Machine learning for geospatial data : algorithms, software tools and case studies

Résumé Cette thèse est consacrée à l'analyse, la modélisation et la visualisation de données environnementales à référence spatiale à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). L'apprentissage automatique peut être considéré au sens large comme une sous-catégorie de l'intelligence artificielle qui concerne particulièrement le développement de techniques et d'algorithmes permettant à une machine d'apprendre à partir de données. Dans cette thèse, les algorithmes d'apprentissage automatique sont adaptés pour être appliqués à des données environnementales et à la prédiction spatiale. Pourquoi l'apprentissage automatique ? Parce que la majorité des algorithmes d'apprentissage automatiques sont universels, adaptatifs, non-linéaires, robustes et efficaces pour la modélisation. Ils peuvent résoudre des problèmes de classification, de régression et de modélisation de densité de probabilités dans des espaces à haute dimension, composés de variables informatives spatialisées (« géo-features ») en plus des coordonnées géographiques. De plus, ils sont idéaux pour être implémentés en tant qu'outils d'aide à la décision pour des questions environnementales allant de la reconnaissance de pattern à la modélisation et la prédiction en passant par la cartographie automatique. Leur efficacité est comparable au modèles géostatistiques dans l'espace des coordonnées géographiques, mais ils sont indispensables pour des données à hautes dimensions incluant des géo-features. Les algorithmes d'apprentissage automatique les plus importants et les plus populaires sont présentés théoriquement et implémentés sous forme de logiciels pour les sciences environnementales. Les principaux algorithmes décrits sont le Perceptron multicouches (MultiLayer Perceptron, MLP) - l'algorithme le plus connu dans l'intelligence artificielle, le réseau de neurones de régression généralisée (General Regression Neural Networks, GRNN), le réseau de neurones probabiliste (Probabilistic Neural Networks, PNN), les cartes auto-organisées (SelfOrganized Maps, SOM), les modèles à mixture Gaussiennes (Gaussian Mixture Models, GMM), les réseaux à fonctions de base radiales (Radial Basis Functions Networks, RBF) et les réseaux à mixture de densité (Mixture Density Networks, MDN). Cette gamme d'algorithmes permet de couvrir des tâches variées telle que la classification, la régression ou l'estimation de densité de probabilité. L'analyse exploratoire des données (Exploratory Data Analysis, EDA) est le premier pas de toute analyse de données. Dans cette thèse les concepts d'analyse exploratoire de données spatiales (Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA) sont traités selon l'approche traditionnelle de la géostatistique avec la variographie expérimentale et selon les principes de l'apprentissage automatique. La variographie expérimentale, qui étudie les relations entre pairs de points, est un outil de base pour l'analyse géostatistique de corrélations spatiales anisotropiques qui permet de détecter la présence de patterns spatiaux descriptible par une statistique. L'approche de l'apprentissage automatique pour l'ESDA est présentée à travers l'application de la méthode des k plus proches voisins qui est très simple et possède d'excellentes qualités d'interprétation et de visualisation. Une part importante de la thèse traite de sujets d'actualité comme la cartographie automatique de données spatiales. Le réseau de neurones de régression généralisée est proposé pour résoudre cette tâche efficacement. Les performances du GRNN sont démontrées par des données de Comparaison d'Interpolation Spatiale (SIC) de 2004 pour lesquelles le GRNN bat significativement toutes les autres méthodes, particulièrement lors de situations d'urgence. La thèse est composée de quatre chapitres : théorie, applications, outils logiciels et des exemples guidés. Une partie importante du travail consiste en une collection de logiciels : Machine Learning Office. Cette collection de logiciels a été développée durant les 15 dernières années et a été utilisée pour l'enseignement de nombreux cours, dont des workshops internationaux en Chine, France, Italie, Irlande et Suisse ainsi que dans des projets de recherche fondamentaux et appliqués. Les cas d'études considérés couvrent un vaste spectre de problèmes géoenvironnementaux réels à basse et haute dimensionnalité, tels que la pollution de l'air, du sol et de l'eau par des produits radioactifs et des métaux lourds, la classification de types de sols et d'unités hydrogéologiques, la cartographie des incertitudes pour l'aide à la décision et l'estimation de risques naturels (glissements de terrain, avalanches). Des outils complémentaires pour l'analyse exploratoire des données et la visualisation ont également été développés en prenant soin de créer une interface conviviale et facile à l'utilisation. Machine Learning for geospatial data: algorithms, software tools and case studies Abstract The thesis is devoted to the analysis, modeling and visualisation of spatial environmental data using machine learning algorithms. In a broad sense machine learning can be considered as a subfield of artificial intelligence. It mainly concerns with the development of techniques and algorithms that allow computers to learn from data. In this thesis machine learning algorithms are adapted to learn from spatial environmental data and to make spatial predictions. Why machine learning? In few words most of machine learning algorithms are universal, adaptive, nonlinear, robust and efficient modeling tools. They can find solutions for the classification, regression, and probability density modeling problems in high-dimensional geo-feature spaces, composed of geographical space and additional relevant spatially referenced features. They are well-suited to be implemented as predictive engines in decision support systems, for the purposes of environmental data mining including pattern recognition, modeling and predictions as well as automatic data mapping. They have competitive efficiency to the geostatistical models in low dimensional geographical spaces but are indispensable in high-dimensional geo-feature spaces. The most important and popular machine learning algorithms and models interesting for geo- and environmental sciences are presented in details: from theoretical description of the concepts to the software implementation. The main algorithms and models considered are the following: multi-layer perceptron (a workhorse of machine learning), general regression neural networks, probabilistic neural networks, self-organising (Kohonen) maps, Gaussian mixture models, radial basis functions networks, mixture density networks. This set of models covers machine learning tasks such as classification, regression, and density estimation. Exploratory data analysis (EDA) is initial and very important part of data analysis. In this thesis the concepts of exploratory spatial data analysis (ESDA) is considered using both traditional geostatistical approach such as_experimental variography and machine learning. Experimental variography is a basic tool for geostatistical analysis of anisotropic spatial correlations which helps to understand the presence of spatial patterns, at least described by two-point statistics. A machine learning approach for ESDA is presented by applying the k-nearest neighbors (k-NN) method which is simple and has very good interpretation and visualization properties. Important part of the thesis deals with a hot topic of nowadays, namely, an automatic mapping of geospatial data. General regression neural networks (GRNN) is proposed as efficient model to solve this task. Performance of the GRNN model is demonstrated on Spatial Interpolation Comparison (SIC) 2004 data where GRNN model significantly outperformed all other approaches, especially in case of emergency conditions. The thesis consists of four chapters and has the following structure: theory, applications, software tools, and how-to-do-it examples. An important part of the work is a collection of software tools - Machine Learning Office. Machine Learning Office tools were developed during last 15 years and was used both for many teaching courses, including international workshops in China, France, Italy, Ireland, Switzerland and for realizing fundamental and applied research projects. Case studies considered cover wide spectrum of the real-life low and high-dimensional geo- and environmental problems, such as air, soil and water pollution by radionuclides and heavy metals, soil types and hydro-geological units classification, decision-oriented mapping with uncertainties, natural hazards (landslides, avalanches) assessments and susceptibility mapping. Complementary tools useful for the exploratory data analysis and visualisation were developed as well. The software is user friendly and easy to use.

