Predictive analysis and mapping of indoor radon concentrations in Switzerland

It is estimated that around 230 people die each year due to radon (222Rn) exposure in Switzerland. 222Rn occurs mainly in closed environments like buildings and originates primarily from the subjacent ground. Therefore it depends strongly on geology and shows substantial regional variations. Correct identification of these regional variations would lead to substantial reduction of 222Rn exposure of the population based on appropriate construction of new and mitigation of already existing buildings. Prediction of indoor 222Rn concentrations (IRC) and identification of 222Rn prone areas is however difficult since IRC depend on a variety of different variables like building characteristics, meteorology, geology and anthropogenic factors. The present work aims at the development of predictive models and the understanding of IRC in Switzerland, taking into account a maximum of information in order to minimize the prediction uncertainty. The predictive maps will be used as a decision-support tool for 222Rn risk management. The construction of these models is based on different data-driven statistical methods, in combination with geographical information systems (GIS). In a first phase we performed univariate analysis of IRC for different variables, namely the detector type, building category, foundation, year of construction, the average outdoor temperature during measurement, altitude and lithology. All variables showed significant associations to IRC. Buildings constructed after 1900 showed significantly lower IRC compared to earlier constructions. We observed a further drop of IRC after 1970. In addition to that, we found an association of IRC with altitude. With regard to lithology, we observed the lowest IRC in sedimentary rocks (excluding carbonates) and sediments and the highest IRC in the Jura carbonates and igneous rock. The IRC data was systematically analyzed for potential bias due to spatially unbalanced sampling of measurements. In order to facilitate the modeling and the interpretation of the influence of geology on IRC, we developed an algorithm based on k-medoids clustering which permits to define coherent geological classes in terms of IRC. We performed a soil gas 222Rn concentration (SRC) measurement campaign in order to determine the predictive power of SRC with respect to IRC. We found that the use of SRC is limited for IRC prediction. The second part of the project was dedicated to predictive mapping of IRC using models which take into account the multidimensionality of the process of 222Rn entry into buildings. We used kernel regression and ensemble regression tree for this purpose. We could explain up to 33% of the variance of the log transformed IRC all over Switzerland. This is a good performance compared to former attempts of IRC modeling in Switzerland. As predictor variables we considered geographical coordinates, altitude, outdoor temperature, building type, foundation, year of construction and detector type. Ensemble regression trees like random forests allow to determine the role of each IRC predictor in a multidimensional setting. We found spatial information like geology, altitude and coordinates to have stronger influences on IRC than building related variables like foundation type, building type and year of construction. Based on kernel estimation we developed an approach to determine the local probability of IRC to exceed 300 Bq/m3. In addition to that we developed a confidence index in order to provide an estimate of uncertainty of the map. All methods allow an easy creation of tailor-made maps for different building characteristics. Our work is an essential step towards a 222Rn risk assessment which accounts at the same time for different architectural situations as well as geological and geographical conditions. For the communication of 222Rn hazard to the population we recommend to make use of the probability map based on kernel estimation. The communication of 222Rn hazard could for example be implemented via a web interface where the users specify the characteristics and coordinates of their home in order to obtain the probability to be above a given IRC with a corresponding index of confidence. Taking into account the health effects of 222Rn, our results have the potential to substantially improve the estimation of the effective dose from 222Rn delivered to the Swiss population.

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.

Conceptual models for designing information systems supporting the strategic analysis of technology environments

1 6 STRUCTURE OF THIS THESIS -Chapter I presents the motivations of this dissertation by illustrating two gaps in the current body of knowledge that are worth filling, describes the research problem addressed by this thesis and presents the research methodology used to achieve this goal. -Chapter 2 shows a review of the existing literature showing that environment analysis is a vital strategic task, that it shall be supported by adapted information systems, and that there is thus a need for developing a conceptual model of the environment that provides a reference framework for better integrating the various existing methods and a more formal definition of the various aspect to support the development of suitable tools. -Chapter 3 proposes a conceptual model that specifies the various enviromnental aspects that are relevant for strategic decision making, how they relate to each other, and ,defines them in a more formal way that is more suited for information systems development. -Chapter 4 is dedicated to the evaluation of the proposed model on the basis of its application to a concrete environment to evaluate its suitability to describe the current conditions and potential evolution of a real environment and get an idea of its usefulness. -Chapter 5 goes a step further by assembling a toolbox describing a set of methods that can be used to analyze the various environmental aspects put forward by the model and by providing more detailed specifications for a number of them to show how our model can be used to facilitate their implementation as software tools. -Chapter 6 describes a prototype of a strategic decision support tool that allow the analysis of some of the aspects of the environment that are not well supported by existing tools and namely to analyze the relationship between multiple actors and issues. The usefulness of this prototype is evaluated on the basis of its application to a concrete environment. -Chapter 7 finally concludes this thesis by making a summary of its various contributions and by proposing further interesting research directions.

