Développement d’un modèle centré sur l’individu des déplacements du caribou, du loup et de l’orignal, et de leurs interactions, en forêt boréale aménagée

Le caribou forestier est une espèce menacée au Canada, la principale hypothèse au déclin des populations étant l’intensification de la prédation provoquée par les perturbations anthropiques du paysage. Afin de faire face à cette situation, il est nécessaire d’étudier et comprendre l’impact de l’environnement sur les interactions prédateur-proies entre le caribou et le loup, ainsi qu’avec l’orignal, qui est sa principale proie alternative. Pour cela, cette thèse présente la conception d’un modèle centré sur l’individu des déplacements de ces trois espèces en fonction de leur environnement, dont résulteront les interactions prédateur-proies. Afin de permettre l’application de ce modèle sur de longues périodes, et donc pour un environnement changeant, une méthodologie a été développée, qui s’articule atour de deux aspects principaux. Tout d’abord, la notion de niveaux d’émergence est introduite, permettant d’ordonner les comportements observables du système selon leurs interdépendances, afin de choisir comme trait du modèle un com- portement correspondant au domaine d’applicabilité visé. Ordonner les comportements selon leurs niveaux d’émergence permet également d’identifier la redondance entre les patrons, qui peut être à l’origine d’un phénomène de sur-apprentissage lorsqu’ils sont utilisés lors de la calibration. Dans un second temps, un nouveau protocole pour la calibration et la validation du ou des traits choisis à l’aide des niveaux d’émergence, nommé réplication de système basé sur l’individu (Individual Based System Replication - IBSRtion) est également présenté. Ce protocole met l’emphase sur la modélisation directe, contrairement au principal protocole existant, la modélisation orientée patrons (Pattern Oriented Modelling - POM), et permet une approche empirique en générant artificiellement des données non disponibles ou ne pouvant être récoltées par des études de terrains. IBSRtion a également l’avantage de pouvoir être intégrée dans POM, afin de contribuer à la création d’une méthodologie universelle pour la conception de modèles centrés sur l’individu. Le processus de conception de ce modèle aura entre autre permis de faire une synthèse des connaissances et d’identifier certaines lacunes. Une étude visant à palier le manque de connaissances satisfaisantes sur les réponses comportementales à court-terme des proies face au risque de prédation a notamment permis d’observer que celles-ci sont une combinaison de comportements chroniques et éphémères, et que les mécanismes qui en sont à l’origine sont complexes et non-linéaires. Le résultat de ce travail est un modèle complexe utilisant de nombreux sous-modèles, et calibré de façon empirique, applicable à une grande variété d’environnements. Ce modèle a permis de tester l’impact de l’enfeuillement sur les relations prédateur-proies. Des simulations ont été effectuées pour différentes quantités d’enfeuillement, suivant deux configurations spatiales différentes. Les résultats de simulation suggèrent que des plans d’aménagement considérant également l’habitat de l’orignal pourraient être bénéfiques pour le caribou forestier, car ils permettraient d’améliorer la ségrégation spatiale entre les deux espèces, et donc entre le caribou et le loup. En le couplant avec un module de naissances et de morts naturelles ainsi qu’un modèle d’évolution du paysage, ce modèle permettra par la suite d’évaluer l’impact de plans d’aménagement forestier sur la viabilité des populations de caribou forestier.

Modélisation de l'influence de la fragmentation des habitats sur le risque de prédation chez le caribou forestier

Les populations du caribou forestier (Rangifer tarandus caribou) sont en déclin sur l’ensemble de leur aire de répartition en Amérique du Nord. Il s’avère que la prédation, amplifiée par l’exploitation forestière, en est la principale cause. Ce projet consiste à mettre en place un outil d'aide à la décision, permettant de modéliser les changements du risque de prédation chez le caribou forestier durant la succession forestière, et ce, selon différents scénarios d'aménagement forestier simulés sur la Côte-Nord du Québec, Canada. Ces scénarios, simulés de 2000 à 2150, sont caractérisés par (i) des coupes limitées aux blocs de protection et de remplacement, (ii) des coupes étendues sur le paysage, et finalement (iii) par l'absence de coupe dès 2000. Un modèle basé sur l'individu (MBI) permet de modéliser les déplacements simultanés du caribou forestier, de l'orignal (Alces alces) et du loup gris (Canis lupus) afin d'évaluer le risque de prédation selon les scénarios. En général, le risque de prédation est plus important lorsque les coupes sont limitées aux blocs de protection et de remplacement. En effet, il semble que ces blocs augmentent les probabilités de rencontre entre les proies et leurs prédateurs. Toutefois, certains résultats ne reflètent pas la littérature, ce qui montre la nécessité d'améliorer le MBI. Certaines recommandations visent finalement à bonifier ce MBI pour permettre l'analyse de la viabilité à long terme du caribou forestier en fonction de différents scénarios d'aménagement forestier.

