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.

TECTONICS OF THE HELVETIC NAPPE SYSTEM (W SWITZERLAND): CONTROL OF STRAIN LOCALIZATION AND BASEMENT-COVER DEFORMATION. Insights from models based on continuum mechanics

The Helvetic nappe system in Western Switzerland is a stack of fold nappes and thrust sheets em-placed at low grade metamorphism. Fold nappes and thrust sheets are also some of the most common features in orogens. Fold nappes are kilometer scaled recumbent folds which feature a weakly deformed normal limb and an intensely deformed overturned limb. Thrust sheets on the other hand are characterized by the absence of overturned limb and can be defined as almost rigid blocks of crust that are displaced sub-horizontally over up to several tens of kilometers. The Morcles and Doldenhom nappe are classic examples of fold nappes and constitute the so-called infra-Helvetic complex in Western and Central Switzerland, respectively. This complex is overridden by thrust sheets such as the Diablerets and Wildhörn nappes in Western Switzerland. One of the most famous example of thrust sheets worldwide is the Glariis thrust sheet in Central Switzerland which features over 35 kilometers of thrusting which are accommodated by a ~1 m thick shear zone. Since the works of the early Alpine geologist such as Heim and Lugeon, the knowledge of these nappes has been steadily refined and today the geometry and kinematics of the Helvetic nappe system is generally agreed upon. However, despite the extensive knowledge we have today of the kinematics of fold nappes and thrust sheets, the mechanical process leading to the emplacement of these nappe is still poorly understood. For a long time geologist were facing the so-called 'mechanical paradox' which arises from the fact that a block of rock several kilometers high and tens of kilometers long (i.e. nappe) would break internally rather than start moving on a low angle plane. Several solutions were proposed to solve this apparent paradox. Certainly the most successful is the theory of critical wedges (e.g. Chappie 1978; Dahlen, 1984). In this theory the orogen is considered as a whole and this change of scale allows thrust sheet like structures to form while being consistent with mechanics. However this theoiy is intricately linked to brittle rheology and fold nappes, which are inherently ductile structures, cannot be created in these models. When considering the problem of nappe emplacement from the perspective of ductile rheology the problem of strain localization arises. The aim of this thesis was to develop and apply models based on continuum mechanics and integrating heat transfer to understand the emplacement of nappes. Models were solved either analytically or numerically. In the first two papers of this thesis we derived a simple model which describes channel flow in a homogeneous material with temperature dependent viscosity. We applied this model to the Morcles fold nappe and to several kilometer-scale shear zones worldwide. In the last paper we zoomed out and studied the tectonics of (i) ductile and (ii) visco-elasto-plastic and temperature dependent wedges. In this last paper we focused on the relationship between basement and cover deformation. We demonstrated that during the compression of a ductile passive margin both fold nappes and thrust sheets can develop and that these apparently different structures constitute two end-members of a single structure (i.e. nappe). The transition from fold nappe to thrust sheet is to first order controlled by the deformation of the basement. -- Le système des nappes helvétiques en Suisse occidentale est un empilement de nappes de plis et de nappes de charriage qui se sont mis en place à faible grade métamorphique. Les nappes de plis et les nappes de charriage sont parmi les objets géologiques les plus communs dans les orogènes. Les nappes de plis sont des plis couchés d'échelle kilométrique caractérisés par un flanc normal faiblement défor-mé, au contraire de leur flanc inverse, intensément déformé. Les nappes de charriage, à l'inverse se caractérisent par l'absence d'un flanc inverse bien défini. Elles peuvent être définies comme des blocs de croûte terrestre qui se déplacent de manière presque rigide qui sont déplacés sub-horizontalement jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. La nappe de Mordes et la nappe du Doldenhorn sont des exemples classiques de nappes de plis et constitue le complexe infra-helvétique en Suisse occidentale et centrale, respectivement. Ce complexe repose sous des nappes de charriages telles les nappes des Diablerets et du Widlhörn en Suisse occidentale. La nappe du Glariis en Suisse centrale se distingue par un déplacement de plus de 35 kilomètres qui s'est effectué à la faveur d'une zone de cisaillement basale épaisse de seulement 1 mètre. Aujourd'hui la géométrie et la cinématique des nappes alpines fait l'objet d'un consensus général. Malgré cela, les processus mécaniques par lesquels ces nappes