Multilayer perceptron with local constraint as an emerging method in spatial data analysis

The use of Geographic Information Systems has revolutionalized the handling and the visualization of geo-referenced data and has underlined the critic role of spatial analysis. The usual tools for such a purpose are geostatistics which are widely used in Earth science. Geostatistics are based upon several hypothesis which are not always verified in practice. On the other hand, Artificial Neural Network (ANN) a priori can be used without special assumptions and are known to be flexible. This paper proposes to discuss the application of ANN in the case of the interpolation of a geo-referenced variable.

Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.

Spatial weights : constructing weight-compatible exchange matrices from proximity matrices

Exchange matrices represent spatial weights as symmetric probability distributions on pairs of regions, whose margins yield regional weights, generally well-specified and known in most contexts. This contribution proposes a mechanism for constructing exchange matrices, derived from quite general symmetric proximity matrices, in such a way that the margin of the exchange matrix coincides with the regional weights. Exchange matrices generate in turn diffusive squared Euclidean dissimilarities, measuring spatial remoteness between pairs of regions. Unweighted and weighted spatial frameworks are reviewed and compared, regarding in particular their impact on permutation and normal tests of spatial autocorrelation. Applications include tests of spatial autocorrelation with diagonal weights, factorial visualization of the network of regions, multivariate generalizations of Moran's I, as well as "landscape clustering", aimed at creating regional aggregates both spatially contiguous and endowed with similar features.

Optimization of snowmaking in high mountains ski resort

Ski resorts are deploying more and more systems of artificial snow. These tools are necessary to ensure an important economic activity for the high alpine valleys. However, artificial snow raises important environmental issues that can be reduced by an optimization of its production. This paper presents a software prototype based on artificial intelligence to help ski resorts better manage their snowpack. It combines on one hand a General Neural Network for the analysis of the snow cover and the spatial prediction, with on the other hand a multiagent simulation of skiers for the analysis of the spatial impact of ski practice. The prototype has been tested on the ski resort of Verbier (Switzerland).

Wireless GPS-based phase-locked synchronization system for outdoor environment.

Synchronization of data coming from different sources is of high importance in biomechanics to ensure reliable analyses. This synchronization can either be performed through hardware to obtain perfect matching of data, or post-processed digitally. Hardware synchronization can be achieved using trigger cables connecting different devices in many situations; however, this is often impractical, and sometimes impossible in outdoors situations. The aim of this paper is to describe a wireless system for outdoor use, allowing synchronization of different types of - potentially embedded and moving - devices. In this system, each synchronization device is composed of: (i) a GPS receiver (used as time reference), (ii) a radio transmitter, and (iii) a microcontroller. These components are used to provide synchronized trigger signals at the desired frequency to the measurement device connected. The synchronization devices communicate wirelessly, are very lightweight, battery-operated and thus very easy to set up. They are adaptable to every measurement device equipped with either trigger input or recording channel. The accuracy of the system was validated using an oscilloscope. The mean synchronization error was found to be 0.39 μs and pulses are generated with an accuracy of <2 μs. The system provides synchronization accuracy about two orders of magnitude better than commonly used post-processing methods, and does not suffer from any drift in trigger generation.

Habitat, breeding performance, diet and individual age in Swiss barn owls (Tyto alba)

Intensification of farming over the past 50 years has homogenised the landscape structure and contributed to the decline of bird populations in Europe. To better target the conservation of the Barn Owl Tyto alba, we assessed the influence of the landscape structure on breeding performance in western Switzerland. The analyses considered a 23-year data set of breeding parameters collected in an area dominated by intensive agriculture. Using a Geographic Information System approach, landscape characteristics were described around 194 nest sites. Our analyses showed that nest-box occupancy, laying date, clutch and brood size, egg volume and probability of producing a second annual clutch were not significantly associated with any of the eight principal landscape variables (agricultural land, woodland, urban area, hedgerows, cereals, sugar beet, maize and meadow). Nevertheless, the probability that a breeding pair occupied a nest-box decreased the more roads there were surrounding the nest-box. The absence of strong associations between habitat features and breeding parameters suggests that prey availability may be relatively similar between the different breeding sites. In our study area Barn Owls can always find suitable foraging habitats around most nest-boxes.

