Bayesian space-time data fusion for real-time forecasting and map uncertainty

Environmental computer models are deterministic models devoted to predict several environmental phenomena such as air pollution or meteorological events. Numerical model output is given in terms of averages over grid cells, usually at high spatial and temporal resolution. However, these outputs are often biased with unknown calibration and not equipped with any information about the associated uncertainty. Conversely, data collected at monitoring stations is more accurate since they essentially provide the true levels. Due the leading role played by numerical models, it now important to compare model output with observations. Statistical methods developed to combine numerical model output and station data are usually referred to as data fusion. In this work, we first combine ozone monitoring data with ozone predictions from the Eta-CMAQ air quality model in order to forecast real-time current 8-hour average ozone level defined as the average of the previous four hours, current hour, and predictions for the next three hours. We propose a Bayesian downscaler model based on first differences with a flexible coefficient structure and an efficient computational strategy to fit model parameters. Model validation for the eastern United States shows consequential improvement of our fully inferential approach compared with the current real-time forecasting system. Furthermore, we consider the introduction of temperature data from a weather forecast model into the downscaler, showing improved real-time ozone predictions. Finally, we introduce a hierarchical model to obtain spatially varying uncertainty associated with numerical model output. We show how we can learn about such uncertainty through suitable stochastic data fusion modeling using some external validation data. We illustrate our Bayesian model by providing the uncertainty map associated with a temperature output over the northeastern United States.

Brain-Computer Interfaces for augmented communication: Asynchronous and adaptive algorithms and evaluation with end users

This thesis aimed at addressing some of the issues that, at the state of the art, avoid the P300-based brain computer interface (BCI) systems to move from research laboratories to end users’ home. An innovative asynchronous classifier has been defined and validated. It relies on the introduction of a set of thresholds in the classifier, and such thresholds have been assessed considering the distributions of score values relating to target, non-target stimuli and epochs of voluntary no-control. With the asynchronous classifier, a P300-based BCI system can adapt its speed to the current state of the user and can automatically suspend the control when the user diverts his attention from the stimulation interface. Since EEG signals are non-stationary and show inherent variability, in order to make long-term use of BCI possible, it is important to track changes in ongoing EEG activity and to adapt BCI model parameters accordingly. To this aim, the asynchronous classifier has been subsequently improved by introducing a self-calibration algorithm for the continuous and unsupervised recalibration of the subjective control parameters. Finally an index for the online monitoring of the EEG quality has been defined and validated in order to detect potential problems and system failures. This thesis ends with the description of a translational work involving end users (people with amyotrophic lateral sclerosis-ALS). Focusing on the concepts of the user centered design approach, the phases relating to the design, the development and the validation of an innovative assistive device have been described. The proposed assistive technology (AT) has been specifically designed to meet the needs of people with ALS during the different phases of the disease (i.e. the degree of motor abilities impairment). Indeed, the AT can be accessed with several input devices either conventional (mouse, touchscreen) or alterative (switches, headtracker) up to a P300-based BCI.

Progettazione e sviluppo di applicazioni di augmented reality interattive

Nel 2011, circa 5 milioni di persone usavano regolarmente applicativi mobi-le basati su qualche forma di realtà aumentata. Secondo alcune previsioni entro il 2020 servizi che sfruttano questa tecnologia avranno una base di utenti che rasenta un settimo della popolazione mondiale, rendendo di fatto la realtà aumentata l’ottavo mezzo di comunicazione di massa dopo la stampa, l’audio registrato, il cinema, la radio, la televisione, internet ed infine i servizi multimediali mobile. La tesi si propone di illustrare le caratteristiche di questa tecnologia distinguendo varie tecniche e strumenti a disposizione degli sviluppatori per costruire l’esperienza di augmented reality. Entrando nel merito dello sviluppo software si analizza una architettura di riferimento proposta per sistemi di realtà aumentata e pattern per lo sviluppo dei diversi componenti. Infine vengono confrontati gli SDK oggi più diffusi cercando di evidenziarne caratteristiche comuni e peculiarità.

