of anomalous coronary arteries. J. Magn. Reson. Imaging 1999;10:821-825.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

A post-processing pipeline to reconstruct the developing fetal brain using low-resolution MRI

Introduction. Development of the fetal brain surfacewith concomitant gyrification is one of the majormaturational processes of the human brain. Firstdelineated by postmortem studies or by ultrasound, MRIhas recently become a powerful tool for studying in vivothe structural correlates of brain maturation. However,the quantitative measurement of fetal brain developmentis a major challenge because of the movement of the fetusinside the amniotic cavity, the poor spatial resolution,the partial volume effect and the changing appearance ofthe developing brain. Today extensive efforts are made todeal with the âeurooepost-acquisitionâeuro reconstruction ofhigh-resolution 3D fetal volumes based on severalacquisitions with lower resolution (Rousseau, F., 2006;Jiang, S., 2007). We here propose a framework devoted tothe segmentation of the basal ganglia, the gray-whitetissue segmentation, and in turn the 3D corticalreconstruction of the fetal brain. Method. Prenatal MRimaging was performed with a 1-T system (GE MedicalSystems, Milwaukee) using single shot fast spin echo(ssFSE) sequences in fetuses aged from 29 to 32gestational weeks (slice thickness 5.4mm, in planespatial resolution 1.09mm). For each fetus, 6 axialvolumes shifted by 1 mm were acquired (about 1 min pervolume). First, each volume is manually segmented toextract fetal brain from surrounding fetal and maternaltissues. Inhomogeneity intensity correction and linearintensity normalization are then performed. A highspatial resolution image of isotropic voxel size of 1.09mm is created for each fetus as previously published byothers (Rousseau, F., 2006). B-splines are used for thescattered data interpolation (Lee, 1997). Then, basalganglia segmentation is performed on this superreconstructed volume using active contour framework witha Level Set implementation (Bach Cuadra, M., 2010). Oncebasal ganglia are removed from the image, brain tissuesegmentation is performed (Bach Cuadra, M., 2009). Theresulting white matter image is then binarized andfurther given as an input in the Freesurfer software(http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/) to provide accuratethree-dimensional reconstructions of the fetal brain.Results. High-resolution images of the cerebral fetalbrain, as obtained from the low-resolution acquired MRI,are presented for 4 subjects of age ranging from 29 to 32GA. An example is depicted in Figure 1. Accuracy in theautomated basal ganglia segmentation is compared withmanual segmentation using measurement of Dice similarity(DSI), with values above 0.7 considering to be a verygood agreement. In our sample we observed DSI valuesbetween 0.785 and 0.856. We further show the results ofgray-white matter segmentation overlaid on thehigh-resolution gray-scale images. The results arevisually checked for accuracy using the same principlesas commonly accepted in adult neuroimaging. Preliminary3D cortical reconstructions of the fetal brain are shownin Figure 2. Conclusion. We hereby present a completepipeline for the automated extraction of accuratethree-dimensional cortical surface of the fetal brain.These results are preliminary but promising, with theultimate goal to provide âeurooemovieâeuro of the normal gyraldevelopment. In turn, a precise knowledge of the normalfetal brain development will allow the quantification ofsubtle and early but clinically relevant deviations.Moreover, a precise understanding of the gyraldevelopment process may help to build hypotheses tounderstand the pathogenesis of several neurodevelopmentalconditions in which gyrification have been shown to bealtered (e.g. schizophrenia, autismâeuro¦). References.Rousseau, F. (2006), 'Registration-Based Approach forReconstruction of High-Resolution In Utero Fetal MR Brainimages', IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 13,no. 9, pp. 1072-1081. Jiang, S. (2007), 'MRI of MovingSubjects Using Multislice Snapshot Images With VolumeReconstruction (SVR): Application to Fetal, Neonatal, andAdult Brain Studies', IEEE Transactions on MedicalImaging, vol. 26, no. 7, pp. 967-980. Lee, S. (1997),'Scattered data interpolation with multilevel B-splines',IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,vol. 3, no. 3, pp. 228-244. Bach Cuadra, M. (2010),'Central and Cortical Gray Mater Segmentation of MagneticResonance Images of the Fetal Brain', ISMRM Conference.Bach Cuadra, M. (2009), 'Brain tissue segmentation offetal MR images', MICCAI.