Les symbioses industrielles : une nouvelle stratégie pour l'amélioration de l'utilisation des ressources matérielles et énergétiques par les activités économiques

RésuméCette thèse traite d'un domaine d'application de l'écologie industrielle, les symbioses industrielles, comme stratégie d'amélioration de la consommation des ressources matérielles et énergétiques et de la gestion des déchets par les activités économiques. Les symbioses industrielles cherchent à créer de nouvelles collaborations directement entre les acteurs économiques d'un territoire dans le but d'échanger de l'information, des matières premières et des déchets, et d'intensifier les mutualisations de services et d'infrastructures possibles entre entreprises voisines. Ces quatre types de collaboration sont représentés schématiquement dans la figure ci-dessous.Dans ce travail, la détection et la mise en oeuvre de symbioses industrielles sont abordées sous plusieurs angles. Les recherches réalisées concernent le développement de procédures de mise en oeuvre s'adressant aux collectivités publiques, aux institutions académiques et aux bureaux de conseil dans le domaine de l'environnement. Les objectifs des procédures sont de créer une dynamique de collaboration et de confiance entre les acteurs économiques et l'administration publique d'un territoire afin de détecter des symbioses industrielles potentielles. Ces procédures requièrent la gestion de grandes quantités d'informations relatives aux flux de matière et d'énergie.Un travail de terrain, réalisé sur les territoires du canton de Genève et de Lausanne Région et utilisé comme études de cas, a permis de mettre en évidence un grand nombre de symbioses industrielles qui existent déjà en Suisse romande. Plusieurs dizaines d'exemples ont été identifiés principalement dans lesdomaines de la gestion de l'eau, de l'énergie, des produits chimiques et des matériaux de construction. La législation suisse autoriserait cependant la concrétisation de nombreuses autres opportunités. Dans cette recherche, celles-ci sont évaluées techniquement, légalement, économiquement et environnementalement. La création d'un référentiel d'évaluation des opportunités permet de déterminer quelles sont les symbioses industrielles techniquement réalisables et pertinentes dans le contexte suisse et dans quels cas celles-ci représenteraient une réelle plus-value par rapport à l'utilisation actuelle de la ressource et aux filières existantes de collecte et de valorisation des déchets.Finalement, un logiciel, SymbioGIS, destiné à soutenir la détection et l'évaluation de symbioses industrielles potentielles a été développé. Il s'agit d'une interface web accessible pour de nombreux utilisateurs, couplée à une interface de systèmes d'information géographique. En plus de la détection de symbioses industrielles, plusieurs fonctionnalités sont proposées pour faciliter la prise en compte des flux de matière et d'énergie dans les problématiques liées à l'aménagement du territoire et au positionnement des activités économiques.En conclusion, cette recherche met en évidence la nécessité de rapprocher les institutions publiques en charge de la protection de l'environnement, de la promotion économique et de l'aménagement du territoire pour favoriser l'essor des symbioses industrielles comme stratégie pour la gestion des ressources matérielles et énergétiques. Elle propose des pistes pour intensifier les collaborations entre ces domaines et accélérer le partage des connaissances liées aux flux de matière et d'énergie et à leur cheminement au sein des activités économiques afin de rendre le système industriel existant en Suisse romande viable à long terme. Parallèlement, elle étudie les possibilités de transposer ces considérations et les procédures et outils développés dans le contexte économique et social de la région Asie-Pacifique, où se trouvent aujourd'hui de nombreuses activités de production.SummaryIndustrial symbioses: A new strategy for improving how economic activities use material and energy resourcesThis thesis focuses on one application of industrial ecology, industrial symbioses, as a strategy for improving how economic activities consume material and energy resources. Industrial symbioses seek to create new collaborations among economic players with the goal of exchanging information, raw materials, and waste directly among area businesses, and to step up the potential pooling of services and infrastructure among neighboring companies.The identification and implementation of industrial symbioses are studied from several angles. The research first examines the development of implementation procedures for government bodies, academic institutions, and environmental consulting services. The purpose of the procedures is to create a dynamic of collaboration and trust between the economic players and the public officials in a region in order to identify potential industrial symbioses. The procedures necessitate managing large amounts of information about material and energy flows.Fieldwork conducted in the canton of Geneva and the Lausanne region, and used as case studies for the research, highlights a great number of industrial symbioses that already exist in French-speaking Switzerland. Several dozen examples are identified, primarily in the areas of water management, energy, chemical products, and building materials; however, Swiss law would permit many others. The research evaluates these opportunities from a technical, legal, economic, and environmental standpoint. By developing an assessment framework it is possible to determine which industrial symbioses are technically feasible and pertinent in Switzerland, and under what circumstances they would represent real added value compared to the current use of the resource and to existing systems for collecting and reusing waste.Lastly, SymbioGIS software was developed to help identify and assess potential industrial symbioses. The program's Web-based interface can be accessed by multiple users and is coupled with an interface that provides geographic information. In addition to identifying industrial symbioses, several program functionalities make it easier to consider material and energy flows with regard to local development issues and siting economic activities.In conclusion, the research highlights the need to bring together public institutions charged with protecting the environment, promoting economic activity, and overseeing development in order to foster the expansion of industrial symbioses as a strategy for managing material and energy resources. It proposes solutions for stepping up collaboration among these players and accelerating the sharing of knowledge about material and energy flows and their paths within economic activities with the goal of making theexisting industrial system in French-speaking Switzerland viable long-term. Also examined were thepossibilities of transposing these considerations and the study's findings about Switzerland to the economic and social context of the Asia-Pacific region, where much production is now located.

