Spatial predictions of land-use transitions and associated threats to biodiversity: the case of forest regrowth in mountain grasslands

Question Can we predict where forest regrowth caused by abandonment of agricultural activities is likely to occur? Can we assess how it may conflict with grassland diversity hotspots? Location Western Swiss Alps (4003210m a.s.l.). Methods We used statistical models to predict the location of land abandonment by farmers that is followed by forest regrowth in semi-natural grasslands of the Western Swiss Alps. Six modelling methods (GAM, GBM, GLM, RF, MDA, MARS) allowing binomial distribution were tested on two successive transitions occurring between three time periods. Models were calibrated using data on land-use change occurring between 1979 and 1992 as response, and environmental, accessibility and socio-economic variables as predictors, and these were validated for their capacity to predict the changes observed from 1992 to 2004. Projected probabilities of land-use change from an ensemble forecast of the six models were combined with a model of plant species richness based on a field inventory, allowing identification of critical grassland areas for the preservation of biodiversity. Results Models calibrated over the first land-use transition period predicted the second transition with reasonable accuracy. Forest regrowth occurs where cultivation costs are high and yield potential is low, i.e. on steeper slopes and at higher elevations. Overlaying species richness with land-use change predictions, we identified priority areas for the management and conservation of biodiversity at intermediate elevations. Conclusions Combining land-use change and biodiversity projections, we propose applied management measures for targeted/identified locations to limit the loss of biodiversity that could otherwise occur through loss of open habitats. The same approach could be applied to other types of land-use changes occurring in other ecosystems.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

Todennäköisyyspohjaisen paloanalyysimenetelmän kehittäminen ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä on tutustuttu ydinvoimalaitosten paloriskejä käsittelevään todennäköisyyspohjaiseen turvallisuusanalyysiin. Tavoitteena on ollut Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden paloanalyysimenetelmän kehittäminen. Työssä esitetään paloanalyysin pääpiirteet, kaksi erilaista palotaajuuksien estimointimenetelmää sekä palojen leviämisen arviointimenetelmiä. Palotaajuuksien estimointimenetelmistä keskitytään Berryn menetelmän sekä NUREG/CR-6850-palotaajuuslaskentamenetelmän tarkasteluun. Palon leviämisen arvioinnissa on esitetty kolmen erilaisen virtausteknisen laskentatyökalun perusteet sekä palon leviämistodennäköisyyksiä arvioivan Probabilistic Fire Simulator (PFS) -ohjelman käyttöä. Työn aikana on laskettu molemmilla palotaajuuden estimointimenetelmillä palotaajuuksia eri tyyppisille huonetiloille. Berryn menetelmän palotaajuudet olivat pääosin alhaisempia kuin NUREG/CR-6850-menetelmällä lasketut palotaajuudet. Palon leviämistarkastelussa on tutkittu ydinvoimalaitoksen relehuoneen tulipaloa. PFS:n avulla laskettujen leviämistodennäköisyyksien arvoja on vertailtu TVO:n paloanalyysissa käytettyihin kvalitatiivisiin peittokertoimiin. Palon leviämistodennäköisyys eri osajärjestelmien välillä todettiin suuresti riippuvan analyysissaoletetuista vaurioitumislämpötiloista. Tutkittuja menetelmiä hyödyntäen diplomityössä kehitettiin paloanalyysimenetelmäkuvaus. Menetelmäkuvauksessa huonetilojen paloriskit kartoitetaan aluksi Berryn menetelmällä. Näin kaikille laitoksen huonetiloille saadaan arvioitua palotaajuus sekä paloalkutapahtumaluokkien sydänvauriotaajuus. Seuraavaksi suoritetaan valintamenettely, jossa valitut kriteerit täyttäville huonetiloille tehdään tarkentava palotaajuuslaskenta. Tarkentava palotaajuuslaskenta perustuu NUREG/CR-6850-menetelmän mukaisesti huonetilojen realistisiin syttymislähteisiin. Kriittisimpien huonetilojen osalta palon leviämisen arviointiin on tarkoitus hyödyntää numeerista simulointia.

