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.

Changing landscapes of Switzerland: assessing effects of historic and future land uses and land covers on the occurrence of selected butterfly species

Summary Landscapes are continuously changing. Natural forces of change such as heavy rainfall and fires can exert lasting influences on their physical form. However, changes related to human activities have often shaped landscapes more distinctly. In Western Europe, especially modern agricultural practices and the expanse of overbuilt land have left their marks in the landscapes since the middle of the 20th century. In the recent years men realised that mare and more changes that were formerly attributed to natural forces might indirectly be the result of their own action. Perhaps the most striking landscape change indirectly driven by human activity we can witness in these days is the large withdrawal of Alpine glaciers. Together with the landscapes also habitats of animal and plant species have undergone vast and sometimes rapid changes that have been hold responsible for the ongoing loss of biodiversity. Thereby, still little knowledge is available about probable effects of the rate of landscape change on species persistence and disappearance. Therefore, the development and speed of land use/land cover in the Swiss communes between the 1950s and 1990s were reconstructed using 10 parameters from agriculture and housing censuses, and were further correlated with changes in butterfly species occurrences. Cluster analyses were used to detect spatial patterns of change on broad spatial scales. Thereby, clusters of communes showing similar changes or transformation rates were identified for single decades and put into a temporally dynamic sequence. The obtained picture on the changes showed a prevalent replacement of non-intensive agriculture by intensive practices, a strong spreading of urban communes around city centres, and transitions towards larger farm sizes in the mountainous areas. Increasing transformation rates toward more intensive agricultural managements were especially found until the 1970s, whereas afterwards the trends were commonly negative. However, transformation rates representing the development of residential buildings showed positive courses at any time. The analyses concerning the butterfly species showed that grassland species reacted sensitively to the density of livestock in the communes. This might indicate the augmented use of dry grasslands as cattle pastures that show altered plant species compositions. Furthermore, these species also decreased in communes where farms with an agricultural area >5ha have disappeared. The species of the wetland habitats were favoured in communes with smaller fractions of agricultural areas and lower densities of large farms (>10ha) but did not show any correlation to transformation rates. It was concluded from these analyses that transformation rates might influence species disappearance to a certain extent but that states of the environmental predictors might generally outweigh the importance of the corresponding rates. Information on the current distribution of species is evident for nature conservation. Planning authorities that define priority areas for species protection or examine and authorise construction projects need to know about the spatial distribution of species. Hence, models that simulate the potential spatial distribution of species have become important decision tools. The underlying statistical analyses such as the widely used generalised linear models (GLM) often rely on binary species presence-absence data. However, often only species presence data have been colleted, especially for vagrant, rare or cryptic species such as butterflies or reptiles. Modellers have thus introduced randomly selected absence data to design distribution models. Yet, selecting false absence data might bias the model results. Therefore, we investigated several strategies to select more reliable absence data to model the distribution of butterfly species based on historical distribution data. The results showed that better models were obtained when historical data from longer time periods were considered. Furthermore, model performance was additionally increased when long-term data of species that show similar habitat requirements as the modelled species were used. This successful methodological approach was further applied to assess consequences of future landscape changes on the occurrence of butterfly species inhabiting dry grasslands or wetlands. These habitat types have been subjected to strong deterioration in the recent decades, what makes their protection a future mission. Four spatially explicit scenarios that described (i) ongoing land use changes as observed between 1985 and 1997, (ii) liberalised agricultural markets, and (iii) slightly and (iv) strongly lowered agricultural production provided probable directions of landscape change. Current species-environment relationships were derived from a statistical model and used to predict future occurrence probabilities in six major biogeographical regions in Switzerland, comprising the Jura Mountains, the Plateau, the Northern and Southern Alps, as well as the Western and Eastern Central Alps. The main results were that dry grasslands species profited from lowered agricultural production, whereas overgrowth of open areas in the liberalisation scenario might impair species occurrence. The wetland species mostly responded with decreases in their occurrence probabilities in the scenarios, due to a loss of their preferred habitat. Further analyses about factors currently influencing species occurrences confirmed anthropogenic causes such as urbanisation, abandonment of open land, and agricultural intensification. Hence, landscape planning should pay more attention to these forces in areas currently inhabited by these butterfly species to enable sustainable species persistence. In this thesis historical data were intensively used to reconstruct past developments and to make them useful for current investigations. Yet, the availability of historical data and the analyses on broader spatial scales has often limited the explanatory power of the conducted analyses. Meaningful descriptors of former habitat characteristics and abundant species distribution data are generally sparse, especially for fine scale analyses. However, this situation can be ameliorated by broadening the extent of the study site and the used grain size, as was done in this thesis by considering the whole of Switzerland with its communes. Nevertheless, current monitoring projects and data recording techniques are promising data sources that might allow more detailed analyses about effects of long-term species reactions on landscape changes in the near future. This work, however, also showed the value of historical species distribution data as for example their potential to locate still unknown species occurrences. The results might therefore contribute to further research activities that investigate current and future species distributions considering the immense richness of historical distribution data. Résumé Les paysages changent continuellement. Des farces naturelles comme des pluies violentes ou des feux peuvent avoir une influence durable sur la forme du