Modelling the distribution of bats in relation to landscape structure in a temperate mountain environment

1. Landscape modification is often considered the principal cause of population decline in many bat species. Thus, schemes for bat conservation rely heavily on knowledge about species-landscape relationships. So far, however, few studies have quantified the possible influence of landscape structure on large-scale spatial patterns in bat communities. 2. This study presents quantitative models that use landscape structure to predict (i) spatial patterns in overall community composition and (ii) individual species' distributions through canonical correspondence analysis and generalized linear models, respectively. A geographical information system (GIS) was then used to draw up maps of (i) overall community patterns and (ii) distribution of potential species' habitats. These models relied on field data from the Swiss Jura mountains. 3. Fight descriptors of landscape structure accounted for 30% of the variation in bat community composition. For some species, more than 60% of the variance in distribution could be explained by landscape structure. Elevation, forest or woodland cover, lakes and suburbs, were the most frequent predictors. 4. This study shows that community composition in bats is related to landscape structure through species-specific relationships to resources. Due to their nocturnal activities and the difficulties of remote identification, a comprehensive bat census is rarely possible, and we suggest that predictive modelling of the type described here provides an indispensable conservation tool.

Map of ecological networks for landscape planning

This paper presents a method based on a geographical information system (GIS) to model ecological networks in a fragmented landscape. The ecological networks are generated with the help of a landscape model (which integrate human activities) and with a wildlife dispersal model. The main results are maps which permit the analysis and the understanding of the impact of human activities on wildlife dispersal. Three applications in a study area are presented: ecological networks at the landscape scale, conflicting areas at the farmstead scale and ecological distance between biotopes. These applications show the flexibility of the model and its potential to give information on ecological networks at different planning scales.

Cluster recognition in spatial-temporal sequences: The case of forest fires

Forest fire sequences can be modelled as a stochastic point process where events are characterized by their spatial locations and occurrence in time. Cluster analysis permits the detection of the space/time pattern distribution of forest fires. These analyses are useful to assist fire-managers in identifying risk areas, implementing preventive measures and conducting strategies for an efficient distribution of the firefighting resources. This paper aims to identify hot spots in forest fire sequences by means of the space-time scan statistics permutation model (STSSP) and a geographical information system (GIS) for data and results visualization. The scan statistical methodology uses a scanning window, which moves across space and time, detecting local excesses of events in specific areas over a certain period of time. Finally, the statistical significance of each cluster is evaluated through Monte Carlo hypothesis testing. The case study is the forest fires registered by the Forest Service in Canton Ticino (Switzerland) from 1969 to 2008. This dataset consists of geo-referenced single events including the location of the ignition points and additional information. The data were aggregated into three sub-periods (considering important preventive legal dispositions) and two main ignition-causes (lightning and anthropogenic causes). Results revealed that forest fire events in Ticino are mainly clustered in the southern region where most of the population is settled. Our analysis uncovered local hot spots arising from extemporaneous arson activities. Results regarding the naturally-caused fires (lightning fires) disclosed two clusters detected in the northern mountainous area.

