Modelling structural zeros in compositional data

This analysis was stimulated by the real data analysis problem of household expenditure data. The full dataset contains expenditure data for a sample of 1224 households. The expenditure is broken down at 2 hierarchical levels: 9 major levels (e.g. housing, food, utilities etc.) and 92 minor levels. There are also 5 factors and 5 covariates at the household level. Not surprisingly, there are a small number of zeros at the major level, but many zeros at the minor level. The question is how best to model the zeros. Clearly, models that try to add a small amount to the zero terms are not appropriate in general as at least some of the zeros are clearly structural, e.g. alcohol/tobacco for households that are teetotal. The key question then is how to build suitable conditional models. For example, is the sub-composition of spending excluding alcohol/tobacco similar for teetotal and non-teetotal households? In other words, we are looking for sub-compositional independence. Also, what determines whether a household is teetotal? Can we assume that it is independent of the composition? In general, whether teetotal will clearly depend on the household level variables, so we need to be able to model this dependence. The other tricky question is that with zeros on more than one component, we need to be able to model dependence and independence of zeros on the different components. Lastly, while some zeros are structural, others may not be, for example, for expenditure on durables, it may be chance as to whether a particular household spends money on durables within the sample period. This would clearly be distinguishable if we had longitudinal data, but may still be distinguishable by looking at the distribution, on the assumption that random zeros will usually be for situations where any non-zero expenditure is not small. While this analysis is based on around economic data, the ideas carry over to many other situations, including geological data, where minerals may be missing for structural reasons (similar to alcohol), or missing because they occur only in random regions which may be missed in a sample (similar to the durables)

Statistical evidences of cyclic changes in volcanic gas chemistry composition by inverse modelling

The identification of compositional changes in fumarolic gases of active and quiescent volcanoes is one of the most important targets in monitoring programs. From a general point of view, many systematic (often cyclic) and random processes control the chemistry of gas discharges, making difficult to produce a convincing mathematical-statistical modelling. Changes in the chemical composition of volcanic gases sampled at Vulcano Island (Aeolian Arc, Sicily, Italy) from eight different fumaroles located in the northern sector of the summit crater (La Fossa) have been analysed by considering their dependence from time in the period 2000-2007. Each intermediate chemical composition has been considered as potentially derived from the contribution of the two temporal extremes represented by the 2000 and 2007 samples, respectively, by using inverse modelling methodologies for compositional data. Data pertaining to fumaroles F5 and F27, located on the rim and in the inner part of La Fossa crater, respectively, have been used to achieve the proposed aim. The statistical approach has allowed us to highlight the presence of random and not random fluctuations, features useful to understand how the volcanic system works, opening new perspectives in sampling strategies and in the evaluation of the natural risk related to a quiescent volcano

Modelling of Mercury’s surface composition and remote detection from the orbit with the BepiColombo Mercury Planetary Orbiter

It can be assumed that the composition of Mercury’s thin gas envelope (exosphere) is related to the composition of the planets crustal materials. If this relationship is true, then inferences regarding the bulk chemistry of the planet might be made from a thorough exospheric study. The most vexing of all unsolved problems is the uncertainty in the source of each component. Historically, it has been believed that H and He come primarily from the solar wind, while Na and K originate from volatilized materials partitioned between Mercury’s crust and meteoritic impactors. The processes that eject atoms and molecules into the exosphere of Mercury are generally considered to be thermal vaporization, photonstimulated desorption (PSD), impact vaporization, and ion sputtering. Each of these processes has its own temporal and spatial dependence. The exosphere is strongly influenced by Mercury’s highly elliptical orbit and rapid orbital speed. As a consequence the surface undergoes large fluctuations in temperature and experiences differences of insolation with longitude. We will discuss these processes but focus more on the expected surface composition and solar wind particle sputtering which releases material like Ca and other elements from the surface minerals and discuss the relevance of composition modelling

