Analysis of space-time environmental data in complex regions

This thesis develops a comprehensive and a flexible statistical framework for the analysis and detection of space, time and space-time clusters of environmental point data. The developed clustering methods were applied in both simulated datasets and real-world environmental phenomena; however, only the cases of forest fires in Canton of Ticino (Switzerland) and in Portugal are expounded in this document. Normally, environmental phenomena can be modelled as stochastic point processes where each event, e.g. the forest fire ignition point, is characterised by its spatial location and occurrence in time. Additionally, information such as burned area, ignition causes, landuse, topographic, climatic and meteorological features, etc., can also be used to characterise the studied phenomenon. Thereby, the space-time pattern characterisa- tion represents a powerful tool to understand the distribution and behaviour of the events and their correlation with underlying processes, for instance, socio-economic, environmental and meteorological factors. Consequently, we propose a methodology based on the adaptation and application of statistical and fractal point process measures for both global (e.g. the Morisita Index, the Box-counting fractal method, the multifractal formalism and the Ripley's K-function) and local (e.g. Scan Statistics) analysis. Many measures describing the space-time distribution of environmental phenomena have been proposed in a wide variety of disciplines; nevertheless, most of these measures are of global character and do not consider complex spatial constraints, high variability and multivariate nature of the events. Therefore, we proposed an statistical framework that takes into account the complexities of the geographical space, where phenomena take place, by introducing the Validity Domain concept and carrying out clustering analyses in data with different constrained geographical spaces, hence, assessing the relative degree of clustering of the real distribution. Moreover, exclusively to the forest fire case, this research proposes two new methodologies to defining and mapping both the Wildland-Urban Interface (WUI) described as the interaction zone between burnable vegetation and anthropogenic infrastructures, and the prediction of fire ignition susceptibility. In this regard, the main objective of this Thesis was to carry out a basic statistical/- geospatial research with a strong application part to analyse and to describe complex phenomena as well as to overcome unsolved methodological problems in the characterisation of space-time patterns, in particular, the forest fire occurrences. Thus, this Thesis provides a response to the increasing demand for both environmental monitoring and management tools for the assessment of natural and anthropogenic hazards and risks, sustainable development, retrospective success analysis, etc. The major contributions of this work were presented at national and international conferences and published in 5 scientific journals. National and international collaborations were also established and successfully accomplished. -- Cette thèse développe une méthodologie statistique complète et flexible pour l'analyse et la détection des structures spatiales, temporelles et spatio-temporelles de données environnementales représentées comme de semis de points. Les méthodes ici développées ont été appliquées aux jeux de données simulées autant qu'A des phénomènes environnementaux réels; nonobstant, seulement le cas des feux forestiers dans le Canton du Tessin (la Suisse) et celui de Portugal sont expliqués dans ce document. Normalement, les phénomènes environnementaux peuvent être modélisés comme des processus ponctuels stochastiques ou chaque événement, par ex. les point d'ignition des feux forestiers, est déterminé par son emplacement spatial et son occurrence dans le temps. De plus, des informations tels que la surface bru^lée, les causes d'ignition, l'utilisation du sol, les caractéristiques topographiques, climatiques et météorologiques, etc., peuvent aussi être utilisées pour caractériser le phénomène étudié. Par conséquent, la définition de la structure spatio-temporelle représente un outil puissant pour compren- dre la distribution du phénomène et sa corrélation avec des processus sous-jacents tels que les facteurs socio-économiques, environnementaux et météorologiques. De ce fait, nous proposons une méthodologie basée sur l'adaptation et l'application de mesures statistiques et fractales des processus ponctuels d'analyse global (par ex. l'indice de Morisita, la dimension fractale par comptage de boîtes, le formalisme multifractal et la fonction K de Ripley) et local (par ex. la statistique de scan). Des nombreuses mesures décrivant les structures spatio-temporelles de phénomènes environnementaux peuvent être trouvées dans la littérature. Néanmoins, la plupart de ces mesures sont de caractère global et ne considèrent pas de contraintes spatiales com- plexes, ainsi que la haute variabilité et la nature multivariée des événements. A cet effet, la méthodologie ici proposée prend en compte les complexités de l'espace géographique ou le phénomène a lieu, à travers de l'introduction du concept de Domaine de Validité et l'application des mesures d'analyse spatiale dans des données en présentant différentes contraintes géographiques. Cela permet l'évaluation du degré relatif d'agrégation spatiale/temporelle des structures du phénomène observé. En plus, exclusif au cas de feux forestiers, cette recherche propose aussi deux nouvelles méthodologies pour la définition et la cartographie des zones périurbaines, décrites comme des espaces anthropogéniques à proximité de la végétation sauvage ou de la forêt, et de la prédiction de la susceptibilité à l'ignition de feu. A cet égard, l'objectif principal de cette Thèse a été d'effectuer une recherche statistique/géospatiale avec une forte application dans des cas réels, pour analyser et décrire des phénomènes environnementaux complexes aussi bien que surmonter des problèmes méthodologiques non résolus relatifs à la caractérisation des structures spatio-temporelles, particulièrement, celles des occurrences de feux forestières. Ainsi, cette Thèse fournit une réponse à la demande croissante de la gestion et du monitoring environnemental pour le déploiement d'outils d'évaluation des risques et des dangers naturels et anthro- pogéniques. Les majeures contributions de ce travail ont été présentées aux conférences nationales et internationales, et ont été aussi publiées dans 5 revues internationales avec comité de lecture. Des collaborations nationales et internationales ont été aussi établies et accomplies avec succès.