paysage. Cependant, les changements attribués aux activités humaines ont souvent modelé les paysages plus profondément. Depuis les années 1950 surtout, les pratiques agricoles modernes ou l'expansion des surfaces d'habitat et d'infrastructure ont caractérisé le développement du paysage en Europe de l'Ouest. Ces dernières années, l'homme a commencé à réaliser que beaucoup de changements «naturels » pourraient indirectement résulter de ses propres activités. Le changement de paysage le plus apparent dont nous sommes témoins de nos jours est probablement l'immense retraite des glaciers alpins. Avec les paysages, les habitats des animaux et des plantes ont aussi été exposés à des changements vastes et quelquefois rapides, tenus pour coresponsable de la continuelle diminution de la biodiversité. Cependant, nous savons peu des effets probables de la rapidité des changements du paysage sur la persistance et la disparition des espèces. Le développement et la rapidité du changement de l'utilisation et de la couverture du sol dans les communes suisses entre les années 50 et 90 ont donc été reconstruits au moyen de 10 variables issues des recensements agricoles et résidentiels et ont été corrélés avec des changements de présence des papillons diurnes. Des analyses de groupes (Cluster analyses) ont été utilisées pour détecter des arrangements spatiaux de changements à l'échelle de la Suisse. Des communes avec des changements ou rapidités comparables ont été délimitées pour des décennies séparées et ont été placées en séquence temporelle, en rendrent une certaine dynamique du changement. Les résultats ont montré un remplacement répandu d'une agriculture extensive des pratiques intensives, une forte expansion des faubourgs urbains autour des grandes cités et des transitions vers de plus grandes surfaces d'exploitation dans les Alpes. Dans le cas des exploitations agricoles, des taux de changement croissants ont été observés jusqu'aux années 70, alors que la tendance a généralement été inversée dans les années suivantes. Par contre, la vitesse de construction des nouvelles maisons a montré des courbes positives pendant les 50 années. Les analyses sur la réaction des papillons diurnes ont montré que les espèces des prairies sèches supportaient une grande densité de bétail. Il est possible que dans ces communes beaucoup des prairies sèches aient été fertilisées et utilisées comme pâturages, qui ont une autre composition floristique. De plus, les espèces ont diminué dans les communes caractérisées par une rapide perte des fermes avec une surface cultivable supérieure à 5 ha. Les espèces des marais ont été favorisées dans des communes avec peu de surface cultivable et peu de grandes fermes, mais n'ont pas réagi aux taux de changement. Il en a donc été conclu que la rapidité des changements pourrait expliquer les disparitions d'espèces dans certains cas, mais que les variables prédictives qui expriment des états pourraient être des descripteurs plus importants. Des informations sur la distribution récente des espèces sont importantes par rapport aux mesures pour la conservation de la nature. Pour des autorités occupées à définir des zones de protection prioritaires ou à autoriser des projets de construction, ces informations sont indispensables. Les modèles de distribution spatiale d'espèces sont donc devenus des moyens de décision importants. Les méthodes statistiques courantes comme les modèles linéaires généralisés (GLM) demandent des données de présence et d'absence des espèces. Cependant, souvent seules les données de présence sont disponibles, surtout pour les animaux migrants, rares ou cryptiques comme des papillons ou des reptiles. C'est pourquoi certains modélisateurs ont choisi des absences au hasard, avec le risque d'influencer le résultat en choisissant des fausses absences. Nous avons établi plusieurs stratégies, basées sur des données de distribution historique des papillons diurnes, pour sélectionner des absences plus fiables. Les résultats ont démontré que de meilleurs modèles pouvaient être obtenus lorsque les données proviennent des périodes de temps plus longues. En plus, la performance des modèles a pu être augmentée en considérant des données de distribution à long terme d'espèces qui occupent des habitats similaires à ceux de l'espèce cible. Vu le succès de cette stratégie, elle a été utilisée pour évaluer les effets potentiels des changements de paysage futurs sur la distribution des papillons des prairies sèches et marais, deux habitats qui ont souffert de graves détériorations. Quatre scénarios spatialement explicites, décrivant (i) l'extrapolation des changements de l'utilisation de sol tels qu'observés entre 1985 et 1997, (ii) la libéralisation des marchés agricoles, et une production agricole (iii) légèrement amoindrie et (iv) fortement diminuée, ont été utilisés pour générer des directions de changement probables. Les relations actuelles entre la distribution des espèces et l'environnement ont été déterminées par le biais des modèles statistiques et ont été utilisées pour calculer des probabilités de présence selon les scénarios dans six régions biogéographiques majeures de la Suisse, comportant le Jura, le Plateau, les Alpes du Nord, du Sud, centrales orientales et centrales occidentales. Les résultats principaux ont montré que les espèces des prairies sèches pourraient profiter d'une diminution de la production agricole, mais qu'elles pourraient aussi disparaître à cause de l'embroussaillement des terres ouvertes dû à la libéralisation des marchés agricoles. La probabilité de présence des espèces de marais a décrû à cause d'une perte générale des habitats favorables. De plus, les analyses ont confirmé que des causes humaines comme l'urbanisation, l'abandon des terres ouvertes et l'intensification de l'agriculture affectent actuellement ces espèces. Ainsi ces forces devraient être mieux prises en compte lors de planifications paysagères, pour que ces papillons diurnes puissent survivre dans leurs habitats actuels. Dans ce travail de thèse, des données historiques ont été intensivement utilisées pour reconstruire des développements anciens et pour les rendre utiles à des recherches contemporaines. Cependant, la disponibilité des données historiques et les analyses à grande échelle ont souvent limité le pouvoir explicatif des analyses. Des descripteurs pertinents pour caractériser les habitats anciens et des données suffisantes sur la distribution des espèces sont généralement rares, spécialement pour des analyses à des échelles fores. Cette situation peut être améliorée en augmentant l'étendue du site d'étude et la résolution, comme il a été fait dans cette thèse en considérant toute la Suisse avec ses communes. Cependant, les récents projets de surveillance et les techniques de collecte de données sont des sources prometteuses, qui pourraient permettre des analyses plus détaillés sur les réactions à long terme des espèces aux changements de paysage dans le futur. Ce travail a aussi montré la valeur des anciennes données de distribution, par exemple leur potentiel pour aider à localiser des' présences d'espèces encore inconnues. Les résultats peuvent contribuer à des activités de recherche à venir, qui étudieraient les distributions récentes ou futures d'espèces en considérant l'immense richesse des données de distribution historiques.