se sont mises en place restent mal compris. Pendant toute la première moitié du vingtième siècle les géologues les géologues ont été confrontés au «paradoxe mécanique». Celui-ci survient du fait qu'un bloc de roche haut de plusieurs kilomètres et long de plusieurs dizaines de kilomètres (i.e., une nappe) se fracturera de l'intérieur plutôt que de se déplacer sur une surface frictionnelle. Plusieurs solutions ont été proposées pour contourner cet apparent paradoxe. La solution la plus populaire est la théorie des prismes d'accrétion critiques (par exemple Chappie, 1978 ; Dahlen, 1984). Dans le cadre de cette théorie l'orogène est considéré dans son ensemble et ce simple changement d'échelle solutionne le paradoxe mécanique (la fracturation interne de l'orogène correspond aux nappes). Cette théorie est étroitement lié à la rhéologie cassante et par conséquent des nappes de plis ne peuvent pas créer au sein d'un prisme critique. Le but de cette thèse était de développer et d'appliquer des modèles basés sur la théorie de la méca-nique des milieux continus et sur les transferts de chaleur pour comprendre l'emplacement des nappes. Ces modèles ont été solutionnés de manière analytique ou numérique. Dans les deux premiers articles présentés dans ce mémoire nous avons dérivé un modèle d'écoulement dans un chenal d'un matériel homogène dont la viscosité dépend de la température. Nous avons appliqué ce modèle à la nappe de Mordes et à plusieurs zone de cisaillement d'échelle kilométrique provenant de différents orogènes a travers le monde. Dans le dernier article nous avons considéré le problème à l'échelle de l'orogène et avons étudié la tectonique de prismes (i) ductiles, et (ii) visco-élasto-plastiques en considérant les transferts de chaleur. Nous avons démontré que durant la compression d'une marge passive ductile, a la fois des nappes de plis et des nappes de charriages peuvent se développer. Nous avons aussi démontré que nappes de plis et de charriages sont deux cas extrêmes d'une même structure (i.e. nappe) La transition entre le développement d'une nappe de pli ou d'une nappe de charriage est contrôlé au premier ordre par la déformation du socle. -- Le système des nappes helvétiques en Suisse occidentale est un emblement de nappes de plis et de nappes de chaînage qui se sont mis en place à faible grade métamoiphique. Les nappes de plis et les nappes de charriage sont parmi les objets géologiques les plus communs dans les orogènes. Les nappes de plis sont des plis couchés d'échelle kilométrique caractérisés par un flanc normal faiblement déformé, au contraire de leur flanc inverse, intensément déformé. Les nappes de charriage, à l'inverse se caractérisent par l'absence d'un flanc inverse bien défini. Elles peuvent être définies comme des blocs de croûte terrestre qui se déplacent de manière presque rigide qui sont déplacés sub-horizontalement jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. La nappe de Morcles and la nappe du Doldenhorn sont des exemples classiques de nappes de plis et constitue le complexe infra-helvétique en Suisse occidentale et centrale, respectivement. Ce complexe repose sous des nappes de charriages telles les nappes des Diablerets et du Widlhörn en Suisse occidentale. La nappe du Glarüs en Suisse centrale est certainement l'exemple de nappe de charriage le plus célèbre au monde. Elle se distingue par un déplacement de plus de 35 kilomètres qui s'est effectué à la faveur d'une zone de cisaillement basale épaisse de seulement 1 mètre. La géométrie et la cinématique des nappes alpines fait l'objet d'un consensus général parmi les géologues. Au contraire les processus physiques par lesquels ces nappes sont mises en place reste mal compris. Les sédiments qui forment les nappes alpines se sont déposés à l'ère secondaire et à l'ère tertiaire sur le socle de la marge européenne qui a été étiré durant l'ouverture de l'océan Téthys. Lors de la fermeture de la Téthys, qui donnera naissance aux Alpes, le socle et les sédiments de la marge européenne ont été déformés pour former les nappes alpines. Le but de cette thèse était de développer et d'appliquer des modèles basés sur la théorie de la mécanique des milieux continus et sur les transferts de chaleur pour comprendre l'emplacement des nappes. Ces modèles ont été solutionnés de manière analytique ou numérique. Dans les deux premiers articles présentés dans ce mémoire nous nous sommes intéressés à la localisation de la déformation à l'échelle d'une nappe. Nous avons appliqué le modèle développé à la nappe de Morcles et à plusieurs zones de cisaillement provenant de différents orogènes à travers le monde. Dans le dernier article nous avons étudié la relation entre la déformation du socle et la défonnation des sédiments. Nous avons démontré que nappe de plis et nappes de charriages constituent les cas extrêmes d'un continuum. La transition entre nappe de pli et nappe de charriage est intrinsèquement lié à la déformation du socle sur lequel les sédiments reposent.