Modelling habitat-suitability using museum collections: an example with three sympatric Apodemus species from the Alps

Aim, Location Although the alpine mouse Apodemus alpicola has been given species status since 1989, no distribution map has ever been constructed for this endemic alpine rodent in Switzerland. Based on redetermined museum material and using the Ecological-Niche Factor Analysis (ENFA), habitat-suitability maps were computed for A. alpicola, and also for the co-occurring A. flavicollis and A. sylvaticus. Methods In the particular case of habitat suitability models, classical approaches (GLMs, GAMs, discriminant analysis, etc.) generally require presence and absence data. The presence records provided by museums can clearly give useful information about species distribution and ecology and have already been used for knowledge-based mapping. In this paper, we apply the ENFA which requires only presence data, to build a habitat-suitability map of three species of Apodemus on the basis of museum skull collections. Results Interspecific niche comparisons showed that A. alpicola is very specialized concerning habitat selection, meaning that its habitat differs unequivocally from the average conditions in Switzerland, while both A. flavicollis and A. sylvaticus could be considered as 'generalists' in the study area. Main conclusions Although an adequate sampling design is the best way to collect ecological data for predictive modelling, this is a time and money consuming process and there are cases where time is simply not available, as for instance with endangered species conservation. On the other hand, museums, herbariums and other similar institutions are treasuring huge presence data sets. By applying the ENFA to such data it is possible to rapidly construct a habitat suitability model. The ENFA method not only provides two key measurements regarding the niche of a species (i.e. marginality and specialization), but also has ecological meaning, and allows the scientist to compare directly the niches of different species.

Flujos de detritos recientes en la cordillera frontal de Mendoza: Un ejemplo de riesgo natural en la ruta 7 = Recent debris flows in the Frontal Cordillera of Mendoza: An example of natural risk on the Road 7

In this paper is presented a study dealing with the debris flows that reached the national road 7 in January 2005, in the km 1,118.5, Mendoza province. The area is located in the Frontal Cordillera near the limit of the Precordillera. A detailed geomorphologic map has been realized for this study using a Quickbird satellite imagery of the year 2006. Various calculations of volumes, velocities and peak discharges have been performed with the field data and using a geographic information system (GIS). The geomorphologic survey has permitted to propose three propagation scenarios in case of a new event. These allowed creating a map of debris flows susceptibility for the stretch of the road that has been studied. Finally, it has been proposed protection and mitigation measures, based on the results of the study, to protect the road from a new event.

