Learning wind fields with multiple kernels

This paper presents multiple kernel learning (MKL) regression as an exploratory spatial data analysis and modelling tool. The MKL approach is introduced as an extension of support vector regression, where MKL uses dedicated kernels to divide a given task into sub-problems and to treat them separately in an effective way. It provides better interpretability to non-linear robust kernel regression at the cost of a more complex numerical optimization. In particular, we investigate the use of MKL as a tool that allows us to avoid using ad-hoc topographic indices as covariables in statistical models in complex terrains. Instead, MKL learns these relationships from the data in a non-parametric fashion. A study on data simulated from real terrain features confirms the ability of MKL to enhance the interpretability of data-driven models and to aid feature selection without degrading predictive performances. Here we examine the stability of the MKL algorithm with respect to the number of training data samples and to the presence of noise. The results of a real case study are also presented, where MKL is able to exploit a large set of terrain features computed at multiple spatial scales, when predicting mean wind speed in an Alpine region.

Paikkatiedon perustukset puntarissa

Kokouksen esitysten verkko-osoite: http://www.geoinfo.tuwien.ac.at/events/Euresco2000/gdgis.htm

Robust Nonlinear Mapping of Soil Contamination Using Support Regression

Spatial data analysis mapping and visualization is of great importance in various fields: environment, pollution, natural hazards and risks, epidemiology, spatial econometrics, etc. A basic task of spatial mapping is to make predictions based on some empirical data (measurements). A number of state-of-the-art methods can be used for the task: deterministic interpolations, methods of geostatistics: the family of kriging estimators (Deutsch and Journel, 1997), machine learning algorithms such as artificial neural networks (ANN) of different architectures, hybrid ANN-geostatistics models (Kanevski and Maignan, 2004; Kanevski et al., 1996), etc. All the methods mentioned above can be used for solving the problem of spatial data mapping. Environmental empirical data are always contaminated/corrupted by noise, and often with noise of unknown nature. That's one of the reasons why deterministic models can be inconsistent, since they treat the measurements as values of some unknown function that should be interpolated. Kriging estimators treat the measurements as the realization of some spatial randomn process. To obtain the estimation with kriging one has to model the spatial structure of the data: spatial correlation function or (semi-)variogram. This task can be complicated if there is not sufficient number of measurements and variogram is sensitive to outliers and extremes. ANN is a powerful tool, but it also suffers from the number of reasons. of a special type ? multiplayer perceptrons ? are often used as a detrending tool in hybrid (ANN+geostatistics) models (Kanevski and Maignank, 2004). Therefore, development and adaptation of the method that would be nonlinear and robust to noise in measurements, would deal with the small empirical datasets and which has solid mathematical background is of great importance. The present paper deals with such model, based on Statistical Learning Theory (SLT) - Support Vector Regression. SLT is a general mathematical framework devoted to the problem of estimation of the dependencies from empirical data (Hastie et al, 2004; Vapnik, 1998). SLT models for classification - Support Vector Machines - have shown good results on different machine learning tasks. The results of SVM classification of spatial data are also promising (Kanevski et al, 2002). The properties of SVM for regression - Support Vector Regression (SVR) are less studied. First results of the application of SVR for spatial mapping of physical quantities were obtained by the authorsin for mapping of medium porosity (Kanevski et al, 1999), and for mapping of radioactively contaminated territories (Kanevski and Canu, 2000). The present paper is devoted to further understanding of the properties of SVR model for spatial data analysis and mapping. Detailed description of the SVR theory can be found in (Cristianini and Shawe-Taylor, 2000; Smola, 1996) and basic equations for the nonlinear modeling are given in section 2. Section 3 discusses the application of SVR for spatial data mapping on the real case study - soil pollution by Cs137 radionuclide. Section 4 discusses the properties of the modelapplied to noised data or data with outliers.

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.