De la Franche-Comté à Naples : la charbonnerie entre nation italienne et fédération européenne

Depuis les années quatre-vingt, la maçonnologie -soit l'étude des réseaux et des nouvelles formes de sociabilité constituées principalement par la Franc-Maçonnerie- s'est progressivement imposée comme une nouvelle discipline des sciences historiques, sociales et politiques. Sa démarche novatrice est interdisciplinaire et vise à comprendre l'origine sociale des adeptes, le rôle du secret comme facteur d'agrégation, ainsi que la philosophie et la morale prônées par l'ordre. Cette démarche ne s'adresse d'ailleurs pas exclusivement à la Franc-Maçonnerie ; elle peut sans problèmes être élargie à d'autres organisations secrètes telles : l'ordre des Illuminés de Bavière, la Charbonnerie, la Philadelphie etc... Les ouvrages pionniers de cette discipline -ceux de Maurice Agulhon et de Pierre-Yves Beaurepaire pour la France, de Carlo Francovich pour l'Italie et d'Helmut Reinalter pour l'Autriche et l'Allemagne- ont la particularité de s'être concentrés sur les sociétés secrètes du XVIIIe siècle : approfondissant leur dimension cosmopolite proche de la philosophie des Lumières. Cette thèse propose de se concentrer sur la Charbonnerie : une société aux origines compagnonniques encore active au début du XIXe siècle dans les provinces de Franche-Comté et de Bourgogne. Celle-ci a été transplantée dans le royaume de Naples, durant la période napoléonienne, et, dans cet environnement, elle s'est politisée épousant la cause de la lutte contre les régimes absolutistes et pour l'autodétermination des peuples. Depuis le royaume de Naples, la Charbonnerie s'est répandue, d'abord dans les autres États constituant la péninsule italienne d'alors, puis elle a été exportée, principalement par des exilés italiens, dans d'autres réalités telles: la France, l'Espagne, la Suisse, la Grande-Bretagne, la Grèce et la Russie. Son idéologie et son combat mêlent à la fois une dimension cosmopolite d'amitié entre les peuples et de secours pour les patriotes persécutés, ainsi que de lutte pour l'affirmation du principe de nationalité pour chaque peuple. - Since the 1980s, the study of Freemasonry - namely the study of the networks and forms of sociability associated with the Freemasons - has gradually established itself as a new field of historical, political and social research. This new interdisciplinary approach aims at exploring the social background of the affiliates, the role that secrecy played in their integration, and the philosophy and moral principles promoted by the Order. This approach is not confined to Freemasonry, but can be applied in the same way to other secret societies, such as the Illuminati, the Carbonari and the Philadelphians . The pioneering studies in this field - those developed by Maurice Agulhon and Pierre-Yves Beaurepaire on France, by Carlo Francovich on Italy and by Helmut Reinalter for Austria and Germany - focus on secret societies in the 18th century: consequently they emphasize their cosmopolitan dimension and their affinity to the philosophy of the Enlightenment. This doctoral thesis focuses more particularly on the Carbonari: a society that had its origins in the Compagnonnage, still present in the French provinces of the Franche-Comté and the Bourgogne in the early 19th century. During the Napoleonic period the Carboneria was imported into the Kingdom of Naples, where the society became more politicized, espousing the struggle against absolutism and for the peoples' right to self-determination. From the Kingdom of Naples, the society extended its influence first into the other countries of the Italian peninsula, then, thanks to exiled Italians, to France, Spain, Switzerland, Great Britain, Greece, and Russia. The ideals and objectives of the society combined the pursuit of cosmopolitan friendship between nations, the effort to save persecuted compatriots , and the assertion of the national identity of peoples.

