A practical MEMS gravimeter

The ability to measure tiny variations in the local gravitational acceleration allows – amongst other applications – the detection of hidden hydrocarbon reserves, magma build-up before volcanic eruptions, and subterranean tunnels. Several technologies are available that achieve the sensitivities required (tens of μGal/√Hz), and stabilities required (periods of days to weeks) for such applications: free-fall gravimeters, spring-based gravimeters, superconducting gravimeters, and atom interferometers. All of these devices can observe the Earth tides; the elastic deformation of the Earth’s crust as a result of tidal forces. This is a universally predictable gravitational signal that requires both high sensitivity and high stability over timescales of several days to measure. All present gravimeters, however, have limitations of excessive cost (£70 k) and high mass (<8 kg). In this thesis, the building of a microelectromechanical system (MEMS) gravimeter with a sensitivity of 40 μGal/√Hz in a package size of only a few cubic centimetres is discussed. MEMS accelerometers – found in most smart phones – can be mass-produced remarkably cheaply, but most are not sensitive enough, and none have been stable enough to be called a ‘gravimeter’. The remarkable stability and sensitivity of the device is demonstrated with a measurement of the Earth tides. Such a measurement has never been undertaken with a MEMS device, and proves the long term stability of the instrument compared to any other MEMS device, making it the first MEMS accelerometer that can be classed as a gravimeter. This heralds a transformative step in MEMS accelerometer technology. Due to their small size and low cost, MEMS gravimeters could create a new paradigm in gravity mapping: exploration surveys could be carried out with drones instead of low-flying aircraft; they could be used for distributed land surveys in exploration settings, for the monitoring of volcanoes; or built into multi-pixel density contrast imaging arrays.

Wavelengths in bioconvection patterns

Unicellular bottom-heavy swimming microorganisms are usually denser than the fluid in which they swim. In shallow suspensions, the bottom heaviness results in a gravitational torque that orients the cells to swim vertically upwards in the absence of fluid flow. Swimming cells thus accumulate at the upper surface to form a concentrated layer of cells. When the cell concentration is high enough, the layer overturns to form bioconvection patterns. Thin concentrated plumes of cells descend rapidly and cells return to the upper surface in wide, slowly moving upwelling plumes. When there is fluid flow, a second viscous torque is exerted on the swimming cells. The balance between the local shear flow viscous and the gravitational torques determines the cells' swimming direction, (gyrotaxis). In this thesis, the wavelengths of bioconvection patterns are studied experimentally as well as theoretically as follow; First, in aquasystem it is rare to find one species lives individually and when they swim they can form complex patterns. Thus, a protocol for controlled experiments to mix two species of swimming algal cells of \emph{C. rienhardtii} and \emph{C. augustae} is systematically described and images of bioconvection patterns are captured. A method for analysing images using wavelets and extracting the local dominant wavelength in spatially varying patterns is developed. The variation of the patterns as a function of the total concentration and the relative concentration between two species is analysed. Second, the linear stability theory of bioconvection for a suspension of two mixed species is studied. The dispersion relationship is computed using Fourier modes in order to calculate the neutral curves as a function of wavenumbers $k$ and $m$. The neutral curves are plotted to compare the instability onset of the suspension of the two mixed species with the instability onset of each species individually. This study could help us to understand which species contributes the most in the process of pattern formation. Finally, predicting the most unstable wavelength was studied previously around a steady state equilibrium situation. Since assuming steady state equilibrium contradicts with reality, the pattern formation in a layer of finite depth of an evolving basic state is studied using the nonnormal modes approach. The nonnormal modes procedure identifies the optimal initial perturbation that can be obtained for a given time $t$ as well as a given set of parameters and wavenumber $k$. Then, we measure the size of the optimal perturbation as it grows with time considering a range of wavenumbers for the same set of parameters to be able to extract the most unstable wavelength.

