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.

Feature selection for automatic analysis of emotional response based on nonlinear speech modeling suitable for diagnosis of Alzheimer׳s disease

Alzheimer׳s disease (AD) is the most common type of dementia among the elderly. This work is part of a larger study that aims to identify novel technologies and biomarkers or features for the early detection of AD and its degree of severity. The diagnosis is made by analyzing several biomarkers and conducting a variety of tests (although only a post-mortem examination of the patients’ brain tissue is considered to provide definitive confirmation). Non-invasive intelligent diagnosis techniques would be a very valuable diagnostic aid. This paper concerns the Automatic Analysis of Emotional Response (AAER) in spontaneous speech based on classical and new emotional speech features: Emotional Temperature (ET) and fractal dimension (FD). This is a pre-clinical study aiming to validate tests and biomarkers for future diagnostic use. The method has the great advantage of being non-invasive, low cost, and without any side effects. The AAER shows very promising results for the definition of features useful in the early diagnosis of AD.

Reconstruction and analysis of surface variation using photometric stereo

In many industrial applications, accurate and fast surface reconstruction is essential for quality control. Variation in surface finishing parameters, such as surface roughness, can reflect defects in a manufacturing process, non-optimal product operational efficiency, and reduced life expectancy of the product. This thesis considers reconstruction and analysis of high-frequency variation, that is roughness, on planar surfaces. Standard roughness measures in industry are calculated from surface topography. A fast and non-contact method to obtain surface topography is to apply photometric stereo in the estimation of surface gradients and to reconstruct the surface by integrating the gradient fields. Alternatively, visual methods, such as statistical measures, fractal dimension and distance transforms, can be used to characterize surface roughness directly from gray-scale images. In this thesis, the accuracy of distance transforms, statistical measures, and fractal dimension are evaluated in the estimation of surface roughness from gray-scale images and topographies. The results are contrasted to standard industry roughness measures. In distance transforms, the key idea is that distance values calculated along a highly varying surface are greater than distances calculated along a smoother surface. Statistical measures and fractal dimension are common surface roughness measures. In the experiments, skewness and variance of brightness distribution, fractal dimension, and distance transforms exhibited strong linear correlations to standard industry roughness measures. One of the key strengths of photometric stereo method is the acquisition of higher frequency variation of surfaces. In this thesis, the reconstruction of planar high-frequency varying surfaces is studied in the presence of imaging noise and blur. Two Wiener filterbased methods are proposed of which one is optimal in the sense of surface power spectral density given the spectral properties of the imaging noise and blur. Experiments show that the proposed methods preserve the inherent high-frequency variation in the reconstructed surfaces, whereas traditional reconstruction methods typically handle incorrect measurements by smoothing, which dampens the high-frequency variation.

Tuotantofilosofiat

Työssä esitellään käytetyimpiä tuotantofilosofioita. Tuotantofilosofia on hyvin laaja käsite ja sen vuoksi myös jotkin esiteltävistä menetelmistä ovat hyvin kaukana toisistaan. Työ koostuu teoriaosiosta, jossa on esitelty kukin tuotantofilosofia ja lopuksi johtopäätöksiä-osiossa käsitellään sitä, kuinka menetelmät liittyvät toisiinsa. Työssä esitellään JIT/JOT-tuotanto, Lean-tuotanto, Monozukuri, Modulointi, Standardointi, Strategiatyö, Six Sigma, TQM, TPM, QFD, MFD, Simulointi, Digitaalinen valmistus, DFX ja ns. uudet tuotantofilosofiat. Eri menetelmistä löytyvää lähdemateriaalia on tarjolla monipuolisesti, josta johtuen menetelmistä on voitu esitellä vain pääpiirteet. Tuotantofilosofioiden avulla voidaan saavuttaa monia eri asioita. Osa menetelmistä on luotu tuotannon tehostamiseksi ja yksinkertaistamiseksi, osa puolestaan lisää tuotannon tai koko yrityksen laatutasoa ja osa puolestaan helpottaa tuotteiden suunnittelu-työtä. Moni esiteltävistä filosofioista ei istu yksinomaan yhteen edellä mainituista kategorioista vaan kattaa laajempia alueita pitäen sisällään jopa kaikkia kolmea mainittua tulosta. Näiden lisäksi työssä on esitelty lyhyesti uusia tuotantofilosofioita, jotka ovat hieman irrallisia kokonaisuuksia verrattuna muihin työssä esiteltäviin filosofioihin. Työn tarkoituksena on auttaa hahmottamaan suurta kokonaisuutta jonka tuotantofilosofiat tuottavat. On tärkeää osata hahmottaa filosofioiden riippuvuus toisistaan ja se, että otettaessa käyttöön jotain tuotantofilosofiaa, tarkoittaa se myös mahdollisesti monen muunkin asian huomioonottamista. Tätä näkökantaa selvennetään johtopäätöksissä.