Liikkuvan kenttätyön hallinta etätunnistusta ja paikannusta hyödyntävällä mobiilijärjestelmällä

Liikkuvan kenttätyön työntekijät suorittavat työpäivän aikana työtä useassa eri työkohteessa. Työkohteilla suoritettujen työtehtävien kirjaus tapahtuu usein jälkikäteen ja muistinvaraisesti. Diplomityön tavoitteena on esittää ratkaisu liikkuvan kenttätyön työkirjausten automatisointiin. Tavoitteen mukaisen etätunnistusta ja paikannusta hyödyntävän mobiilijärjestelmän avulla työntekijöiden käsinkirjoitetut ja mahdollisesti puutteelliset työkirjaukset korvataan automaattisilla ja täsmällisillä kirjauksilla. Järjestelmän tavoitteena on vähentää työntekijöiden työkuormaa. Työssä arvioidaan etätunnistuksen hyödyntämistä mobiilisovelluksen käyttöä helpottavana tekniikkana. Parhaimmillaan etätunnistus poistaa kokonaan mobiililaitteen näppäilytarpeen, mutta aiheuttaa osaltaan lisää työtä järjestelmän ylläpitoon. Työn tuloksissa esitetään myös satelliittipaikannuksen todettu tarkkuus ja soveltuvuus liikkuvan kenttätyön tarpeisiin taajama- ja kaupunkialueella. Varsinkin kaupunkialueella satelliittiperustaisen paikkatiedon tehokas hyödyntäminen edellyttää suodatusta ja älykkyyttä paikkatiedon prosessointiin.

Tietojärjestelmät palvelutuotannon tukena

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää Imatran kaupungin teknisen toimen nykyinen tietojärjestelmäarkkitehtuuri, sekä selvittää, kuinka hyvin käytettävät tietojärjestelmät tukevat teknisen toimen tuottamaa omakotirakentajan palveluprosessia. Työn teoriaosassa syvennyttiin palvelujen hallintaan, tietojärjestelmiin ja paikkatietojärjestelmiin. Työn empiirisessä osassa tutkittiin, kuinka toimiva käytössä oleva järjestelmäkokonaisuus on. Tutkimus osoitti, että käytössä olevat tietojärjestelmät ja ohjelmistot ovat tehokkaita ja tarkoituksenmukaisia. Teknologian kehittämisen lisäksi tulee kiinnittää huomiota työskentelytapojen kehittämiseen ja yhtenäistämiseen esimerkiksi sähköisen prosessin seurantalomakkeen, tietokantojen päivittämisen, sekä paperisten aineistojen digitoimisen avulla. Tietojärjestelmäarkkitehtuurin tulee olla yksinkertainen ja päällekkäisiä toimintoja kannattaa välttää. Paikkatietojärjestelmien muuttaminen selainpohjaisiksi tehostaa eri tietolähteiden hyödyntämistä. Henkilöstön riittävä tietojärjestelmäkoulutus on tärkeää.

Self-deposit, discovery, and delivery of scientific GIS datasets using GeoHydra

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

GIS in Digital Repositories

Workshop at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Geneerisen karttakomponentin kehitys: Tapaustutkimus kohdeyrityksen tuotteissa