Prevalencia e incidencia de cáncer en habitantes de Sibaté, y georeferenciación de casos 2010-2014

Introducción: El Cáncer es prevenible en algunos casos, si se evita la exposición a sustancias cancerígenas en el medio ambiente. En Colombia, Cundinamarca es uno de los departamentos con mayores incrementos en la tasa de mortalidad y en el municipio de Sibaté, habitantes han manifestado preocupación por el incremento de la enfermedad. En el campo de la salud ambiental mundial, la georreferenciación aplicada al estudio de fenómenos en salud, ha tenido éxito con resultados válidos. El estudio propuso usar herramientas de información geográfica, para generar análisis de tiempo y espacio que hicieran visible el comportamiento del cáncer en Sibaté y sustentaran hipótesis de influencias ambientales sobre concentraciones de casos. Objetivo: Obtener incidencia y prevalencia de casos de cáncer en habitantes de Sibaté y georreferenciar los casos en un periodo de 5 años, con base en indagación de registros. Metodología: Estudio exploratorio descriptivo de corte transversal,sobre todos los diagnósticos de cáncer entre los años 2010 a 2014, encontrados en los archivos de la Secretaria de Salud municipal. Se incluyeron unicamente quienes tuvieron residencia permanente en el municipio y fueron diagnosticados con cáncer entre los años de 2010 a 2104. Sobre cada caso se obtuvo género, edad, estrato socioeconómico, nivel académico, ocupación y estado civil. Para el análisis de tiempo se usó la fecha de diagnóstico y para el análisis de espacio, la dirección de residencia, tipo de cáncer y coordenada geográfica. Se generaron coordenadas geográficas con un equipo GPS Garmin y se crearon mapas con los puntos de la ubicación de las viviendas de los pacientes. Se proceso la información, con Epi Info 7 Resultados: Se encontraron 107 casos de cáncer registrados en la Secretaria de Salud de Sibaté, 66 mujeres, 41 hombres. Sin división de género, el 30.93% de la población presento cáncer del sistema reproductor, el 18,56% digestivo y el 17,53% tegumentario. Se presentaron 2 grandes casos de agrupaciones espaciales en el territorio estudiado, una en el Barrio Pablo Neruda con 12 (21,05%) casos y en el casco Urbano de Sibaté con 38 (66,67%) casos. Conclusión: Se corroboro que el análisis geográfico con variables espacio temporales y de exposición, puede ser la herramienta para generar hipótesis sobre asociaciones de casos de cáncer con factores ambientales.

Urban air quality: new high-resolution modeling approaches and forecasting tools for citizens

Air pollution is one of the greatest health risks in the world. At the same time, the strong correlation with climate change, as well as with Urban Heat Island and Heat Waves, make more intense the effects of all these phenomena. A good air quality and high levels of thermal comfort are the big goals to be reached in urban areas in coming years. Air quality forecast help decision makers to improve air quality and public health strategies, mitigating the occurrence of acute air pollution episodes. Air quality forecasting approaches combine an ensemble of models to provide forecasts from global to regional air pollution and downscaling for selected countries and regions. The development of models dedicated to urban air quality issues requires a good set of data regarding the urban morphology and building material characteristics. Only few examples of air quality forecast system at urban scale exist in the literature and often they are limited to selected cities. This thesis develops by setting up a methodology for the development of a forecasting tool. The forecasting tool can be adapted to all cities and uses a new parametrization for vegetated areas. The parametrization method, based on aerodynamic parameters, produce the urban spatially varying roughness. At the core of the forecasting tool there is a dispersion model (urban scale) used in forecasting mode, and the meteorological and background concentration forecasts provided by two regional numerical weather forecasting models. The tool produces the 1-day spatial forecast of NO2, PM10, O3 concentration, the air temperature, the air humidity and BLQ-Air index values. The tool is automatized to run every day, the maps produced are displayed on the e-Globus platform, updated every day. The results obtained indicate that the forecasting output were in good agreement with the observed measurements.

Density, climate and varying return points: an analysis of long-term population fluctuations in the threatened European tree frog.