Multiscale determinants of tree frog (Hyla arborea L.) calling ponds in western Switzerland

A tree frog (Hyla arborea L., 1758) metapopulation in western Switzerland was studied during spring 2001. All potential calling ponds in an area of 350 km(2) were searched for tree frog calling males. Twenty-nine out of 111 ponds sheltered between 1 and 250 callers. Most ponds were occupied by less than 12 males. Pond parameters were measured at three different levels using field analysis and a Geographical Information System (GIS). The first level was water chemistry and pond-associated measures. The second level was the surrounding land use in a 30 m buffer around the pond. The third level consisted of landscape indices on a broader scale (up to 2 km). Logistic regression was applied to identify parameters that can predict the presence of calling males in a pond. Response variable was the presence or absence of callers. Four significant parameters allowed us to explain about 40% of the total deviance of the observed occupational pattern. Urbanization around the pond had a highly negative impact on the probability of presence of calling males. Hours of direct sunlight on the pond was positively correlated with callers. Higher water conductivity was associated with a lesser probability of species presence. Finally, the further the closest two-lane road, the higher the probability of callers presence. Our results show that presence or absence of callers is influenced by factors acting at various geographical scales.

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.

Analyse de réseau piéton et gestion scolaire: sinuosité, centricité et transport optimal régularisé

Que ce soit d'un point de vue, urbanistique, social, ou encore de la gouvernance, l'évolution des villes est un défi majeur de nos sociétés contemporaines. En offrant la possibilité d'analyser des configurations spatiales et sociales existantes ou en tentant de simuler celles à venir, les systèmes d'information géographique sont devenus incontournables dans la gestion et dans la planification urbaine. En cinq ans la population de la ville de Lausanne est passée de 134'700 à 140'570 habitants, alors que les effectifs de l'école publique ont crû de 12'200 à 13'500 élèves. Cet accroissement démographique associé à un vaste processus d'harmonisation de la scolarité obligatoire en Suisse ont amené le Service des écoles à mettre en place et à développer en collaboration avec l'université de Lausanne des solutions SIG à même de répondre à différentes problématiques spatiales. Établies en 1989, les limites des établissements scolaires (bassins de recrutement) ont dû être redéfinies afin de les réadapter aux réalités d'un paysage urbain et politique en pleine mutation. Dans un contexte de mobilité et de durabilité, un système d'attribution de subventions pour les transports publics basé sur la distance domicile-école et sur l'âge des écoliers, a été conçu. La réalisation de ces projets a nécessité la construction de bases de données géographiques ainsi que l'élaboration de nouvelles méthodes d'analyses exposées dans ce travail. Cette thèse s'est ainsi faite selon une dialectique permanente entre recherches théoriques et nécessités pratiques. La première partie de ce travail porte sur l'analyse du réseau piéton de la ville. La morphologie du réseau est investiguée au travers d'approches multi-échelles du concept de centralité. La première conception, nommée sinuo-centralité ("straightness centrality"), stipule qu'être central c'est être relié aux autres en ligne droite. La deuxième, sans doute plus intuitive, est intitulée centricité ("closeness centrality") et exprime le fait qu'être central c'est être proche des autres (fig. 1, II). Les méthodes développées ont pour but d'évaluer la connectivité et la marchabilité du réseau, tout en suggérant de possibles améliorations (création de raccourcis piétons). Le troisième et dernier volet théorique expose et développe un algorithme de transport optimal régularisé. En minimisant la distance domicile-école et en respectant la taille des écoles, l'algorithme permet de réaliser des scénarios d'enclassement. L'implémentation des multiplicateurs de Lagrange offre une visualisation du "coût spatial" des infrastructures scolaires et des lieux de résidence des écoliers. La deuxième partie de cette thèse retrace les aspects principaux de trois projets réalisés dans le cadre de la gestion scolaire. À savoir : la conception d'un système d'attribution de subventions pour les transports publics, la redéfinition de la carte scolaire, ou encore la simulation des flux d'élèves se rendant à l'école à pied. *** May it be from an urbanistic, a social or from a governance point of view, the evolution of cities is a major challenge in our contemporary societies. By giving the opportunity to analyse spatial and social configurations or attempting to simulate future ones, geographic information systems cannot be overlooked in urban planning and management. In five years, the population of the city of Lausanne has grown from 134'700 to 140'570 inhabitants while the numbers in public schools have increased from 12'200 to 13'500 students. Associated to a considerable harmonisation process of compulsory schooling in Switzerland, this demographic rise has driven schooling services, in collaboration with the University of Lausanne, to set up and develop GIS capable of tackling various spatial issues. Established in 1989, the school districts had to be altered so that they might fit the reality of a continuously changing urban and political landscape. In a context of mobility and durability, an attribution system for public transport subventions based on the distance between residence and school and on the age of the students was designed. The implementation of these projects required the built of geographical databases as well as the elaboration of new analysis methods exposed in this thesis. The first part of this work focuses on the analysis of the city's pedestrian network. Its morphology is investigated through multi-scale approaches of the concept of centrality. The first conception, named the straightness centrality, stipulates that being central is being connected to the others in a straight line. The second, undoubtedly more intuitive, is called closeness centrality and expresses the fact that being central is being close to the others. The goal of the methods developed is to evaluate the connectivity and walkability of the network along with suggesting possible improvements (creation of pedestrian shortcuts).The third and final theoretical section exposes and develops an algorithm of regularised optimal transport. By minimising home to school distances and by respecting school capacity, the algorithm enables the production of student allocation scheme. The implementation of the Lagrange multipliers offers a visualisation of the spatial cost associated to the schooling infrastructures and to the student home locations. The second part of this thesis recounts the principal aspects of three projects fulfilled in the context of school management. It focuses namely on the built of an attribution system for public transport subventions, a school redistricting process and on simulating student pedestrian flows.