On Space-Time Trade-Off for Montgomery Multipliers over Finite Fields

La multiplication dans le corps de Galois à 2^m éléments (i.e. GF(2^m)) est une opérations très importante pour les applications de la théorie des correcteurs et de la cryptographie. Dans ce mémoire, nous nous intéressons aux réalisations parallèles de multiplicateurs dans GF(2^m) lorsque ce dernier est généré par des trinômes irréductibles. Notre point de départ est le multiplicateur de Montgomery qui calcule A(x)B(x)x^(-u) efficacement, étant donné A(x), B(x) in GF(2^m) pour u choisi judicieusement. Nous étudions ensuite l'algorithme diviser pour régner PCHS qui permet de partitionner les multiplicandes d'un produit dans GF(2^m) lorsque m est impair. Nous l'appliquons pour la partitionnement de A(x) et de B(x) dans la multiplication de Montgomery A(x)B(x)x^(-u) pour GF(2^m) même si m est pair. Basé sur cette nouvelle approche, nous construisons un multiplicateur dans GF(2^m) généré par des trinôme irréductibles. Une nouvelle astuce de réutilisation des résultats intermédiaires nous permet d'éliminer plusieurs portes XOR redondantes. Les complexités de temps (i.e. le délais) et d'espace (i.e. le nombre de portes logiques) du nouveau multiplicateur sont ensuite analysées: 1. Le nouveau multiplicateur demande environ 25% moins de portes logiques que les multiplicateurs de Montgomery et de Mastrovito lorsque GF(2^m) est généré par des trinômes irréductible et m est suffisamment grand. Le nombre de portes du nouveau multiplicateur est presque identique à celui du multiplicateur de Karatsuba proposé par Elia. 2. Le délai de calcul du nouveau multiplicateur excède celui des meilleurs multiplicateurs d'au plus deux évaluations de portes XOR. 3. Nous determinons le délai et le nombre de portes logiques du nouveau multiplicateur sur les deux corps de Galois recommandés par le National Institute of Standards and Technology (NIST). Nous montrons que notre multiplicateurs contient 15% moins de portes logiques que les multiplicateurs de Montgomery et de Mastrovito au coût d'un délai d'au plus une porte XOR supplémentaire. De plus, notre multiplicateur a un délai d'une porte XOR moindre que celui du multiplicateur d'Elia au coût d'une augmentation de moins de 1% du nombre total de portes logiques.