Développement d'une méthode microgravimétrique urbaine : intégration dans un SIG et application au projet du M2 lausannois

Résumé La réalisation d'une seconde ligne de métro (M2) dès 2004, passant dans le centre ville de Lausanne, a été l'opportunité de développer une méthodologie concernant des campagnes microgravimétriques dans un environnement urbain perturbé. Les corrections topographiques prennent une dimension particulière dans un tel milieu, car de nombreux objets non géologiques d'origine anthropogénique comme toutes sortes de sous-sols vides viennent perturber les mesures gravimétriques. Les études de génie civil d'avant projet de ce métro nous ont fournis une quantité importante d'informations cadastrales, notamment sur les contours des bâtiments, sur la position prévue du tube du M2, sur des profondeurs de sous-sol au voisinage du tube, mais aussi sur la géologie rencontré le long du corridor du M2 (issue des données lithologiques de forages géotechniques). La planimétrie des sous-sols a été traitée à l'aide des contours des bâtiments dans un SIG (Système d'Information Géographique), alors qu'une enquête de voisinage fut nécessaire pour mesurer la hauteur des sous-sols. Il a été alors possible, à partir d'un MNT (Modèle Numérique de Terrain) existant sur une grille au mètre, de mettre à jour celui ci avec les vides que représentent ces sous-sols. Les cycles de mesures gravimétriques ont été traités dans des bases de données Ac¬cess, pour permettre un plus grand contrôle des données, une plus grande rapidité de traitement, et une correction de relief rétroactive plus facile, notamment lorsque des mises à jour de la topographie ont lieu durant les travaux. Le quartier Caroline (entre le pont Bessières et la place de l'Ours) a été choisi comme zone d'étude. Le choix s'est porté sur ce quartier du fait que, durant ce travail de thèse, nous avions chronologiquement les phases pré et post creusement du tunnel du M2. Cela nous a permis d'effectuer deux campagnes gravimétriques (avant le creu¬sement durant l'été 2005 et après le creusement durant l'été 2007). Ces réitérations nous ont permis de tester notre modélisation du tunnel. En effet, en comparant les mesures des deux campagnes et la réponse gravifique du modèle du tube discrétisé en prismes rectangulaires, nous avons pu valider notre méthode de modélisation. La modélisation que nous avons développée nous permet de construire avec détail la forme de l'objet considéré avec la possibilité de recouper plusieurs fois des interfaces de terrains géologiques et la surface topographique. Ce type de modélisation peut s'appliquer à toutes constructions anthropogéniques de formes linéaires. Abstract The realization of a second underground (M2) in 2004, in downtown Lausanne, was the opportunity to develop a methodology of microgravity in urban environment. Terrain corrections take on special meaning in such environment. Many non-geologic anthropogenic objects like basements act as perturbation of gravity measurements. Civil engineering provided a large amount of cadastral informations, including out¬lines of buildings, M2 tube position, depths of some basements in the vicinity of the M2 corridor, and also on the geology encountered along the M2 corridor (from the lithological data from boreholes). Geometry of basements was deduced from building outlines in a GIS (Geographic Information System). Field investigation was carried out to measure or estimate heights of basements. A DEM (Digital Elevation Model) of the city of Lausanne is updated from voids of basements. Gravity cycles have been processed in Access database, to enable greater control of data, enhance speed processing, and retroactive terrain correction easier, when update of topographic surface are available. Caroline area (between the bridge Saint-Martin and Place de l'Ours) was chosen as the study area. This area was in particular interest because it was before and after digging in this thesis. This allowed us to conduct two gravity surveys (before excavation during summer 2005 and after excavation during summer 2007). These re-occupations enable us to test our modélisation of the tube. Actually, by comparing the difference of measurements between the both surveys and the gravity response of our model (by rectangular prisms), we were able to validate our modeling. The modeling method we developed allows us to construct detailed shape of an object with possibility to cross land geological interfaces and surface topography. This type of modélisation can be applied to all anthropogenic structures.

