Application of compositional data analysis to geochemical data of marine sediments

In an earlier investigation (Burger et al., 2000) five sediment cores near the Rodrigues Triple Junction in the Indian Ocean were studied applying classical statistical methods (fuzzy c-means clustering, linear mixing model, principal component analysis) for the extraction of endmembers and evaluating the spatial and temporal variation of geochemical signals. Three main factors of sedimentation were expected by the marine geologists: a volcano-genetic, a hydro-hydrothermal and an ultra-basic factor. The display of fuzzy membership values and/or factor scores versus depth provided consistent results for two factors only; the ultra-basic component could not be identified. The reason for this may be that only traditional statistical methods were applied, i.e. the untransformed components were used and the cosine-theta coefficient as similarity measure. During the last decade considerable progress in compositional data analysis was made and many case studies were published using new tools for exploratory analysis of these data. Therefore it makes sense to check if the application of suitable data transformations, reduction of the D-part simplex to two or three factors and visual interpretation of the factor scores would lead to a revision of earlier results and to answers to open questions . In this paper we follow the lines of a paper of R. Tolosana- Delgado et al. (2005) starting with a problem-oriented interpretation of the biplot scattergram, extracting compositional factors, ilr-transformation of the components and visualization of the factor scores in a spatial context: The compositional factors will be plotted versus depth (time) of the core samples in order to facilitate the identification of the expected sources of the sedimentary process. Kew words: compositional data analysis, biplot, deep sea sediments

Landscape typology in the Mediterranean context: a tool for habitat restoration

Despite the wide use of Landscape Character Assessment (LCA) as a tool for landscape planning in NW Europe, there are few examples of its application in the Mediterranean. This paper reports on the results from the development of a typology for LCA in a study area of northern Sardinia, Italy to provide a spatial framework for the analysis of current patterns of cork oak distribution and future restoration of this habitat. Landscape units were derived from a visual interpretation of map data stored within a GIS describing the physical and cultural characteristics of the study area. The units were subsequently grouped into Landscape Types according to the similarity of shared attributes using Two Way Indicator Species Analysis (TWINSPAN). The preliminary results showed that the methodology classified distinct Landscape Types but, based on field observations, there is a need for further refinement of the classification. The distribution and properties of two main cork oak habitats types was examined within the identified Landscape Types namely woodlands and wood pastures using Patch Analyst. The results show very clearly a correspondence between the distribution of cork oak pastures and cork oak woodland and landscape types. This forms the basis of the development of strategies for the maintenance, restoration and recreation of these habitat types within the study area, ultimately for the whole island of Sardinia. Future work is required to improve the landscape characterisation , particularly with respect to cultural factors, and to determine the validity of the landscape spatial framework for the analysis of cork oak distribution as part of a programme of habitat restoration and re-creation.

Automatic spiral analysis for objective assessment of motor symptoms in Parkinson's disease