Caractérisation des réponses du PMLS au mouvement de deuxième ordre (modulé par le contraste)

La perception visuelle ne se résume pas à la simple perception des variations de la quantité de lumière qui atteint la rétine. L’image naturelle est en effet composée de variation de contraste et de texture que l’on qualifie d’information de deuxième ordre (en opposition à l’information de premier ordre : luminance). Il a été démontré chez plusieurs espèces qu’un mouvement de deuxième ordre (variation spatiotemporelle du contraste ou de la texture) est aisément détecté. Les modèles de détection du mouvement tel le modèle d’énergie d’Adelson et Bergen ne permettent pas d’expliquer ces résultats, car le mouvement de deuxième ordre n’implique aucune variation de la luminance. Il existe trois modèles expliquant la détection du mouvement de deuxième ordre : la présence d’une circuiterie de type filter-rectify-filter, un mécanisme de feature-tracking ou simplement l’existence de non-linéarités précoces dans le traitement visuel. Par ailleurs, il a été proposé que l’information visuelle de deuxième ordre soit traitée par une circuiterie neuronale distincte de celle qui traite du premier ordre. Bon nombre d’études réfutent cependant cette théorie et s’entendent sur le fait qu’il n’y aurait qu’une séparation partielle à bas niveau. Les études électrophysiologiques sur la perception du mouvement de deuxième ordre ont principalement été effectuées chez le singe et le chat. Chez le chat, toutefois, seules les aires visuelles primaires (17 et 18) ont été extensivement étudiées. L’implication dans le traitement du deuxième ordre de l’aire dédiée à la perception du mouvement, le Sulcus syprasylvien postéro-médian latéral (PMLS), n’est pas encore connue. Pour ce faire, nous avons étudié les profils de réponse des neurones du PMLS évoqués par des stimuli dont la composante dynamique était de deuxième ordre. Les profils de réponses au mouvement de deuxième ordre sont très similaires au premier ordre, bien que moins sensibles. Nos données suggèrent que la perception du mouvement par le PMLS serait de type form-cue invariant. En somme, les résultats démontrent que le PMLS permet un traitement plus complexe du mouvement du deuxième ordre et sont en accord avec son rôle privilégié dans la perception du mouvement.

Hessian-based occlusion-aware radiance caching

Simuler efficacement l'éclairage global est l'un des problèmes ouverts les plus importants en infographie. Calculer avec précision les effets de l'éclairage indirect, causés par des rebonds secondaires de la lumière sur des surfaces d'une scène 3D, est généralement un processus coûteux et souvent résolu en utilisant des algorithmes tels que le path tracing ou photon mapping. Ces techniquesrésolvent numériquement l'équation du rendu en utilisant un lancer de rayons Monte Carlo. Ward et al. ont proposé une technique nommée irradiance caching afin d'accélérer les techniques précédentes lors du calcul de la composante indirecte de l'éclairage global sur les surfaces diffuses. Krivanek a étendu l'approche de Ward et Heckbert pour traiter le cas plus complexe des surfaces spéculaires, en introduisant une approche nommée radiance caching. Jarosz et al. et Schwarzhaupt et al. ont proposé un modèle utilisant le hessien et l'information de visibilité pour raffiner le positionnement des points de la cache dans la scène, raffiner de manière significative la qualité et la performance des approches précédentes. Dans ce mémoire, nous avons étendu les approches introduites dans les travaux précédents au problème du radiance caching pour améliorer le positionnement des éléments de la cache. Nous avons aussi découvert un problème important négligé dans les travaux précédents en raison du choix des scènes de test. Nous avons fait une étude préliminaire sur ce problème et nous avons trouvé deux solutions potentielles qui méritent une recherche plus approfondie.

Dissipation in quasistatically driven disordered systems

This work presents an analysis of hysteresis and dissipation in quasistatically driven disordered systems. The study is based on the random field Ising model with fluctuationless dynamics. It enables us to sort out the fraction of the energy input by the driving field stored in the system and the fraction dissipated in every step of the transformation. The dissipation is directly related to the occurrence of avalanches, and does not scale with the size of Barkhausen magnetization jumps. In addition, the change in magnetic field between avalanches provides a measure of the energy barriers between consecutive metastable states

Superheavy nuclei in relativistic effective Lagrangian model

Isotopic and isotonic chains of superheavy nuclei are analyzed to search for spherical double shell closures beyond Z=82 and N=126 within the new effective field theory model of Furnstahl, Serot, and Tang for the relativistic nuclear many-body problem. We take into account several indicators to identify the occurrence of possible shell closures, such as two-nucleon separation energies, two-nucleon shell gaps, average pairing gaps, and the shell correction energy. The effective Lagrangian model predicts N=172 and Z=120 and N=258 and Z=120 as spherical doubly magic superheavy nuclei, whereas N=184 and Z=114 show some magic character depending on the parameter set. The magicity of a particular neutron (proton) number in the analyzed mass region is found to depend on the number of protons (neutrons) present in the nucleus.