Risk and global change : developing scientific methods for advocacy and awareness raising

Les catastrophes sont souvent perçues comme des événements rapides et aléatoires. Si les déclencheurs peuvent être soudains, les catastrophes, elles, sont le résultat d'une accumulation des conséquences d'actions et de décisions inappropriées ainsi que du changement global. Pour modifier cette perception du risque, des outils de sensibilisation sont nécessaires. Des méthodes quantitatives ont été développées et ont permis d'identifier la distribution et les facteurs sous- jacents du risque.¦Le risque de catastrophes résulte de l'intersection entre aléas, exposition et vulnérabilité. La fréquence et l'intensité des aléas peuvent être influencées par le changement climatique ou le déclin des écosystèmes, la croissance démographique augmente l'exposition, alors que l'évolution du niveau de développement affecte la vulnérabilité. Chacune de ses composantes pouvant changer, le risque est dynamique et doit être réévalué périodiquement par les gouvernements, les assurances ou les agences de développement. Au niveau global, ces analyses sont souvent effectuées à l'aide de base de données sur les pertes enregistrées. Nos résultats montrent que celles-ci sont susceptibles d'être biaisées notamment par l'amélioration de l'accès à l'information. Elles ne sont pas exhaustives et ne donnent pas d'information sur l'exposition, l'intensité ou la vulnérabilité. Une nouvelle approche, indépendante des pertes reportées, est donc nécessaire.¦Les recherches présentées ici ont été mandatées par les Nations Unies et par des agences oeuvrant dans le développement et l'environnement (PNUD, l'UNISDR, la GTZ, le PNUE ou l'UICN). Ces organismes avaient besoin d'une évaluation quantitative sur les facteurs sous-jacents du risque, afin de sensibiliser les décideurs et pour la priorisation des projets de réduction des risques de désastres.¦La méthode est basée sur les systèmes d'information géographique, la télédétection, les bases de données et l'analyse statistique. Une importante quantité de données (1,7 Tb) et plusieurs milliers d'heures de calculs ont été nécessaires. Un modèle de risque global a été élaboré pour révéler la distribution des aléas, de l'exposition et des risques, ainsi que pour l'identification des facteurs de risque sous- jacent de plusieurs aléas (inondations, cyclones tropicaux, séismes et glissements de terrain). Deux indexes de risque multiples ont été générés pour comparer les pays. Les résultats incluent une évaluation du rôle de l'intensité de l'aléa, de l'exposition, de la pauvreté, de la gouvernance dans la configuration et les tendances du risque. Il apparaît que les facteurs de vulnérabilité changent en fonction du type d'aléa, et contrairement à l'exposition, leur poids décroît quand l'intensité augmente.¦Au niveau local, la méthode a été testée pour mettre en évidence l'influence du changement climatique et du déclin des écosystèmes sur l'aléa. Dans le nord du Pakistan, la déforestation induit une augmentation de la susceptibilité des glissements de terrain. Les recherches menées au Pérou (à base d'imagerie satellitaire et de collecte de données au sol) révèlent un retrait glaciaire rapide et donnent une évaluation du volume de glace restante ainsi que des scénarios sur l'évolution possible.¦Ces résultats ont été présentés à des publics différents, notamment en face de 160 gouvernements. Les résultats et les données générées sont accessibles en ligne (http://preview.grid.unep.ch). La méthode est flexible et facilement transposable à des échelles et problématiques différentes, offrant de bonnes perspectives pour l'adaptation à d'autres domaines de recherche.¦La caractérisation du risque au niveau global et l'identification du rôle des écosystèmes dans le risque de catastrophe est en plein développement. Ces recherches ont révélés de nombreux défis, certains ont été résolus, d'autres sont restés des limitations. Cependant, il apparaît clairement que le niveau de développement configure line grande partie des risques de catastrophes. La dynamique du risque est gouvernée principalement par le changement global.¦Disasters are often perceived as fast and random events. If the triggers may be sudden, disasters are the result of an accumulation of actions, consequences from inappropriate decisions and from global change. To modify this perception of risk, advocacy tools are needed. Quantitative methods have been developed to identify the distribution and the underlying factors of risk.¦Disaster risk is resulting from the intersection of hazards, exposure and vulnerability. The frequency and intensity of hazards can be influenced by climate change or by the decline of ecosystems. Population growth increases the exposure, while changes in the level of development affect the vulnerability. Given that each of its components may change, the risk is dynamic and should be reviewed periodically by governments, insurance companies or development agencies. At the global level, these analyses are often performed using databases on reported losses. Our results show that these are likely to be biased in particular by improvements in access to information. International losses databases are not exhaustive and do not give information on exposure, the intensity or vulnerability. A new approach, independent of reported losses, is necessary.¦The researches presented here have been mandated by the United Nations and agencies working in the development and the environment (UNDP, UNISDR, GTZ, UNEP and IUCN). These organizations needed a quantitative assessment of the underlying factors of risk, to raise awareness amongst policymakers and to prioritize disaster risk reduction projects.¦The method is based on geographic information systems, remote sensing, databases and statistical analysis. It required a large amount of data (1.7 Tb of data on both the physical environment and socio-economic parameters) and several thousand hours of processing were necessary. A comprehensive risk model was developed to reveal the distribution of hazards, exposure and risk, and to identify underlying risk factors. These were performed for several hazards (e.g. floods, tropical cyclones, earthquakes and landslides). Two different multiple risk indexes were generated to compare countries. The results include an evaluation of the role of the intensity of the hazard, exposure, poverty, governance in the pattern and trends of risk. It appears that the vulnerability factors change depending on the type of hazard, and contrary to the exposure, their weight decreases as the intensity increases.¦Locally, the method was tested to highlight the influence of climate change and the ecosystems decline on the hazard. In northern Pakistan, deforestation exacerbates the susceptibility of landslides. Researches in Peru (based on satellite imagery and ground data collection) revealed a rapid glacier retreat and give an assessment of the remaining ice volume as well as scenarios of possible evolution.¦These results were presented to different audiences, including in front of 160 governments. The results and data generated are made available online through an open source SDI (http://preview.grid.unep.ch). The method is flexible and easily transferable to different scales and issues, with good prospects for adaptation to other research areas. The risk characterization at a global level and identifying the role of ecosystems in disaster risk is booming. These researches have revealed many challenges, some were resolved, while others remained limitations. However, it is clear that the level of development, and more over, unsustainable development, configures a large part of disaster risk and that the dynamics of risk is primarily governed by global change.