Competing risks to breast cancer mortality in Catalonia

Background: Breast cancer mortality has experienced important changes over the last century. Breast cancer occurs in the presence of other competing risks which can influence breast cancer incidence and mortality trends. The aim of the present work is: 1) to assess the impact of breast cancer deaths among mortality from all causes in Catalonia (Spain), by age and birth cohort and 2) to estimate the risk of death from other causes than breast cancer, one of the inputs needed to model breast cancer mortality reduction due to screening or therapeutic interventions. Methods: The multi-decrement life table methodology was used. First, all-cause mortality probabilities were obtained by age and cohort. Then mortality probability for breast cancer was subtracted from the all-cause mortality probabilities to obtain cohort life tables for causes other than breast cancer. These life tables, on one hand, provide an estimate of the risk of dying from competing risks, and on the other hand, permit to assess the impact of breast cancer deaths on all-cause mortality using the ratio of the probability of death for causes other than breast cancer by the all-cause probability of death. Results: There was an increasing impact of breast cancer on mortality in the first part of the 20th century, with a peak for cohorts born in 1945–54 in the 40–49 age groups (for which approximately 24% of mortality was due to breast cancer). Even though for cohorts born after 1955 there was only information for women under 50, it is also important to note that the impact of breast cancer on all-cause mortality decreased for those cohorts. Conclusion: We have quantified the effect of removing breast cancer mortality in different age groups and birth cohorts. Our results are consistent with US findings. We also have obtained an estimate of the risk of dying from competing-causes mortality, which will be used in the assessment of the effect of mammography screening on breast cancer mortality in Catalonia.

Effectiveness of early detection on breast cancer mortality reduction in Catalonia (Spain)

Background: At present, it is complicated to use screening trials to determine the optimal age intervals and periodicities of breast cancer early detection. Mathematical models are an alternative that has been widely used. The aim of this study was to estimate the effect of different breast cancer early detection strategies in Catalonia (Spain), in terms of breast cancer mortality reduction (MR) and years of life gained (YLG), using the stochastic models developed by Lee and Zelen (LZ). Methods: We used the LZ model to estimate the cumulative probability of death for a cohort exposed to different screening strategies after T years of follow-up. We also obtained the cumulative probability of death for a cohort with no screening. These probabilities were used to estimate the possible breast cancer MR and YLG by age, period and cohort of birth. The inputs of the model were: incidence of, mortality from and survival after breast cancer, mortality from other causes, distribution of breast cancer stages at diagnosis and sensitivity of mammography. The outputs were relative breast cancer MR and YLG. Results: Relative breast cancer MR varied from 20% for biennial exams in the 50 to 69 age interval to 30% for annual exams in the 40 to 74 age interval. When strategies differ in periodicity but not in the age interval of exams, biennial screening achieved almost 80% of the annual screening MR. In contrast to MR, the effect on YLG of extending screening from 69 to 74 years of age was smaller than the effect of extending the screening from 50 to 45 or 40 years. Conclusion: In this study we have obtained a measure of the effect of breast cancer screening in terms of mortality and years of life gained. The Lee and Zelen mathematical models have been very useful for assessing the impact of different modalities of early detection on MR and YLG in Catalonia (Spain).

Data-division-specific robustness and power of randomization tests for ABAB designs

This study deals with the statistical properties of a randomization test applied to an ABAB design in cases where the desirable random assignment of the points of change in phase is not possible. In order to obtain information about each possible data division we carried out a conditional Monte Carlo simulation with 100,000 samples for each systematically chosen triplet. Robustness and power are studied under several experimental conditions: different autocorrelation levels and different effect sizes, as well as different phase lengths determined by the points of change. Type I error rates were distorted by the presence of autocorrelation for the majority of data divisions. Satisfactory Type II error rates were obtained only for large treatment effects. The relationship between the lengths of the four phases appeared to be an important factor for the robustness and the power of the randomization test.

