Analysis, modelling and visualisation of spatiotemporal data for urban studies

The proportion of population living in or around cites is more important than ever. Urban sprawl and car dependence have taken over the pedestrian-friendly compact city. Environmental problems like air pollution, land waste or noise, and health problems are the result of this still continuing process. The urban planners have to find solutions to these complex problems, and at the same time insure the economic performance of the city and its surroundings. At the same time, an increasing quantity of socio-economic and environmental data is acquired. In order to get a better understanding of the processes and phenomena taking place in the complex urban environment, these data should be analysed. Numerous methods for modelling and simulating such a system exist and are still under development and can be exploited by the urban geographers for improving our understanding of the urban metabolism. Modern and innovative visualisation techniques help in communicating the results of such models and simulations. This thesis covers several methods for analysis, modelling, simulation and visualisation of problems related to urban geography. The analysis of high dimensional socio-economic data using artificial neural network techniques, especially self-organising maps, is showed using two examples at different scales. The problem of spatiotemporal modelling and data representation is treated and some possible solutions are shown. The simulation of urban dynamics and more specifically the traffic due to commuting to work is illustrated using multi-agent micro-simulation techniques. A section on visualisation methods presents cartograms for transforming the geographic space into a feature space, and the distance circle map, a centre-based map representation particularly useful for urban agglomerations. Some issues on the importance of scale in urban analysis and clustering of urban phenomena are exposed. A new approach on how to define urban areas at different scales is developed, and the link with percolation theory established. Fractal statistics, especially the lacunarity measure, and scale laws are used for characterising urban clusters. In a last section, the population evolution is modelled using a model close to the well-established gravity model. The work covers quite a wide range of methods useful in urban geography. Methods should still be developed further and at the same time find their way into the daily work and decision process of urban planners. La part de personnes vivant dans une région urbaine est plus élevé que jamais et continue à croître. L'étalement urbain et la dépendance automobile ont supplanté la ville compacte adaptée aux piétons. La pollution de l'air, le gaspillage du sol, le bruit, et des problèmes de santé pour les habitants en sont la conséquence. Les urbanistes doivent trouver, ensemble avec toute la société, des solutions à ces problèmes complexes. En même temps, il faut assurer la performance économique de la ville et de sa région. Actuellement, une quantité grandissante de données socio-économiques et environnementales est récoltée. Pour mieux comprendre les processus et phénomènes du système complexe "ville", ces données doivent être traitées et analysées. Des nombreuses méthodes pour modéliser et simuler un tel système existent et sont continuellement en développement. Elles peuvent être exploitées par le géographe urbain pour améliorer sa connaissance du métabolisme urbain. Des techniques modernes et innovatrices de visualisation aident dans la communication des résultats de tels modèles et simulations. Cette thèse décrit plusieurs méthodes permettant d'analyser, de modéliser, de simuler et de visualiser des phénomènes urbains. L'analyse de données socio-économiques à très haute dimension à l'aide de réseaux de neurones artificiels, notamment des cartes auto-organisatrices, est montré à travers deux exemples aux échelles différentes. Le problème de modélisation spatio-temporelle et de représentation des données est discuté et quelques ébauches de solutions esquissées. La simulation de la dynamique urbaine, et plus spécifiquement du trafic automobile engendré par les pendulaires est illustrée à l'aide d'une simulation multi-agents. Une section sur les méthodes de visualisation montre des cartes en anamorphoses permettant de transformer l'espace géographique en espace fonctionnel. Un autre type de carte, les cartes circulaires, est présenté. Ce type de carte est particulièrement utile pour les agglomérations urbaines. Quelques questions liées à l'importance de l'échelle dans l'analyse urbaine sont également discutées. Une nouvelle approche pour définir des clusters urbains à des échelles différentes est développée, et le lien avec la théorie de la percolation est établi. Des statistiques fractales, notamment la lacunarité, sont utilisées pour caractériser ces clusters urbains. L'évolution de la population est modélisée à l'aide d'un modèle proche du modèle gravitaire bien connu. Le travail couvre une large panoplie de méthodes utiles en géographie urbaine. Toutefois, il est toujours nécessaire de développer plus loin ces méthodes et en même temps, elles doivent trouver leur chemin dans la vie quotidienne des urbanistes et planificateurs.

