Detección de patrones y anomalías espectrales del terreno mediante espectrometría de imagen de alta resolución : reconocimiento, optimización y evaluación multiescenario

El objeto de esta Tesis doctoral es el desarrollo de una metodologia para la deteccion automatica de anomalias a partir de datos hiperespectrales o espectrometria de imagen, y su cartografiado bajo diferentes condiciones tipologicas de superficie y terreno. La tecnologia hiperespectral o espectrometria de imagen ofrece la posibilidad potencial de caracterizar con precision el estado de los materiales que conforman las diversas superficies en base a su respuesta espectral. Este estado suele ser variable, mientras que las observaciones se producen en un numero limitado y para determinadas condiciones de iluminacion. Al aumentar el numero de bandas espectrales aumenta tambien el numero de muestras necesarias para definir espectralmente las clases en lo que se conoce como Maldicion de la Dimensionalidad o Efecto Hughes (Bellman, 1957), muestras habitualmente no disponibles y costosas de obtener, no hay mas que pensar en lo que ello implica en la Exploracion Planetaria. Bajo la definicion de anomalia en su sentido espectral como la respuesta significativamente diferente de un pixel de imagen respecto de su entorno, el objeto central abordado en la Tesis estriba primero en como reducir la dimensionalidad de la informacion en los datos hiperespectrales, discriminando la mas significativa para la deteccion de respuestas anomalas, y segundo, en establecer la relacion entre anomalias espectrales detectadas y lo que hemos denominado anomalias informacionales, es decir, anomalias que aportan algun tipo de informacion real de las superficies o materiales que las producen. En la deteccion de respuestas anomalas se asume un no conocimiento previo de los objetivos, de tal manera que los pixeles se separan automaticamente en funcion de su informacion espectral significativamente diferenciada respecto de un fondo que se estima, bien de manera global para toda la escena, bien localmente por segmentacion de la imagen. La metodologia desarrollada se ha centrado en la implicacion de la definicion estadistica del fondo espectral, proponiendo un nuevo enfoque que permite discriminar anomalias respecto fondos segmentados en diferentes grupos de longitudes de onda del espectro, explotando la potencialidad de separacion entre el espectro electromagnetico reflectivo y emisivo. Se ha estudiado la eficiencia de los principales algoritmos de deteccion de anomalias, contrastando los resultados del algoritmo RX (Reed and Xiaoli, 1990) adoptado como estandar por la comunidad cientifica, con el metodo UTD (Uniform Targets Detector), su variante RXD-UTD, metodos basados en subespacios SSRX (Subspace RX) y metodo basados en proyecciones de subespacios de imagen, como OSPRX (Orthogonal Subspace Projection RX) y PP (Projection Pursuit). Se ha desarrollado un nuevo metodo, evaluado y contrastado por los anteriores, que supone una variacion de PP y describe el fondo espectral mediante el analisis discriminante de bandas del espectro electromagnetico, separando las anomalias con el algortimo denominado Detector de Anomalias de Fondo Termico o DAFT aplicable a sensores que registran datos en el espectro emisivo. Se han evaluado los diferentes metodos de deteccion de anomalias en rangos del espectro electromagnetico del visible e infrarrojo cercano (Visible and Near Infrared-VNIR), infrarrojo de onda corta (Short Wavelenght Infrared-SWIR), infrarrojo medio (Meadle Infrared-MIR) e infrarrojo termico (Thermal Infrared-TIR). La respuesta de las superficies en las distintas longitudes de onda del espectro electromagnetico junto con su entorno, influyen en el tipo y frecuencia de las anomalias espectrales que puedan provocar. Es por ello que se han utilizado en la investigacion cubos de datos hiperepectrales procedentes de los sensores aeroportados cuya estrategia y diseno en la construccion espectrometrica de la imagen difiere. Se han evaluado conjuntos de datos de test de los sensores AHS (Airborne Hyperspectral System), HyMAP Imaging Spectrometer, CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager), AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer), HYDICE (Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment) y MASTER (MODIS/ASTER Simulator). Se han disenado experimentos sobre ambitos naturales, urbanos y semiurbanos de diferente complejidad. Se ha evaluado el comportamiento de los diferentes detectores de anomalias a traves de 23 tests correspondientes a 15 areas de estudio agrupados en 6 espacios o escenarios: Urbano - E1, Semiurbano/Industrial/Periferia Urbana - E2, Forestal - E3, Agricola - E4, Geologico/Volcanico - E5 y Otros Espacios Agua, Nubes y Sombras - E6. El tipo de sensores evaluados se caracteriza por registrar imagenes en un amplio rango de bandas, estrechas y contiguas, del espectro electromagnetico. La Tesis se ha centrado en el desarrollo de tecnicas que permiten separar y extraer automaticamente pixeles o grupos de pixeles cuya firma espectral difiere de manera discriminante de las que tiene alrededor, adoptando para ello como espacio muestral parte o el conjunto de las bandas espectrales en las que ha registrado radiancia el sensor hiperespectral. Un factor a tener en cuenta en la investigacion ha sido el propio