Objective: To develop a method for objective quantification of PD motor symptoms related to Off episodes and peak dose dyskinesias, using spiral data gathered by using a touch screen telemetry device. The aim was to objectively characterize predominant motor phenotypes (bradykinesia and dyskinesia), to help in automating the process of visual interpretation of movement anomalies in spirals as rated by movement disorder specialists. Background: A retrospective analysis was conducted on recordings from 65 patients with advanced idiopathic PD from nine different clinics in Sweden, recruited from January 2006 until August 2010. In addition to the patient group, 10 healthy elderly subjects were recruited. Upper limb movement data were collected using a touch screen telemetry device from home environments of the subjects. Measurements with the device were performed four times per day during week-long test periods. On each test occasion, the subjects were asked to trace pre-drawn Archimedean spirals, using the dominant hand. The pre-drawn spiral was shown on the screen of the device. The spiral test was repeated three times per test occasion and they were instructed to complete it within 10 seconds. The device had a sampling rate of 10Hz and measured both position and time-stamps (in milliseconds) of the pen tip. Methods: Four independent raters (FB, DH, AJ and DN) used a web interface that animated the spiral drawings and allowed them to observe different kinematic features during the drawing process and to rate task performance. Initially, a number of kinematic features were assessed including ‘impairment’, ‘speed’, ‘irregularity’ and ‘hesitation’ followed by marking the predominant motor phenotype on a 3-category scale: tremor, bradykinesia and/or choreatic dyskinesia. There were only 2 test occasions for which all the four raters either classified them as tremor or could not identify the motor phenotype. Therefore, the two main motor phenotype categories were bradykinesia and dyskinesia. ‘Impairment’ was rated on a scale from 0 (no impairment) to 10 (extremely severe) whereas ‘speed’, ‘irregularity’ and ‘hesitation’ were rated on a scale from 0 (normal) to 4 (extremely severe). The proposed data-driven method consisted of the following steps. Initially, 28 spatiotemporal features were extracted from the time series signals before being presented to a Multilayer Perceptron (MLP) classifier. The features were based on different kinematic quantities of spirals including radius, angle, speed and velocity with the aim of measuring the severity of involuntary symptoms and discriminate between PD-specific (bradykinesia) and/or treatment-induced symptoms (dyskinesia). A Principal Component Analysis was applied on the features to reduce their dimensions where 4 relevant principal components (PCs) were retained and used as inputs to the MLP classifier. Finally, the MLP classifier mapped these components to the corresponding visually assessed motor phenotype scores for automating the process of scoring the bradykinesia and dyskinesia in PD patients whilst they draw spirals using the touch screen device. For motor phenotype (bradykinesia vs. dyskinesia) classification, the stratified 10-fold cross validation technique was employed. Results: There were good agreements between the four raters when rating the individual kinematic features with intra-class correlation coefficient (ICC) of 0.88 for ‘impairment’, 0.74 for ‘speed’, 0.70 for ‘irregularity’, and moderate agreements when rating ‘hesitation’ with an ICC of 0.49. When assessing the two main motor phenotype categories (bradykinesia or dyskinesia) in animated spirals the agreements between the four raters ranged from fair to moderate. There were good correlations between mean ratings of the four raters on individual kinematic features and computed scores. The MLP classifier classified the motor phenotype that is bradykinesia or dyskinesia with an accuracy of 85% in relation to visual classifications of the four movement disorder specialists. The test-retest reliability of the four PCs across the three spiral test trials was good with Cronbach’s Alpha coefficients of 0.80, 0.82, 0.54 and 0.49, respectively. These results indicate that the computed scores are stable and consistent over time. Significant differences were found between the two groups (patients and healthy elderly subjects) in all the PCs, except for the PC3. Conclusions: The proposed method automatically assessed the severity of unwanted symptoms and could reasonably well discriminate between PD-specific and/or treatment-induced motor symptoms, in relation to visual assessments of movement disorder specialists. The objective assessments could provide a time-effect summary score that could be useful for improving decision-making during symptom evaluation of individualized treatment when the goal is to maximize functional On time for patients while minimizing their Off episodes and troublesome dyskinesias.

Automatic spiral analysis for objective assessment of motor symptoms in Parkinson's disease

A challenge for the clinical management of advanced Parkinson’s disease (PD) patients is the emergence of fluctuations in motor performance, which represents a significant source of disability during activities of daily living of the patients. There is a lack of objective measurement of treatment effects for in-clinic and at-home use that can provide an overview of the treatment response. The objective of this paper was to develop a method for objective quantification of advanced PD motor symptoms related to off episodes and peak dose dyskinesia, using spiral data gathered by a touch screen telemetry device. More specifically, the aim was to objectively characterize motor symptoms (bradykinesia and dyskinesia), to help in automating the process of visual interpretation of movement anomalies in spirals as rated by movement disorder specialists. Digitized upper limb movement data of 65 advanced PD patients and 10 healthy (HE) subjects were recorded as they performed spiral drawing tasks on a touch screen device in their home environment settings. Several spatiotemporal features were extracted from the time series and used as inputs to machine learning methods. The methods were validated against ratings on animated spirals scored by four movement disorder specialists who visually assessed a set of kinematic features and the motor symptom. The ability of the method to discriminate between PD patients and HE subjects and the test-retest reliability of the computed scores were also evaluated. Computed scores correlated well with mean visual ratings of individual kinematic features. The best performing classifier (Multilayer Perceptron) classified the motor symptom (bradykinesia or dyskinesia) with an accuracy of 84% and area under the receiver operating characteristics curve of 0.86 in relation to visual classifications of the raters. In addition, the method provided high discriminating power when distinguishing between PD patients and HE subjects as well as had good test-retest reliability. This study demonstrated the potential of using digital spiral analysis for objective quantification of PD-specific and/or treatment-induced motor symptoms.