Modelling of soil penetration resistance for an oxisol under no-tillage

Soil penetration resistance is an important property that affects root growth and elongation and water movement in the soil. Since no-till systems tend to increase organic matter in the soil, the purpose of this study was to evaluate the efficiency with which soil penetration resistance is estimated using a proposed model based on moisture content, density and organic matter content in an Oxisol containing 665, 221 and 114 g kg-1 of clay, silt and sand respectively under annual no-till cropping, located in Londrina, Paraná State, Brazil. Penetration resistance was evaluated at random locations continually from May 2008 to February 2011, using an impact penetrometer to obtain a total of 960 replications. For the measurements, soil was sampled at depths of 0 to 20 cm to determine gravimetric moisture (G), bulk density (D) and organic matter content (M). The penetration resistance curve (PR) was adjusted using two non-linear models (PR = a Db Gc and PR' = a Db Gc Md), where a, b, c and d are coefficients of the adjusted model. It was found that the model that included M was the most efficient for estimating PR, explaining 91 % of PR variability, compared to 82 % of the other model.

Modelling non-industrial private forest landowners' strategic decision making by using logistic regression and neural networks: case of predicting the choice of forest taxation basis

Summary

Dynamics of domain walls in pattern formation under traveling-wave forcing

We study dynamics of domain walls in pattern forming systems that are externally forced by a moving space-periodic modulation close to 2:1 spatial resonance. The motion of the forcing induces nongradient dynamics, while the wave number mismatch breaks explicitly the chiral symmetry of the domain walls. The combination of both effects yields an imperfect nonequilibrium Ising-Bloch bifurcation, where all kinks (including the Ising-like one) drift. Kink velocities and interactions are studied within the generic amplitude equation. For nonzero mismatch, a transition to traveling bound kink-antikink pairs and chaotic wave trains occurs.

Modelling growth and nitrogen balance of barley under ambient and future conditions

Selostus: Ohran kasvun ja typpidynamiikan mallintaminen nykyisissä ja tulevaisuuden olosuhteissa

Modelling tree population dynamics at the alpine and boreal tree-line ecotones in response to climate and land-use change