A gated single-photon avalanche diode array fabricated in a conventional CMOS process for triggered systems

A bidimensional array based on single-photon avalanche diodes for triggered imaging systems is presented. The diodes are operated in the gated mode of acquisition to reduce the probability to detect noise counts interfering with photon arrival events. In addition, low reverse bias overvoltages are used to lessen the dark count rate. Experimental results demonstrate that the prototype fabricated with a standard HV-CMOS process gets rid of afterpulses and offers a reduced dark count probability by applying the proposed modes of operation. The detector exhibits a dynamic range of 15 bits with short gated"on" periods of 10ns and a reverse bias overvoltage of 1.0V.

In vivo brain macromolecule signals in healthy and glioblastoma mouse models: (1) H magnetic resonance spectroscopy, post-processing and metabolite quantification at 14.1 T.

In (1) H magnetic resonance spectroscopy, macromolecule signals underlay metabolite signals, and knowing their contribution is necessary for reliable metabolite quantification. When macromolecule signals are measured using an inversion-recovery pulse sequence, special care needs to be taken to correctly remove residual metabolite signals to obtain a pure macromolecule spectrum. Furthermore, since a single spectrum is commonly used for quantification in multiple experiments, the impact of potential macromolecule signal variability, because of regional differences or pathologies, on metabolite quantification has to be assessed. In this study, we introduced a novel method to post-process measured macromolecule signals that offers a flexible and robust way of removing residual metabolite signals. This method was applied to investigate regional differences in the mouse brain macromolecule signals that may affect metabolite quantification when not taken into account. However, since no significant differences in metabolite quantification were detected, it was concluded that a single macromolecule spectrum can be generally used for the quantification of healthy mouse brain spectra. Alternatively, the study of a mouse model of human glioma showed several alterations of the macromolecule spectrum, including, but not limited to, increased mobile lipid signals, which had to be taken into account to avoid significant metabolite quantification errors.

Aspects on Process Engineering in the Finnish Pulp and Paper Industry : Thesis for the Degree of Licentiate in Science of Technology

Process development will be largely driven by the main equipment suppliers. The reason for this development is their ambition to supply complete plants or process systems instead of single pieces of equipment. The pulp and paper companies' interest lies in product development, as their main goal is to create winning brands and effective brand management. Design engineering companies will find their niche in detail engineering based on approved process solutions. Their development work will focus on increasing the efficiency of engineering work. Process design is a content-producing profession, which requires certain special characteristics: creativity, carefulness, the ability to work as a member of a design team according to time schedules and fluency in oral as well as written presentation. In the future, process engineers will increasingly need knowledge of chemistry as well as information and automation technology. Process engineering tools are developing rapidly. At the moment, these tools are good enough for static sizing and balancing, but dynamic simulation tools are not yet good enough for the complicated chemical reactions of pulp and paper chemistry. Dynamic simulation and virtual mill models are used as tools for training the operators. Computational fluid dynamics will certainlygain ground in process design.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.