Relação entre variáveis na regulação do consumo de vacas Holandês × Zebu em lactação sob pastejo em capim-elefante

A análise fatorial de componentes principais (CP) foi usada no exame do relacionamento entre variáveis de um banco de dados da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) Gado de Leite. As variáveis disponíveis foram relacionadas às vacas (dias em lactação, teores lácteos de gordura e extrato seco total, produção de leite, ordem de lactação, peso vivo e grau de sangue), ao manejo (dia de pastejo, disponibilidade e períodos de descanso da pastagem), ao ambiente (estação do ano, precipitação pluviométrica) e ao alimento (consumo de nutrientes do concentrado e da cana × uréia, consumo de MS de pastagem de capim-elefante, composição química e digestibilidade in vitro da pastagem e concentração fecal de PB, FDN e FDA). O primeiro CP (33,7% da inércia dos dados) representou o uso da suplementação volumosa (cana × uréia) da pastagem em resposta à redução sazonal da disponibilidade e do consumo de capim-elefante. O segundo CP (15,3% da inércia) foi relacionado ao consumo de nutrientes do concentrado. O terceiro CP (8,5% da inércia) representou efeitos do manejo sobre a composição química da pastagem. A interpretação gráfica dos resultados favoreceu a percepção mais dinâmica da intensidade da associação e do antagonismo entre as variáveis contextualizadas no estudo.

Environmental adaptation of the source of the subbasin of Rico Stream, Monte Alto - SP, Brazil

Este trabalho teve como principal objetivo definir padrões fotográficos que representem o uso e a ocupação do solo da cabeceira de drenagem do Córrego Rico, localizada no Município de Monte Alto, Estado de São Paulo, para fins de adequação ambiental no que tange à legislação florestal brasileira. O mapeamento foi realizado utilizando técnicas de sensoriamento remoto e interpretação visual da imagem World View, seguida da digitalização da rede de drenagem e vegetações (naturais e agrícolas) no AutoCad, com auxílio de documentos e trabalho de campo. A área de estudo apresenta uma superfície de 2.141,53 ha, e os resultados permitiram constatar que a principal cultura é a cana-de-açúcar, com 546,34 ha, seguida de pastagens, com 251,22 ha, culturas perenes, com 191,71 ha, Eucalipto, com 57,31 ha, e a cebola, com 49,52 ha da área total, confirmando o avanço dos canaviais na região. A área possui 375,04 ha de áreas de preservação permanente (APPs), e desta superfície verificou-se que apenas 72,17 ha (19,24%) encontram-se compostos por vegetação arbórea ou mata, e destas 302,87 ha precisam ser enriquecidos e reflorestados com vegetação nativa da região, de acordo com legislação vigente. Os dados de área possibilitam futuras propostas de modelos de adequação ambiental para a microbacia, de acordo com a legislação ambiental vigente.

Simulador computacional para poços de petróleo com método de elevação artificial por bombeio mecânico

This work proposes a computer simulator for sucker rod pumped vertical wells. The simulator is able to represent the dynamic behavior of the systems and the computation of several important parameters, allowing the easy visualization of several pertinent phenomena. The use of the simulator allows the execution of several tests at lower costs and shorter times, than real wells experiments. The simulation uses a model based on the dynamic behavior of the rod string. This dynamic model is represented by a second order partial differencial equation. Through this model, several common field situations can be verified. Moreover, the simulation includes 3D animations, facilitating the physical understanding of the process, due to a better visual interpretation of the phenomena. Another important characteristic is the emulation of the main sensors used in sucker rod pumping automation. The emulation of the sensors is implemented through a microcontrolled interface between the simulator and the industrial controllers. By means of this interface, the controllers interpret the simulator as a real well. A "fault module" was included in the simulator. This module incorporates the six more important faults found in sucker rod pumping. Therefore, the analysis and verification of these problems through the simulator, allows the user to identify such situations that otherwise could be observed only in the field. The simulation of these faults receives a different treatment due to the different boundary conditions imposed to the numeric solution of the problem. Possible applications of the simulator are: the design and analysis of wells, training of technicians and engineers, execution of tests in controllers and supervisory systems, and validation of control algorithms