Environment and dispersal paths override life strategies and residence time in determining regional patterns of invasion by alien plants.

We describe a novel dissimilarity framework to analyze spatial patterns of species diversity and illustrate it with alien plant invasions in Northern Portugal. We used this framework to test the hypothesis that patterns of alien invasive plant species richness and composition are differently affected by differences in climate, land use and landscape connectivity (i.e. Geographic distance as a proxy and vectorial objects that facilitate dispersal such as roads and rivers) between pairs of localities at the regional scale. We further evaluated possible effects of plant life strategies (Grime's C-S-R) and residence time. Each locality consisted of a 1 km(2) landscape mosaic in which all alien invasive species were recorded by visiting all habitat types. Multi-model inference revealed that dissimilarity in species richness is more influenced by environmental distance (particularly climate), whereas geographic distance (proxies for dispersal limitations) is more important to explain dissimilarity in species composition, with a prevailing role for ecotones and roads. However, only minor differences were found in the responses of the three C-S-R strategies. Some effect of residence time was found, but only for dissimilarity in species richness. Our results also indicated that environmental conditions (e.g. climate conditions) limit the number of alien species invading a given site, but that the presence of dispersal corridors determines the paths of invasion and therefore the pool of species reaching each site. As geographic distances (e.g. ecotones and roads) tend to explain invasion at our regional scale highlights the need to consider the management of alien invasions in the context of integrated landscape planning. Alien species management should include (but not be limited to) the mitigation of dispersal pathways along linear infrastructures. Our results therefore highlight potentially useful applications of the novel multimodel framework to the anticipation and management of plant invasions. (C) 2013 Elsevier GmbH. All rights reserved.