Example Based Learning for View-Based Human Face Detection

We present an example-based learning approach for locating vertical frontal views of human faces in complex scenes. The technique models the distribution of human face patterns by means of a few view-based "face'' and "non-face'' prototype clusters. At each image location, the local pattern is matched against the distribution-based model, and a trained classifier determines, based on the local difference measurements, whether or not a human face exists at the current image location. We provide an analysis that helps identify the critical components of our system.

Visual Segmentation without Classification in a Model of the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields significantly influence the neurons' activities in primary visual cortex. We propose that such contextual influences are used to segment regions by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, thus computing global region boundaries using local interactions. This is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated in examples of texture segmentation and figure-ground segregation. By contrast with traditional approaches, segmentation occurs without classification or comparison of features within or between regions and is performed by exactly the same neural circuit responsible for the dual problem of the grouping and enhancement of contours.

Application of agent-based modeling to the study of gender stereotypes

Gender stereotypes are sets of characteristics that people believe to be typically true of a man or woman. We report an agent-based model (ABM) that simulates how stereotypes disseminate in a group through associative mechanisms. The model consists of agents that carry one of several different versions of a stereotype, which share part of their conceptual content. When an agent acts according to his/her stereotype, and that stereotype is shared by an observer, then the latter’s stereotype strengthens. Contrarily, if the agent does not act according to his/ her stereotype, then the observer’s stereotype weakens. In successive interactions, agents develop preferences, such that there will be a higher probability of interaction with agents that confirm their stereotypes. Depending on the proportion of shared conceptual content in the stereotype’s different versions, three dynamics emerge: all stereotypes in the population strengthen, all weaken, or a bifurcation occurs, i.e., some strengthen and some weaken. Additionally, we discuss the use of agent-based modeling to study social phenomena and the practical consequences that the model’s results might have on stereotype research and their effects on a community

Percentiles de grasa corporal por bioimpedancia eléctrica en niños y adolescentes de Bogotá, Colombia: Estudio FUPRECOL

Objetivo: Recientemente, se han propuesto varios dispositivos de impedancia bioeléctrica (BIA) para la estimación rápida de la grasa corporal. Sin embargo, no han sido publicadas referencias de grasa corporal para niños y adolescentes en población Colombiana. El objetivo de este estudio fue establecer percentiles de grasa corporal por BIA en niños y adolescentes de Bogotá, Colombia de entre 9 y 17.9 años, pertenecientes al estudio FUPRECOL. Métodos: Estudio descriptivo y transversal, realizado en 2.526 niños y 3.324 adolescentes de entre 9 y 17.9 años de edad, pertenecientes a instituciones educativas oficiales de Bogotá, Colombia. El porcentaje de grasa corporal fue medido con Tanita® Analizador de Composición Corporal (Modelo BF-689), según edad y sexo. Se tomaron medidas de peso, talla, circunferencia de cintura, circunferencia de cadera y estado de maduración sexual por auto-reporte. Se calcularon los percentiles (P3, P10, P25, P50, P75, P90 y P97) y curvas centiles por el método LMS según sexo y edad y se realizó una comparación entre los valores de la CC observados con estándares internacionales. Resultados: Se presentan valores de porcentaje de grasa corporal y las curvas de percentiles. En la mayoría de los grupos etáreos la grasa corporal de las chicas fue mayor a la de los chicos. Sujetos cuyo porcentaje de grasa corporal estaba por encima del percentil 90 de la distribución estándar normal se consideró que tenían un elevado riesgo cardiovascular (chicos desde 23,4-28,3 y chicas desde 31,0-34,1). En general, nuestros porcentajes de grasa corporal fueron inferiores a los valores de Turquía, Alemania, Grecia, España y Reino Unido. Conclusiones: Se presentan percentiles del porcentaje de grasa por BIA según edad y sexo que podrán ser usados de referencia en la evaluación del estado nutricional y en la predicción del riesgo cardiovascular desde edades tempranas.

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.