Caracterização do uso do solo e das áreas de preservação permanente, visando a adequação ambiental

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Processamento digital de fotografias aéreas para análise do uso do solo

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Zoneamento geoambiental do município de São João da Boa Vista (SP)

Pós-graduação em Geociências e Meio Ambiente - IGCE

Uso e manejo de plantas alimentares em ambientes agrícolas e florestais em Iporanga, SP

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Identificação de fácies em perfis de poço com algoritmo inteligente

A identificação de fácies em um poço não testemunhado é um dos problemas clássicos da avaliação de formação. Neste trabalho este problema é tratado em dois passos, no primeiro produz-se a codificação da informação geológica ou da descrição das fácies atravessadas em um poço testemunhado em termos das suas propriedades físicas registradas nos perfis geofísicos e traduzidas pelos parâmetros L e K, que são obtidos a partir dos perfis de porosidade (densidade, sônico e porosidade neutrônica) e pela argilosidade (Vsh) calculada pelo perfil de raio gama natural. Estes três parâmetros são convenientemente representados na forma do Gráfico Vsh-L-K. No segundo passo é realizada a interpretação computacional do Gráfico Vsh-L-K por um algoritmo inteligente construído com base na rede neural competitiva angular generalizada, que é especializada na classificação de padrões angulares ou agrupamento de pontos no espaço n-dimensional que possuem uma envoltória aproximadamente elipsoidal. Os parâmetros operacionais do algoritmo inteligente, como a arquitetura da rede neural e pesos sinápticos são obtidos em um Gráfico Vsh-L-K, construído e interpretado com as informações de um poço testemunhado. Assim, a aplicação deste algoritmo inteligente é capaz de identificar e classificar as camadas presentes em um poço não testemunhado, em termos das fácies identificadas no poço testemunhado ou em termos do mineral principal, quando ausentes no poço testemunhado. Esta metodologia é apresentada com dados sintéticos e com perfis de poços testemunhados do Campo de Namorado, na Bacia de Campos, localizada na plataforma continental do Rio de Janeiro, Brasil.

Interpretação do gráfico de Hingle através de rede competitiva angular

A saturação de água é a principal propriedade petrofísica para a avaliação de reservatórios de hidrocarbonetos, pois através da análise dos seus valores é definida a destinação final do poço recém perfurado, como produtor ou poço seco. O cálculo da saturação de água para as formações limpas é, comumente, realizado a partir da equação de Archie, que envolve a determinação da resistividade da zona virgem, obtida a partir de um perfil de resistividade profunda e o cálculo de porosidade da rocha, obtida a partir dos perfis de porosidade. A equação de Archie envolve ainda, a determinação da resistividade da água de formação, que normalmente necessita de definição local e correção para a profundidade da formação e da adoção de valores convenientes para os coeficientes de Archie. Um dos métodos mais tradicionais da geofísica de poço para o cálculo da saturação de água é o método de Hingle, particularmente útil nas situações de desconhecimento da resistividade da água de formação. O método de Hingle estabelece uma forma linear para a equação de Archie, a partir dos perfis de resistividade e porosidade e a representa na forma gráfica, como a reta da água ou dos pontos, no gráfico de Hingle, com saturação de água unitária e o valor da resistividade da água de formação é obtido a partir da inclinação da reta da água. Independente do desenvolvimento tecnológico das ferramentas de perfilagem e dos computadores digitais, o geofísico, ainda hoje, se vê obrigado a realizar a interpretação de ábacos ou gráficos, sujeito a ocorrência de erros derivados da sua acuidade visual. Com o objetivo de mitigar a ocorrência deste tipo de erro e produzir uma primeira aproximação para a saturação de água em tempo real de perfilagem do poço, insere-se o trabalho apresentado nesta dissertação, com a utilização de uma conveniente arquitetura de rede neural artificial, a rede competitiva angular, capaz de identificar a localização da reta da água, a partir da identificação de padrões angulares presentes nos dados dos perfis de porosidade e resistividade representados no gráfico de Hingle. A avaliação desta metodologia é realizada sobre dados sintéticos, que satisfazem integralmente a equação de Archie, e sobre dados reais.