Experimental research has identified many putative agents of amphibian decline, yet the population-level consequences of these agents remain unknown, owing to lack of information on compensatory density dependence in natural populations. Here, we investigate the relative importance of intrinsic (density-dependent) and extrinsic (climatic) factors impacting the dynamics of a tree frog (Hyla arborea) population over 22 years. A combination of log-linear density dependence and rainfall (with a 2-year time lag corresponding to development time) explain 75% of the variance in the rate of increase. Such fluctuations around a variable return point might be responsible for the seemingly erratic demography and disequilibrium dynamics of many amphibian populations.

Applicabilité de la texture couleur à la différentiation des classes d’occupation du territoire sur des images satellitales multispectrales

La texture est un élément clé pour l’interprétation des images de télédétection à fine résolution spatiale. L’intégration de l’information texturale dans un processus de classification automatisée des images se fait habituellement via des images de texture, souvent créées par le calcul de matrices de co-occurrences (MCO) des niveaux de gris. Une MCO est un histogramme des fréquences d’occurrence des paires de valeurs de pixels présentes dans les fenêtres locales, associées à tous les pixels de l’image utilisée; une paire de pixels étant définie selon un pas et une orientation donnés. Les MCO permettent le calcul de plus d’une dizaine de paramètres décrivant, de diverses manières, la distribution des fréquences, créant ainsi autant d’images texturales distinctes. L’approche de mesure des textures par MCO a été appliquée principalement sur des images de télédétection monochromes (ex. images panchromatiques, images radar monofréquence et monopolarisation). En imagerie multispectrale, une unique bande spectrale, parmi celles disponibles, est habituellement choisie pour générer des images de texture. La question que nous avons posée dans cette recherche concerne justement cette utilisation restreinte de l’information texturale dans le cas des images multispectrales. En fait, l’effet visuel d’une texture est créé, non seulement par l’agencement particulier d’objets/pixels de brillance différente, mais aussi de couleur différente. Plusieurs façons sont proposées dans la littérature pour introduire cette idée de la texture à plusieurs dimensions. Parmi celles-ci, deux en particulier nous ont intéressés dans cette recherche. La première façon fait appel aux MCO calculées bande par bande spectrale et la seconde utilise les MCO généralisées impliquant deux bandes spectrales à la fois. Dans ce dernier cas, le procédé consiste en le calcul des fréquences d’occurrence des paires de valeurs dans deux bandes spectrales différentes. Cela permet, en un seul traitement, la prise en compte dans une large mesure de la « couleur » des éléments de texture. Ces deux approches font partie des techniques dites intégratives. Pour les distinguer, nous les avons appelées dans cet ouvrage respectivement « textures grises » et « textures couleurs ». Notre recherche se présente donc comme une analyse comparative des possibilités offertes par l’application de ces deux types de signatures texturales dans le cas spécifique d’une cartographie automatisée des occupations de sol à partir d’une image multispectrale. Une signature texturale d’un objet ou d’une classe d’objets, par analogie aux signatures spectrales, est constituée d’une série de paramètres de texture mesurés sur une bande spectrale à la fois (textures grises) ou une paire de bandes spectrales à la fois (textures couleurs). Cette recherche visait non seulement à comparer les deux approches intégratives, mais aussi à identifier la composition des signatures texturales des classes d’occupation du sol favorisant leur différentiation : type de paramètres de texture / taille de la fenêtre de calcul / bandes spectrales ou combinaisons de bandes spectrales. Pour ce