Advanced Kernel Methods For Remote Sensing Image Classification

Résumé Suite aux recentes avancées technologiques, les archives d'images digitales ont connu une croissance qualitative et quantitative sans précédent. Malgré les énormes possibilités qu'elles offrent, ces avancées posent de nouvelles questions quant au traitement des masses de données saisies. Cette question est à la base de cette Thèse: les problèmes de traitement d'information digitale à très haute résolution spatiale et/ou spectrale y sont considérés en recourant à des approches d'apprentissage statistique, les méthodes à noyau. Cette Thèse étudie des problèmes de classification d'images, c'est à dire de catégorisation de pixels en un nombre réduit de classes refletant les propriétés spectrales et contextuelles des objets qu'elles représentent. L'accent est mis sur l'efficience des algorithmes, ainsi que sur leur simplicité, de manière à augmenter leur potentiel d'implementation pour les utilisateurs. De plus, le défi de cette Thèse est de rester proche des problèmes concrets des utilisateurs d'images satellite sans pour autant perdre de vue l'intéret des méthodes proposées pour le milieu du machine learning dont elles sont issues. En ce sens, ce travail joue la carte de la transdisciplinarité en maintenant un lien fort entre les deux sciences dans tous les développements proposés. Quatre modèles sont proposés: le premier répond au problème de la haute dimensionalité et de la redondance des données par un modèle optimisant les performances en classification en s'adaptant aux particularités de l'image. Ceci est rendu possible par un système de ranking des variables (les bandes) qui est optimisé en même temps que le modèle de base: ce faisant, seules les variables importantes pour résoudre le problème sont utilisées par le classifieur. Le manque d'information étiquétée et l'incertitude quant à sa pertinence pour le problème sont à la source des deux modèles suivants, basés respectivement sur l'apprentissage actif et les méthodes semi-supervisées: le premier permet d'améliorer la qualité d'un ensemble d'entraînement par interaction directe entre l'utilisateur et la machine, alors que le deuxième utilise les pixels non étiquetés pour améliorer la description des données disponibles et la robustesse du modèle. Enfin, le dernier modèle proposé considère la question plus théorique de la structure entre les outputs: l'intègration de cette source d'information, jusqu'à présent jamais considérée en télédétection, ouvre des nouveaux défis de recherche. Advanced kernel methods for remote sensing image classification Devis Tuia Institut de Géomatique et d'Analyse du Risque September 2009 Abstract The technical developments in recent years have brought the quantity and quality of digital information to an unprecedented level, as enormous archives of satellite images are available to the users. However, even if these advances open more and more possibilities in the use of digital imagery, they also rise several problems of storage and treatment. The latter is considered in this Thesis: the processing of very high spatial and spectral resolution images is treated with approaches based on data-driven algorithms relying on kernel methods. In particular, the problem of image classification, i.e. the categorization of the image's pixels into a reduced number of classes reflecting spectral and contextual properties, is studied through the different models presented. The accent is put on algorithmic efficiency and the simplicity of the approaches proposed, to avoid too complex models that would not be used by users. The major challenge of the Thesis is to remain close to concrete remote sensing problems, without losing the methodological interest from the machine learning viewpoint: in this sense, this work aims at building a bridge between the machine learning and remote sensing communities and all the models proposed have been developed keeping in mind the need for such a synergy. Four models are proposed: first, an adaptive model learning the relevant image features has been proposed to solve the problem of high dimensionality and collinearity of the image features. This model provides automatically an accurate classifier and a ranking of the relevance of the single features. The scarcity and unreliability of labeled. information were the common root of the second and third models proposed: when confronted to such problems, the user can either construct the labeled set iteratively by direct interaction with the machine or use the unlabeled data to increase robustness and quality of the description of data. Both solutions have been explored resulting into two methodological contributions, based respectively on active learning and semisupervised learning. Finally, the more theoretical issue of structured outputs has been considered in the last model, which, by integrating outputs similarity into a model, opens new challenges and opportunities for remote sensing image processing.

Using high-resolution quantitative mapping of R1 as an index of cortical myelination

A fundamental tenet of neuroscience is that cortical functional differentiation is related to the cross-areal differences in cyto-, receptor-, and myeloarchitectonics that are observed in ex-vivo preparations. An ongoing challenge is to create noninvasive magnetic resonance (MR) imaging techniques that offer sufficient resolution, tissue contrast, accuracy and precision to allow for characterization of cortical architecture over an entire living human brain. One exciting development is the advent of fast, high-resolution quantitative mapping of basic MR parameters that reflect cortical myeloarchitecture. Here, we outline some of the theoretical and technical advances underlying this technique, particularly in terms of measuring and correcting for transmit and receive radio frequency field inhomogeneities. We also discuss new directions in analytic techniques, including higher resolution reconstructions of the cortical surface. We then discuss two recent applications of this technique. The first compares individual and group myelin maps to functional retinotopic maps in the same individuals, demonstrating a close relationship between functionally and myeloarchitectonically defined areal boundaries (as well as revealing an interesting disparity in a highly studied visual area). The second combines tonotopic and myeloarchitectonic mapping to localize primary auditory areas in individual healthy adults, using a similar strategy as combined electrophysiological and post-mortem myeloarchitectonic studies in non-human primates.