Adjusting fracture probability by trabecular bone score.

The aim of the present study was to determine the impact of trabecular bone score on the probability of fracture above that provided by the clinical risk factors utilized in FRAX. We performed a retrospective cohort study of 33,352 women aged 40-99 years from the province of Manitoba, Canada, with baseline measurements of lumbar spine trabecular bone score (TBS) and FRAX risk variables. The analysis was cohort-specific rather than based on the Canadian version of FRAX. The associations between trabecular bone score, the FRAX risk factors and the risk of fracture or death were examined using an extension of the Poisson regression model and used to calculate 10-year probabilities of fracture with and without TBS and to derive an algorithm to adjust fracture probability to take account of the independent contribution of TBS to fracture and mortality risk. During a mean follow-up of 4.7 years, 1754 women died and 1639 sustained one or more major osteoporotic fractures excluding hip fracture and 306 women sustained one or more hip fracture. When fully adjusted for FRAX risk variables, TBS remained a statistically significant predictor of major osteoporotic fractures excluding hip fracture (HR/SD 1.18, 95 % CI 1.12-1.24), death (HR/SD 1.20, 95 % CI 1.14-1.26) and hip fracture (HR/SD 1.23, 95 % CI 1.09-1.38). Models adjusting major osteoporotic fracture and hip fracture probability were derived, accounting for age and trabecular bone score with death considered as a competing event. Lumbar spine texture analysis using TBS is a risk factor for osteoporotic fracture and a risk factor for death. The predictive ability of TBS is independent of FRAX clinical risk factors and femoral neck BMD. Adjustment of fracture probability to take account of the independent contribution of TBS to fracture and mortality risk requires validation in independent cohorts.

All-sky search algorithms for monochromatic signals in bar gravitational wave detector data

In this paper we design and develop several filtering strategies for the analysis of data generated by a resonant bar gravitational wave (GW) antenna, with the goal of assessing the presence (or absence) therein of long-duration monochromatic GW signals, as well as the eventual amplitude and frequency of the signals, within the sensitivity band of the detector. Such signals are most likely generated in the fast rotation of slightly asymmetric spinning stars. We develop practical procedures, together with a study of their statistical properties, which will provide us with useful information on the performance of each technique. The selection of candidate events will then be established according to threshold-crossing probabilities, based on the Neyman-Pearson criterion. In particular, it will be shown that our approach, based on phase estimation, presents a better signal-to-noise ratio than does pure spectral analysis, the most common approach.

ASTRAL-R score predicts non-recanalisation after intravenous thrombolysis in acute ischaemic stroke.

Intravenous thrombolysis (IVT) as treatment in acute ischaemic strokes may be insufficient to achieve recanalisation in certain patients. Predicting probability of non-recanalisation after IVT may have the potential to influence patient selection to more aggressive management strategies. We aimed at deriving and internally validating a predictive score for post-thrombolytic non-recanalisation, using clinical and radiological variables. In thrombolysis registries from four Swiss academic stroke centres (Lausanne, Bern, Basel and Geneva), patients were selected with large arterial occlusion on acute imaging and with repeated arterial assessment at 24 hours. Based on a logistic regression analysis, an integer-based score for each covariate of the fitted multivariate model was generated. Performance of integer-based predictive model was assessed by bootstrapping available data and cross validation (delete-d method). In 599 thrombolysed strokes, five variables were identified as independent predictors of absence of recanalisation: Acute glucose > 7 mmol/l (A), significant extracranial vessel STenosis (ST), decreased Range of visual fields (R), large Arterial occlusion (A) and decreased Level of consciousness (L). All variables were weighted 1, except for (L) which obtained 2 points based on β-coefficients on the logistic scale. ASTRAL-R scores 0, 3 and 6 corresponded to non-recanalisation probabilities of 18, 44 and 74 % respectively. Predictive ability showed AUC of 0.66 (95 %CI, 0.61-0.70) when using bootstrap and 0.66 (0.63-0.68) when using delete-d cross validation. In conclusion, the 5-item ASTRAL-R score moderately predicts non-recanalisation at 24 hours in thrombolysed ischaemic strokes. If its performance can be confirmed by external validation and its clinical usefulness can be proven, the score may influence patient selection for more aggressive revascularisation strategies in routine clinical practice.

