Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

Semi-supervised remote sensing image classification with cluster kernels

A semisupervised support vector machine is presented for the classification of remote sensing images. The method exploits the wealth of unlabeled samples for regularizing the training kernel representation locally by means of cluster kernels. The method learns a suitable kernel directly from the image and thus avoids assuming a priori signal relations by using a predefined kernel structure. Good results are obtained in image classification examples when few labeled samples are available. The method scales almost linearly with the number of unlabeled samples and provides out-of-sample predictions.

Side scan sonar image and geologic interpretation of the Ria de Pontevedra seafloor (Galicia, NW Spain).

High-resolution side scan sonar has been used for mapping the seafloor of the Ría de Pontevedra. Four backscatter patterns have been mapped within the Ría: (1) Pattern with isolated reflections, correlated with granite and metamorphic outcrops and located close to the coastal prominence and Ons and Onza Islands. (2) Pattern of strong reflectivity usually located around the basement outcrops and near the coastline and produced by coarse-grained sediment. (3) Pattern of weak backscatter is correlated with fine sand to mud and comprising large areas in the central and deep part of the Ría, where the bottom currents are weak. It is generally featureless, except where pockmarks and anthropogenic features are present. (4) Patches of strong and weak backscatter are located in the boundary between coarse and fine-grained sediments and they are due to the effect of strong bottom currents. The presence of megaripples associated to both patterns of strong reflectivity and sedimentary patches indicate bedload transport of sediment during high energy conditions (storms). Side scan sonar records and supplementary bathymetry, bottom samples and hydrodynamic data reveal that the distribution of seafloor sediment is strongly related to oceanographic processes and the particular morphology and topography of the Ría.

Comment on the plasmon model for image-potential-induced surface states

Calculations of the binding energy of bound positron states in metal surfaces, with explicit inclusion of plasmon dispersion and single-particle effects, are presented. The binding energy is greatly reduced with respect to the undispersed case.

Exchange-correlation effects on quantum wires with spin-orbit interactions under the influence of in-plane magnetic fields.

Within the noncollinear local spin-density approximation, we have studied the ground state structure of a parabolically confined quantum wire submitted to an in-plane magnetic field, including both Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions. We have explored a wide range of linear electronic densities in the weak (strong) coupling regimes that appear when the ratio of spin-orbit to confining energy is small (large). These results are used to obtain the conductance of the wire. In the strong coupling limit, the interplay between the applied magnetic field¿irrespective of the in-plane direction, the exchange-correlation energy, and the spin-orbit energy-produces anomalous plateaus in the conductance vs linear density plots that are otherwise absent, or washes out plateaus that appear when the exchange-correlation energy is not taken into account.

Voir le monde comme une image : le schème de l'image mimétique dans la philosophie de Platon (Cratyle, Sophiste, Timée)

Résumé de la thèse Le travail de thèse «VOIR LE MONDE COMME UNE IMAGE. Le schème de l'image mimétique dans la philosophie de Platon (Cratyle, Sophiste, Timée) » d'Alexandre NEVSKY étudie la conception philosophique de l'image chez Platon. En posant la question : qu'est-ce que l'image pour Platon? l'étude se propose, dans un premier temps, d'analyser la manière précise dont l'idée de l'image fonctionne dans l'articulation logique de l'enquête platonicienne, en se basant avant tout sur trois dialogues majeurs où cette idée est explicitement thématisée par Platon lui-même, à savoir le Cratyle, le Sophiste et le Timée. Par une analyse détaillée de ces textes, Alexandre Nevsky essaie de démontrer que l'idée de l'image fonctionne comme un schème euristique dont la logique interne détermine les moments clés dans le déroulement de chaque dialogue examiné, et constitue ainsi une véritable méthode d'investigation philosophique pour Platon. En suivant cette stratégie platonicienne, l'auteur nous montre quel rôle le schème de l'image joue selon Platon d'abord dans la constitution du langage (le Cratyle), puis, dans celle du discours (le Sophiste) et, enfin, dans celle du monde (le Timée). Une telle approche lui permet de revoir l'interprétation traditionnelle de certains passages clés, célèbres pour leurs difficultés, en mettant en évidence la façon dont la nouvelle perspective platonicienne, introduite grâce au schème de l'image, permet de formuler une solution philosophique originale du problème initial. On y trouve ainsi rediscutés, pour ne citer que quelques exemples, la théorie curieuse de l'imitation phonétique et le problème de la justesse propre du nom-image, la définition philosophique de la notion d'image et la distinction platonicienne entre limage-ressemblance et l'image-apparence, la logique paradoxale de l'introduction d'un troisième genre dans la structure ontologique de l'être et la question du sens exact à donner au «discours vraisemblable » de Platon sur la naissance de l'univers. Dans un deuxième temps, cette étude tente de dégager, derrière la méthode heuristique basée sur le schème de l'image, une véritable conception de l'image mimétique chez Platon. L'une des idées principales de la thèse est ici de montrer que cette conception présente une solution philosophique de Platon au problème de l'apparence archaïque. Car, face à la question sophistique : comment une chose - que ce soit le discours ou le monde - peut-elle être une apparence, quelque chose qui n'existe pas? Platon apporte une réponse tout à fait originale elle le peut en tant qu'image. Or, l'image n'est pas une simple apparence illusoire, elle est le reflet d'une autre réalité, indépendante et véritable, que l'on doit supposer, selon Platon, même quand sa nature exacte nous échappe encore. La conception platonicienne de l'image apparaît ainsi comme un pendant indispensable de la théorie des Formes intelligibles et aussi comme son étape préalable au niveau de laquelle l'âme du philosophe, dans son ascension vers la vérité, se retrouve dans un espace intermédiaire, déjà au-delà des illusions du monde phénoménal, mais encore en-deçà des engagements métaphysiques de la théorie des Formes.