Lignes ferroviaires régionales : ouvrir, fermer ou moderniser? : obstacles juridiques, techniques, géopolitiques ou absence de volonté politique? : études de quatre lignes ferroviaires franco-belges et franco-suisses

L'objectif de la présente étude est de cerner les facteurs de succès et d'échec des réouvertures et modernisations de lignes ferroviaires transfrontalières dans les zones limitrophes. L'enquête prend pour base deux lignes franco-belges (Mons-Valenciennes et Namur- Charleville-Mézières) et deux lignes franco-suisses (Delémont-Belfort et Neuchâtel- Besançon). Le problème public réside dans l'absence de moyens de transports publics exploitant le potentiel existant dans le bassin de vie concerné (sous-exploitation du marché des transports). Les obstacles à franchir dans le domaine des transports ferroviaires peuvent être de nature juridique. Ainsi, des prescriptions légales telles que certains standards d'interopérabilité, l'absence d'une définition de l'expression «train régional» au niveau européen, la sécurité (passages à niveau) ou des mesures en faveur des personnes à mobilité réduite, peuvent entraver, voire empêcher des réouvertures ou modernisations de lignes régionales, car ces standards ne sont pas adaptés à la réalité des lignes dont le potentiel est faible en termes de voyageurs et de fret. À un autre niveau, il est rare que les aspects techniques constituent des obstacles. C'est cependant le cas lorsque deux réseaux ferroviaires nourrissent des philosophies antagonistes (réseau cadencé et non cadencé). Pour la réouverture des lignes, on constate l'absence de définitions claires, au niveau politique, de la desserte de base et des seuils de fréquentation minimale. Il y a parfois un contraste marqué entre une infrastructure dégradée et un matériel roulant très moderne, signe d'absence de sensibilisation à l'entretien des infrastructures ferroviaires. Pourtant, ces infrastructures jouent un rôle important à l'échelon géopolitique. Correctement aménagées (offre, temps de parcours, correspondances), elles permettent le désenclavement de toute une région. La réouverture d'un chaînon manquant peut changer la position géopolitique d'une région, comme dans le cas de Mons-Valenciennes; mais en même temps, l'argument de l'impact géopolitique peut entraver une réouverture, même lorsqu'il n'est pas fondé, comme le montre le cas de Dinant-Givet qui semble concurrencer une autre ligne existante. L'impact des lignes à grande vitesse sur les régions limitrophes est souvent surestimé. En revanche, la praticabilité du concept des quatre capitaux (capital manufacturé, social, naturel et humain) est sous-estimée dans le domaine des transports publics. Les grilles d'analyse des quatre capitaux nous ont en effet permis de prouver l'applicabilité du concept aux lignes ferroviaires transfrontalières, en dépit du manque de me- surabilité de certains indicateurs. L'évaluation des lignes retenues à l'aide de notre grille d'analyse montre que les lignes régionales françaises accusent un lourd retard en termes de performance. Ce fait est confirmé dans les quatre capitaux. En appliquant notre méthode de planification à des lignes ferroviaires (transfrontalières), on observe que les lignes actuelles n'exploitent pas suffisamment leur potentiel. L'approche proposée se base sur le triangle «offre - infrastructure - matériel roulant» et s'articule autour des usagers. Avant toute planification, il faut développer une vision pour la région et la ligne concernée, dans laquelle la voie ferrée servira d'axe structurant. La vision se manifeste par un horaire qui traduit l'offre sou-haitée à long terme avec des temps de parcours idéaux, et des noeuds de correspondance avec d'autres moyens de transport. Alors, les lignes régionales peuvent contribuer à un changement de paradigme qui favorise un mode de vie axé davantage sur les services des transports publics que sur le transport individuel, également dans les régions limitrophes. - Het doel van deze Studie is het onderzocken von de redenen van het succès en van het falen van de heropening of modernisering van al of niet grensoverschrijdende spoorlijnen. Het on- derzoek is gebaseerd op twee Frans-Belgische lijnen (Bergen-Yalenciennes en Namen- Charleville-Mezières) en twee Frans-Zwitserse lijnen (Delémont-Belfort en Neuchâtel- Besançon). Het probleem is de afwezigheid van openbare transportmogelijkheden in de uitbating van de betrokken woongebieden (onderbenutting van de transportmarkt). De te overschrijden hindernissen op het gebied van spoorwegvervoer kunnen van juridische oorsprong zijn. Dat wil zeggen dat wettelijke vereisten zoals bepaalde standaarden voor inte- roperabiliteit, het ontbreken van een definitie van «regionale trein» op Europees niveau, de beveiliging (spoorwegovergangen) of maatregelen voor mensen met verminderde mobiliteit de heropening of modernisering van de regionale lijnen kunnen verhinderen, aangezien deze normen niet zijn aangepast aan de realiteit op aan de lijnen waarvan het potenti eel laag is, zowel voor reizigers als voor goederen. Op een ander niveau is het zeldzaam dat de technische as-pecten voor obstakels zorgen. Het is nochtans het geval wanneer twee spoorwegnetten zorgen voor tegenstrijdige ideeën (regelmatig of onregelmatig bezet net). Om de lijnen te he- ropenen, is er een gebrek aan duidelijke afspraken op politiek niveau, voor een minimale be- diening en een minimale opkomst. Soms is er een groot contrast tussen een verouderde infras- tructuur en een zeer modem rollend materieel, een teken van gebrek aan gezond verstand bij het onderhoud van de spoorweginfrastructuur. Deze infrastructuur speelt echter een belan- grijke roi in het geopolitieke niveau. Goed beheerd (aanbod, reistijd, verbindingen) zorgen ze voor een heropening van een hele regio. De heropening van een ontbrekende schakel kan de geopolitieke positie van een regio veranderen, zoals in het geval van Bergen-Valenciennes, maar terzelfder tijd kan het argument van de geopolitieke impact een heropening verhinderen, zelfs als het ongegrond is, zoals in het geval van Dinant-Givet dat blijkt te concurreren met een andere bestaande lijn. De impact van hogesnelheidslijnen op grensoverschrijdende regio's wordt vaak overschat. Daartegenover wordt de haalbaarheid van het concept van de vier kapi- taalvlakken (opbouwend, sociaal, natuurlijk en menselijk kapitaal) onderschat op het gebied van openbaar vervoer. De analyse van de vier kapitaalvlakken heeft ons toegelaten de toepas- baar-heid van het concept van de grensoverschrijdende spoorlijnen aan te tonen, ondanks het ge-brek aan meetbaarheid van bepaalde indicatoren. Evaluatie van de lijnen, geselecteerd met behulp van ons analysekader, heeft aangetoond dat Franse regionale lijnen achterblijven op het gebied van prestaties. Dit wordt bevestigd op de vier kapitaalvlakken. Door het toepassen van onze planningsmethode op spoorlijnen (in grenszones), zien we dat de huidige lijnen hun potentieel onvoldoende benutten. De voorgestelde aanpak is gebaseerd op de driehoek «aan- bieding - infrastructuur - rollend materieel» en rieht zieh op de gebruikers. Vooraleer een planning opgesteld kan worden, moeten we een visie ontwikkelen voor de betrokken lijn en de regio waarin de spoorweg zal dienen als structurele as. De visie baseert zieh op een diens- tregeling die uitgaat van een aanbod op lange termijn met ideale rijtijden en knooppunten met an-dere transportmiddelen. Zodoende kunnen regionale lijnen bijdragen aan een paradigma- vers-chuiving die een levensstijl promoot die meer gericht is op het openbaar vervoer dan op het individueel vervoer, ook in naburige regio's. - Das Ziel der Studie ist die Identifizierung von Erfolgs- und Misserfolgsfaktoren bei