Multidimensional Deprivation in Contemporary Switzerland Across Social Groups and Time

We have investigated the phenomenon of deprivation in contemporary Switzerland through the adoption of a multidimensional, dynamic approach. By applying Self Organizing Maps (SOM) to a set of 33 non-monetary indicators from the 2009 wave of the Swiss Household Panel (SHP), we identified 13 prototypical forms (or clusters) of well-being, financial vulnerability, psycho-physiological fragility and deprivation within a topological dimensional space. Then new data from the previous waves (2003 to 2008) were classified by the SOM model, making it possible to estimate the weight of the different clusters in time and reconstruct the dynamics of stability and mobility of individuals within the map. Looking at the transition probabilities between year t and year t+1, we observed that the paths of mobility which catalyze the largest number of observations are those connecting clusters that are adjacent on the topological space.

Utilisation of Short Term Electricity Derivatives in Industrial Energy Management

Työn päätavoite on selvittää kuinka erityisesti sähkön markkinahinnan ennustamiseen ja johdannaismarkkinoiden tietämykseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen tapahtuu teollisessa energianhallinnassa. Tätä aihetta lähestytään luomalla prosessi lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämiselle. Prosessi esitellään ja selvitetään aina lähtökohdista todelliseen kaupankäyntiin asti erillisen esimerkkitehtaan avulla.Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa perustuu pääosin tulevaisuuden odotuksiin sähkön markkinahinnan kehittymisestä sekä tehtaiden operatiiviseen tilanteeseen. Operatiiviseen tilanteeseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten kaupankäynti on pääasiassa pitkän tähtäimen suojausten sopeuttamista lyhyelle tähtäimelle sopivaksi.Hinnan ennustamisella on suuri rooli lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämisprosessissa. Työssä esitelty hinnan ennustamismalli on sopiva päivä- ja viikkotason Nord Poolin Elspot -systeemihinnan ennustamiseen. Elspot -systeemihinnan ennustamismalli on suunniteltu käytännönläheiseksi ja sen perustana ovat todelliset fysikaaliset ja mitattavat suureet. Futuurimarkkinatietämys on tarpeen lyhyen tähtäimen johdannaisia käytettäessä. Työssä tutkitaan yleisiä markkinoiden odotuksia ja futuurimarkkinoiden tietoisuuden kehittymistä koskien tulevaa vallitsevaa tilannetta. Työssä luodaan myös työkalu, mikä auttaa kaupan laatijaa muodostamaan suuntaa-antavat todennäköisyydet eri hintanäkemyksille ja paikallistamaan mahdolliset markkinoiden epätodennäköiset hintaodotukset.Kokemukset Elspot -systeemihinnan ennustamismallin soveltamisesta ovat lupaavia. Lisäksi havainnot futuurimarkkinoiden käyttäytymisestä Nord Poolissa ja muodostettu työkalu suuntaa-antavien todennäköisyyksien selvittämiseksi auttavat kaupan laatijaa päätöksenteossa. Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa on periaatteessa mahdollista esitellyn prosessin avulla, vaikka täydellinen käyttöönotto vaatisi vielä joitakin järjestelyjä. Keskittymällä tilanteisiin jotka työssä kuvatulla prosessilla ovat hoidettavissa, työssä määritellyllä menettelyllä on mahdollisuudet saavuttaa epäedullisen hintakehityksen riskin väheneminen ja parempi taloudellinen tulos teollisen energianhallinnan sähkökaupankäynnissä.