A discrete forest in a continuous landscape : investigating interactions between natural resource management and sustainable development

Summary Forests are key ecosystems of the earth and associated with a large range of functions. Many of these functions are beneficial to humans and are referred to as ecosystem services. Sustainable development requires that all relevant ecosystem services are quantified, managed and monitored equally. Natural resource management therefore targets the services associated with ecosystems. The main hypothesis of this thesis is that the spatial and temporal domains of relevant services do not correspond to a discrete forest ecosystem. As a consequence, the services are not quantified, managed and monitored in an equal and sustainable manner. The thesis aims were therefore to test this hypothesis, establish an improved conceptual approach and provide spatial applications for the relevant land cover and structure variables. The study was carried out in western Switzerland and based primarily on data from a countrywide landscape inventory. This inventory is part of the third Swiss national forest inventory and assesses continuous landscape variables based on a regular sampling of true colour aerial imagery. In addition, land cover variables were derived from Landsat 5 TM passive sensor data and land structure variables from active sensor data from a small footprint laserscanning system. The results confirmed the main hypothesis, as relevant services did not scale well with the forest ecosystem. Instead, a new conceptual approach for sustainable management of natural resources was described. This concept quantifies the services as a continuous function of the landscape, rather than a discrete function of the forest ecosystem. The explanatory landscape variables are therefore called continuous fields and the forest becomes a dependent and function-driven management unit. Continuous field mapping methods were established for land cover and structure variables. In conclusion, the discrete forest ecosystem is an adequate planning and management unit. However, monitoring the state of and trends in sustainability of services requires them to be quantified as a continuous function of the landscape. Sustainable natural resource management iteratively combines the ecosystem and gradient approaches. Résumé Les forêts sont des écosystèmes-clés de la terre et on leur attribue un grand nombre de fonctions. Beaucoup de ces fonctions sont bénéfiques pour l'homme et sont nommées services écosystémiques. Le développement durable exige que ces services écosystémiques soient tous quantifiés, gérés et surveillés de façon égale. La gestion des ressources naturelles a donc pour cible les services attribués aux écosystèmes. L'hypothèse principale de cette thèse est que les domaines spatiaux et temporels des services attribués à la forêt ne correspondent pas à un écosystème discret. Par conséquent, les services ne sont pas quantifiés, aménagés et surveillés d'une manière équivalente et durable. Les buts de la thèse étaient de tester cette hypothèse, d'établir une nouvelle approche conceptuelle de la gestion des ressources naturelles et de préparer des applications spatiales pour les variables paysagères et structurelles appropriées. L'étude a été menée en Suisse occidentale principalement sur la base d'un inventaire de paysage à l'échelon national. Cet inventaire fait partie du troisième inventaire forestier national suisse et mesure de façon continue des variables paysagères sur la base d'un échantillonnage régulier sur des photos aériennes couleur. En outre, des variables de couverture ? terrestre ont été dérivées des données d'un senseur passif Landsat 5 TM, ainsi que des variables structurelles, dérivées du laserscanning, un senseur actif. Les résultats confirment l'hypothèse principale, car l'échelle des services ne correspond pas à celle de l'écosystème forestier. Au lieu de cela, une nouvelle approche a été élaborée pour la gestion durable des ressources naturelles. Ce concept représente les services comme une fonction continue du paysage, plutôt qu'une fonction discrète de l'écosystème forestier. En conséquence, les variables explicatives de paysage sont dénommées continuous fields et la forêt devient une entité dépendante, définie par la fonction principale du paysage. Des méthodes correspondantes pour la couverture terrestre et la structure ont été élaborées. En conclusion, l'écosystème forestier discret est une unité adéquate pour la planification et la gestion. En revanche, la surveillance de la durabilité de l'état et de son évolution exige que les services soient quantifiés comme fonction continue du paysage. La gestion durable des ressources naturelles joint donc l'approche écosystémique avec celle du gradient de manière itérative.