La Comunidad geospacial y el acceso a datos oceanográficos

Nowadays, Oceanographic and Geospatial communities are closely related worlds. The problem is that they follow parallel paths in data storage, distributions, modelling and data analyzing. This situation produces different data model implementations for the same features. While Geospatial information systems have 2 or 3 dimensions, the Oceanographic models uses multidimensional parameters like temperature, salinity, streams, ocean colour... This implies significant differences between data models of both communities, and leads to difficulties in dataset analysis for both sciences. These troubles affect directly to the Mediterranean Institute for Advanced Studies ( IMEDEA (CSIC-UIB)). Researchers from this Institute perform intensive processing with data from oceanographic facilities like CTDs, moorings, gliders… and geospatial data collected related to the integrated management of coastal zones. In this paper, we present an approach solution based on THREDDS (Thematic Real-time Environmental Distributed Data Services). THREDDS allows data access through the standard geospatial data protocol Web Coverage Service, inside the European project (European Coastal Sea Operational Observing and Forecasting system). The goal of ECOOP is to consolidate, integrate and further develop existing European coastal and regional seas operational observing and forecasting systems into an integrated pan- European system targeted at detecting environmental and climate changes

Predicting overall service quality: a structural equation modelling approach

In this article, the results of a modified SERVQUAL questionnaire (Parasuraman et al., 1991) are reported. The modifications consisted in substituting questionnaire items particularly suited to a specific service (banking) and context (county of Girona, Spain) for the original rather general and abstract items. These modifications led to more interpretable factors which accounted for a higher percentage of item variance. The data were submitted to various structural equation models which made it possible to conclude that the questionnaire contains items with a high measurement quality with respect to five identified dimensions of service quality which differ from those specified by Parasuraman et al. And are specific to the banking service. The two dimensions relating to the behaviour of employees have the greatest predictive power on overall quality and satisfaction ratings, which enables managers to use a low-cost reduced version of the questionnaire to monitor quality on a regular basis. It was also found that satisfaction and overall quality were perfectly correlated thus showing that customers do not perceive these concepts as being distinct

Modelling scenarios of diffusion and control of pandemic influenza, italy

En aquest article es resumeixen els resultats publicats en un informe de l' ISS (Istituto Superiore di Sanità) del desembre de 2006, sobre un model matemàtic desenvolupat per un grup de treball que inclou a investigadors de les Universitats de Trento, Pisa i Roma, i els Instituts Nacionals de Salut (Istituto Superiore di Sanità, ISS), per avaluar i mesurar l'impacte de la transmissió i el control de la pandèmia de grip

Modelling the Human Values Scale from Consumers Transactional Data Bases

The main objective of this paper aims at developing a methodology that takes into account the human factor extracted from the data base used by the recommender systems, and which allow to resolve the specific problems of prediction and recommendation. In this work, we propose to extract the user's human values scale from the data base of the users, to improve their suitability in open environments, such as the recommender systems. For this purpose, the methodology is applied with the data of the user after interacting with the system. The methodology is exemplified with a case study

An Interval Intelligent-based Approach for Fault Detection and Modelling

Not considered in the analytical model of the plant, uncertainties always dramatically decrease the performance of the fault detection task in the practice. To cope better with this prevalent problem, in this paper we develop a methodology using Modal Interval Analysis which takes into account those uncertainties in the plant model. A fault detection method is developed based on this model which is quite robust to uncertainty and results in no false alarm. As soon as a fault is detected, an ANFIS model is trained in online to capture the major behavior of the occurred fault which can be used for fault accommodation. The simulation results understandably demonstrate the capability of the proposed method for accomplishing both tasks appropriately

Factors influencing zooplankton size structure at contrasting temperatures in coastal shallow lakes: Implications for effects of climate change