Inversão de dados de sísmica de refração profunda a partir da curva tempo-distância

O trabalho em pauta tem como objetivo o modelamento da crosta, através da inversão de dados de refração sísmica profunda, segundo camadas planas horizontais lateralmente homogêneas, sobre um semi-espaço. O modelo direto é dado pela expressão analítica da curva tempo-distância como uma função que depende da distância fonte-estação e do vetor de parâmetros velocidades e espessuras de cada camada, calculado segundo as trajetórias do raio sísmico, regidas pela Lei de Snell. O cálculo dos tempos de chegada por este procedimento, exige a utilização de um modelo cujas velocidades sejam crescentes com a profundidade, de modo que a ocorrência das camadas de baixa velocidade (CBV) é contornada pela reparametrização do modelo, levando-se em conta o fato de que o topo da CBV funciona apenas como um refletor do raio sísmico, e não como refrator. A metodologia de inversão utilizada tem em vista não só a determinação das soluções possíveis, mas também a realização de uma análise sobre as causas responsáveis pela ambiguidade do problema. A região de pesquisa das prováveis soluções é vinculada segundo limites superiores e inferiores para cada parâmetro procurado, e pelo estabelecimento de limites superiores para os valores de distâncias críticas, calculadas a partir do vetor de parâmetros. O processo de inversão é feito utilizando-se uma técnica de otimização do ajuste de curvas através da busca direta no espaço dos parâmetros, denominado COMPLEX. Esta técnica apresenta a vantagem de poder ser utilizada com qualquer função objeto, e ser bastante prática na obtenção de múltiplas soluções do problema. Devido a curva tempo-distância corresponder ao caso de uma multi-função, o algoritmo foi adaptado de modo a minimizar simultaneamente várias funções objetos, com vínculos nos parâmetros. A inversão é feita de modo a se obter um conjunto de soluções representativas do universo existente. Por sua vez, a análise da ambiguidade é realizada pela análise fatorial modo-Q, através da qual é possível se caracterizar as propriedades comuns existentes no elenco das soluções analisadas. Os testes com dados sintéticos e reais foram feitos tendo como aproximação inicial ao processo de inversão, os valores de velocidades e espessuras calculados diretamente da interpretação visual do sismograma. Para a realização dos primeiros, utilizou-se sismogramas calculados pelo método da refletividade, segundo diferentes modelos. Por sua vez, os testes com dados reais foram realizados utilizando-se dados extraídos de um dos sismogramas coletados pelo projeto Lithospheric Seismic Profile in Britain (LISPB), na região norte da Grã-Bretanha. Em todos os testes foi verificado que a geometria do modelo possui um maior peso na ambiguidade do problema, enquanto os parâmetros físicos apresentam apenas suaves variações, no conjunto das soluções obtidas.

Caracterização do meio físico para definição de traçado e manutenção de multidutos na região do Vale do Paraíba

The present study characterizes the physical environment for its fragility and its capacity to support, through geological and geomorphological properties in the study area, concerning primarily with a sustainable environmental planning for the construction and maintenance of buried linear works. The study area is located on a portion of the Paraiba Valley, which is between the latitudes 22 °30' S and 23°00' S and longitudes 44°30' W and 45° 15' W, between cities of Aparecida (SP) and Queluz (SP). The methodology was based in the visual interpretation of TM/Landsat-7 images, using as a criterion the element textural image and its way of organizing space. To do so, it was set five levels of textural density, enabling thus to the partitioning of the area in areas counterparts (Z.H.s). As a result, it was identified 133 Z.H.s. By using the same criterion textural image the following physical properties were classified: Erosion Resistance, Permeability, Plasticity X Brittle, Tropia and Relief Asymmetry for each zone counterpart, and then grouped themselves as they hold all properties equal in Units Geoenvironmental (U.G.s). As a result it was identified 18 U.G.s. The work presents, as a final result, a thematic map with favorable or restrictable sectores to the design of buried linear works. Based on this map, it can be propose traces to buried linear works, analyzing their suitability to the physical environment and reducing the impacts caused to the environment.