instrumento de medida, es decir, la caracterizacion de los distintos subsistemas, sensores imagen y auxiliares, que intervienen en el proceso. Para poder emplear cuantitativamente los datos medidos ha sido necesario definir las relaciones espaciales y espectrales del sensor con la superficie observada y las potenciales anomalias y patrones objetivos de deteccion. Se ha analizado la repercusion que en la deteccion de anomalias tiene el tipo de sensor, tanto en su configuracion espectral como en las estrategias de diseno a la hora de registrar la radiacion prodecente de las superficies, siendo los dos tipos principales de sensores estudiados los barredores o escaneres de espejo giratorio (whiskbroom) y los barredores o escaneres de empuje (pushbroom). Se han definido distintos escenarios en la investigacion, lo que ha permitido abarcar una amplia variabilidad de entornos geomorfologicos y de tipos de coberturas, en ambientes mediterraneos, de latitudes medias y tropicales. En resumen, esta Tesis presenta una tecnica de deteccion de anomalias para datos hiperespectrales denominada DAFT en su variante de PP, basada en una reduccion de la dimensionalidad proyectando el fondo en un rango de longitudes de onda del espectro termico distinto de la proyeccion de las anomalias u objetivos sin firma espectral conocida. La metodologia propuesta ha sido probada con imagenes hiperespectrales reales de diferentes sensores y en diferentes escenarios o espacios, por lo tanto de diferente fondo espectral tambien, donde los resultados muestran los beneficios de la aproximacion en la deteccion de una gran variedad de objetos cuyas firmas espectrales tienen suficiente desviacion respecto del fondo. La tecnica resulta ser automatica en el sentido de que no hay necesidad de ajuste de parametros, dando resultados significativos en todos los casos. Incluso los objetos de tamano subpixel, que no pueden distinguirse a simple vista por el ojo humano en la imagen original, pueden ser detectados como anomalias. Ademas, se realiza una comparacion entre el enfoque propuesto, la popular tecnica RX y otros detectores tanto en su modalidad global como local. El metodo propuesto supera a los demas en determinados escenarios, demostrando su capacidad para reducir la proporcion de falsas alarmas. Los resultados del algoritmo automatico DAFT desarrollado, han demostrado la mejora en la definicion cualitativa de las anomalias espectrales que identifican a entidades diferentes en o bajo superficie, reemplazando para ello el modelo clasico de distribucion normal con un metodo robusto que contempla distintas alternativas desde el momento mismo de la adquisicion del dato hiperespectral. Para su consecucion ha sido necesario analizar la relacion entre parametros biofisicos, como la reflectancia y la emisividad de los materiales, y la distribucion espacial de entidades detectadas respecto de su entorno. Por ultimo, el algoritmo DAFT ha sido elegido como el mas adecuado para sensores que adquieren datos en el TIR, ya que presenta el mejor acuerdo con los datos de referencia, demostrando una gran eficacia computacional que facilita su implementacion en un sistema de cartografia que proyecte de forma automatica en un marco geografico de referencia las anomalias detectadas, lo que confirma un significativo avance hacia un sistema en lo que se denomina cartografia en tiempo real. The aim of this Thesis is to develop a specific methodology in order to be applied in automatic detection anomalies processes using hyperspectral data also called hyperspectral scenes, and to improve the classification processes. Several scenarios, areas and their relationship with surfaces and objects have been tested. The spectral characteristics of reflectance parameter and emissivity in the pattern recognition of urban materials in several hyperspectral scenes have also been tested. Spectral ranges of the visible-near infrared (VNIR), shortwave infrared (SWIR) and thermal infrared (TIR) from hyperspectral data cubes of AHS (Airborne Hyperspectral System), HyMAP Imaging Spectrometer, CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager), AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer), HYDICE (Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment) and MASTER (MODIS/ASTER Simulator) have been used in this research. It is assumed that there is not prior knowledge of the targets in anomaly detection. Thus, the pixels are automatically separated according to their spectral information, significantly differentiated with respect to a background, either globally for the full scene, or locally by the image segmentation. Several experiments on different scenarios have been designed, analyzing the behavior of the standard RX anomaly detector and different methods based on subspace, image projection and segmentation-based anomaly detection methods. Results and their consequences in unsupervised classification processes are discussed. Detection of spectral anomalies aims at extracting automatically pixels that show significant responses in relation of their surroundings. This Thesis deals with the unsupervised technique of target detection, also called anomaly detection. Since this technique assumes no prior knowledge about the target or the statistical characteristics of the data, the only available option is to look for objects that are