Cinema Roads to the Platonic Image of the Cave

The aim of this article is to prove the real possibility of travelling intellectually to the Platonic image of the cave from different films. In this sense, one can speak of explicit references as in The Conformist by B. Bertolucci or in Shadowlands by R. Attenborough -if one bears in mind the Chronicles of Narnia by C. S. Lewis- or The Picture of Dorian Gray ¿if one bears in mind the well-known O. Wilde¿s novel-, but, on other occasions, although the Platonic influence cannot be proved, for instance in The Truman Show, A Room with a View or Brideshead Revisited, one can perfectly think of these films in order to guide the contemporary audiences to that Platonic image, since Plato himself affirms that it deals with an image which can be easily applied and, in first place, to his idealistic philosophy.

Improving Satellite Image Based Forest Inventory by Using A Priori Site Quality Information

Summary

A fast 3D approach for coronary MRA.

Two-dimensional (2D)-breath-hold coronary magnetic resonance angiography (MRA) has been shown to be a fast and reliable method to depict the proximal coronary arteries. Recent developments, however, allow for free-breathing navigator gated and navigator corrected three-dimensional (3D) coronary MRA. These 3D approaches have potential for improved signal-to-noise ratio (SNR) and allow for the acquisition of adjacent thin slices without the misregistration problems known from 2D approaches. Still, a major impediment of a 3D acquisition is the increased scan time. The purpose of this study was the implementation of a free-breathing navigator gated and corrected ultra-fast 3D coronary MRA technique, which allows for scan times of less than 5 minutes. Twelve healthy adult subjects were examined in the supine position using a navigator gated and corrected ECG triggered ultra-fast 3D interleaved gradient echo planar imaging sequence (TFE-EPI). A 3D slab, consisting of 20 slices with a reconstructed slice thickness of 1.5 mm, was acquired with free-breathing. The diastolic TFE-EPI acquisition block was preceded by a T2prep pre-pulse, a diaphragmatic navigator pulse, and a fat suppression pre-pulse. With a TR of 19 ms and an effective TE of 5.4 ms, the duration of the data acquisition window duration was 38 ms. The in-plane spatial resolution was 1.0-1.3 mm*1.5-1.9 mm. In all cases, the entire left main (LM) and extensive portions of the left anterior descending (LAD) and right coronary artery (RCA) could be visualized with an average scan time for the entire 3D-volume data set of 2:57 +/- 0:51 minutes. Average contiguous vessel length visualized was 53 +/- 11 mm (range: 42 to 75 mm) for the LAD and 84 +/- 14 mm (range: 62 to 112 mm) for the RCA. Contrast-to-noise between coronary blood and myocardium was 5.0 +/- 2.3 for the LM/LAD and 8.0 +/- 2.9 for the RCA, resulting in an excellent suppression of myocardium. We present a new approach for free-breathing 3D coronary MRA, which allows for scan times superior to corresponding 2D coronary MRA approaches, and which takes advantage of the enhanced SNR of 3D acquisitions and the post-processing benefits of thin adjacent slices. The robust image quality and the short average scanning time suggest that this approach may be useful for screening the major coronary arteries or identification of anomalous coronary arteries. J. Magn. Reson. Imaging 1999;10:821-825.