We assessed the importance of temperature, salinity, and predation for the size structure of zooplankton and provided insight into the future ecological structure and function of shallow lakes in a warmer climate. Artificial plants were introduced in eight comparable coastal shallow brackish lakes located at two contrasting temperatures: cold-temperate and Mediterranean climate region. Zooplankton, fish, and macroinvertebrates were sampled within the plants and at open-water habitats. The fish communities of these brackish lakes were characterized by small-sized individuals, highly associated with submerged plants. Overall, higher densities of small planktivorous fish were recorded in the Mediterranean compared to the cold-temperate region, likely reflecting temperature-related differences as have been observed in freshwater lakes. Our results suggest that fish predation is the major control of zooplankton size structure in brackish lakes, since fish density was related to a decrease in mean body size and density of zooplankton and this was reflected in a unimodal shaped biomass-size spectrum with dominance of small sizes and low size diversity. Salinity might play a more indirect role by shaping zooplankton communities toward more salt-tolerant species. In a global-warming perspective, these results suggest that changes in the trophic structure of shallow lakes in temperate regions might be expected as a result of the warmer temperatures and the potentially associated increases in salinity. The decrease in the density of largebodied zooplankton might reduce the grazing on phytoplankton and thus the chances of maintaining the clear water state in these ecosystems

Knowledge-based modelling and simulation of operational problems of microbiological origin in wastewater treatment plants

The activated sludge and anaerobic digestion processes have been modelled in widely accepted models. Nevertheless, these models still have limitations when describing operational problems of microbiological origin. The aim of this thesis is to develop a knowledge-based model to simulate risk of plant-wide operational problems of microbiological origin.For the risk model heuristic knowledge from experts and literature was implemented in a rule-based system. Using fuzzy logic, the system can infer a risk index for the main operational problems of microbiological origin (i.e. filamentous bulking, biological foaming, rising sludge and deflocculation). To show the results of the risk model, it was implemented in the Benchmark Simulation Models. This allowed to study the risk model's response in different scenarios and control strategies. The risk model has shown to be really useful providing a third criterion to evaluate control strategies apart from the economical and environmental criteria.

Partial nitritation of landfill leachate in a SBR prior to an anammox reactor : operation and modelling

Els lixiviats d'abocadors urbans són aigües residuals altament contaminades, que es caracteritzen per les elevades concentracions d'amoni i el baix contingut de matèria orgànica biodegradable. El tractament dels lixiviats a través dels processos de nitrificació-desnitrificació convencionals és costós a causa de la seva elevada demanda d'oxigen i la necessitat d'addició d'una font de carboni externa. En els darrers anys, la viabilitat del tractament d'aquest tipus d'afluents per un procés combinat de nitritació parcial-anammox ha estat demostrada. Aquesta tesi es centra en el tractament de lixiviats d'abocador a través d'un procés de nitritació parcial en SBR, com un pas preparatori per a un reactor anammox. Els resultats de l'estudi han demostrat la viabilitat d'aquesta tecnologia per al tractament de lixiviats d'abocador. El treball va evolucionar des d'una escala inicial de laboratori, on el procés va ser testat inicialment, a uns exitosos experiments d'operació a llarg termini a escala pilot. Finalment, la tesi també inclou el desenvolupament, calibració i validació d'un model matemàtic del procés, que té com a objectiu augmentar el coneixement del procés.

Ecological analysis of periphytic diatoms in Mediterranean coastal wetlands (Empordà wetlands, NE Spain)

S'han estudiat els efectes dels factors ambientals sobre el perífiton dels sistemes lenític fluctuants del aiguamolls de l'Empordà. L'estudi s'ha realitzat als tres nivells d'integració: nivell d'ecosistema considerant el rol del perífiton envers els altres productors primaris; a nivell de comunitat, estudiant la composició específica de les diatomees i a nivell de població estudiant la plasticitat fenotípica d'una espècie de diatomea (Nitzschia frustulum). A nivell d'ecosistema s'observa que els factors que afavoreixen el predomini dels diferents tipus de productors primaris (perífiton, fitoplàncton i macròfits) són la renovació i el grau d'eutròfia de l'aigua. A nivell de comunitat els factors determinants en la composició i distribució de les espècies de diatomees són els gradients confinament-inundació així com la productivitat del sistema. En funció d'aquest factors s'han establert 5 associacions de diatomees. A nivell de població es demostra que tant la salinitat, com la relació N : P a l'aigua com el moviment de l'aigua afecten la morfologia i ultraestructura de la valva de N. frustulum. De forma interessant s'observa que la salinitat, considerada com a factor individual, afecta N. frustulum a nivell poblacional provocant-li modificacions en la morfologia de la valva, per en canvi, no afecta a nivell de comunitat, ja que totes les espècies de diatomees presents en ambients de salinitat fluctuant són eurihalines.