differentiated from the background. Several methods have been developed in the last decades, allowing a better understanding of the relationships between the image dimensionality and the optimization of search procedures as well as the subpixel differentiation of the spectral mixture and its implications in anomalous responses. In other sense, image spectrometry has proven to be efficient in the characterization of materials, based on statistical methods using a specific reflection and absorption bands. Spectral configurations in the VNIR, SWIR and TIR have been successfully used for mapping materials in different urban scenarios. There has been an increasing interest in the use of high resolution data (both spatial and spectral) to detect small objects and to discriminate surfaces in areas with urban complexity. This has come to be known as target detection which can be either supervised or unsupervised. In supervised target detection, algorithms lean on prior knowledge, such as the spectral signature. The detection process for matching signatures is not straightforward due to the complications of converting data airborne sensor with material spectra in the ground. This could be further complicated by the large number of possible objects of interest, as well as uncertainty as to the reflectance or emissivity of these objects and surfaces. An important objective in this research is to establish relationships that allow linking spectral anomalies with what can be called informational anomalies and, therefore, identify information related to anomalous responses in some places rather than simply spotting differences from the background. The development in recent years of new hyperspectral sensors and techniques, widen the possibilities for applications in remote sensing of the Earth. Remote sensing systems measure and record electromagnetic disturbances that the surveyed objects induce in their surroundings, by means of different sensors mounted on airborne or space platforms. Map updating is important for management and decisions making people, because of the fast changes that usually happen in natural, urban and semi urban areas. It is necessary to optimize the methodology for obtaining the best from remote sensing techniques from hyperspectral data. The first problem with hyperspectral data is to reduce the dimensionality, keeping the maximum amount of information. Hyperspectral sensors augment considerably the amount of information, this allows us to obtain a better precision on the separation of material but at the same time it is necessary to calculate a bigger number of parameters, and the precision lowers with the increase in the number of bands. This is known as the Hughes effects (Bellman, 1957) . Hyperspectral imagery allows us to discriminate between a huge number of different materials however some land and urban covers are made up with similar material and respond similarly which produces confusion in the classification. The training and the algorithm used for mapping are also important for the final result and some properties of thermal spectrum for detecting land cover will be studied. In summary, this Thesis presents a new technique for anomaly detection in hyperspectral data called DAFT, as a PP's variant, based on dimensionality reduction by projecting anomalies or targets with unknown spectral signature to the background, in a range thermal spectrum wavelengths. The proposed methodology has been tested with hyperspectral images from different imaging spectrometers corresponding to several places or scenarios, therefore with different spectral background. The results show the benefits of the approach to the detection of a variety of targets whose spectral signatures have sufficient deviation in relation to the background. DAFT is an automated technique in the sense that there is not necessary to adjust parameters, providing significant results in all cases. Subpixel anomalies which cannot be distinguished by the human eye, on the original image, however can be detected as outliers due to the projection of the VNIR end members with a very strong thermal contrast. Furthermore, a comparison between the proposed approach and the well-known RX detector is performed at both modes, global and local. The proposed method outperforms the existents in particular scenarios, demonstrating its performance to reduce the probability of false alarms. The results of the automatic algorithm DAFT have demonstrated improvement in the qualitative definition of the spectral anomalies by replacing the classical model by the normal distribution with a robust method. For their achievement has been necessary to analyze the relationship between biophysical parameters such as reflectance and emissivity, and the spatial distribution of detected entities with respect to their environment, as for example some buried or semi-buried materials, or building covers of asbestos, cellular polycarbonate-PVC or metal composites. Finally, the DAFT method has been chosen as the most suitable for anomaly detection using imaging spectrometers that acquire them in the thermal infrared spectrum, since it presents the best results in comparison with the reference data, demonstrating great computational efficiency that facilitates its implementation in a mapping system towards, what is called, Real-Time Mapping.