Erilaisten paikkatietoon ja karttoihin perustuvien palveluiden määrä on viime vuosina kasvanut suuresti. Eräänä mahdollistajana tähän lienee Euroopan Unionin Inspire-direktiivi, jonka tavoitteena on tehostaa paikkatietoaineistojen käyttöä, laajentaa viranomaisten välistä yhteistyötä, sekä edistää monipuolisten kansalaispalveluiden syntymistä. Toisena tekijänä lienee mobiiliverkkojen tiedonsiirtokapasiteetin kasvu. Tämä diplomityö keskittyy geneerisen karttakomponentin kehitykseen. Työssä tutustutaan erilaisiin paikkatiedon välityksessä käytettäviin tiedonsiirtotekniikoihin ja paikkatiedon visuaalisen esityksen mahdollistaviin työkaluihin. Tekniikoiden esittelyn jälkeen selvitetään mitä käytettävyydellä ja geneerisyydellä tarkoitetaan kirjallisuuslähteitä apuna käyttäen. Työn seuraavassa vaiheessa toteutetaan prototyyppi uudelleenkäytettävästä karttakomponentista, sekä selvitetään hyvä tallennusratkaisu erilaisille kartalle tehtäville merkinnöille. Viimeisessä vaiheessa analysoidaan toteutusta ja valittuja ratkaisuja. Työn tuloksina saadaan uudelleenkäytettävän karttakomponentin prototyyppi sekä yrityksen tuotteisiin sopiva tallennusratkaisu karttamerkinnöille. Lisäksi prototyypin analysoinnista saatavat tulokset edesauttavat paremman tuotantoversion kehittämisessä.

An Integrated Hydro geological Study of the Muvattupuzha River Basin, Kerala, India

The present investigation on the Muvattupuzha river basin is an integrated approach based on hydrogeological, geophysical, hydrogeochemical parameters and the results are interpreted using satellite data. GIS also been used to combine the various spatial and non-spatial data. The salient finding of the present study are accounted below to provide a holistic picture on the groundwaters of the Muvattupuzha river basin. In the Muvattupuzha river basin the groundwaters are drawn from the weathered and fractured zones. The groundwater level fluctuations of the basin from 1992 to 2001 reveal that the water level varies between a minimum of 0.003 m and a maximum of 3.45 m. The groundwater fluctuation is affected by rainfall. Various aquifer parameters like transmissivity, storage coefficient, optimum yield, time for full recovery and specific capacity indices are analyzed. The depth to the bedrock of the basin varies widely from 1.5 to 17 mbgl. A ground water prospective map of phreatic aquifer has been prepared based on thickness of the weathered zone and low resistivity values (<500 ohm-m) and accordingly the basin is classified in three phreatic potential zones as good, moderate and poor. The groundwater of the Muvattupuzha river basin, the pH value ranges from 5.5 to 8.1, in acidic nature. Hydrochemical facies diagram reveals that most of the samples in both the seasons fall in mixing and dissolution facies and a few in static and dynamic natures. Further study is needed on impact of dykes on the occurrence and movement of groundwater, impact of seapages from irrigation canals on the groundwater quality and resources of this basin, and influence of inter-basin transfer of surface water on groundwater.

Design of a Knowledge-Based Geographic Information System

A GIS has been designed with limited Functionalities; but with a novel approach in Aits design. The spatial data model adopted in the design of KBGIS is the unlinked vector model. Each map entity is encoded separately in vector fonn, without referencing any of its neighbouring entities. Spatial relations, in other words, are not encoded. This approach is adequate for routine analysis of geographic data represented on a planar map, and their display (Pages 105-106). Even though spatial relations are not encoded explicitly, they can be extracted through the specially designed queries. This work was undertaken as an experiment to study the feasibility of developing a GIS using a knowledge base in place of a relational database. The source of input spatial data was accurate sheet maps that were manually digitised. Each identifiable geographic primitive was represented as a distinct object, with its spatial properties and attributes defined. Composite spatial objects, made up of primitive objects, were formulated, based on production rules defining such compositions. The facts and rules were then organised into a production system, using OPS5

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.