Summary Ecotones are sensitive to change because they contain high numbers of species living at the margin of their environmental tolerance. This is equally true of tree-lines, which are determined by attitudinal or latitudinal temperature gradients. In the current context of climate change, they are expected to undergo modifications in position, tree biomass and possibly species composition. Attitudinal and latitudinal tree-lines differ mainly in the steepness of the underlying temperature gradient: distances are larger at latitudinal tree-lines, which could have an impact on the ability of tree species to migrate in response to climate change. Aside from temperature, tree-lines are also affected on a more local level by pressure from human activities. These are also changing as a consequence of modifications in our societies and may interact with the effects of climate change. Forest dynamics models are often used for climate change simulations because of their mechanistic processes. The spatially-explicit model TreeMig was used as a base to develop a model specifically tuned for the northern European and Alpine tree-line ecotones. For the latter, a module for land-use change processes was also added. The temperature response parameters for the species in the model were first calibrated by means of tree-ring data from various species and sites at both tree-lines. This improved the growth response function in the model, but also lead to the conclusion that regeneration is probably more important than growth for controlling tree-line position and species' distributions. The second step was to implement the module for abandonment of agricultural land in the Alps, based on an existing spatial statistical model. The sensitivity of its most important variables was tested and the model's performance compared to other modelling approaches. The probability that agricultural land would be abandoned was strongly influenced by the distance from the nearest forest and the slope, bath of which are proxies for cultivation costs. When applied to a case study area, the resulting model, named TreeMig-LAb, gave the most realistic results. These were consistent with observed consequences of land-abandonment such as the expansion of the existing forest and closing up of gaps. This new model was then applied in two case study areas, one in the Swiss Alps and one in Finnish Lapland, under a variety of climate change scenarios. These were based on forecasts of temperature change over the next century by the IPCC and the HadCM3 climate model (ΔT: +1.3, +3.5 and +5.6 °C) and included a post-change stabilisation period of 300 years. The results showed radical disruptions at both tree-lines. With the most conservative climate change scenario, species' distributions simply shifted, but it took several centuries reach a new equilibrium. With the more extreme scenarios, some species disappeared from our study areas (e.g. Pinus cembra in the Alps) or dwindled to very low numbers, as they ran out of land into which they could migrate. The most striking result was the lag in the response of most species, independently from the climate change scenario or tree-line type considered. Finally, a statistical model of the effect of reindeer (Rangifer tarandus) browsing on the growth of Pinus sylvestris was developed, as a first step towards implementing human impacts at the boreal tree-line. The expected effect was an indirect one, as reindeer deplete the ground lichen cover, thought to protect the trees against adverse climate conditions. The model showed a small but significant effect of browsing, but as the link with the underlying climate variables was unclear and the model was not spatial, it was not usable as such. Developing the TreeMig-LAb model allowed to: a) establish a method for deriving species' parameters for the growth equation from tree-rings, b) highlight the importance of regeneration in determining tree-line position and species' distributions and c) improve the integration of social sciences into landscape modelling. Applying the model at the Alpine and northern European tree-lines under different climate change scenarios showed that with most forecasted levels of temperature increase, tree-lines would suffer major disruptions, with shifts in distributions and potential extinction of some tree-line species. However, these responses showed strong lags, so these effects would not become apparent before decades and could take centuries to stabilise. Résumé Les écotones son sensibles au changement en raison du nombre élevé d'espèces qui y vivent à la limite de leur tolérance environnementale. Ceci s'applique également aux limites des arbres définies par les gradients de température altitudinaux et latitudinaux. Dans le contexte actuel de changement climatique, on s'attend à ce qu'elles subissent des modifications de leur position, de la biomasse des arbres et éventuellement des essences qui les composent. Les limites altitudinales et latitudinales diffèrent essentiellement