Investigação para detecção automática de falhas têxteis

Este trabalho apresenta uma aplicação de Dimensão Fractal (DF) e técnicas de segmentação de imagens na inspeção industrial automática. Foi desenvolvido um sistema para a indústria têxtil objetivando a detecção de defeitos. A indústria têxtil se particulariza por ter um tipo de produção que torna inviável a utilização das técnicas de extração de características morfológiocas, usualmente empregadas em sistemas de controle de qualidade baseados na visão. Basicamente o sistema implementado compara dados obtidos de imagens digitalizadas, as características destes dados dependem do método selecionado. Dois tipos de métodos podem ser usados: métodos de segmentação e dimensão fractal. Para implementação no sistema, métodos de segmentação conhecidos foram adaptados e aperfeiçoados visando a determinação de variações em uma imagem do tecido (o que caracteriza a existência de uma falha). Na utilização da Dimensão Fractal como uma ferramenta para análise de imagens e controle de qualidade utiliza-se um algoritmo que calcula os valores de dimensão fractal de imagens em toda a região teoricamente admissível (2 <= DF <= 3). Os vários métodos foram comparados quanto a sua eficiência, precisão e aplicabilidade.

Constitutive laws for strong geometric non-linearity

This paper is divided into two different parts. The first one provides a brief introduction to the fractal geometry with some simple illustrations in fluid mechanics. We thought it would be helpful to introduce the reader into this relatively new approach to mechanics that has not been sufficiently explored by engineers yet. Although in fluid mechanics, mainly in problems of percolation and binary flows, the use of fractals has gained some attention, the same is not true for solid mechanics, from the best of our knowledge. The second part deals with the mechanical behavior of thin wires subjected to very large deformations. It is shown that starting to a plausible conjecture it is possible to find global constitutive equations correlating geometrical end energy variables with the fractal dimension of the solid subjected to large deformations. It is pointed out the need to complement the present proposal with experimental work.

L’intégration de la perception visuelle du mouvement

La perception visuelle du mouvement est essentielle à l’exécution de déplacements sécuritaires ainsi qu’à l’interaction efficace avec notre environnement. C’est pourquoi il est nécessaire de comprendre la nature des mécanismes responsables de l’analyse de l’information sur le mouvement, ainsi que l’effet du vieillissement sur la réponse de ces mécanismes. Deux études seront présentées. La première avait pour but l’analyse des mécanismes responsables de la perception du mouvement de rotation fractale, nouveau stimulus introduit par Benton, O’Brien & Curran (2007). Ce type de stimulus a été créé afin d’isoler les mécanismes sensibles à la forme. Plusieurs auteurs ont suggéré que les mécanismes sensibles au mouvement de deuxième ordre utiliseraient les indices de position afin d’extraire l’information sur le mouvement (Seiffert & Cavanagh, 1998). Ainsi, la présente étude visait à déterminer si la rotation fractale est analysée par de tels mécanismes. Les résultats obtenus suggèrent que les mécanismes sensibles à la rotation fractale seraient basés sur l’orientation; tandis que ceux sensibles à la rotation de premier ordre, basés sur l’énergie. De plus, une certaine dissociation des mécanismes responsables du traitement de la rotation fractale et de premier ordre serait présente. La deuxième étude avait pour but, quant à elle, d’établir l’effet du vieillissement sur l’intégration du mouvement de premier et deuxième ordre. Les résultats indiquent que les mécanismes sensibles au mouvement de deuxième ordre seraient davantage affectés, comparativement à ceux de premier ordre. Ainsi, les fonctions visuelles requérant une intégration corticale de plus haut niveau seraient davantage affectées par l’effet du vieillissement.