Wiedereröffnungen und Modernisierungen von (grenzüberschreitenden) Regionalverkehrslinien in Randregionen. Die Untersuchung stützt sich auf zwei belgisch-französische (Mons- Valenciennes und Namur-Charleville-Mézières) sowie zwei schweizerisch-französische Linien (Delémont-Belfort und Neuchâtel-Besançon). Das öffentliche Problem besteht im Fehlen eines öffentlichen Verkehrsmittels, welches das vorhandene Potential im Einzugsbereich der betrachteten Linien vollständig ausnützt (unvollständige Ausnützung des vorhandenen Transportmarktes). Die zu überwindenden Hindernisse auf dem Gebiet des Eisenbahnwesens können juristischer Natur sein. Es handelt sich dabei um gewisse juristische Vorschriften w. z. B. Interoperabili- tätsstandards, die Abwesenheit einer klaren Definition des Begriffes «Regionalverkehr» auf europäischer Ebene, Sicherheitsstandards (Bahnübergänge) oder Massnahmen zu Gunsten von Behinderten, die Wiedereröffnungen behindern können, weil diese Standards keine Rücksicht auf die Gegebenheiten von Regionallinien mit einem geringen Nachfragepotential nehmen. Technische Vorgaben stellen nur selten ein Hindernis bei Wiedereröffnungen dar. Dies kann dann der Fall sein, wenn zwei Eisenbahnnetze mit unterschiedlichen Betriebsphilosophien aufeinander treffen (Netz mit Taktverkehr und unvertaktete Netze). Bei Wiedereröffnung von Eisenbahnlinie ist festzustellen, dass auf politischer Ebene keine Definitionen in Bezug auf Basisangebot und der minimalen Nachfrage bestehen. Bisweilen ist ein starker Kontrast zwischen einem schlechten Infrastrukturzustand und einem darauf verkehrenden modernem Rollmaterial festzustellen. Gerade diese Infrastruktur spielt auf geopolitischer Ebene eine wichtige Rolle. Wird diese korrekt betrieben (attraktives Angebot, Fahrzeit, Umsteigeverbindungen), erlaubt sie einer ganzen Region eine Lösung aus der Isolation. Die Wiedereröffnung eines fehlenden Teilstücks kann die geopolitische Situation einer Region positiv verändern, wie das Beispiel der Linie Mons-Valenciennes zeigt. Gleichzeitig kann das Argument der geopolitischen Position eine Wiedereröffnung behindern, auch wenn die vorgebrachten Argumente nicht stichhaltig sind, wie das Beispiel der Linie Dinant-Givet beweist, die angeblich einen bestehenden Eisenbahgüterverkehrskorridor konkurrenzieren soll. Der Einfluss von Hochgeschwindigkeitsstrecken auf Randregionen wird oft überschätzt. Im Gegensatz dazu wird die Anwendbarkeit des Konzeptes der vier Kapitalien (konstruiertes, soziales, natürliches und Human-Kapital) bei der Anwendbarkeit im öffentlichen Verkehr unters-chätzt. Der verwendete Analyseraster der vier Kapitalien erlaubt die Anwendbarkeit dieses Ansatzes auf grenzüberschreitende Eisenbahnlinien, trotz des Fehlens von Daten für zahlreiche Indikatoren, zu untermauern. Die Evaluation der betrachteten Linien hat gezeigt, dass die französischen Schienenregionalverkehrslinien einen bedeutenden Rückstand in Bezug auf die Leistungsfähigkeit vorweisen. Dies wird durch die Anwendung des Analyseraster der vier Kapitalien bestätigt. Der Einsatz, der in dieser Arbeit entwickelten Planungsmethode auf die vier grenzüberschreitenden Regionalverkehrslinien hat gezeigt, dass die heutige Betriebsweise von Regionalverkehrslinien das vorhandene Potential nicht ausschöpft. Der vorgeschlagene Ansatz basiert auf dem Dreieck «Angebot - Infrastruktur - Rollmaterial» in dem die Benützerlnnen im Zentrum stehen. Jedoch steht die Entwicklung einer Vision für die betroffene Region und Linie vor dem Beginn jeder Planung im Zentrum, bei der die Eisenbahnlinie als strukturierende Achse benützt wird. Diese manifestiert sich in einer Fahrplanstruktur, die das langfristig gewünschte Angebot mit idealen Fahrzeiten und Umsteigeknoten mit anderen Verkehrsmitteln beinhaltet. In dieser Weise können die Regionalverkehrslinien einen Beitrag zu einem Paradigmawechsel beitragen, der auch in Randregionen einen Lebensstil fördert, der vermehrt auf den öffentlichen Verkehr als auf den motorisierten Individualverkehr setzt. - L'obiettivo di questo studio è quello di identificare i fattori di successo e di fallimento relativi alla riapertura e modernizzazione di linee ferroviarie transfrontaliere e non in aree limitrofe. L'indagine si basa su due linee franco-belghe (Mons-Valenciennes e Namur-Charleville- Mézières) e due linee franco-svizzere (Delémont-Belfort e Neuchâtel-Besançon). Il problema pubblico è la mancanza di mezzi di trasporto pubblico che sfruttino il potenziale esistente nel bacino d'utenza interessato (sottoutilizzazione del mercato dei trasporti). Gli ostacoli da superare nel settore del trasporto ferroviario possono essere di natura giuridica - vale a dire, requisiti legali come alcuni standard d'interoperabilità, l'assenza di una definizione del termine «treno regionale» a livello europeo, la sicurezza (passaggi a livello) o misure a favore di persone a mobilità ridotta, che possono ostacolare o impedire la riapertura o modernizzazione di linee regionali poiché queste norme non vengono adattate alla realtà delle linee il cui potenziale è basso in termini di viaggiatori e merci. A un altro livello è raro che aspetti tecnici costituiscano degli ostacoli. Tuttavia è il caso quando due reti ferroviarie perseguono filosofie antagoniste (rete cadenzata e non cadenzata). Per riaprire le linee si rileva una mancanza di definizioni chiare, a livello politico, del collegamento di base e delle soglie minime di frequentazione. A volte vi è un netto contrasto tra un'infrastruttura degradata e un modernissimo materiale rotabile, segno della mancanza di sensibilizzazione per la manutenzione delle infrastrutture ferroviarie. Eppure queste strutture svolgono un ruolo importante a livello geopolitico. Correttamente gestite (offerta, tempi di percorrenza, coincidenze), permettono l'apertura verso l'esterno di un'intera regione. La riapertura di un tassello mancante può cambiare la posizione geopolitica di una regione, come nel caso di Mons-Valenciennes. Allo stesso tempo, tuttavia, l'argomento dell'impatto geopolitico, anche se infondato, può ostacolare una riapertura - come nel caso di Dinant-Givet che sembra fare concorrenza a un'altra linea esistente. L'impatto delle linee ad alta velocità sulle regioni limitrofe è spesso sovrastimato. In compenso, l'attuabilità del concetto dei quattro capitali (capitale fabbricato, sociale, naturale e umano) è sottovalutata nel settore dei trasporti pubblici. Le griglie d'analisi dei quattro capitali ci hanno effettivamente permesso di dimostrare l'applicabilità del concetto alle linee ferroviarie transfrontaliere, nonostante la mancanza di misurabilità di alcuni indicatori. La valutazione delle linee selezionate in supporto alla nostra griglia d'analisi mostra che le linee regionali francesi accusano un pesante ritardo in termini di prestazioni. Questo dato di fatto è confermato nei quattro capitali. Applicando il nostro metodo di pianificazione alle linee ferroviarie (transfrontaliere), si osserva che le attuali linee non sfruttano a sufficienza il loro potenziale. L'approccio proposto è basato sul triangolo «offerta / infrastrutture / materiale rotabile» e si articola attorno agli utenti. Prima di qualsiasi pianificazione, è necessario sviluppare una visione per la regione e la linea coinvolta, in cui la ferrovia servirà come asse strutturale. La visione si manifesta attraverso un orario che rifletta l'offerta desiderata a lungo termine, con tempi di percorrenza ideali e nodi di coincidenza con altri mezzi di trasporto. In questo modo, le linee regionali possono contribuire a un cambiamento di paradigma che favorisca uno stile di vita più focalizzato sui servizi di trasporto pubblico che sul trasporto individuale - anche nelle regioni limitrofe.