faire, nous avons choisi un site à l’intérieur du territoire de la Communauté Métropolitaine de Montréal (Longueuil) composé d’une mosaïque d’occupations du sol, caractéristique d’une zone semi urbaine (résidentiel, industriel/commercial, boisés, agriculture, plans d’eau…). Une image du satellite SPOT-5 (4 bandes spectrales) de 10 m de résolution spatiale a été utilisée dans cette recherche. Puisqu’une infinité d’images de texture peuvent être créées en faisant varier les paramètres de calcul des MCO et afin de mieux circonscrire notre problème nous avons décidé, en tenant compte des études publiées dans ce domaine : a) de faire varier la fenêtre de calcul de 3*3 pixels à 21*21 pixels tout en fixant le pas et l’orientation pour former les paires de pixels à (1,1), c'est-à-dire à un pas d’un pixel et une orientation de 135°; b) de limiter les analyses des MCO à huit paramètres de texture (contraste, corrélation, écart-type, énergie, entropie, homogénéité, moyenne, probabilité maximale), qui sont tous calculables par la méthode rapide de Unser, une approximation des matrices de co-occurrences, c) de former les deux signatures texturales par le même nombre d’éléments choisis d’après une analyse de la séparabilité (distance de Bhattacharya) des classes d’occupation du sol; et d) d’analyser les résultats de classification (matrices de confusion, exactitudes, coefficients Kappa) par maximum de vraisemblance pour conclure sur le potentiel des deux approches intégratives; les classes d’occupation du sol à reconnaître étaient : résidentielle basse et haute densité, commerciale/industrielle, agricole, boisés, surfaces gazonnées (incluant les golfs) et plans d’eau. Nos principales conclusions sont les suivantes a) à l’exception de la probabilité maximale, tous les autres paramètres de texture sont utiles dans la formation des signatures texturales; moyenne et écart type sont les plus utiles dans la formation des textures grises tandis que contraste et corrélation, dans le cas des textures couleurs, b) l’exactitude globale de la classification atteint un score acceptable (85%) seulement dans le cas des signatures texturales couleurs; c’est une amélioration importante par rapport aux classifications basées uniquement sur les signatures spectrales des classes d’occupation du sol dont le score est souvent situé aux alentours de 75%; ce score est atteint avec des fenêtres de calcul aux alentours de11*11 à 15*15 pixels; c) Les signatures texturales couleurs offrant des scores supérieurs à ceux obtenus avec les signatures grises de 5% à 10%; et ce avec des petites fenêtres de calcul (5*5, 7*7 et occasionnellement 9*9) d) Pour plusieurs classes d’occupation du sol prises individuellement, l’exactitude dépasse les 90% pour les deux types de signatures texturales; e) une seule classe est mieux séparable du reste par les textures grises, celle de l’agricole; f) les classes créant beaucoup de confusions, ce qui explique en grande partie le score global de la classification de 85%, sont les deux classes du résidentiel (haute et basse densité). En conclusion, nous pouvons dire que l’approche intégrative par textures couleurs d’une image multispectrale de 10 m de résolution spatiale offre un plus grand potentiel pour la cartographie des occupations du sol que l’approche intégrative par textures grises. Pour plusieurs classes d’occupations du sol un gain appréciable en temps de calcul des paramètres de texture peut être obtenu par l’utilisation des petites fenêtres de traitement. Des améliorations importantes sont escomptées pour atteindre des exactitudes de classification de 90% et plus par l’utilisation des fenêtres de calcul de taille variable adaptées à chaque type d’occupation du sol. Une méthode de classification hiérarchique pourrait être alors utilisée afin de séparer les classes recherchées une à la fois par rapport au reste au lieu d’une classification globale où l’intégration des paramètres calculés avec des fenêtres de taille variable conduirait inévitablement à des confusions entre classes.