Food webs of Mediterranean coastal wetlands

En aquesta tesi doctoral s'han estudiat els efectes directes i indirectes de dos tipus d'espècies claus de la comunitat aquàtica dels aiguamolls de l'Empordà (aiguamolls costaners mediterranis amb una xarxa tròfica senzilla). S'han realitzat experiments al camp utilitzant microcosmos i mesocosmos i els resultats han estat analitzats mitjançant tres aproximacions: la taxonòmica, la funcional i la de mides. S'ha comprovat que en situacions amb absència de predadors i dominància d'una única espècie en el zooplàncton (en aquest cas Calanipeda aquaedulcis i Daphnia magna), la segregació del recurs entre els diferents estadis de desenvolupament de la mateixa espècie zooplanctònica és una estratègia per evitar la competència intraespecífica en condicions de limitació de recurs. Per altra banda, la presència de diferents top-predators a la comunitat aquàtica (en aquest cas la medusa Odessia maeotica i el peix Aphanius iberus) desencadena una cascada tròfica en el plàncton però amb efectes top-down diferents segons el top-predator.

Limnological characteristics and zooplankton community structure of Mediterranean coastal lagoons undergoing restoration

Entre 1999 i 2003 es va desenvolupar un projecte Life de restauració a la maresma de La Pletera, afectada per un pla urbanització, i a la llacuna del Ter Vell, amb un elevat grau d'eutròfia (aiguamolls del Baix Ter, NE Península Ibèrica). L'objectiu d'aquesta tesi és establir el funcionament d'ambdós ecosistemes, analitzar-ne la problemàtica ambiental i avaluar els efectes de la restauració. A la maresma de la Pletera, es va analitzar el paper de la hidrologia en la composició i dinàmica dels nutrients i del zooplàncton en cinc llacunes, tres de les quals havien estat creades dins el projecte de restauració com a nous refugis per una espècie de peix amenaçada (Aphanius iberus). La hidrologia es va caracteritzar per un llarg període de confinament sense entrades d'aigua, interromput de manera irregular per inundacions puntuals. La dinàmica del nitrogen inorgànic es va relacionar amb les entrades d'aigua, mentre que la del fòsfor, del nitrogen total i de la matèria orgànica es va relacionar amb els processos d'acumulació i reciclatge intern durant el confinament. El zooplàncton es va analitzar mitjançant la combinació d'aproximacions taxonòmiques i de mides. L'estructura de mides de la comunitat es va veure més afectada per les interaccions tròfiques (depredació i competència) mentre que l'estructura taxonòmica va ser més sensible a factors abiòtics (nutrients). El ràpid creixement de la població A. iberus en les noves llacunes va suggerir que aquestes havien proporcionat l'hàbitat adequat per a l'espècie, almenys a curt termini. Les actuacions de restauració a la llacuna del Ter Vell es van centrar en la millora de la qualitat de l'aigua mitjançant (1) la construcció d'uns aiguamolls per depurar l'aigua d'entrada i (2) el dragat del sediment en diversos punts. Simultàniament a la restauració, però de forma independent, la gestió agrícola de l'aigua va reduir dràsticament el cabal d'entrada d'aigua dolça a la llacuna, provocant un canvi en el règim hídric. Es van analitzar els efectes a curt termini d'aquest canvi sobre la limnologia i el zooplàncton de la llacuna. Abans del canvi, la hidrologia era artificial ja que s'havia prolongat l'entrada d'aigua dolça d'acord amb la demanda agrícola, i per tant la llacuna presentava una elevada taxa de renovació de l'aigua i majors concentracions de nutrients. Després del canvi, la hidrologia va dependre més del clima, es van reduir les entrades d'aigua i es va allargar el període de confinament. La composició y dinàmica dels nutrients va tendir a assemblar-se a l'observada a les llacunes de la maresma, mentre que la comunitat del zooplàncton no ho va fer. L'estat ecològic de la llacuna va millorar després del canvi en el règim hídric.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.