Using species richness and functional traits predictions to constrain assemblage predictions from stacked species distribution models

Aim: Modelling species at the assemblage level is required to make effective forecast of global change impacts on diversity and ecosystem functioning. Community predictions may be achieved using macroecological properties of communities (MEM), or by stacking of individual species distribution models (S-SDMs). To obtain more realistic predictions of species assemblages, the SESAM framework suggests applying successive filters to the initial species source pool, by combining different modelling approaches and rules. Here we provide a first test of this framework in mountain grassland communities. Location: The western Swiss Alps. Methods: Two implementations of the SESAM framework were tested: a "Probability ranking" rule based on species richness predictions and rough probabilities from SDMs, and a "Trait range" rule that uses the predicted upper and lower bound of community-level distribution of three different functional traits (vegetative height, specific leaf area and seed mass) to constraint a pool of environmentally filtered species from binary SDMs predictions. Results: We showed that all independent constraints expectedly contributed to reduce species richness overprediction. Only the "Probability ranking" rule allowed slightly but significantly improving predictions of community composition. Main conclusion: We tested various ways to implement the SESAM framework by integrating macroecological constraints into S-SDM predictions, and report one that is able to improve compositional predictions. We discuss possible improvements, such as further improving the causality and precision of environmental predictors, using other assembly rules and testing other types of ecological or functional constraints.

COMPASS identifies T-cell subsets correlated with clinical outcomes.

Advances in flow cytometry and other single-cell technologies have enabled high-dimensional, high-throughput measurements of individual cells as well as the interrogation of cell population heterogeneity. However, in many instances, computational tools to analyze the wealth of data generated by these technologies are lacking. Here, we present a computational framework for unbiased combinatorial polyfunctionality analysis of antigen-specific T-cell subsets (COMPASS). COMPASS uses a Bayesian hierarchical framework to model all observed cell subsets and select those most likely to have antigen-specific responses. Cell-subset responses are quantified by posterior probabilities, and human subject-level responses are quantified by two summary statistics that describe the quality of an individual's polyfunctional response and can be correlated directly with clinical outcome. Using three clinical data sets of cytokine production, we demonstrate how COMPASS improves characterization of antigen-specific T cells and reveals cellular 'correlates of protection/immunity' in the RV144 HIV vaccine efficacy trial that are missed by other methods. COMPASS is available as open-source software.

Trabecular bone score (TBS) as a new complementary approach for osteoporosis evaluation in clinical practice.

Trabecular bone score (TBS) is a recently-developed analytical tool that performs novel grey-level texture measurements on lumbar spine dual X-ray absorptiometry (DXA) images, and thereby captures information relating to trabecular microarchitecture. In order for TBS to usefully add to bone mineral density (BMD) and clinical risk factors in osteoporosis risk stratification, it must be independently associated with fracture risk, readily obtainable, and ideally, present a risk which is amenable to osteoporosis treatment. This paper summarizes a review of the scientific literature performed by a Working Group of the European Society for Clinical and Economic Aspects of Osteoporosis and Osteoarthritis. Low TBS is consistently associated with an increase in both prevalent and incident fractures that is partly independent of both clinical risk factors and areal BMD (aBMD) at the lumbar spine and proximal femur. More recently, TBS has been shown to have predictive value for fracture independent of fracture probabilities using the FRAX® algorithm. Although TBS changes with osteoporosis treatment, the magnitude is less than that of aBMD of the spine, and it is not clear how change in TBS relates to fracture risk reduction. TBS may also have a role in the assessment of fracture risk in some causes of secondary osteoporosis (e.g., diabetes, hyperparathyroidism and glucocorticoid-induced osteoporosis). In conclusion, there is a role for TBS in fracture risk assessment in combination with both aBMD and FRAX.