Exploring business models for medical games: Key components and challenges

The costs of health care are going up in many countries. In order to provide affordable and effective health care solutions, new technologies and approaches are constantly being developed. In this research, video games are presented as a possible solution to the problem. Video games are fun, and nowadays most people like to spend time on them. In addition, recent studies have pointed out that video games can have notable health benefits. Health games have already been developed, used in practice, and researched. However, the bulk of health game studies have been concerned with the design or the effectiveness of the games; no actual business studies have been conducted on the subject, even though health games often lack commercial success despite their health benefits. This thesis seeks to fill this gap. The specific aim of this thesis is to develop a conceptual business model framework and empirically use it in explorative medical game business model research. In the first stage of this research, a literature review was conducted and the existing literature analyzed and synthesized into a conceptual business model framework consisting of six dimensions. The motivation behind the synthesis is the ongoing ambiguity around the business model concept. In the second stage, 22 semi-structured interviews were conducted with different professionals within the value network for medical games. The business model framework was present in all stages of the empirical research: First, in the data collection stage, the framework acted as a guiding instrument, focusing the interview process. Then, the interviews were coded and analyzed using the framework as a structure. The results were then reported following the structure of the framework. In the results, the interviewees highlighted several important considerations and issues for medical games concerning the six dimensions of the business model framework. Based on the key findings of this research, several key components of business models for medical games were identified and illustrated in a single figure. Furthermore, five notable challenges for business models for medical games were presented, and possible solutions for the challenges were postulated. Theoretically, these findings provide pioneering information on the untouched subject of business models for medical games. Moreover, the conceptual business model framework and its use in the novel context of medical games provide a contribution to the business model literature. Regarding practice, this thesis further accentuates that medical games can offer notable benefits to several stakeholder groups and offers advice to companies seeking to commercialize these games.

Computational models for and from biology : simple gene assembly and reaction systems

The advancement of science and technology makes it clear that no single perspective is any longer sufficient to describe the true nature of any phenomenon. That is why the interdisciplinary research is gaining more attention overtime. An excellent example of this type of research is natural computing which stands on the borderline between biology and computer science. The contribution of research done in natural computing is twofold: on one hand, it sheds light into how nature works and how it processes information and, on the other hand, it provides some guidelines on how to design bio-inspired technologies. The first direction in this thesis focuses on a nature-inspired process called gene assembly in ciliates. The second one studies reaction systems, as a modeling framework with its rationale built upon the biochemical interactions happening within a cell. The process of gene assembly in ciliates has attracted a lot of attention as a research topic in the past 15 years. Two main modelling frameworks have been initially proposed in the end of 1990s to capture ciliates’ gene assembly process, namely the intermolecular model and the intramolecular model. They were followed by other model proposals such as templatebased assembly and DNA rearrangement pathways recombination models. In this thesis we are interested in a variation of the intramolecular model called simple gene assembly model, which focuses on the simplest possible folds in the assembly process. We propose a new framework called directed overlap-inclusion (DOI) graphs to overcome the limitations that previously introduced models faced in capturing all the combinatorial details of the simple gene assembly process. We investigate a number of combinatorial properties of these graphs, including a necessary property in terms of forbidden induced subgraphs. We also introduce DOI graph-based rewriting rules that capture all the operations of the simple gene assembly model and prove that they are equivalent to the string-based formalization of the model. Reaction systems (RS) is another nature-inspired modeling framework that is studied in this thesis. Reaction systems’ rationale is based upon two main regulation mechanisms, facilitation and inhibition, which control the interactions between biochemical reactions. Reaction systems is a complementary modeling framework to traditional quantitative frameworks, focusing on explicit cause-effect relationships between reactions. The explicit formulation of facilitation and inhibition mechanisms behind reactions, as well as the focus on interactions between reactions (rather than dynamics of concentrations) makes their applicability potentially wide and useful beyond biological case studies. In this thesis, we construct a reaction system model corresponding to the heat shock response mechanism based on a novel concept of dominance graph that captures the competition on resources in the ODE model. We also introduce for RS various concepts inspired by biology, e.g., mass conservation, steady state, periodicity, etc., to do model checking of the reaction systems based models. We prove that the complexity of the decision problems related to these properties varies from P to NP- and coNP-complete to PSPACE-complete. We further focus on the mass conservation relation in an RS and introduce the conservation dependency graph to capture the relation between the species and also propose an algorithm to list the conserved sets of a given reaction system.