Intentions: a confident-based interaction design for smart spaces

The paradigm of ubiquitous computing has become a reference for the design of Smart Spaces. Current trends in Ambient Intelligence are increasingly related to the scope of Internet of Things. This paradigm has the potential to support cost-effective solutions in the fields of telecare, e-health and Ambient Assisted Living. Nevertheless, ubiquitous computing does not provide end users with a role for proactive interactions with the environment. Thus, the deployment of smart health care services at a private space like the home is still unsolved. This PhD dissertation aims to define a person-environment interaction model to foster acceptability and users confidence in private spaces by applying the concept of user-centred security and the human performance model of seven stages of action.

On some sampling-related frames in U-invariant spaces

This paper concerns the characterization as frames of some sequences in U-invariant spaces of a separable Hilbert space H where U denotes an unitary operator defined on H ; besides, the dual frames having the same form are also found. This general setting includes, in particular, shift-invariant or modulation-invariant subspaces in L2 (R), where these frames are intimately related to the generalized sampling problem. We also deal with some related perturbation problems. In so doing, we need that the unitary operator U belongs to a continuous group of unitary operators.

NFC based remote control of services for interactive spaces

Ubiquitous computing (one person, many computers) is the third era in the history of computing. It follows the mainframe era (many people, one computer) and the PC era (one person, one computer). Ubiquitous computing empowers people to communicate with services by interacting with their surroundings. Most of these so called smart environments contain sensors sensing users’ actions and try to predict the users’ intentions and necessities based on sensor data. The main drawback of this approach is that the system might perform unexpected or unwanted actions, making the user feel out of control. In this master thesis we propose a different procedure based on Interactive Spaces: instead of predicting users’ intentions based on sensor data, the system reacts to users’ explicit predefined actions. To that end, we present REACHeS, a server platform which enables communication among services, resources and users located in the same environment. With REACHeS, a user controls services and resources by interacting with everyday life objects and using a mobile phone as a mediator between himself/herself, the system and the environment. REACHeS’ interfaces with a user are built upon NFC (Near Field Communication) technology. NFC tags are attached to objects in the environment. A tag stores commands that are sent to services when a user touches the tag with his/her NFC enabled device. The prototypes and usability tests presented in this thesis show the great potential of NFC to build such user interfaces.

Einstein-like geometric structures on surfaces

An AH (affine hypersurface) structure is a pair comprising a projective equivalence class of torsion-free connections and a conformal structure satisfying a compatibility condition which is automatic in two dimensions. They generalize Weyl structures, and a pair of AH structures is induced on a co-oriented non-degenerate immersed hypersurface in flat affine space. The author has defined for AH structures Einstein equations, which specialize on the one hand to the usual Einstein Weyl equations and, on the other hand, to the equations for affine hyperspheres. Here these equations are solved for Riemannian signature AH structures on compact orientable surfaces, the deformation spaces of solutions are described, and some aspects of the geometry of these structures are related. Every such structure is either Einstein Weyl (in the sense defined for surfaces by Calderbank) or is determined by a pair comprising a conformal structure and a cubic holomorphic differential, and so by a convex flat real projective structure. In the latter case it can be identified with a solution of the Abelian vortex equations on an appropriate power of the canonical bundle. On the cone over a surface of genus at least two carrying an Einstein AH structure there are Monge-Amp`ere metrics of Lorentzian and Riemannian signature and a Riemannian Einstein K"ahler affine metric. A mean curvature zero spacelike immersed Lagrangian submanifold of a para-K"ahler four-manifold with constant para-holomorphic sectional curvature inherits an Einstein AH structure, and this is used to deduce some restrictions on such immersions.

Urban voids, spaces of great expectations

Study and progress of urban voids. opportunities for new urban design.

A Compact Formula for the Derivative of a 3-D Rotation in Exponential Coordinates

We present a compact formula for the derivative of a 3-D rotation matrix with respect to its exponential coordinates. A geometric interpretation of the resulting expression is provided, as well as its agreement with other less-compact but better-known formulas. To the best of our knowledge, this simpler formula does not appear anywhere in the literature. We hope by providing this more compact expression to alleviate the common pressure to reluctantly resort to alternative representations in various computational applications simply as a means to avoid the complexity of differential analysis in exponential coordinates.

Identification of pore spaces in 3D CT soil images using a PFCM partitional clustering

Recent advances in non-destructive imaging techniques, such as X-ray computed tomography (CT), make it possible to analyse pore space features from the direct visualisation from soil structures. A quantitative characterisation of the three-dimensional solid-pore architecture is important to understand soil mechanics, as they relate to the control of biological, chemical, and physical processes across scales. This analysis technique therefore offers an opportunity to better interpret soil strata, as new and relevant information can be obtained. In this work, we propose an approach to automatically identify the pore structure of a set of 200-2D images that represent slices of an original 3D CT image of a soil sample, which can be accomplished through non-linear enhancement of the pixel grey levels and an image segmentation based on a PFCM (Possibilistic Fuzzy C-Means) algorithm. Once the solids and pore spaces have been identified, the set of 200-2D images is then used to reconstruct an approximation of the soil sample by projecting only the pore spaces. This reconstruction shows the structure of the soil and its pores, which become more bounded, less bounded, or unbounded with changes in depth. If the soil sample image quality is sufficiently favourable in terms of contrast, noise and sharpness, the pore identification is less complicated, and the PFCM clustering algorithm can be used without additional processing; otherwise, images require pre-processing before using this algorithm. Promising results were obtained with four soil samples, the first of which was used to show the algorithm validity and the additional three were used to demonstrate the robustness of our proposal. The methodology we present here can better detect the solid soil and pore spaces on CT images, enabling the generation of better 2D?3D representations of pore structures from segmented 2D images.