Bayesian networks and the evaluation of scientific evidence in forensic science

Résumé Ce travail de thèse étudie des moyens de formalisation permettant d'assister l'expert forensique dans la gestion des facteurs influençant l'évaluation des indices scientifiques, tout en respectant des procédures d'inférence établies et acceptables. Selon une vue préconisée par une partie majoritaire de la littérature forensique et juridique - adoptée ici sans réserve comme point de départ - la conceptualisation d'une procédure évaluative est dite 'cohérente' lors qu'elle repose sur une implémentation systématique de la théorie des probabilités. Souvent, par contre, la mise en oeuvre du raisonnement probabiliste ne découle pas de manière automatique et peut se heurter à des problèmes de complexité, dus, par exemple, à des connaissances limitées du domaine en question ou encore au nombre important de facteurs pouvant entrer en ligne de compte. En vue de gérer ce genre de complications, le présent travail propose d'investiguer une formalisation de la théorie des probabilités au moyen d'un environment graphique, connu sous le nom de Réseaux bayesiens (Bayesian networks). L'hypothèse principale que cette recherche envisage d'examiner considère que les Réseaux bayesiens, en concert avec certains concepts accessoires (tels que des analyses qualitatives et de sensitivité), constituent une ressource clé dont dispose l'expert forensique pour approcher des problèmes d'inférence de manière cohérente, tant sur un plan conceptuel que pratique. De cette hypothèse de travail, des problèmes individuels ont été extraits, articulés et abordés dans une série de recherches distinctes, mais interconnectées, et dont les résultats - publiés dans des revues à comité de lecture - sont présentés sous forme d'annexes. D'un point de vue général, ce travail apporte trois catégories de résultats. Un premier groupe de résultats met en évidence, sur la base de nombreux exemples touchant à des domaines forensiques divers, l'adéquation en termes de compatibilité et complémentarité entre des modèles de Réseaux bayesiens et des procédures d'évaluation probabilistes existantes. Sur la base de ces indications, les deux autres catégories de résultats montrent, respectivement, que les Réseaux bayesiens permettent également d'aborder des domaines auparavant largement inexplorés d'un point de vue probabiliste et que la disponibilité de données numériques dites 'dures' n'est pas une condition indispensable pour permettre l'implémentation des approches proposées dans ce travail. Le présent ouvrage discute ces résultats par rapport à la littérature actuelle et conclut en proposant les Réseaux bayesiens comme moyen d'explorer des nouvelles voies de recherche, telles que l'étude de diverses formes de combinaison d'indices ainsi que l'analyse de la prise de décision. Pour ce dernier aspect, l'évaluation des probabilités constitue, dans la façon dont elle est préconisée dans ce travail, une étape préliminaire fondamentale de même qu'un moyen opérationnel.