Towards Integrated Governance of Landscape Development : The Swiss Model of Regional Nature Parks

Coherent regulation of landscape as a resource is a major challenge. How can the development interests of some actors (eg cable car operators and property developers) be reconciled with those of others (agriculture, forestry) and with conservation of biodiversity and scenic value? To help understand how the newly introduced Regional Nature Parks (RNPs) can improve the coherence of the regulation regime in Switzerland, we highlight current direct mechanisms for regulation of landscape as a resource (bans, inventories, subsidies) as well as indirect mechanisms (taking place through the regulation of the physical basis of landscapes, eg forest, land, and water planning policies). We show that RNPs are fundamentally innovative because they make it possible to manage and coordinate indirect strategies for appropriate regulation of resources at a landscape scale. In other words, RNPs enable organization of governance of landscape as a resource in a perimeter that is not necessarily restricted to administrative boundaries.

Using life strategies to explore the vulnerability of ecosystem services to invasion by alien plants

Invasive plants can have different effects of ecosystem functioning and on the provision of ecosystem services, from strongly deleterious impacts to positive effects. The nature and intensity of such effects will depend on the service and ecosystem being considered, but also on features of life strategies of invaders that influence their invasiveness as well as their influence of key processes of receiving ecosystems. To address the combined effect of these various factors we developed a robust and efficient methodological framework that allows to identify areas of possible conflict between ecosystem services and alien invasive plants, considering interactions between landscape invasibility and species invasiveness. Our framework combines the statistical robustness of multi-model inference, efficient techniques to map ecosystem services, and life strategies as a functional link between invasion, functional changes and potential provision of services by invaded ecosystems. The framework was applied to a test region in Portugal, for which we could successfully predict the current patterns of plant invasion, of ecosystem service provision, and finally of probable conflict (expressing concern for negative impacts, and value for positive impacts on services) between alien species richness (total and per plant life strategy) and the potential provision of selected services. Potential conflicts were identified for all combinations of plant strategy and ecosystem service, with an emphasis for those concerning conflicts with carbon sequestration, water regulation and wood production. Lower levels of conflict were obtained between invasive plant strategies and the habitat for biodiversity supporting service. The added value of the proposed framework in the context of landscape management and planning is discussed in perspective of anticipation of conflicts, mitigation of negative impacts, and potentiation of positive effects of plant invasions on ecosystems and their services.

Evaluating sampling strategies and logistic regression methods for modelling complex land cover changes

The role of land cover change as a significant component of global change has become increasingly recognized in recent decades. Large databases measuring land cover change, and the data which can potentially be used to explain the observed changes, are also becoming more commonly available. When developing statistical models to investigate observed changes, it is important to be aware that the chosen sampling strategy and modelling techniques can influence results. We present a comparison of three sampling strategies and two forms of grouped logistic regression models (multinomial and ordinal) in the investigation of patterns of successional change after agricultural land abandonment in Switzerland. Results indicated that both ordinal and nominal transitional change occurs in the landscape and that the use of different sampling regimes and modelling techniques as investigative tools yield different results. Synthesis and applications. Our multimodel inference identified successfully a set of consistently selected indicators of land cover change, which can be used to predict further change, including annual average temperature, the number of already overgrown neighbouring areas of land and distance to historically destructive avalanche sites. This allows for more reliable decision making and planning with respect to landscape management. Although both model approaches gave similar results, ordinal regression yielded more parsimonious models that identified the important predictors of land cover change more efficiently. Thus, this approach is favourable where land cover change pattern can be interpreted as an ordinal process. Otherwise, multinomial logistic regression is a viable alternative.

T1-weighted MRI as a substitute to CT for refocusing planning in MR-guided focused ultrasound.