Bose systems in spatially random or time-varying potentials

Bose systems, subject to the action of external random potentials, are considered. For describing the system properties, under the action of spatially random potentials of arbitrary strength, the stochastic mean-field approximation is employed. When the strength of disorder increases, the extended Bose-Einstein condensate fragments into spatially disconnected regions, forming a granular condensate. Increasing the strength of disorder even more transforms the granular condensate into the normal glass. The influence of time-dependent external potentials is also discussed. Fastly varying temporal potentials, to some extent, imitate the action of spatially random potentials. In particular, strong time-alternating potential can induce the appearance of a nonequilibrium granular condensate.

Comparison of changes in dental and bone radiographic densities in the presence of different soft-tissue simulators using pixel intensity and digital subtraction analyses

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A comparison of pixel and object-based land cover classification. A case study of the Asmara region, Eritrea

In this paper we compare the performance of two image classification paradigms (object- and pixel-based) for creating a land cover map of Asmara, the capital of Eritrea and its surrounding areas using a Landsat ETM+ imagery acquired in January 2000. The image classification methods used were maximum likelihood for the pixel-based approach and Bhattacharyya distance for the object-oriented approach available in, respectively, ArcGIS and SPRING software packages. Advantages and limitations of both approaches are presented and discussed. Classifications outputs were assessed using overall accuracy and Kappa indices. Pixel- and object-based classification methods result in an overall accuracy of 78% and 85%, respectively. The Kappa coefficient for pixel- and object-based approaches was 0.74 and 0.82, respectively. Although pixel-based approach is the most commonly used method, assessment and visual interpretation of the results clearly reveal that the object-oriented approach has advantages for this specific case-study.

Icebergs in the Amundsen Sea (Antarctica) determined from ENVISAT ASAR WSM data using object-based image analysis approach, link to ESRI GDB files

ENVISAT ASAR WSM images with pixel size 150 × 150 m, acquired in different meteorological, oceanographic and sea ice conditions were used to determined icebergs in the Amundsen Sea (Antarctica). An object-based method for automatic iceberg detection from SAR data has been developed and applied. The object identification is based on spectral and spatial parameters on 5 scale levels, and was verified with manual classification in four polygon areas, chosen to represent varying environmental conditions. The algorithm works comparatively well in freezing temperatures and strong wind conditions, prevailing in the Amundsen Sea during the year. The detection rate was 96% which corresponds to 94% of the area (counting icebergs larger than 0.03 km**2), for all seasons. The presented algorithm tends to generate errors in the form of false alarms, mainly caused by the presence of ice floes, rather than misses. This affects the reliability since false alarms were manually corrected post analysis.

Region-based moving object detection using spatially conditioned nonparametric models in a GPU

A novel GPU-based nonparametric moving object detection strategy for computer vision tools requiring real-time processing is proposed. An alternative and efficient Bayesian classifier to combine nonparametric background and foreground models allows increasing correct detections while avoiding false detections. Additionally, an efficient region of interest analysis significantly reduces the computational cost of the detections.

Spatially-Explicit Testing of a General Aboveground Carbon Density Estimation Model in aWestern Amazonian Forest Using Airborne LiDAR

Mapping aboveground carbon density in tropical forests can support CO2 emissionmonitoring and provide benefits for national resource management. Although LiDAR technology has been shown to be useful for assessing carbon density patterns, the accuracy and generality of calibrations of LiDAR-based aboveground carbon density (ACD) predictions with those obtained from field inventory techniques should be intensified in order to advance tropical forest carbon mapping. Here we present results from the application of a general ACD estimation model applied with small-footprint LiDAR data and field-based estimates of a 50-ha forest plot in Ecuador?s Yasuní National Park. Subplots used for calibration and validation of the general LiDAR equation were selected based on analysis of topographic position and spatial distribution of aboveground carbon stocks. The results showed that stratification of plot locations based on topography can improve the calibration and application of ACD estimation using airborne LiDAR (R2 = 0.94, RMSE = 5.81 Mg?C? ha?1, BIAS = 0.59). These results strongly suggest that a general LiDAR-based approach can be used for mapping aboveground carbon stocks in western lowland Amazonian forests.

Three-dimensional planar object tracking with sub-pixel accuracy

Subpixel techniques are commonly used to increase the spatial resolution in tracking tasks. Object tracking with targets of known shape permits obtaining information about object position and orientation in the three-dimensional space. A proper selection of the target shape allows us to determine its position inside a plane and its angular and azimuthal orientation under certain limits. Our proposal is demonstrated both numerical and experimentally and provides an increase the accuracy of more than one order of magnitude compared to the nominal resolution of the sensor. The experiment has been performed with a high-speed camera, which simultaneously provides high spatial and temporal resolution, so it may be interesting for some applications where this kind of targets can be attached, such as vibration monitoring and structural analysis.