Collaboration entre médecin de famille et psychiatre pour les problèmes de santé mentale [Family physicians and psychiatrists' collaborative care for mental health problems].

The burden of disease linked to mental disorders represents more than one-fifth of years lived with disability in the world. Less than half of people suffering from mental disorders are adequately treated. Three quarter of those who receive treatment are followed by primary care. Collaborative care aims to increase the efficiency of direct general practitioner's treatment. Main components are sustainable and individualized consultation-liaison relationship (1/2 day of psychiatrist by 15 days for 10-15 general practitioners), and support of a clinical case manager for complex situations. Collaboration is bidirectional: early or crisis access to specialist care and long-term followup by general practitioner. This model is a challenge for the doctor-patient dual relationship and requires incentives in a public health perspective.

Prise en charge des patients avec des problèmes d'alcool: quelle efficacité? Quelques éléments de réponse à partir d'une revue de la littérature [Management of patients with alcohol problems: how effective? Several response factors based on a review of the literature]

What do we know about the effectiveness of various treatments of alcoholism? This review of literature shows that lack--or weaknesses--of published studies make it impossible to draw definite conclusions. Rigorous controlled studies show high rates of spontaneous remission and important uncertainties about specialised treatments of alcoholism. However, except for severe dependence that may well require a different approach, brief interventions conducted by non-specialists have proved highly effective for at-risk alcohol drinkers: based on minimal medical advice, they increase the chances of lowering alcohol consumption. General practitioners may thus represent on important link in the therapeutic chain.

Toward high-resolution myocardial tagging.

Magnetic resonance imaging with preceding tissue tagging is a robust method for assessing cardiac motion of the entire heartbeat cycle with a high degree of accuracy. One limitation of this technique, however, is the low resolution of the obtained displacement map of the labeled points within the myocardium. By a new tagging technique, which is based on the combination of two or more measurements of the same slice but with different grid positions, a highly improved resolution of cardiac motion data can be achieved. In combination with a multi-heart-phase echo-planar imaging sequence, such images with doubled grid frequency can be acquired in two short breath-hold periods.

Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation models

Summary Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation modelsSlope movements, such as rockfalls, rockslides, shallow landslides or debris flows, are frequent in many mountainous areas. These natural hazards endanger the inhabitants and infrastructures making it necessary to assess the hazard and risk caused by these phenomena. This PhD thesis explores various approaches using digital elevation models (DEMs) - and particularly high-resolution DEMs created by aerial or terrestrial laser scanning (TLS) - that contribute to the assessment of slope movement hazard at regional and local scales.The regional detection of areas prone to rockfalls and large rockslides uses different morphologic criteria or geometric instability factors derived from DEMs, i.e. the steepness of the slope, the presence of discontinuities, which enable a sliding mechanism, and the denudation potential. The combination of these factors leads to a map of susceptibility to rockfall initiation that is in good agreement with field studies as shown with the example of the Little Mill Campground area (Utah, USA). Another case study in the Illgraben catchment in the Swiss Alps highlighted the link between areas with a high denudation potential and actual rockfall areas.Techniques for a detailed analysis and characterization of slope movements based on high-resolution DEMs have been developed for specific, localized sites, i.e. ancient slide scars, present active instabilities or potential slope instabilities. The analysis of the site's characteristics mainly focuses on rock slopes and includes structural analyses (orientation of discontinuities); estimation of spacing, persistence and roughness of discontinuities; failure mechanisms based on the structural setting; and volume calculations. For the volume estimation a new 3D approach was tested to reconstruct the topography before a landslide or to construct the basal failure surface of an active or potential instability. The rockslides at Åknes, Tafjord and Rundefjellet in western Norway were principally used as study sites to develop and test the different techniques.The monitoring of slope instabilities investigated in this PhD thesis is essentially based on multitemporal (or sequential) high-resolution DEMs, in particular sequential point clouds acquired by TLS. The changes in the topography due to slope movements can be detected and quantified by sequential TLS datasets, notably by shortest distance comparisons revealing the 3D slope movements over the entire region of interest. A detailed analysis of rock slope movements is based on the affine transformation between an initial and a final state of the rock mass and its decomposition into translational and rotational movements. Monitoring using TLS was very successful on the fast-moving Eiger rockslide in the Swiss Alps, but also on the active rockslides of Åknes and Nordnesfjellet (northern Norway). One of the main achievements on the Eiger and Aknes rockslides is to combine the site's morphology and structural setting with the measured slope movements to produce coherent instability models. Both case studies also highlighted a strong control of the structures in the rock mass on the sliding directions. TLS was also used to monitor slope movements in soils, such as landslides in sensitive clays in Québec (Canada), shallow landslides on river banks (Sorge River, Switzerland) and a debris flow channel (Illgraben).The PhD thesis underlines the broad uses of high-resolution DEMs and especially of TLS in the detection, analysis and monitoring of slope movements. Future studies should explore in more depth the different techniques and approaches developed and used in this PhD, improve them and better integrate the findings in current hazard assessment practices and in slope stability models.Résumé Détection, analyse et surveillance de mouvements de versant à l'aide de modèles numériques de terrain de haute résolutionDes mouvements de versant, tels que des chutes de blocs, glissements de terrain ou laves torrentielles, sont fréquents dans des régions montagneuses et mettent en danger les habitants et les infrastructures ce qui rend nécessaire d'évaluer le danger et le risque causé par ces phénomènes naturels. Ce travail de thèse explore diverses approches qui utilisent des modèles numériques de terrain (MNT) et surtout des MNT de haute résolution créés par scanner laser terrestre (SLT) ou aérien - et qui contribuent à l'évaluation du danger de mouvements de versant à l'échelle régionale et locale.La détection régionale de zones propices aux chutes de blocs ou aux éboulements utilise plusieurs critères morphologiques dérivés d'un MNT, tels que la pente, la présence de discontinuités qui permettent un mécanisme de glissement ou le potentiel de dénudation. La combinaison de ces facteurs d'instabilité mène vers une carte de susceptibilité aux chutes de blocs qui est en accord avec des travaux de terrain comme démontré avec l'exemple du Little Mill Campground (Utah, États-Unis). Un autre cas d'étude - l'Illgraben dans les Alpes valaisannes - a mis en évidence le lien entre les zones à fort potentiel de dénudation et les sources effectives de chutes de blocs et d'éboulements.Des techniques pour l'analyse et la caractérisation détaillée de mouvements de versant basées sur des MNT de haute résolution ont été développées pour des sites spécifiques et localisés, comme par exemple des cicatrices d'anciens éboulements et des instabilités actives ou potentielles. Cette analyse se focalise principalement sur des pentes rocheuses et comprend l'analyse structurale (orientation des discontinuités); l'estimation de l'espacement, la persistance et la rugosité des discontinuités; l'établissement des mécanismes de rupture; et le calcul de volumes. Pour cela une nouvelle approche a été testée en rétablissant la topographie antérieure au glissement ou en construisant la surface de rupture d'instabilités actuelles ou potentielles. Les glissements rocheux d'Åknes, Tafjord et Rundefjellet en Norvège ont été surtout utilisés comme cas d'étude pour développer et tester les diverses approches. La surveillance d'instabilités de versant effectuée dans cette thèse de doctorat est essentiellement basée sur des MNT de haute résolution multi-temporels (ou séquentiels), en particulier des nuages de points séquentiels acquis par SLT. Les changements topographiques dus aux mouvements de versant peuvent être détectés et quantifiés sur l'ensemble d'un glissement, notamment par comparaisons des distances les plus courtes entre deux nuages de points. L'analyse détaillée des mouvements est basée sur la transformation affine entre la position initiale et finale d'un bloc et sa décomposition en mouvements translationnels et rotationnels. La surveillance par SLT a démontré son potentiel avec l'effondrement d'un pan de l'Eiger dans les Alpes suisses, mais aussi aux glissements rocheux d'Aknes et Nordnesfjellet en Norvège. Une des principales avancées à l'Eiger et à Aknes est la création de modèles d'instabilité cohérents en combinant la morphologie et l'agencement structural des sites avec les mesures de déplacements. Ces deux cas d'étude ont aussi démontré le fort contrôle des structures existantes dans le massif rocheux sur les directions de glissement. Le SLT a également été utilisé pour surveiller des glissements dans des terrains meubles comme dans les argiles sensibles au Québec (Canada), sur les berges de la rivière Sorge en Suisse et dans le chenal à laves torrentielles de l'Illgraben.Cette thèse de doctorat souligne le vaste champ d'applications des MNT de haute résolution et particulièrement du SLT dans la détection, l'analyse et la surveillance des mouvements de versant. Des études futures devraient explorer plus en profondeur les différentes techniques et approches développées, les améliorer et mieux les intégrer dans des pratiques actuelles d'analyse de danger et surtout dans la modélisation de stabilité des versants.