Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.

Suivi de l'adhésion thérapeutique des patients hypertendus ou dyslipi- démiques par les cercles de qualité médecins-pharmaciens [Monitoring drug adherence for hypertensive and dyslipidemic patients in networks of community-based pharmacists and physicians].

Patient adherence is often poor for hypertension and dyslipidaemia. A monitoring of drug adherence might improve these risk factors control, but little is known in ambulatory care. We conducted a randomised controlled study in networks of community-based pharmacists and physicians in the canton of Fribourg to examine whether monitoring drug adherence with an electronic monitor (MEMS) would improve risk factor control among treated, but uncontrolled hypertensive and dyslipidemic patients. The results indicate that MEMS achieve a better blood pressure control and lipid profile, although its implementation requires considerable resources. The study also shows the value of collaboration between physicians and pharmacists in the field of patient adherence to improve ambulatory care of patients with cardiovascular risk factors.

La définition des interfaces pour améliorer la qualité: l'exemple de l'anorexie en hospitalisation somatique [Defining interfaces to improve quality of care: the example of anorexia nervosa in acute somatic hospitalisation]

Specialisation in medicine requires multidisciplinary approaches, and hence coordination in collaborations of the different partners involved. These integrated approaches, sometimes called "disease management", fit particularly well to chronic diseases. Our institution introduced an integrated approach for taking care of the acute somatic hospitalisation of patients suffering from anorexia nervosa. Interfaces with the different partners were defined, specifying tasks, rights, and duties of each person, care givers or patients. This initiative allows now to identify any deviation occurring in the process of care or hole in the care system, so that it can be corrected and recurrence prevented. This model will be extended to other complex and multidisciplinary care processes and other services in our institution.

Le Suivi Intensif dans le Milieu: le modèle d'intervention dans la communauté expérimenté en Suisse

Le Suivi Intensif dans le Milieu (SIM) est une équipe de psychiatrie mobile qui propose des interventions proactives dans la communauté. Il peut s'agir d'évaluation sur quelques séances à des suivis au long cours. L'offre de soins s'adresse aux patients en refus de soins et aux hauts-utilisateurs. Le SIM s'inspire librement de l'assertive community treatment (ACT) et de l'approche milieu. Les deux modèles ont été adaptés aux besoins sanitaires de la région lausannoise, en Suisse. Cet article décrit l'intervention, illustre les plus-values pour les populations cibles et précise le rôle de l'intervenant social au sein de l'équipe.

Une étude hédoniste sur la valeur du paysage

Résumé Ce travail a pour objectif de concevoir une variable permettant d'appréhender la qualité du paysage, afin de l'utiliser dans un modèle de prix hédonistes pour en définir le prix implicite. La qualité des paysages naturel et construit des six stations constituant notre échantillon de 402 appartements loués par des touristes dans les stations valaisannes d'Anzère, Champéry, Grimentz, Haute-Nendaz, Ovronnaz et Verbier, a été évaluée par plusieurs groupes. Les résultats de ces séances d'évaluation ont été traités par l'algorithme MACBETH, permettant ainsi de bénéficier d'une mesure cardinale de la qualité esthétique visuelle de ces paysages. Mises à part un certain nombre de caractéristiques «conventionnelles »exerçant un influence sur la variation des loyers payés par les touristes, les résultats de l'analyse économétrique montrent que sur la seule base de la qualité du paysage naturel, le loyer peut varier entre 20 et 30% durant les fêtes de fin d'année selon le groupe d'évaluation pris en considération. Le prix implicite de la qualité du paysage naturel varie également entre les saisons touristiques analysées. En effet, la qualité esthétique visuelle du paysage naturel peut faire varier le loyer estimé de 15% durant la saison d'été à plus de 50% durant le reste de la saison d'hiver. La variation du loyer estimé peut aller de 13% à plus de 40% durant le reste de la saison d'hiver sur la seule base de la qualité du paysage construit. Le prix implicite de la qualité esthétique visuelle du paysage construit varie également entre les saisons touristiques analysées, puisque les coefficients associés à cette variable peuvent passer du simple à plus du double.