Challenges for future of Natural Spaces of Canary Islands, Spain

The preservation of biodiversity is a fundamental objective of a ll policies related to a more sustainable development in any modern society. The rain forest and pine forests are two unique Canarian ecosystems with high importance to global biodiversity, holding a large number of endemic species and subspecies that is a priority to preserve. In this work the challenges that will face the natural areas of the Canary Islands are studied, as well as their fundamental value for economic and environmental development of the islands.

Compact duplexing for a 680-GHz radar using a waveguide orthomode transducer

A compact 680-GHz waveguide orthomode transducer (OMT) and circular horn combination has been designed, tested, and characterized in a radar transceiver's duplexer. The duplexing capability is implemented by a hybrid waveguide quasi optical solution, combining a linear polarization OMT and an external grating polarizer. Isolation between the OMT's orthogonal ports' flanges was measured with a vector network analyzer to exceed 33 dB over a >10% bandwidth between 630 and 710 GHz. Calibrated Y-factor measurements using a mixer attached to the OMT ports reveal losses through the transmit and receive paths that sum to an average of 4.7 dB of two-way loss over 660-690 GHz. This is consistent with radar sensitivity measurements comparing the new OMT/horn with a quasi-optical wire grid beam splitter. Moreover, the radar performance assessment validates the OMT as a suitable compact substitute of the wire grid for the JPL's short-range 680-GHz imaging radar.

Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

Emergencia y convergencia de las corrientes urbanísticas alternativas al desarrollo disperso. Europa y los EE.UU. 1980/2010