Quality assessment of a landslide inventory map and its application to land‐use planning. A case study in the Northern Apennines (Emilia‐Romagna region, Italy)

Landslide hazard and risk are growing as a consequence of climate change and demographic pressure. Land‐use planning represents a powerful tool to manage this socio‐economic problem and build sustainable and landslide resilient communities. Landslide inventory maps are a cornerstone of land‐use planning and, consequently, their quality assessment represents a burning issue. This work aimed to define the quality parameters of a landslide inventory and assess its spatial and temporal accuracy with regard to its possible applications to land‐use planning. In this sense, I proceeded according to a two‐steps approach. An overall assessment of the accuracy of data geographic positioning was performed on four case study sites located in the Italian Northern Apennines. The quantification of the overall spatial and temporal accuracy, instead, focused on the Dorgola Valley (Province of Reggio Emilia). The assessment of spatial accuracy involved a comparison between remotely sensed and field survey data, as well as an innovative fuzzylike analysis of a multi‐temporal landslide inventory map. Conversely, long‐ and short‐term landslide temporal persistence was appraised over a period of 60 years with the aid of 18 remotely sensed image sets. These results were eventually compared with the current Territorial Plan for Provincial Coordination (PTCP) of the Province of Reggio Emilia. The outcome of this work suggested that geomorphologically detected and mapped landslides are a significant approximation of a more complex reality. In order to convey to the end‐users this intrinsic uncertainty, a new form of cartographic representation is needed. In this sense, a fuzzy raster landslide map may be an option. With regard to land‐use planning, landslide inventory maps, if appropriately updated, confirmed to be essential decision‐support tools. This research, however, proved that their spatial and temporal uncertainty discourages any direct use as zoning maps, especially when zoning itself is associated to statutory or advisory regulations.

A commutative higher cycle map into Deligne-Beilinson cohomology

Das Ziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Homomorphismus von partiell definierten, graduiert-kommutativen Algebren, der nach Ubergang zu rationalen Kohomologiegruppen mit der Regulatorabbildung reg zwischen motivischer und Deligne-Beilinson Kohomologie übereinstimmt.rnZu Beginn der Arbeit werden verschiedene Komplexe beschrieben, mit denen sich die motivische und die Deligne-Beilinson Kohomologie berechnen lassen.rnIm ersten Kapitel wird der Komplex der höheren Chow Ketten und der Unterkomplex der "alternierenden" Ketten "in guter Lage" eingeführt, die beide die motivische Kohomologie berechnen (letzterer mit rationalen Koeffizienten).rnIn den folgenden beiden Kapiteln werden Komplexe C_D und P_D beschrieben, mit denen sich die (rationale) Deligne-Beilinson Kohomologie berechnen lässt. Diese sind aufgebaut aus sogenannten Strömen, die im zweiten Kapitel eingeführt werden. Verknüpft sind die beiden Komplexe durch eine Auswertungsabbildung ev, die für rationale Koeffizienten zu einem Quasi-Isomorphismus wird. Auf beiden Komplexen lassen sich (Schnitt-)Produkte definieren, von denen jedoch nur das Produkt auf P_D gleichzeitig assoziativ und graduiert-kommutativ ist.rnIm vierten Kapitel wird ganz allgemein für eine Familie von Komplexen, die einer Reihe an Anforderungen genügt, ein (partiell definierter) Homomorphismus (der Regulator) von dem Komplex der höheren Chow Ketten in eben diese Komplexe konstruiert. Die beiden oben genannten Komplexe erfüllen diese Anforderungen und liefern daher Regulatoren reg_C und reg_P

Mongodb tra i database non relazionali - focus su Map-Reduce e gestione della memoria

Panoramica delle caratteristiche dei database NoSQL, con dettaglio su MongoDB: filosofia di progettazione, modello dei dati, indicizzazione, algoritmo Map-Reduce e gestione della memoria.

Valutazione dell'accuratezza e della precisione di un algoritmo di correlazione digitale di volumi applicato a vertebre naturali e trattate

La Digital Volume Correlation (DVC) è una tecnica di misura a tutto campo, non invasiva, che permette di misurare spostamenti e deformazioni all’interno della struttura ossea in esame. Mediante la comparazione d’immagini con provino scarico e con provino carico, ottenute attraverso sistemi di tomografia computerizzata, si può ottenere la mappa degli spostamenti per ogni direzione e la mappa di deformazione per ogni componente di deformazione. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la validazione della DVC, attraverso la determinazione dell’errore sistematico (accuratezza) e dell’errore casuale (precisione), in modo da poter valutare il livello di affidabilità della strumentazione. La valutazione si effettua su provini di vertebre di maiale, aumentate e non, sia a livello d’organo, sia a livello di tessuto. The Digital Volume Correlation (DVC) is a full field and contact less measurement technique that allowed estimating displacement and strain inside bone specimen. Images of the unloaded and loaded specimen were obtained from micro-CT and compared in order to obtain the displacement map and, differentiating, the strain map. The aim of this work is the validation of the approach, estimating the lack of accuracy (systematic error) and the lack of precision (random error) on different kinds of porcine vertebra, augmented and not, analysing the specimen on tissue level and on organ level.