Conservation of a threatened European tree frog (Hyla arborea) metapopulation

Summary: Amphibians are among the most vulnerable animals of the world. One third of all species are currently threatened with extinction. Habitat loss is the major menace to pond- and stream-breeding species in the old world. In highly urbanized landscape like the Swiss Plateau, most species suffer from habitat reduction and fragmentation. Among all indigenous species, the European tree frog (Hyla arborea L., 1758) is one of the most endangered. It experienced an alarming decline during the last century and its regional long-term persistence is not guaranteed. We developed a monitoring framework based on calling male counts which included multiple visits to each wetland during the reproduction period in order to precisely determine its distribution on the Lemanic coast. Our results indicate that visiting populations 3 limes under suitable climatic conditions (temperature >20°C) provides reliable presence/absence data. Based on our monitoring data, we analyzed the species requirements regarding its breeding habitat. It appeared that anthropogenic activities had paradoxical effects on the species. On one hand, urbanization, traffic and intensive agriculture had a strong detrimental effect on tree frog distribution. On the other hand, large tree frog populations were frequently associated with gravel pits and military training grounds. Our results allowed us to create a habitat suitability map taking into account detrimental landscape elements around ponds (>1100m away from urban areas and >500m away from first class roads). In parallel, we developed a metapopulation model of the European tree frog in order to identify the critical threats to the long term persistence of the species. Our results indicated that suitable pond density is at the low end of the species requirements. Pond creation must therefore be considered an essential complementary approach to pond conservation and restoration. Our model also provided a mapping solution permitting the location of the must suitable area for pond creation from a metapopulation perspective. As many other amphibians, the European tree frog is not only exposed to an aquatic habitat (breeding and larval period), but also to a terrestrial stage (summer and overwintering habitats). Unfortunately, animals in their terrestrial phase are less conspicuous and, as a consequence, their terrestrial needs are relatively unknown. Using a recent tracking method (the Harmonic Direction Finder), we followed post-breeding frogs and identified favored terrestrial habitats, thus providing another practical conservation tool. We conclude that only the combination of multiple spatially explicit approaches (landscape-scale habitat suitability, metapopulation dynamics and terrestrial needs) is likely to provide wildlife managers with effective tools for the conservation of highly endangered amphibians. Résumé: Les amphibiens font partie des animaux les plus vulnérables du monde. Un tiers des espèces est actuellement menacé d'extinction. Dans l'ancien monde, la disparition des habitats constitue la principale menace pour les grenouilles, crapauds, tritons et salamandres. Dans les paysages fortement urbanisés comme le Plateau Suisse, la plupart des espèces souffrent d'une réduction et d'une fragmentation de leurs habitats. Parmi toutes les espèces indigènes, la rainette verte (Hyla arborea L., 1758) est l'une des plus menacée. Sa distribution a régressé de manière alarmante durant le siècle passé et sa survie régionale à long terme n'est pas assurée. Nous avons développé une méthode de suivi des populations se basant sur le comptage des mâles chanteurs durant la période de reproduction. Cette méthode requiert plusieurs visites à chaque plan d'eau de manière à déterminer précisément la distribution de l'espèce. Nos résultats démontrent que 3 visites par population dans des conditions climatiques favorable (température >20°C) permettent d'obtenir des données de présence/ absence valables. Sur la base de nos comptages sur la Côte lémanique, nous avons analysé les exigences de l'espèce concernant ses sites de reproduction. Il est apparu que les activités humaines avaient un effet paradoxal sur l'espèce. D'une part, l'urbanisation, le trafic routier et l'intensification de l'agriculture ont un effet fortement préjudiciable, tandis que d'autre part les plus grandes populations sont souvent associées à des gravières et autres places d'armes. Nos résultats ont permis de créer une carte de qualité d'habitat prenant en compte les éléments paysagers préjudiciables à la rainette (situé à plus de 1100m de zones urbaines et à plus de 500m de routes de première classe). En parallèle, nous avons développé un modèle métapopulationnel (incluant l'ensemble des populations) de manière à identifier les menaces prépondérantes sur la survie à long terme de l'espèce. Nos résultats ont permis de déterminer que la densité actuelle de plans d'eau adéquats est à la limite inférieure des exigences de l'espèce. La création d'étangs doit donc être considérée comme une approche indispensable et complémentaire à la protection et à la restauration des sites existants. Notre modèle a également fourni des résultats cartographiables permettant l'identification des sites les plus appropriés dans une perspective métapopulationnelle. Comme de nombreux autres amphibiens, la rainette verte est exposée à un habitat aquatique (reproduction et développement larvaire) ainsi qu'à un habitat terrestre (été et hiver). Les animaux étant particulièrement cryptiques dans cette seconde phase, leurs besoins terrestres sont relativement mal connus. Nous avons donc développé une nouvelle méthode de télémétrie basée sur le goniomètre harmonique. Cette méthode nous a permis de suivre des rainettes dans leurs migrations jusqu'à leurs habitats d'été et d'établir ainsi des recommandations pratiques pour la conservation de la rainette. Nous concluons que la combinaison de multiples approches spatialement explicites (qualité d'habitat, dynamique de métapopulation et habitats terrestres) est seule à même de produire des outils efficaces pour la conservation des espèces menacées d'amphibiens.

Qualité des données fournies par la statistique médicale VESKA: le cas de la fracture du fémur proximal. [Quality of data provided by VESKA medical statistics: the case of the fractured proximal femur].

Within the framework of a retrospective study of the incidence of hip fractures in the canton of Vaud (Switzerland), all cases of hip fracture occurring among the resident population in 1986 and treated in the hospitals of the canton were identified from among five different information sources. Relevant data were then extracted from the medical records. At least two sources of information were used to identify cases in each hospital, among them the statistics of the Swiss Hospital Association (VESKA). These statistics were available for 9 of the 18 hospitals in the canton that participated in the study. The number of cases identified from the VESKA statistics was compared to the total number of cases for each hospital. For the 9 hospitals the number of cases in the VESKA statistics was 407, whereas, after having excluded diagnoses that were actually "status after fracture" and double entries, the total for these hospitals was 392, that is 4% less than the VESKA statistics indicate. It is concluded that the VESKA statistics provide a good approximation of the actual number of cases treated in these hospitals, with a tendency to overestimate this number. In order to use these statistics for calculating incidence figures, however, it is imperative that a greater proportion of all hospitals (50% presently in the canton, 35% nationwide) participate in these statistics.

Manuel du programme « Qualité » des Hospices

[Table des matières] 1. Généralités : Politique et objectifs qualité - Cadre général - Responsabilité des directeurs d'établissements - Système d'information - Financement. 2. Organisation du Programme Qualité : Organisation générale - Revue de direction. 3. Procédures : Procédure d'élaboration et de sélection des projets (avec demande de financement;avec demande de soutien technique; pour information; appel d'offres) - Procédure de suivi. 4. Annexes : Contrat pour la réalisation d'un projet qualité : pour information, sans soutien - avec demande de soutien technique - avec demande de soutien financier. Ce document à usage interne définit la politique "qualité" et décrit l'ensemble des dispositions générales prises en matière de qualité pour la période 97-98.