Ambulatory healthcare information system: a conceptual framework

Despite the tremendous amount of data collected in the field of ambulatory care, political authorities still lack synthetic indicators to provide them with a global view of health services utilization and costs related to various types of diseases. Moreover, public health indicators fail to provide useful information for physicians' accountability purposes. The approach is based on the Swiss context, which is characterized by the greatest frequency of medical visits in Europe, the highest rate of growth for care expenditure, poor public information but a lot of structured data (new fee system introduced in 2004). The proposed conceptual framework is universal and based on descriptors of six entities: general population, people with poor health, patients, services, resources and effects. We show that most conceptual shortcomings can be overcome and that the proposed indicators can be achieved without threatening privacy protection, using modern cryptographic techniques. Twelve indicators are suggested for the surveillance of the ambulatory care system, almost all based on routinely available data: morbidity, accessibility, relevancy, adequacy, productivity, efficacy (from the points of view of the population, people with poor health, and patients), effectiveness, efficiency, health services coverage and financing. The additional costs of this surveillance system should not exceed Euro 2 million per year (Euro 0.3 per capita).

Treeline and climate change : analyzing and modeling patterns and shifts in the Swiss Alps

Summary: Global warming has led to an average earth surface temperature increase of about 0.7 °C in the 20th century, according to the 2007 IPCC report. In Switzerland, the temperature increase in the same period was even higher: 1.3 °C in the Northern Alps anal 1.7 °C in the Southern Alps. The impacts of this warming on ecosystems aspecially on climatically sensitive systems like the treeline ecotone -are already visible today. Alpine treeline species show increased growth rates, more establishment of young trees in forest gaps is observed in many locations and treelines are migrating upwards. With the forecasted warming, this globally visible phenomenon is expected to continue. This PhD thesis aimed to develop a set of methods and models to investigate current and future climatic treeline positions and treeline shifts in the Swiss Alps in a spatial context. The focus was therefore on: 1) the quantification of current treeline dynamics and its potential causes, 2) the evaluation and improvement of temperaturebased treeline indicators and 3) the spatial analysis and projection of past, current and future climatic treeline positions and their respective elevational shifts. The methods used involved a combination of field temperature measurements, statistical modeling and spatial modeling in a geographical information system. To determine treeline shifts and assign the respective drivers, neighborhood relationships between forest patches were analyzed using moving window algorithms. Time series regression modeling was used in the development of an air-to-soil temperature transfer model to calculate thermal treeline indicators. The indicators were then applied spatially to delineate the climatic treeline, based on interpolated temperature data. Observation of recent forest dynamics in the Swiss treeline ecotone showed that changes were mainly due to forest in-growth, but also partly to upward attitudinal shifts. The recent reduction in agricultural land-use was found to be the dominant driver of these changes. Climate-driven changes were identified only at the uppermost limits of the treeline ecotone. Seasonal mean temperature indicators were found to be the best for predicting climatic treelines. Applying dynamic seasonal delimitations and the air-to-soil temperature transfer model improved the indicators' applicability for spatial modeling. Reproducing the climatic treelines of the past 45 years revealed regionally different attitudinal shifts, the largest being located near the highest mountain mass. Modeling climatic treelines based on two IPCC climate warming scenarios predicted major