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

Le paradoxe dans les Alices de Lewis Carroll : la force du littéraire dans la théorisation de l'irrésoluble /

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

Fixed point results for multivalued contractions on graphs and their applications

Nous présentons dans cette thèse des théorèmes de point fixe pour des contractions multivoques définies sur des espaces métriques, et, sur des espaces de jauges munis d’un graphe. Nous illustrons également les applications de ces résultats à des inclusions intégrales et à la théorie des fractales. Cette thèse est composée de quatre articles qui sont présentés dans quatre chapitres. Dans le chapitre 1, nous établissons des résultats de point fixe pour des fonctions multivoques, appelées G-contractions faibles. Celles-ci envoient des points connexes dans des points connexes et contractent la longueur des chemins. Les ensembles de points fixes sont étudiés. La propriété d’invariance homotopique d’existence d’un point fixe est également établie pour une famille de Gcontractions multivoques faibles. Dans le chapitre 2, nous établissons l’existence de solutions pour des systèmes d’inclusions intégrales de Hammerstein sous des conditions de type de monotonie mixte. L’existence de solutions pour des systèmes d’inclusions différentielles avec conditions initiales ou conditions aux limites périodiques est également obtenue. Nos résultats s’appuient sur nos théorèmes de point fixe pour des G-contractions multivoques faibles établis au chapitre 1. Dans le chapitre 3, nous appliquons ces mêmes résultats de point fixe aux systèmes de fonctions itérées assujettis à un graphe orienté. Plus précisément, nous construisons un espace métrique muni d’un graphe G et une G-contraction appropriés. En utilisant les points fixes de cette G-contraction, nous obtenons plus d’information sur les attracteurs de ces systèmes de fonctions itérées. Dans le chapitre 4, nous considérons des contractions multivoques définies sur un espace de jauges muni d’un graphe. Nous prouvons un résultat de point fixe pour des fonctions multivoques qui envoient des points connexes dans des points connexes et qui satisfont une condition de contraction généralisée. Ensuite, nous étudions des systèmes infinis de fonctions itérées assujettis à un graphe orienté (H-IIFS). Nous donnons des conditions assurant l’existence d’un attracteur unique à un H-IIFS. Enfin, nous appliquons notre résultat de point fixe pour des contractions multivoques définies sur un espace de jauges muni d’un graphe pour obtenir plus d’information sur l’attracteur d’un H-IIFS. Plus précisément, nous construisons un espace de jauges muni d’un graphe G et une G-contraction appropriés tels que ses points fixes sont des sous-attracteurs du H-IIFS.

Modified Circular Patch Antenna

A circular miqrostrip antenna with a modified structure is presented. By adjusting the feed location along the circumference of the patch it is possible to match the antenna with a C microstrip line of any impedance. The impedance bandwidth and radiation characteristics are unaffected by this structural V modification.

Frequency tunable metallo–dielectric structure for backscattering reduction

Electromagnetic scattering behaviour of a superstrate loaded metallo– dielectric structure based on Sierpinski carpet fractal geometry is reported. The results indicate that the frequency at which backscattering is minimum can be tuned by varying the thickness of the superstrate. A reduction in backscattered power of 44 dB is obtained simultaneously for both TE and TM polarisations of the incident field.

Proceedings Of Eleventh National Symposium On Antennas And Propagation

In this paper we have investigated the effect of cavity diameter and wall height on resonance and radiation characteristics of a circular microstrip patch antenna. Experiments were conducted using a fabricated prototype placed inside a cylindrical cavity. The results were compared and verified with simulated data obtained using an electromagnetic simulator. About 9.6 to 10.5 dBi peak gain was obtained from measured and simulated data

Simple Low-cost Planar Antenna for Indoor Communication under the Bluetooth Protocol

A single-feed rectangular-ring microstrip antenna is proposed for indoor communication under the Bluetooth protocol. The dimensions of the antenna together with the location of the feed point are optimized through field simulations in order to cover the Bluetooth bandwidth and to avoid linear polarization. The performance and the efficiency of the antenna are illustrated in a real indoor environment

A new broadband circular patch antenna

A simple technique to improve the impedance bandwidth of a circular microstrip patch antenna using two sectorial slots is proposed. Using this design more than 5% impedance bandwidth is obtained. The added advantage of this new antenna is that it can be fed by a 50- microstrip line