La presente tesis doctoral identifica el reciente fenómeno de la emergenciai de corrientes urbanísticas que actúan en la periferia urbana a partir de una concepción del diseño urbano que propugna modelos más compactos, a escala humana, de carácter integral y sostenible, como alternativa al desarrollo disperso y difusoii que caracteriza en gran medida a la ciudad contemporánea. Se develan las diferencias de origen y las coincidencias entre las distintas líneas de pensamiento que definen a estas emergentes corrientes alternativas, situándolas dentro de determinados enfoques planteados en la presente tesis, y demostrando con ello, las progresivas áreas de convergencia que permiten su ordenamiento como fenómeno histórico común. Estas distintas líneas de pensamiento, que derivan en las corrientes urbanísticas alternativas, se manifiestan primeramente como reacción a las operaciones modernistas de la posguerra, pero crecientemente expresan una visión contestataria a la expansión urbana descontrolada iii, de bajas densidades, zonificación excluyente y dependiente del automóvil; modelo asociado a las autopistas urbanas, los llamados nuevos artefactos urbanos y las grandes parcelas destinadas a proyectos habitacionales. Una realidad expresada en variados contextos en el ámbito de la globalización económica y cultural que, en gran medida, se singulariza como responsable de las profundas transformaciones urbanas, de la consecuente gradual pérdida de habitabilidad en las ciudades y del impacto sobre el medio natural; cuestión a tratar en el “Marco conceptual” referido al contexto y problema de la tesis. Se estudian los planteamientos fundamentales que postulan estas corrientes alternativas en el contexto de la expansión urbana horizontal, con el fin de identificar las distintas vertientes o líneas existentes, de establecer sus orígenes, enfoques, vínculos y alcances, permitiendo con ello caracterizar el fenómeno en sí desde una visión original e integradora. Estas corrientes a tratar han surgido en diversos momentos y con diversas particularidades, pero con mayor intensidad, articulación y visibilidad a partir de los años ochenta y especialmente en los noventa del siglo recién pasado, fundamentalmente en Europa y en los Estados Unidos de América, representando el “Cuerpo teórico” de esta tesis. Emergen en un escenario de creciente empoderamiento ciudadano, en tiempos de una mayor conciencia ambiental y social, y desde la convicción extendida de las limitaciones de un desarrollismo que, en términos del territorio físico, se manifiesta en el crecimiento urbano por extensión, incremental y desarticulado; tienen distintos idearios de origen, algunos en aparente contradicción o manifiesta oposición entre sí; se articulan desde diversos énfasis y surgen a partir de distintas aproximaciones. Para poder comprender el fenómeno de manera integral, se identifican y observan las tendencias contemporáneas y las correspondientes corrientes principales del diseño urbano; se indaga en sus discursos críticos y se ordenan en función de tres enfoques, los cuales reúnen los fundamentos esenciales de las distintas miradas críticas al modelo disperso y difuso: el enfoque neotradicional, el enfoque de la movilidad, y el enfoque ecológicoiv. Reconociendo la importancia de las operaciones de renovación urbana en la “ciudad intramuros” y siendo partícipes de estas intervenciones, las diferentes corrientes observadas desde los tres enfoques planteados, tienen un común denominador disciplinar en cuanto a su preocupación por generar actuaciones urbanas viables y practicables que causen un menor impacto sobre el territorio y que ofrezcan las condiciones para mejorar la habitabilidad en la ciudad, asumiendo el crecimiento hacia las periferias desde una aproximación alternativa a los modelos hoy predominantes. Las distintas corrientes, desde los particulares enfoques señalados, pretenden en síntesis, un desarrollo que refuerce el rol del diseño urbano, que promueva modelos más compactosv, de usos mixtos compatibles con la residencia y con espacios públicos de calidad, a una escala apropiada para la movilidad peatonal, favoreciendo de esta manera el uso del transporte público y velando consecuentemente por aquellos aspectos que mejoren las condiciones de sostenibilidad. En definitiva, el ideario de las corrientes caracterizadas en esta tesis como alternativas, se origina y se sostiene a partir de la convicción de situar a la disciplina del diseño urbano en su justa medida en el desarrollo contemporáneo, en el convencimiento de la relevancia del proyecto urbano en el ordenamiento del territorio y el crecimiento de las ciudades actuales. Una convergencia implícita a tratarse en la “Discusión de resultados”. La preocupación que reflejan las distintas corrientes estudiadas por el hábitat construido, en cuanto a su condición de acoger y estimular la dimensión humana de las ciudades, puede resumirse en una cita del arquitecto danés Jan Gehl, que interpreta a muchas de las líneas de pensamiento que se abordan en esta tesis, en cuanto al deseo de crear mejores ciudades: “Aspiramos generar ciudades animadas, saludables, atractivas, sostenibles y seguras, con el propósito de mejorar la calidad de vida de la gente”. ABSTRACT This Ph.D thesis identifies the recent phenomenon of the emergence of alternative urban design currents in the city edge, that focus on a more compact, human-scale oriented, comprehensive and sustainable urban design as an alternative to the overwhelming advance of sprawl that largely characterizes the contemporary city. It singles out the differences in origin, as well as the similarities drawn from the different lines of thought that define these emergent alternative currents, placing them within certain approaches proposed in this thesis, and thereby demonstrating the progressive areas of convergence that allow to arrange them as a common historical phenomenon. Indeed, the different lines of thought that drift towards these alternative urbanistic currents, first appear as a reaction to the post- World War II Modernist housing projects, and increasingly more so as a response to urban sprawl; an ever expanding phenomemnon expressed in different contexts within the economic and cultural globalization, largely singled out as being responsible for the deep urban transformations, the consequent gradual loss of livability and the impact on natural environment, setting the “Conceptual framework” of this thesis. Within the context of urban sprawl, the fundamental principles of these alternative currents are studied to establish their origins, approaches, linkages and scope, in order to zero in on the various aspects or existing lines and thereby allowing the identification of the phenomenon from an original and inclusive vision. The alternative currents to be dealt with, emerged at different times and with diverse characteristics, nonetheless it is in the eighties and especially during the nineties, mainly in Europe and the United States, where they appear with greater intensity, coordination and visibility, representing the “Theoretical body” of this thesis. The above mentioned currents arise in a scenario of increasing citizen empowerment in times of growing environmental and social awareness, along with the widespread conviction of the limitations of a quantitative development expressed as a physical manifestation in urban sprawl. These alternative currents have a different philosophy in origin, some are in apparent contradiction or in definite opposition, being organized from different approaches and emphases. To comprehend this phenomenon, it is necessary to identify and analize the contemporary trends and the main currents of urban design, inquiring and arranging their critical discourses according to three approaches that meet the essential foundations of the various critical perspectives of urban sprawl: the neo-traditional approach, the mobility approach, the ecological approach. Acknowledging the importance of urban renovation in the “Inner City”, and being partakers of these interventions, the different currents identified from these three approaches, concur in their concern for the development of viable and workable alternatives to urban sprawl; models that cause a lower impact on the territory, whilst improving livability in the city. The different currents recognized within the above mentioned approaches, advocate in brief, for a development that strengthens the role of urban design, that encourages more compact models, mixed-uses, and quality public spaces, considering the human scale and walkability; thereby increasing public transport and promoting consequently, the conditions for sustainable development. Ultimately, the philosophy of the so called alternative currents, is based on the belief of placing urban design as a fundamental discipline in contemporary urban development. The concern for the built habitat reflected by the various currents studied, as of their condition to accept and stimulate the human dimension of the city, can be summed up in a quote from Danish architect Jan Gehl, who represents many of the lines of thought addressed, in the belief of creating better cities: “We aspire to create cities that are lively, healthy, attractive, sustainable and safe-and thereby improve people’s quality of life”.