au niveau de la pente des gradients de température qui les sous-tendent les distance sont plus grandes pour les limites latitudinales, ce qui pourrait avoir un impact sur la capacité des espèces à migrer en réponse au changement climatique. En sus de la température, la limite des arbres est aussi influencée à un niveau plus local par les pressions dues aux activités humaines. Celles-ci sont aussi en mutation suite aux changements dans nos sociétés et peuvent interagir avec les effets du changement climatique. Les modèles de dynamique forestière sont souvent utilisés pour simuler les effets du changement climatique, car ils sont basés sur la modélisation de processus. Le modèle spatialement explicite TreeMig a été utilisé comme base pour développer un modèle spécialement adapté pour la limite des arbres en Europe du Nord et dans les Alpes. Pour cette dernière, un module servant à simuler des changements d'utilisation du sol a également été ajouté. Tout d'abord, les paramètres de la courbe de réponse à la température pour les espèces inclues dans le modèle ont été calibrées au moyen de données dendrochronologiques pour diverses espèces et divers sites des deux écotones. Ceci a permis d'améliorer la courbe de croissance du modèle, mais a également permis de conclure que la régénération est probablement plus déterminante que la croissance en ce qui concerne la position de la limite des arbres et la distribution des espèces. La seconde étape consistait à implémenter le module d'abandon du terrain agricole dans les Alpes, basé sur un modèle statistique spatial existant. La sensibilité des variables les plus importantes du modèle a été testée et la performance de ce dernier comparée à d'autres approches de modélisation. La probabilité qu'un terrain soit abandonné était fortement influencée par la distance à la forêt la plus proche et par la pente, qui sont tous deux des substituts pour les coûts liés à la mise en culture. Lors de l'application en situation réelle, le nouveau modèle, baptisé TreeMig-LAb, a donné les résultats les plus réalistes. Ceux-ci étaient comparables aux conséquences déjà observées de l'abandon de terrains agricoles, telles que l'expansion des forêts existantes et la fermeture des clairières. Ce nouveau modèle a ensuite été mis en application dans deux zones d'étude, l'une dans les Alpes suisses et l'autre en Laponie finlandaise, avec divers scénarios de changement climatique. Ces derniers étaient basés sur les prévisions de changement de température pour le siècle prochain établies par l'IPCC et le modèle climatique HadCM3 (ΔT: +1.3, +3.5 et +5.6 °C) et comprenaient une période de stabilisation post-changement climatique de 300 ans. Les résultats ont montré des perturbations majeures dans les deux types de limites de arbres. Avec le scénario de changement climatique le moins extrême, les distributions respectives des espèces ont subi un simple glissement, mais il a fallu plusieurs siècles pour qu'elles atteignent un nouvel équilibre. Avec les autres scénarios, certaines espèces ont disparu de la zone d'étude (p. ex. Pinus cembra dans les Alpes) ou ont vu leur population diminuer parce qu'il n'y avait plus assez de terrains disponibles dans lesquels elles puissent migrer. Le résultat le plus frappant a été le temps de latence dans la réponse de la plupart des espèces, indépendamment du scénario de changement climatique utilisé ou du type de limite des arbres. Finalement, un modèle statistique de l'effet de l'abroutissement par les rennes (Rangifer tarandus) sur la croissance de Pinus sylvestris a été développé, comme première étape en vue de l'implémentation des impacts humains sur la limite boréale des arbres. L'effet attendu était indirect, puisque les rennes réduisent la couverture de lichen sur le sol, dont on attend un effet protecteur contre les rigueurs climatiques. Le modèle a mis en évidence un effet modeste mais significatif, mais étant donné que le lien avec les variables climatiques sous jacentes était peu clair et que le modèle n'était pas appliqué dans l'espace, il n'était pas utilisable tel quel. Le développement du modèle TreeMig-LAb a permis : a) d'établir une méthode pour déduire les paramètres spécifiques de l'équation de croissance ä partir de données dendrochronologiques, b) de mettre en évidence l'importance de la régénération dans la position de la limite des arbres et la distribution des espèces et c) d'améliorer l'intégration des sciences sociales dans les modèles de paysage. L'application du modèle aux limites alpines et nord-européennes des arbres sous différents scénarios de changement climatique a montré qu'avec la plupart des niveaux d'augmentation de température prévus, la limite des arbres subirait des perturbations majeures, avec des glissements d'aires de répartition et l'extinction potentielle de certaines espèces. Cependant, ces réponses ont montré des temps de latence importants, si bien que ces effets ne seraient pas visibles avant des décennies et pourraient mettre plusieurs siècles à se stabiliser.