Buried-object detection using free-space time-domain near-field measurements

The detection of buried objects using time-domain freespace measurements was carried out in the near field. The location of a hidden object was determined from an analysis of the reflected signal. This method can be extended to detect any number of objects. Measurements were carried out in the X- and Ku-bands using ordinary rectangular pyramidal horn antennas of gain 15 dB. The same antenna was used as the transmitter and recei er. The experimental results were compared with simulated results by applying the two-dimensional finite-difference time-domain(FDTD)method, and agree well with each other. The dispersi e nature of the dielectric medium was considered for the simulation.

Nonpoint source pollution, space, time and asymetric information - a deposit refund approach

The incorporation of space allows the establishment of a more precise relationship between a contaminating input, a contaminating byproduct and emissions that reach the final receptor. However, the presence of asymmetric information impedes the implementation of the first-best policy. As a solution to this problem a site specific deposit refund system for the contaminating input and the contaminating byproduct are proposed. Moreover, the utilization of a successive optimization technique first over space and second over time enables definition of the optimal intertemporal site specific deposit refund system

Changing times, changing places: urban development and the politics of space - time

Much of the writing on urban regeneration in the UK has been focused on the types of urban spaces that have been created in city centres. Less has been written about the issue of when the benefits of regeneration could and should be delivered to a range of different interests, and the different time frames that exist in any development area. Different perceptions of time have been reflected in dominant development philosophies in the UK and elsewhere. The trickle-down agendas of the 1980s, for example, were criticised for their focus on the short-term time frames and needs of developers, often at the expense of those of local communities. The recent emergence of sustainability discourses, however, ostensibly changes the time focus of development and promotes a broader concern with new imagined futures. This paper draws on the example of development in Salford Quays, in the North West of England, to argue that more attention needs to be given to the politics of space-time in urban development processes. It begins by discussing the importance and relevance of this approach before turning to the case study and the ways in which the local politics of space-time has influenced development agendas and outcomes. The paper argues that such an approach harbours the potential for more progressive, far-reaching, and sustainable development agendas to be developed and implemented.

PIC based detection for distributed space-time block coding under imperfect synchronisation

A parallel interference cancellation (PIC) detection scheme is proposed to suppress the impact of imperfect synchronisation. By treating as interference the extra components in the received signal caused by timing misalignment, the PIC detector not only offers much improved performance but also retains a low structural and computational complexity.

Distributed space-time block coding with incremental relay: performance improvement under imperfect synchronisation

This paper addresses the impact of imperfect synchronisation on D-STBC when combined with incremental relay. To suppress such an impact, a novel detection scheme is proposed, which retains the two key features of the STBC principle: simplicity (i.e. linear computational complexity), and optimality (i.e. maximum likelihood). These two features make the new detector very suitable for low power wireless networks (e.g. sensor networks).

A simple optimum detector for distributed space-time block coding under imperfect synchronisation

Most research on D-STBC has assumed that cooperative relay nodes are perfectly synchronised. Since such an assumption is difficult to achieve in many practical systems, this paper proposes a simple yet optimum detector for the case of two relay nodes, which proves to be much more robust against timing misalignment than the conventional STBC detector.

Distributed space-time block coding for 3 and 4 relay nodes: Imperfect synchronisation and a solution

Most research on distributed space time block coding (STBC) has so far focused on the case of 2 relay nodes and assumed that the relay nodes are perfectly synchronised at the symbol level. By applying STBC to 3-or 4-relay node systems, this paper shows that imperfect synchronisation causes significant performance degradation to the conventional detector. To this end, we propose a new STBC detection solution based on the principle of parallel interference cancellation (PIC). The PIC detector is moderate in computational complexity but is very effective in suppressing the impact of imperfect synchronisation.

Orthogonal space-time block codes for free-space IM/DD optical links

Use of orthogonal space-time block codes (STBCs) with multiple transmitters and receivers can improve signal quality. However, in optical intensity modulated signals, output of the transmitter is non-negative and hence standard orthogonal STBC schemes need to be modified. A generalised framework for applying orthogonal STBCs for free-space IM/DD optical links is presented.

PIC detector for distributed space-time block coding under imperfect synchronisation

A parallel interference cancellation (PIC) detection scheme is proposed to suppress the impact of imperfect synchronisation. By treating as interference the extra components in the received signal caused by timing misalignment, the PIC detector not only offers much improved performance but also retains a low structural and computational complexity.