Precise focusing is essential for transcranial MRI-guided focused ultrasound (TcMRgFUS) to minimize collateral damage to non-diseased tissues and to achieve temperatures capable of inducing coagulative necrosis at acceptable power deposition levels. CT is usually used for this refocusing but requires a separate study (CT) ahead of the TcMRgFUS procedure. The goal of this study was to determine whether MRI using an appropriate sequence would be a viable alternative to CT for planning ultrasound refocusing in TcMRgFUS. We tested three MRI pulse sequences (3D T1 weighted 3D volume interpolated breath hold examination (VIBE), proton density weighted 3D sampling perfection with applications optimized contrasts using different flip angle evolution and 3D true fast imaging with steady state precision T2-weighted imaging) on patients who have already had a CT scan performed. We made detailed measurements of the calvarial structure based on the MRI data and compared those so-called 'virtual CT' to detailed measurements of the calvarial structure based on the CT data, used as a reference standard. We then loaded both standard and virtual CT in a TcMRgFUS device and compared the calculated phase correction values, as well as the temperature elevation in a phantom. A series of Bland-Altman measurement agreement analyses showed T1 3D VIBE as the optimal MRI sequence, with respect to minimizing the measurement discrepancy between the MRI derived total skull thickness measurement and the CT derived total skull thickness measurement (mean measurement discrepancy: 0.025; 95% CL (-0.22-0.27); p = 0.825). The T1-weighted sequence was also optimal in estimating skull CT density and skull layer thickness. The mean difference between the phase shifts calculated with the standard CT and the virtual CT reconstructed from the T1 dataset was 0.08 ± 1.2 rad on patients and 0.1 ± 0.9 rad on phantom. Compared to the real CT, the MR-based correction showed a 1 °C drop on the maximum temperature elevation in the phantom (7% relative drop). Without any correction, the maximum temperature was down 6 °C (43% relative drop). We have developed an approach that allows for a reconstruction of a virtual CT dataset from MRI to perform phase correction in TcMRgFUS.

Quantifying rates of landscape evolution and tectonic processes by thermochronology and numerical modeling of crustal heat transport using PECUBE

PECUBE is a three-dimensional thermal-kinematic code capable of solving the heat production-diffusion-advection equation under a temporally varying surface boundary condition. It was initially developed to assess the effects of time-varying surface topography (relief) on low-temperature thermochronological datasets. Thermochronometric ages are predicted by tracking the time-temperature histories of rock-particles ending up at the surface and by combining these with various age-prediction models. In the decade since its inception, the PECUBE code has been under continuous development as its use became wider and addressed different tectonic-geomorphic problems. This paper describes several major recent improvements in the code, including its integration with an inverse-modeling package based on the Neighborhood Algorithm, the incorporation of fault-controlled kinematics, several different ways to address topographic and drainage change through time, the ability to predict subsurface (tunnel or borehole) data, prediction of detrital thermochronology data and a method to compare these with observations, and the coupling with landscape-evolution (or surface-process) models. Each new development is described together with one or several applications, so that the reader and potential user can clearly assess and make use of the capabilities of PECUBE. We end with describing some developments that are currently underway or should take place in the foreseeable future. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

A concentric analysis of the impact of urbanization on the threatened European tree frog in an agricultural landscape

Pond-breeding amphibians are affected by site-specific factors and regional and landscape-scale patterns of land use. Recent anthropogenic landscape modifications (drainage, agriculture intensification, larger road networks, and increased traffic) affect species by reducing the suitable habitat area and fragmenting remaining populations. Using a robust concentric approach based on permutation tests, we evaluated the impact of recent landscape changes on the presence of the endangered European tree frog (Hyla arborea.) in wetlands. We analyzed the frequency of 1 traffic and 14 land-use indices at 20 circular ranges (from 100-m up to 2-km radii) around 76 ponds identified in western Switzerland. Urban areas and road surfaces had a strong adverse effect on tree frog presence even at relatively great distances (from 100 m up to 1 km). When traffic measurements were considered instead of road surfaces, the effect increased, suggesting a negative impact due to a vehicle-induced effect. Altogether, our results indicate that urbanization and traffic must be taken into account when pond creation is an option in conservation management plans, as is the case for the European tree frog in western Switzerland. We conclude that our easy-to-use and robust concentric method of analysis can successfully assist managers in identifying potential sites for pond creation, where probability of the presence of tree frogs is maximized.

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.

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.