Nagele: un nuevo asentamiento en un paisaje artificial

Nagele es un asentamiento urbano situado en el Noordoostpolder, territorio neerlandés ganado al mar. Fue diseñado por arquitectos de los grupos De 8 en Opbouw entre los que destacaron Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. El proyecto se desarrolló entre 1947 y 1956, un periodo de tiempo con formas de proyectar muy ricas en interpretaciones. Los arquitectos pusieron en crisis los planteamientos historicistas de las nuevas poblaciones de los pólderes. Propusieron un nuevo prototipo, una morfología compacta y concéntrica que transmitiría igualdad a una comunidad agrícola, entendida como una sociedad urbana del siglo XX. La administración apoyó la propuesta que convertiría el proyecto en un arriesgado reto por su falta de antecedentes. La vigencia de las formulaciones permanece hoy en día en la ciudad construida, aunque con alteraciones. En los dibujos del proceso se encuentran los principales enunciados teóricos que este trabajo pretende descubrir. El trabajo aborda aspectos no suficientemente explorados, como su relación con el pólder, la evolución de las estrategias proyectivas, la ordenación paisajista y los elementos urbanos. El Noordoostpolder es la culminación de una serie de experiencias multidisciplinares en el reclamo de tierras a gran escala. Se estudia su estructura urbana policéntrica, la parcelación agrícola que origina el proyecto urbano y la vinculación de la vegetación con la infraestructura, proporcionando orientación, protección climática y escala humana, conceptos que impregnan las estrategias del proyecto urbano. La primera fase de la ordenación configuró áreas monofuncionales que respondían a cada una de las cuatro necesidades básicas del método científico de la ciudad higienista. El acontecimiento que marcó el final de la primera fase fue su presentación en el séptimo CIAM de 1949, cuyo título fue Aplicación de la Carta de Atenas. El programa residencial se dividió en clusters organizados en torno a una pradera vecinal central, vinculándose el orden vecinal, urbano y territorial. La segunda fase fue un catalizador de nuevos planteamientos. El proyecto se transformó en un In-between Realm, un escenario teórico donde coexisten fenómenos tradicionalmente antagónicos que Van Eyck denominó Twin Phenomena, convirtiéndose la ciudad en una réplica formal de la ambivalencia de la mente humana. La indefinición espacial no programada en la propuesta anterior se transformó en un conjunto de espacios urbanos, con límites y dimensiones adaptados a la escala humana. El proyecto es anterior a la obra escrita de Van Eyck por lo que estimuló sus enunciados teóricos. Unas ideas también reconocidas en los tres CIAM posteriores en los que también se expuso el proyecto. El diseño paisajista se integra en el proyecto urbano desde sus orígenes. El límite se compone de una barrera boscosa que protege climáticamente, proporciona escala humana y control visual frente a las llanuras infinitas del pólder. Van Eyck sintetizó el proyecto como una habitación verde sin techo, afirmación que dilucida su equivalencia con el de un interior doméstico. Exteriormente la ciudad se convierte en una unidad autónoma del territorio. Interiormente, un sistema jerarquizado de vegetación vinculado a la arquitectura y la infraestructura constituye espacios urbanos de diferentes escalas. La propuesta fue transformada por Boer y Ruys en un nuevo espacio urbano único, no asimilando los conceptos anteriores. El proyecto y construcción de los primeros elementos urbanos consistió en un reparto de tareas a De 8 en Opbouw, hecho que estimula estudiar su relación con el proyecto urbano. La estructura policéntrica organiza las aulas de las escuelas de Van Eyck, las diferentes áreas confesionales del cementerio de Ruys y las unidades residenciales, diseñadas por Stam, Rietveld y Stam-Besse. Los Twin Phenomena alcanzan un acuerdo en el corredor comercial, diseñado por Bakema y Van der Broek. La generación de espacios dentro de otros aparece también en el cementerio, a través de una nueva barrera boscosa y en el sistema de pliegues del muro que configura la iglesia de Bakema y Van der Broek. El proyecto se vincula a un planteamiento holístico, mediante el que el diseño de cada uno de sus elementos tiene en cuenta las estrategias proyectivas del todo del cual forma parte, convirtiéndose, al igual que las obras de De Stijl, en parte de una composición infinita que acerca arte y diseño en la vida cotidiana de la sociedad. La diversidad generacional e ideológica de estos arquitectos convirtió el proyecto en un tablero de juego sobre el que se aplicaron diferentes formas de proyectar la ciudad, ubicando a Nagele en un punto de inflexión del Movimiento Moderno. ABSTRACT The research focuses on the Nagele project, a Dutch urban settlement located in the Noordoostpolder, a territory which was entirely reclaimed from the IJsselmeer lake. It was designed by a group of architects from the De 8 and Opbouw teams, the leading protagonists being Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. It was designed from 1947 to 1956, a fruitful period in urban planning. These architects questioned the traditionalist urban design applied to the new populations in the IJsselmeer polders. Facing their principles, the work group proposed a new prototype; a compact and concentric urban pattern to foster