Studio di Augmented World come Paradigma di Progettazione di Sistemi basati su Realtà Aumentata e Pervasive Computing - Verso la Definizione di un Modello

L’obiettivo della tesi è definire un modello che permetta di realizzare applicazioni che integrino diverse tecnologie come la realtà aumentata, pervasive computing e Internet of Things. In particolare si analizza la nozione di "augmentation" che indica un’estensione e un arricchimento delle funzionalità e delle informazioni che possono essere percepite dai sensi umani e che può essere ritrovata, in modo diverso, nelle tecnologie trattate. A tal proposito, si introduce l’idea di augmented world, il cui scopo è quello di realizzare un livello aumentato collegato ad un livello fisico, attraverso il quale permettere l’interazione tra elementi virtuali ed elementi fisici. In seguito, tramite un'analisi tassonomica si vogliono individuare le caratteristiche ed i requisiti fondanti degli ambiti applicativi trattati per poter definire un modello che possa essere utilizzato come riferimento per le diverse tipologie di applicazioni. Infine il modello proposto è stato applicato a diversi casi di studio che spaziano tra i principali contesti applicativi in cui vengono utilizzate le tecnologie illustrate. La modellazione è fatta prescindendo da alcuni aspetti relativi alla comunicazione o alla sincronizzazione tra livello reale e livello aumentato, in quanto l’obiettivo è esporre una prima validazione del modello che permetta di riscontrarne l’adeguatezza ed eventuali limiti per una futura raffinazione.

Metodi di map-matching per l'identificazione degli itinerari dei ciclisti

Negli ultimi anni si è assistito al considerevole aumento della disponibilità di dati GPS e della loro precisione, dovuto alla diffusione e all’evoluzione tecnologica di smartphone e di applicazioni di localizzazione. Il processo di map-matching consiste nell’integrare tali dati - solitamente una lista ordinata di punti, identificati tramite coordinate geografiche ricavate mediante un sistema di localizzazione, come il GPS - con le reti disponibili; nell’ambito dell’ingegneria dei trasporti, l’obiettivo è di identificare il percorso realmente scelto dall’utente per lo spostamento. Il presente lavoro si propone l’obiettivo di studiare alcune metodologie di map-matching per l’identificazione degli itinerari degli utenti, in particolare della mobilità ciclabile. Nel primo capitolo è esposto il funzionamento dei sistemi di posizionamento e in particolare del sistema GPS: ne sono discusse le caratteristiche, la suddivisione nei vari segmenti, gli errori di misurazione e la cartografia di riferimento. Nel secondo capitolo sono presentati i vari aspetti del procedimento di map-matching, le sue principali applicazioni e alcune possibili classificazioni degli algoritmi di map-matching sviluppati in letteratura. Nel terzo capitolo è esposto lo studio eseguito su diversi algoritmi di map-matching, che sono stati testati su un database di spostamenti di ciclisti nell’area urbana di Bologna, registrati tramite i loro smartphone sotto forma di punti GPS, e sulla relativa rete. Si analizzano altresì i risultati ottenuti in un secondo ambiente di testing, predisposto nell’area urbana di Catania, dove sono state registrate in modo analogo alcune tracce di prova, e utilizzata la relativa rete. La comparazione degli algoritmi è eseguita graficamente e attraverso degli indicatori. Vengono inoltre proposti e valutati due algoritmi che forniscono un aggiornamento di quelli analizzati, al fine di migliorarne le prestazioni in termini di accuratezza dei risultati e di costo computazionale.

Three-dimensional electroanatomic entrainment map in atypical atrial flutter late after heart transplantation

Atrial flutter in the donor part of orthotopic heart transplants has been reported and successfully treated by radiofrequency ablation of the cavotricuspid isthmus, but mapping and ablation of atypical flutter circuits may be challenging.(1) Entrainment mapping has been used in combination with activation mapping to define the mechanism of atypical atrial flutter. Here, we report a case where colour-coded three-dimensional (3D) entrainment mapping allowed us to accurately determine and visualize the 3D location of the reentrant circuit and to plan the ablation of a left atrial flutter without the need for activation mapping.

Sensor-augmented pump therapy lowers HbA(1c) in suboptimally controlled Type?1 diabetes; a randomized controlled trial

To investigate the efficacy of sensor-augmented pump therapy vs. multiple daily injection therapy in patients with suboptimally controlled Type 1 diabetes.