Predictive vegetation mapping in the Mediterranean context: Considerations and methodological issues

The need to map vegetation communities over large areas for nature conservation and to predict the impact of environmental change on vegetation distributions, has stimulated the development of techniques for predictive vegetation mapping. Predictive vegetation studies start with the development of a model relating vegetation units and mapped physical data, followed by the application of that model to a geographic database and over a wide range of spatial scales. This field is particularly important for identifying sites for rare and endangered species and locations of high biodiversity such as many areas of the Mediterranean Basin. The potential of the approach is illustrated with a mapping exercise in the alti-meditterranean zone of Lefka Ori in Crete. The study established the nature of the relationship between vegetation communities and physical data including altitude, slope and geomorphology. In this way the knowledge of community distribution was improved enabling a GIS-based model capable of predicting community distribution to be constructed. The paper describes the development of the spatial model and the methodological problems of predictive mapping for monitoring Mediterranean ecosystems. The paper concludes with a discussion of the role of predictive vegetation mapping and other spatial techniques, such as fuzzy mapping and geostatistics, for improving our understanding of the dynamics of Mediterranean ecosystems and for practical management in a region that is under increasing pressure from human impact.

A model for stretch-bend interactions in molecular force fields

Interaction force constants between bond-stretching and angle-bending co-ordinates in polyatomic molecules have been attributed, by some authors, to changes of hybridization due to orbital-following of the bending co-ordinate, and consequent changes of bond length due to the change of hybridization. A method is described for using this model quantitatively to reduce the number of independent force constants in the potential function of a polyatomic molecule, by relating stretch-bend interaction constants to the corresponding diagonal stretching constants. It is proposed to call this model the Hybrid Orbital Force Field. The model is applied to the tetrahedral four co-ordinated carbon atom (as in methane) and to the trigonal planar three coordinated carbon atom (as in formaldehyde).

Numerical simulation of the 12 May 1997 CME Event: The role of magnetic reconnection

We perform a numerical study of the evolution of a Coronal Mass Ejection (CME) and its interaction with the coronal magnetic field based on the 12 May 1997, CME event using a global MagnetoHydroDynamic (MHD) model for the solar corona. The ambient solar wind steady-state solution is driven by photospheric magnetic field data, while the solar eruption is obtained by superimposing an unstable flux rope onto the steady-state solution. During the initial stage of CME expansion, the core flux rope reconnects with the neighboring field, which facilitates lateral expansion of the CME footprint in the low corona. The flux rope field also reconnects with the oppositely orientated overlying magnetic field in the manner of the breakout model. During this stage of the eruption, the simulated CME rotates counter-clockwise to achieve an orientation that is in agreement with the interplanetary flux rope observed at 1 AU. A significant component of the CME that expands into interplanetary space comprises one of the side lobes created mainly as a result of reconnection with the overlying field. Within 3 hours, reconnection effectively modifies the CME connectivity from the initial condition where both footpoints are rooted in the active region to a situation where one footpoint is displaced into the quiet Sun, at a significant distance (≈1R ) from the original source region. The expansion and rotation due to interaction with the overlying magnetic field stops when the CME reaches the outer edge of the helmet streamer belt, where the field is organized on a global scale. The simulation thus offers a new view of the role reconnection plays in rotating a CME flux rope and transporting its footpoints while preserving its core structure.

Rapid model quality assessment for protein structure predictions using the comparison of multiple models without structural alignments

MOTIVATION: The accurate prediction of the quality of 3D models is a key component of successful protein tertiary structure prediction methods. Currently, clustering or consensus based Model Quality Assessment Programs (MQAPs) are the most accurate methods for predicting 3D model quality; however they are often CPU intensive as they carry out multiple structural alignments in order to compare numerous models. In this study, we describe ModFOLDclustQ - a novel MQAP that compares 3D models of proteins without the need for CPU intensive structural alignments by utilising the Q measure for model comparisons. The ModFOLDclustQ method is benchmarked against the top established methods in terms of both accuracy and speed. In addition, the ModFOLDclustQ scores are combined with those from our older ModFOLDclust method to form a new method, ModFOLDclust2, that aims to provide increased prediction accuracy with negligible computational overhead. RESULTS: The ModFOLDclustQ method is competitive with leading clustering based MQAPs for the prediction of global model quality, yet it is up to 150 times faster than the previous version of the ModFOLDclust method at comparing models of small proteins (<60 residues) and over 5 times faster at comparing models of large proteins (>800 residues). Furthermore, a significant improvement in accuracy can be gained over the previous clustering based MQAPs by combining the scores from ModFOLDclustQ and ModFOLDclust to form the new ModFOLDclust2 method, with little impact on the overall time taken for each prediction. AVAILABILITY: The ModFOLDclustQ and ModFOLDclust2 methods are available to download from: http://www.reading.ac.uk/bioinf/downloads/ CONTACT: l.j.mcguffin@reading.ac.uk.