Regulation of the AKAP-LBC signaling complex : molecular characterization and functional implications

RÉSUMÉ Les protéines d'ancrage de la protéine kinase A (AKAPs) constituent une grande famille de protéines qui ciblent la protéine kinase A (PKA) à proximité de ses substrats physiologiques pour assurer leur régulation. Une nouvelle protéine de cette famille, appelée AKAP-Lbc, a été récemment caractérisée et fonctionne comme un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) pour la petite GTPase Rho. AKAP-Lbc est régulée par différents signaux qui activent et désactivent son activité Rho-GEF. Son activation est assurée par la sous-unité alpha de la protéine G hétérotrimérique G12, tandis que son inhibition dépend de son interaction avec la PKA et 14-3-3. AKAP-Lbc est principalement exprimée dans le coeur et pourrait réguler des processus importants tels que l'hypertrophie et la différenciation des cardiomyocytes. Ainsi, il est crucial d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de son activité Rho-GEF. Le but général de ce travail de thèse est la caractérisation de deux nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de l'activité de AKAP-Lbc. Le premier mécanisme consiste en la régulation de l'activité de AKAP-Lbc par son homo-oligomérisation. Mes travaux montrent que l'homo-oligomérisation maintient AKAP-Lbc inactive, dans une conformation permettant à la PKA ancrée et à 14-3-3 d'exercer leur effet inhibiteur sur l'activité de AKAP-Lbc. Le second mécanisme concerne la régulation de l'activité de AKAP-Lbc via une nouvelle interaction entre AKAP-Lbc et la protéine LC3. LC3 joue un rôle crucial dans l'autophagie, un processus cellulaire qui adresse les protéines cytoplasmiques au lysosome pour leur dégradation. Ce mécanisme est particulièrement important pour le survie des cardiomyocytes durant les périodes d'absence de nutriments. Mes travaux mettent en évidence que LC3 inhibe l'activité Rho-GEF de AKAP-Lbc, ce qui suggère que, au-delà son rôle bien établi dans l'autophagie, LC3 participerait à la régulation de la signalisation de Rho. Prises ensembles, ces études contribuent à comprendre comment le complexe de signalisation formé par AKAP-Lbc régule la signalisation de Rho dans les cellules. Au-delà de leur intérêt au niveau biochimique, ces travaux pourraient aussi contribuer à élucider les réseaux de signalisation qui régulent des phénomènes physiologiques dans le coeur. ABSTRACT A-kinase anchoring proteins (AKAPs) are a group of functionally related proteins, which target the cAMP dependent protein kinase A (PKA) in close proximity to its physiological substrates for ensuring their regulation. A novel PKA anchoring protein, termed AKAP-Lbc, has been recently characterized, which also functions as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for the small GTPase Rho. AKAP-Lbc is regulated in a bi-directional manner by signals which activate or deactivate its Rho-GEF activity. Activation is mediated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12, whereas inhibition occurs following its interaction with PKA and 14-3-3. AKAP-Lbc is predominantly expressed in the heart and might regulate important processes such as hypertrophy and differentiation of cardiomyocytes. Therefore ít is crucial to elucidate the molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The general aim of the present thesis work is the characterization of two novel molecular mechanisms involved in the regulation of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. The first mechanism consists of the. regulation of AKAP-Lbc activity through its homooligomerization. I report here that homo-oligomerization maintains AKAP-Lbc inactive, under a conformation suitable for ensuring the inhibitory effect of anchored PKA and 14-33 on AKAP-Lbc activity. The second mechanism concerns the regulation of AKAP-Lbc activity through a novel interaction between AKAP-Lbc and ubiquitin-like protein LC3. LC3 is a key mediator of autophagy, which is a cellular process that targets cytosolic proteins to the lysosome for degradation. This process is particularly important for cardiomyocyte survival during conditions of nutrient starvation. Here, I show that LC3 is a negative regulator of the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc, which suggests that, beyond its well established role in autophagy, LC3 can participate in the regulation of Rho signaling in cells. Overall, these findings contribute to understand how the AKAP-Lbc signaling complex can regulate the Rho signaling in cells. Beyond its interest at the biochemical level, this work might also contribute to elucidate the signaling network that regulate physiological events in the heart.