External fluctuations in a pattern-forming instability

The effect of external fluctuations on the formation of spatial patterns is analyzed by means of a stochastic Swift-Hohenberg model with multiplicative space-correlated noise. Numerical simulations in two dimensions show a shift of the bifurcation point controlled by the intensity of the multiplicative noise. This shift takes place in the ordering direction (i.e., produces patterns), but its magnitude decreases with that of the noise correlation length. Analytical arguments are presented to explain these facts.

Pattern and clinical significance of cancer-testis gene expression in head and neck squamous cell carcinoma

Les cancer-testis antigènes appartiennent à la famille des antigènes tumoraux spécifiques. Ils ont montré un pouvoir immunogène chez les patients porteurs de différents cancers. En effet, ils stimulent sélectivement les lymphocytes cytotoxiques, et leur expression spécifique dans les tissus tumoraux en fait une cible idéale pour une vaccination antitumorale. Le but de cette étude est d'identifier l'expression de certains de ces antigènes, d'analyser leur valeur pronostique et de déterminer la meilleure cible antigénique pour permettre une immunothérapie spécifique dans les carcinomes épidermoïdes des voies aérodigestives supérieures. Le profil et le taux d'expression de 12 cancer-testis antigènes (MAGE-A1, MAGE-A3, MAGE-A4, MAGEA10, MAGE-C2, NY-ESO-1, LAGE-1, SSX-2, SSX-4, BAGE, GAGE-1/2, GAGE-3/4) et de 3 autres antigènes tumoraux spécifiques (PRAME, HERV-K-MEL, NA-17A) ont été évalués par RT-PCR sur 57 échantillons de cancers ORL primaires. Les paramètres tumoraux et cliniques ont été prospectivement collectés afin de corréler ces données avec le résultat de nos investigations immunobiologiques. Quatre-vingt-huit pour cent des tumeurs expriment au moins 1 antigène. Une co-expression de 3 gènes ou plus est détectée chez 59% des patients. MAGE-A4 (60%), MAGE-A3 (51%), PRAME (49%) et HERV-K-MEL (42%) sont les gènes le plus fréquemment exprimés. Ils sont totalement absents des muqueuses saines avoisinantes. La présence de MAGE-A et NY-ESO-1 à la surface des cellules a été vérifiée par immunohistochimie. Nos analyses statistiques ont permis d'identifier une diminution de la survie liée au cancer chez les patients porteurs d'une tumeur exprimant de multiples cancer-testis antigènes et notamment MAGE-A4 dont l'expression indépendante d'autres éléments cliniques s'associe statistiquement à un taux de survie diminué. Nos résultats ont permis d'identifier un rôle pronostique de l'expression des gènes associés aux tumeurs dont l'expression est apparemment liée à un phénotype de malignité plus élevé. Cette constatation, corroborée par l'identification parallèle d'un infiltrat lymphocytaire spécifique confirme l'utilité potentielle de certains cancer-testis antigènes comme cible pour une immunothérapie ciblée dans les carcinomes des voies aérodigestives supérieures

Pattern formation during mesophase growth in a homologous series

Remarkable differences in the shape of the nematic-smectic-B interface in a quasi-two-dimensional geometry have been experimentally observed in three liquid crystals of very similar molecular structure, i.e., neighboring members of a homologous series. In the thermal equilibrium of the two mesophases a faceted rectanglelike shape was observed with considerably different shape anisotropies for the three homologs. Various morphologies such as dendritic, dendriticlike, and faceted shapes of the rapidly growing smectic-B germ were also observed for the three substances. Experimental results were compared with computer simulations based on the phase field model. The pattern forming behavior of a binary mixture of two homologs was also studied.

Noise-Driven Mechanism for Pattern Formation

We extend the mechanism for noise-induced phase transitions proposed by Ibañes et al. [Phys. Rev. Lett. 87, 020601 (2001)] to pattern formation phenomena. In contrast with known mechanisms for pure noise-induced pattern formation, this mechanism is not driven by a short-time instability amplified by collective effects. The phenomenon is analyzed by means of a modulated mean field approximation and numerical simulations.

Viscous fingering as a paradigm of interfacial pattern formation: Recent results and new challenges

We review recent results on dynamical aspects of viscous fingering. The Saffman¿Taylor instability is studied beyond linear stability analysis by means of a weakly nonlinear analysis and the exact determination of the subcritical branch. A series of contributions pursuing the idea of a dynamical solvability scenario associated to surface tension in analogy with the traditional selection theory is put in perspective and discussed in the light of the asymptotic theory of Tanveer and co-workers. The inherently dynamical singular effects of surface tension are clarified. The dynamical role of viscosity contrast is explored numerically. We find that the basin of attraction of the Saffman¿Taylor finger depends on viscosity contrast, and that the sensitivity to this parameter is maximal in the usual limit of high viscosity contrast. The competing attractors are identified as closed bubble solutions. We briefly report on recent results and work in progress concerning rotating Hele-Shaw flows, topological singularities and wetting effects, and also discuss future directions in the context of viscous fingering