Components of reaching and grasping an object may emerge following a single minimization process

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Bootstrap for panel data models with an application to the evaluation of public policies

Le but de cette thèse est d étendre la théorie du bootstrap aux modèles de données de panel. Les données de panel s obtiennent en observant plusieurs unités statistiques sur plusieurs périodes de temps. Leur double dimension individuelle et temporelle permet de contrôler l 'hétérogénéité non observable entre individus et entre les périodes de temps et donc de faire des études plus riches que les séries chronologiques ou les données en coupe instantanée. L 'avantage du bootstrap est de permettre d obtenir une inférence plus précise que celle avec la théorie asymptotique classique ou une inférence impossible en cas de paramètre de nuisance. La méthode consiste à tirer des échantillons aléatoires qui ressemblent le plus possible à l échantillon d analyse. L 'objet statitstique d intérêt est estimé sur chacun de ses échantillons aléatoires et on utilise l ensemble des valeurs estimées pour faire de l inférence. Il existe dans la littérature certaines application du bootstrap aux données de panels sans justi cation théorique rigoureuse ou sous de fortes hypothèses. Cette thèse propose une méthode de bootstrap plus appropriée aux données de panels. Les trois chapitres analysent sa validité et son application. Le premier chapitre postule un modèle simple avec un seul paramètre et s 'attaque aux propriétés théoriques de l estimateur de la moyenne. Nous montrons que le double rééchantillonnage que nous proposons et qui tient compte à la fois de la dimension individuelle et la dimension temporelle est valide avec ces modèles. Le rééchantillonnage seulement dans la dimension individuelle n est pas valide en présence d hétérogénéité temporelle. Le ré-échantillonnage dans la dimension temporelle n est pas valide en présence d'hétérogénéité individuelle. Le deuxième chapitre étend le précédent au modèle panel de régression. linéaire. Trois types de régresseurs sont considérés : les caractéristiques individuelles, les caractéristiques temporelles et les régresseurs qui évoluent dans le temps et par individu. En utilisant un modèle à erreurs composées doubles, l'estimateur des moindres carrés ordinaires et la méthode de bootstrap des résidus, on montre que le rééchantillonnage dans la seule dimension individuelle est valide pour l'inférence sur les coe¢ cients associés aux régresseurs qui changent uniquement par individu. Le rééchantillonnage dans la dimen- sion temporelle est valide seulement pour le sous vecteur des paramètres associés aux régresseurs qui évoluent uniquement dans le temps. Le double rééchantillonnage est quand à lui est valide pour faire de l inférence pour tout le vecteur des paramètres. Le troisième chapitre re-examine l exercice de l estimateur de différence en di¤érence de Bertrand, Duflo et Mullainathan (2004). Cet estimateur est couramment utilisé dans la littérature pour évaluer l impact de certaines poli- tiques publiques. L exercice empirique utilise des données de panel provenant du Current Population Survey sur le salaire des femmes dans les 50 états des Etats-Unis d Amérique de 1979 à 1999. Des variables de pseudo-interventions publiques au niveau des états sont générées et on s attend à ce que les tests arrivent à la conclusion qu il n y a pas d e¤et de ces politiques placebos sur le salaire des femmes. Bertrand, Du o et Mullainathan (2004) montre que la non-prise en compte de l hétérogénéité et de la dépendance temporelle entraîne d importantes distorsions de niveau de test lorsqu'on évalue l'impact de politiques publiques en utilisant des données de panel. Une des solutions préconisées est d utiliser la méthode de bootstrap. La méthode de double ré-échantillonnage développée dans cette thèse permet de corriger le problème de niveau de test et donc d'évaluer correctement l'impact des politiques publiques.