Population genetic structure in the native and introduced range of the Argentine ant/

SUMMARY : The evolution of animal societies, where some individuals forego their own reproductive opportunities to help others to reproduce, poses an evolutionary paradox that can be traced back to Darwin. Altruism may evolve through kin selection when the donor and recipient of altruistic acts are related to each other. In social insects, workers are generally highly related to the brood they rear when colonies are headed by a single queen. Yet some ants have an extraordinary social organization, called unicoloniality, whereby individuals from separate nests mix freely to form large supercolonies, which in some cases extend over hundreds of km. These supercolonies are characterised by a high number of queens (polygyny) and an absence of clear colony boundaries. This type of social organization represents an evolutionary paradox because relatedness between nestmates is effectively zero. In such conditions, kin selection cannot account for the evolution of reproductive altruism. Moreover, unicoloniality is thought to be unstable over time, because workers that can no longer aid close relatives may evolve more selfish strategies. The Argentine ant (Linepithema humile) is a highly invasive species listed among the hundred world's worst invaders by the UICN. Native from South America, L. humile has been accidentally introduced throughout the world. Native populations have been described as noninvasive with a family-based organization. In contrast, within its introduction range, they form unicolonial supercolonies that contain numerous nests without intraspecific aggression. The development of such unicolonial populations has been explained as a direct consequence of the ant's introduction into a new habitat, favouring a transition from family-based to open colonies. To determine if the social structure of the Argentine ant is fundamentally different between the native and the introduced range, we studied genetically and behaviourally native and introduced populations of L. humile over different geographic scales. Our results clearly indicated that there are no fundamental differences in the social organisation of the Argentine ant between the two ranges. Our investigations revealed that, contrary to previous claims, native populations have a unicolonial social organisation very similar to that observed in the introduced range. Consequently, the unicolonial social structure of the Argentine ant does not stem from a shift in social organization associated with introduction into new habitats but evolved in the native range and is likely a stable, evolutionarily ancient adaptation to the local environment. Our study on native populations of L. humile also gave important insight in the comprehension of the evolution of unicoloniality in the Argentine ant. Native supercolonies are relatively small compared to introduced ones and may co-habit in a same population. These supercolonies are genetically highly differentiated leading to a significant relatedness among nestmate workers when the different supercolonies of a population are taken as a reference population. This provides the necessary conditions for loin selection to operate. Furthermore, we examined a native population over time, which revealed a high supercolony extinction rate. If more competitive supercolonies are more likely to survive or replace other supercolonies, a subtle dynamical process between the spread of selfish traits within supercolony and the selective elimination of supercolonies with such traits may allow a stable equilibrium and the persistence of unicoloniality over time. Finally, a worldwide study of the Argentine ant showed that the introduced supercolonies originate from numerous independent introduction events. In conclusion, the success of the Argentine ant does not stem from a shift in social organization associated with its introduction into new habitats, but is most probably explained by the intrinsic characteristics developed in its native range. RESUME : L'altruisme de reproduction où certains individus renoncent à leur propre reproduction pour aider d'autres individus à se reproduire constitue l'un des plus grand paradoxe de l'évolution. En effet, comment expliquer l'évolution de comportements qui tendent à augmenter les chances de survie et le succès reproductif d'autres individus, alors que ces actes diminuent l'aptitude de leurs auteurs ? La théorie de la sélection de parentèle permet de résoudre ce problème. Cette théorie stipule qu'en aidant de proches parents à se reproduire, les individus peuvent promouvoir indirectement la transmission de copies de leurs propres gènes à la génération suivante. Chez les insectes sociaux, l'altruisme des ouvrières s'explique par la théorie de sélection de parentèle lorsque les colonies sont monogynes (constituées d'une seule reine) puisque les ouvrières sont fortement apparentées aux couvains dont elles s'occupent. Par contre, les espèces dites unicoloniales, dont les colonies forment des réseaux de nids appelés supercolonies, représentent toujours un paradoxe pour les théories de l'évolution puisque l'apparentement entre les différents individus d'un nid est nulle. De plus, l'unicolonialité ne devrait pas être stable sur le long terme parce que les ouvrières qui ne s'occupent plus de leur apparentés devraient développer des stratégies plus égoïstes au cours du temps. La fourmi d'Argentine (Linepithema humile) est une espèce invasive ayant un impact considérable sur son environnement. Originaire d'Amérique du Sud, elle a été introduite dans pratiquement toutes les régions du monde dont le climat est de type méditerranéen. Son incroyable succès invasif s'explique par sa structure sociale unicoloniale observée dans chacun des pays où elle a été introduite. Par contre, les rares études effectuées en Argentine ont suggéré que la fourmi d'Argentine n'était pas unicoloniale dans son aire native. L'unicolonialité chez la fourmi d'Argentine était donc considéré comme une conséquence de son introduction dans de nouveaux environnements. Durant cette thèse, nous avons vérifié si la structure sociale de cette espèce différait fondamentalement entre l'aire native et introduite. Pour cela, nous avons étudié, à différentes échelles géographiques, des populations introduites et argentines avec une approche génétique et comportementale. L'ensemble de nos résultats montrent que les différences entre les deux structure sociales ne sont pas aussi importantes que ce que l'on imaginait. Les populations natives sont aussi constituées de réseaux de nids coopérants. La taille de ses supercolonies est toutefois bien moins importante en Argentine et il n'est pas rare de trouver plusieurs supercolonies cohabitantes dans une même population. Nous avons démontré que ces réseaux de nids étaient constitués d'individus qui sont plus apparentés entre eux qu'ils ne le sont avec les individus d'autres supercolonies, ainsi l'unicolonialité dans son aire d'origine ne représente pas un réel paradoxe pour les théories de l'évolution. Finalement nous avons étudié la même population en Argentine à six ans d'intervalle et avons constaté que les supercolonies avaient un taux de survie très faible ce qui pourrait expliquer la stabilité de l'unicolonialité au cours du temps. Si les supercolonies les plus compétitives survivent mieux que les supercolonies dans lesquelles apparaissent des traits égoïstes, on devrait alors observer une dynamique entre l'apparition de traits égoïstes et l'élimination des supercolonies dans lesquelles ces traits égoïstes évolueraient. Finalement, une étude mondiale nous a montré que les supercolonies étaient originaires de nombreux événements d'introductions indépendants. En conclusion, le succès invasif de la fourmi d'Argentine n'est donc pas dû à un changement de comportement associé à son introduction mais est lié aux caractéristiques qu'elle a développées en Argentine.