Flächenhafte und funktionale Analyse kleinräumiger standortbedingter Variationen der Grünlandvegetation und -produktivität

Zur Abbildung heterogener Standorteigenschaften und Ertragspotenziale werden zunehmend flächenhafte Daten nachgefragt. Insbesondere für Grünland, das häufig durch ausgeprägte Standortheterogenität gekennzeichnet ist, ergeben sich hohe Anforderungen an die Wiedergabequalität, denn die realen Verhältnisse sollen in praktikabler Weise möglichst exakt abgebildet werden. Außerdem können flächenhafte Daten genutzt werden, um Zusammenhänge zwischen teilflächenspezifischen Standorteigenschaften und Grünlandaspekten detaillierter zu analysieren und bisher nicht erkannte Wechselbeziehungen nachzuweisen. Für mitteleuropäisches Grünland lagen zu Beginn dieser Arbeit derartige räumliche Untersuchungen nicht oder nur in Teilaspekten vor. Diese Arbeit befasste sich mit der Analyse von Wirkungsbeziehungen zwischen Standort- und Grünlandmerkmalen auf einer im Nordhessischen Hügelland (Deutschland) weitgehend praxisüblicher bewirtschafteten 20 ha großen Weidefläche. Erhoben wurden als Standortfaktoren die Geländemorphologie, die Bodentextur, die Grundnährstoffgehalten sowie als Parameter des Grünlandbestandes die botanische Zusammensetzung, der Ertrag und die Qualitätsparameter. Sie wurden sowohl in einem 50 m-Raster ganzflächig, als auch auf drei 50x50 m großen Teilflächen in erhöhter Beprobungsdichte (6,25 m-Rasterweite) aufgenommen. Die relevanten Fragestellungen zielen auf die räumliche und zeitliche Variabilität von Grünlandbestandesparametern innerhalb von Grünlandflächen sowie deren Abhängigkeit von den Standortfaktoren. Ein weiterer Schwerpunkt war die Überprüfung der Frage, ob die reale Variabilität der Zielvariablen durch die Interpolierung der punktuell erfassten Daten wiedergegeben werden kann. Die Beziehungen zwischen Standort- und Grünlandmerkmalen wurden mit monokausalen und multivariaten Ansätzen untersucht. Die Ergebnisse ließen, unabhängig vom Jahreseinfluss, bereits bestimmte Zusammenhänge zwischen botanischer Zusammensetzung und Standort, auch auf dem untersuchten kleinen Maßstab innerhalb der Grünlandfläche, finden. Demzufolge können unterschiedliche Areale abgegrenzt und charakterisiert werden, die als Grundlage für Empfehlungen zur Ausweisung von Arealen zur teilspezifischen Bewirtschaftung erarbeitet wurden. Die Validierung der interpolierten Daten zeigte, dass die 50-m Rasterbeprobung nur eine begrenzte Wiedergabe der räumlichen Variabilität ermöglicht. Inwieweit derartige Beziehungen quantitativ genauer beschreibbar sind, bleibt auf Grund der verbliebenen unerklärten Varianz im Datensatz dieser Studie offen.

Adaptaciones de Geonetwork para la construcción de IDE sectoriales

In this document we describe the use of metadata catalog Geonetwork software for creating thematic nodes in a spatial data infrastructure

SDIAnalyzer: una aplicación para el estudio de IDE

El auge de las Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE) en los últimos años ha provocado el despliegue masivo de este tipo de plataformas en el territorio español. A pesar de hacer uso de estándares del OGC, estar reguladas por iniciativas como la directiva INSPIRE y que existen recomendaciones y normativas para su implantación, la red de nodos IDE es muy heterogénea y se detectan grandes desigualdades. Conscientes de esta situación surge la necesidad de un método objetivo para el estudio y análisis comparativo de IDEs. Como parte del desarrollo de esta metodología nace SDIAnalyzer, programa de software libre que permite la extracción masiva, almacenamiento y estudio de información relativa a servicios del OGC. SDIAnalyzer (Spatial Data Infraestructure Analyzer), creado por el CartoLab de la Universidade da Coruña, ha sido aplicado en el análisis de aproximadamente 180 IDEs españolas de nivel regional elaborando mapas temáticos de diversas características y pretendemos seguir avanzando en su desarrollo. En el presente artículo, se exponen sus características principales y se lanza de forma pública a la comunidad de software libre