Quantifying sediment storage in a high Alpine valley (Turtmanntal, Switzerland)

The determination of sediment storage is a critical parameter in sediment budget analyses. But, in many sediment budget studies the quantification of magnitude and time-scale of sediment storage is still the weakest part and often relies on crude estimations only, especially in large drainage basins (>100km2). We present a new approach to storage quantification in a meso-scale alpine catchment of the Swiss Alps (Turtmann Valley, 110km2). The quantification of depositional volumes was performed by combining geophysical surveys and geographic information system (GIS) modelling techniques. Mean thickness values of each landform type calculated from these data was used to estimate the sediment volume in the hanging valleys and the trough slopes. Sediment volume of the remaining subsystems was determined by modelling an assumed parabolic bedrock surface using digital elevation model (DEM) data. A total sediment volume of 781·3×106?1005·7×106m3 is deposited in the Turtmann Valley. Over 60% of this volume is stored in the 13 hanging valleys. Moraine landforms contain over 60% of the deposits in the hanging valleys followed by sediment stored on slopes (20%) and rock glaciers (15%). For the first time, a detailed quantification of different storage types was achieved in a catchment of this size. Sediment volumes have been used to calculate mean denudation rates for the different processes ranging from 0·1 to 2·6mm/a based on a time span of 10ka. As the quantification approach includes a number of assumptions and various sources of error the values given represent the order of magnitude of sediment storage that has to be expected in a catchment of this size.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.