Differential miRNA and IncRNA expression in embryonic stem cells lacking the Notch1 receptor

Embryonic stem (ES) cells-derived cardiomyocytes represent an attractive source of cells in cell replacement therapies for heart disease. However, controlled cardiogenic differentiation of ES cells requires a complete understanding of the complex molecular mechanisms regulating the differentiation process. We have previously shown that differentiation of ES cells into cardiomyocytes is favored by inactivation of the Notch 1 receptor pathway. In the present study, we therefore compared two ES cell lines, one with normal Notchl expression and one carrying deleted Notchl receptor alleles (Notchl-deleted ES cells) in order to identify genes responsible for the increased propensity of Notchl-deleted ES cells to produce cardiomyocytes. Using RNA-sequencing, we found approximately 300 coding and noncoding transcripts, which are differently expressed in undifferentiated Notchl-deleted ES cells. Since accumulating evidences indicate that long noncoding RNAs (IncRNAs) play important roles in ES cell pluripotency and differentiation, we focused our analysis on modulated IncRNAs. In particular, two IncRNAs, named here lnc 1230 and lnc 1335, are highly induced in the absence of Notchl receptor expression. These represent therefore prime candidates that could favor cardiogenic commitment in undifferentiated ES cells. Indeed, we demonstrate that forced expression of these two IncRNAs in wild-type ES cells result in a significant increase of the number of cardiac progenitor cells and cardiomyocytes in the differentiated progeny of these ES cells. Furthermore, we also identify several microRNAs that are differentially modulated in absence of Notchl expression. Among these are miR-142-5p and miR- 381-3p. Interestingly, both lncl230 and lncl335 are targets of these two microRNAs. Altogether, these data suggest that Notchl-dependent noncoding gene networks, implicating microRNAs and IncRNAs, control embryonic stem cell commitment into the mesodermal and cardiac lineages already at the undifferentiated state. - Les cardiomyocytes issus cellules souches embryonnaires sont une source très prometteuse pour les thérapies cellulaire de remplacement dans le cadre des maladies cardiaques. Cependant, l'utilisation de telles cellules requiert une compréhension poussée des mécanismes moléculaire régulant la différenciation. Nous avons par le passé démontré que la différenciation des cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes est favorisée par l'inactivation de la voie d'activation intracellulaire dépendante du récepteur Notch 1. Nous avons donc comparé deux lignées de cellules souches embryonnaires, une présentant une voie d'activation Notchl normale et une chez laquelle les allèles codant pour le récepteur Notchl avaient été invalidés, de façon à identifier les gènes impliqués dans la capacité augmentée des cellules déficientes à produire des cardiomyocytes. En utilisant du séquençage d'ARN à haut débit, nous avons trouvé environ 300 gènes différemment exprimés dans les cellules déficientes pour Notchl. Par ailleurs, des évidences de plus en plus nombreuses suggèrent qu'une nouvelle classe de molécules appelée « long noncoding RNAs » joue un rôle prépondérant dans la maintenance de l'état non différencié et de la capacité de différenciation des cellules souches embryonnaires. Nous avons trouvé que plusieurs « long noncoding RNAs » étaient modulés en l'absence de Notchl, et en particulier deux molécules que nous avons appelées lncl230 et lncl335. Ces derniers représentent des candidats potentiels devant permettre de favoriser la production de cardiomyocytes. Nous avons en effet démontré que la surexpression de ces deux candidats dans des cellules souches embryonnaires résultait en une surproduction de cardiomyocytes. De plus, nous avons également identifié plusieurs microRNAs dont l'expression était modulée dans les cellules souches embryonnaires déficientes dans la voie Notchl. De façon intéressante, parmi ces microRNAs, le miR-142-5p et le miR-381-3p sont capables de cibler lncl230 and lncl335. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent donc que des réseaux d'interaction dépendant de la voie d'activation Notch 1 et impliquant des ARNs non codant existent dans les cellules souches embryonnaires pour réguler leur différenciation en différent types cellulaires spécifiques.

Les métamorphoses de Cendrillon : analyse comparée de deux traductions anglaises du conte de Perrault

L'étude comparative de deux traductions de « Cendrillon ou la petite pantoufle de verre » de Charles Perrault montre comment le conte est réorienté vers la jeunesse en Angleterre à partir de projets très différents. « Cinderilla: or, The Little Glass Slipper », publié par Robert Samber dans Histories, or Tales of Past Times. With Morals en 1729, est considéré comme la première traduction du conte en langue anglaise. Plus près de nous, sa retraduction par l'écrivain britannique Angela Carter, « Cinderella: or, The Little Glass Slipper », parue dans The Fairy Tales of Charles Perrault en 1977, donne une nouvelle actualité au conte de Perrault. La première traduction propose un quasi calque du conte qui illustre les conditions matérielles et l'interdiscours des traducteurs de Grub Street, au début du XVIIIe siècle, tandis que la deuxième adapte le conte pour les enfants dans une perspective féministe au XXe siècle. La traduction constitue en outre pour Carter la première étape d'une récriture intitulée « Ashputtle or The Mother's Ghost» (1987) qui témoigne de la continuité entre l'activité de traduction et la création littéraire. Mon analyse s'attache surtout à dégager les enjeux de la (re)traduction de Carter, qui se démarque délibérément de Samber pour renouveler le sens du conte de Perrault et de sa morale.