equality in a new community of farm labourers, which was recognized by the architects as a twentieth century urban society. The government supported their new proposals. The lack of implementation of the innovatory conceptual statements subjected the project into a high-risk challenge. However, in spite of these difficulties, the basic concepts remain though partially transformed, in the actual city. The project drawings reflect the principle concepts that this work aims to discover. Some approaches that have not been sufficiently studied are tackled in this thesis. Firstly, the project´s relationship with the polder. Secondly, the evolution of projective strategies during the period of urban planning, the landscape design and the design of urban elements. The Noordoostpolder is the culmination of a series of multi-disciplinary experiences in large scale land reclamation, whose polycentric urban structure and agricultural subdivision provide the framework of Nagele. Linking the vegetation to infrastructure fostered orientation, climate protection and human scale; strategies which were repeated, though on a smaller scale, in the actual city. The first phase of the project was composed of mono-functional urban areas which responded to each of the four basic human needs indicated by the scientific method of the functional city. The presentation of the project at the seventh CIAM in 1949 was the event which marked the end of the first phase of the planning. This congress was entitled Implementation of the Athens Charter. The residential program was divided into housing clusters surrounding a central prairie, a pattern which was related to its urban and territorial whole. The second phase of the plan was subjected to a new theoretical approach. The urban planning became an In-between Realm, a theoretical scenario where traditionally antagonistic concepts coexist. Van Eyck named these concepts Twin Phenomena. The city thus conceived of as a counterform of the ambivalence of the human mind where spatial indefinition in the previous proposals was transformed into a Bunch of Places with defined boundaries and dimensions, all of which reflecting human scale. The landscape design was integrated into the urban project from its inception. The limits consist of a green wind-barrier which not only provides climate protection but also provides human scale and visual control towards the unlimited plains of the polder. Van Eyck summarised the project as a green room without a roof. This statement elucidates its equivalence to a domestic interior. Outwardly, the city becomes an autonomous unit on the territory. Inwardly a hierarchical vegetation system is linked to architecture and infrastructure. Together, they configure different scales of urban spaces. The proposal was transformed by Boer and Ruys into a unique urban space without assimilating Van Eyck´s concepts. The study of the Nagele landscape project of Nagele and the writings of Van Eyck verify the fact that many of his theoretical foundations (In-between Realm, Twin Phenomena, Bunch of Places, Right Scale) can be applied not only to architecture and city but also to landscape design. The application of these principles led the Nagele project to become a counterform of Van Eyck´s thinking. The design and construction of the first urban elements involved a distribution of tasks to De 8 en Opbouw, which stimulated their relationship with the urban project. The polycentric structure organised the school classrooms outlined by Van Eyck, the different areas of the cemetery planned by Ruys and the housing clusters designed by Stam, Rietveld and Stam-Besse. The Twin Phenomena concept can be applied in Van der Broek´s shopping corridor. The concept space within another space is also implemented in the cemetery surrounded by a new green barrier, and in the church built by Van der Broek and Bakema, whose spaces are configured by a folding wall. The project takes a holistic approach, which considers the design of each element within the strategies of the whole, where they become parts of an infinite composition, as in the art works of De Stijl fostering art and design to ordinary people´s daily lives. The generational and ideological diversity of these architects turned the project into a game board on which different ways of planning the city were played, obtaining Nagele the distinction of being a turning point of Modernism.

New lower bounds for the topological complexity of aspherical spaces

Date of Acceptance: 5/04/2015 15 pages, 4 figures

Nonatomic games on Loeb spaces

In the setting of noncooperative game theory, strategic negligibility of individual agents, or diffuseness of information, has been modeled as a nonatomic measure space, typically the unit interval endowed with Lebesgue measure. However, recent work has shown that with uncountable action sets, for example the unit interval, there do not exist pure-strategy Nash equilibria in such nonatomic games. In this brief announcement, we show that there is a perfectly satisfactory existence theory for nonatomic games provided this nonatomicity is formulated on the basis of a particular class of measure spaces, hyperfinite Loeb spaces. We also emphasize other desirable properties of games on hyperfinite Loeb spaces, and present a synthetic treatment, embracing both large games as well as those with incomplete information.