shifts in treeline altitude. However, the currently-observed treeline is not expected to reach this limit easily, due to lagged reaction, possible climate feedback effects and other limiting factors. Résumé: Selon le rapport 2007 de l'IPCC, le réchauffement global a induit une augmentation de la température terrestre de 0.7 °C en moyenne au cours du 20e siècle. En Suisse, l'augmentation durant la même période a été plus importante: 1.3 °C dans les Alpes du nord et 1.7 °C dans les Alpes du sud. Les impacts de ce réchauffement sur les écosystèmes - en particuliers les systèmes sensibles comme l'écotone de la limite des arbres - sont déjà visibles aujourd'hui. Les espèces de la limite alpine des forêts ont des taux de croissance plus forts, on observe en de nombreux endroits un accroissement du nombre de jeunes arbres s'établissant dans les trouées et la limite des arbres migre vers le haut. Compte tenu du réchauffement prévu, on s'attend à ce que ce phénomène, visible globalement, persiste. Cette thèse de doctorat visait à développer un jeu de méthodes et de modèles pour étudier dans un contexte spatial la position présente et future de la limite climatique des arbres, ainsi que ses déplacements, au sein des Alpes suisses. L'étude s'est donc focalisée sur: 1) la quantification de la dynamique actuelle de la limite des arbres et ses causes potentielles, 2) l'évaluation et l'amélioration des indicateurs, basés sur la température, pour la limite des arbres et 3) l'analyse spatiale et la projection de la position climatique passée, présente et future de la limite des arbres et des déplacements altitudinaux de cette position. Les méthodes utilisées sont une combinaison de mesures de température sur le terrain, de modélisation statistique et de la modélisation spatiale à l'aide d'un système d'information géographique. Les relations de voisinage entre parcelles de forêt ont été analysées à l'aide d'algorithmes utilisant des fenêtres mobiles, afin de mesurer les déplacements de la limite des arbres et déterminer leurs causes. Un modèle de transfert de température air-sol, basé sur les modèles de régression sur séries temporelles, a été développé pour calculer des indicateurs thermiques de la limite des arbres. Les indicateurs ont ensuite été appliqués spatialement pour délimiter la limite climatique des arbres, sur la base de données de températures interpolées. L'observation de la dynamique forestière récente dans l'écotone de la limite des arbres en Suisse a montré que les changements étaient principalement dus à la fermeture des trouées, mais aussi en partie à des déplacements vers des altitudes plus élevées. Il a été montré que la récente déprise agricole était la cause principale de ces changements. Des changements dus au climat n'ont été identifiés qu'aux limites supérieures de l'écotone de la limite des arbres. Les indicateurs de température moyenne saisonnière se sont avérés le mieux convenir pour prédire la limite climatique des arbres. L'application de limites dynamiques saisonnières et du modèle de transfert de température air-sol a amélioré l'applicabilité des indicateurs pour la modélisation spatiale. La reproduction des limites climatiques des arbres durant ces 45 dernières années a mis en évidence des changements d'altitude différents selon les régions, les plus importants étant situés près du plus haut massif montagneux. La modélisation des limites climatiques des arbres d'après deux scénarios de réchauffement climatique de l'IPCC a prédit des changements majeurs de l'altitude de la limite des arbres. Toutefois, l'on ne s'attend pas à ce que la limite des arbres actuellement observée atteigne cette limite facilement, en raison du délai de réaction, d'effets rétroactifs du climat et d'autres facteurs limitants.

Le système d'information dirigeant des Hospices: conception générale

[Table des matières] 1. Introduction. 2. Structure (introduction, hiérarchie). 3. Processus (généralités, flux de clientèle, flux d'activité, flux de ressources, aspects temporels, aspects comptables). 4. Descripteurs (qualification, quantification). 5. Indicateurs (définitions, productivité, pertinence, adéquation, efficacité, effectivité, efficience, standards). 6. Bibliographie.