Utilização de geotecnologias no monitoramento de processos erosivos e movimentos de massa em trecho da faixa de dutos Rio de Janeiro - Belo Horizonte

The transportation of oil through pipelines raises a concern related to safety and environmental impacts they may cause, especially when exposed to risks that affect their integrity. Among the natural phenomena that can affect the pipelines are erosion and landslides. Considering the large territory involving the pipelines, remote sensing tools have a great applicability for data acquisition. For this, visual analysis techniques were applied to perform change detection in order to monitor erosion features and landslides along a stretch of pipeline Rio de Janeiro – Belo Horizonte, in the state of Rio de Janeiro. The work involved the characterization of the study area as well as the erosion and landslide processes, through bibliographical data. The satellite image processing and the application of change detection techniques were developed in two scenes for the years 2002 and 2010. It was noted a small increase in the number of the identified features, however with regard to their area, a decrease of 21.7% was observed

Aplicação de técnicas de geoprocessamento para a avaliação da expansão urbana no municípo de Duque de Caxias (RJ) como subsídio ao monitoramento de dutos: trecho da faixa de dutos Rio de Janeiro - Belo Horizonte

Different forms of human pressure may occur in the pipeline ranges, due to the large extensions and various configurations of land use, which can pass through the pipelines. Due to the dynamics of these pressures, it is necessary to monitor temporal changes of land use and cover the surface. Under this theme, appears as extremely important to use products and techniques of remote sensing, as they allow the identification of objects of the land surface that may compromise the security and monitoring of the pipeline, and allows the extraction of information conditions on land use at different periods of time. Based on the above, this paper aims to examine in a temporal approach, the process of urban expansion in the municipality of Duque de Caxias, located on the outskirts of the metropolitan area of the state of Rio de Janeiro, as well as settlement patterns characteristic of areas that the changes occurred in the period 1987 to 2010. We used the technique of visual analysis to perform the change detection and the technique of image classification, aimed at monitoring human pressure over a stretch of track pipeline Rio de Janeiro - Belo Horizonte, located in the state of Rio de Janeiro. The stages of work involved the characterization of the study area, urban sprawl and the existing settlement patterns, through the analysis of bibliographic data. The processing of Landsat 5 images and the application of the technique of change detection were performed in three scenes for the years 1987, 1998 and 2010, while the classification process was performed on the image RapidEye for the year 2010. Can be noted an increase in urban area of approximately 22.38% and the change of land cover from natural to built. This growth is concentrated outside to the area of direct influence of the duct, occurring in the area of indirect influence of the enterprise. Regarding the settlement patterns of growth areas, it was observed that these are predominantly

Utilização de técnicas de geoprocessamento para monitoramento de atividades de mineração ao longo de dutos: poliduto Rio de Janeiro/Minas Gerais

The transportation of oil through polyducts implies a concern related to safety and environmental impacts they may cause, especially when exposed to risks that affect their integrity. Among the various anthropogenic activities included in this scenario, mining can aggravate, increase the risks and degrade the environment. Since these polyducts go through significant extensions, remote sensing has great applicability as a tool for data acquisition. For this, change detection techniques were used to monitor mining activities in a defined study area in the state of Rio de Janeiro, along the duct ORBEL. The characterization of the study area and the mining activities were developed through bibliographical data. The satellite images processing and the application of change detection technique were performed in two scenes for the years 2002 and 2010. The growth in the mining area was about 6.67 times and it was possible to identify types of extraction involved which can represent direct risks to the pipeline

Utilizzo metrico di immagini panoramiche satellitari CORONA

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Il lavoro presentato è relativo all’utilizzo a fini metrici di immagini satellitari storiche a geometria panoramica; in particolare sono state elaborate immagini satellitari acquisite dalla piattaforma statunitense CORONA, progettata ed impiegata essenzialmente a scopi militari tra gli anni ’60 e ’70 del secolo scorso, e recentemente soggette ad una declassificazione che ne ha consentito l’accesso anche a scopi ed utenti non militari. Il tema del recupero di immagini aeree e satellitari del passato è di grande interesse per un ampio spettro di applicazioni sul territorio, dall’analisi dello sviluppo urbano o in ambito regionale fino ad indagini specifiche locali relative a siti di interesse archeologico, industriale, ambientale. Esiste infatti un grandissimo patrimonio informativo che potrebbe colmare le lacune della documentazione cartografica, di per sé, per ovvi motivi tecnici ed economici, limitata a rappresentare l’evoluzione territoriale in modo asincrono e sporadico, e con “forzature” e limitazioni nel contenuto informativo legate agli scopi ed alle modalità di rappresentazione delle carte nel corso del tempo e per diversi tipi di applicazioni. L’immagine di tipo fotografico offre una rappresentazione completa, ancorché non soggettiva, dell’esistente e può complementare molto efficacemente il dato cartografico o farne le veci laddove questo non esista. La maggior parte del patrimonio di immagini storiche è certamente legata a voli fotogrammetrici che, a partire dai primi decenni del ‘900, hanno interessato vaste aree dei paesi più avanzati, o regioni di interesse a fini bellici. Accanto a queste, ed ovviamente su periodi più vicini a noi, si collocano le immagini acquisite da piattaforma satellitare, tra le quali rivestono un grande interesse quelle realizzate a scopo di spionaggio militare, essendo ad alta risoluzione geometrica e di ottimo dettaglio. Purtroppo, questo ricco patrimonio è ancora oggi in gran parte inaccessibile, anche se recentemente sono state avviate iniziative per permetterne l’accesso a fini civili, in considerazione anche dell’obsolescenza del dato e della disponibilità di altre e migliori fonti di informazione che il moderno telerilevamento ci propone. L’impiego di immagini storiche, siano esse aeree o satellitari, è nella gran parte dei casi di carattere qualitativo, inteso ad investigare sulla presenza o assenza di oggetti o fenomeni, e di rado assume un carattere metrico ed oggettivo, che richiederebbe tra l’altro la conoscenza di dati tecnici (per esempio il certificato di calibrazione nel caso delle camere aerofotogrammetriche) che sono andati perduti o sono inaccessibili. Va ricordato anche che i mezzi di presa dell’epoca erano spesso soggetti a fenomeni di distorsione ottica o altro tipo di degrado delle immagini che ne rendevano difficile un uso metrico. D’altra parte, un utilizzo metrico di queste immagini consentirebbe di conferire all’analisi del territorio e delle modifiche in esso intercorse anche un significato oggettivo che sarebbe essenziale per diversi scopi: per esempio, per potere effettuare misure su oggetti non più esistenti o per potere confrontare con precisione o co-registrare le immagini storiche con quelle attuali opportunamente georeferenziate. Il caso delle immagini Corona è molto interessante, per una serie di specificità che esse presentano: in primo luogo esse associano ad una alta risoluzione (dimensione del pixel a terra fino a 1.80 metri) una ampia copertura a terra (i fotogrammi di alcune missioni coprono strisce lunghe fino a 250 chilometri). Queste due caratteristiche “derivano” dal principio adottato in fase di acquisizione delle immagini stesse, vale a dire la geometria panoramica scelta appunto perché l’unica che consente di associare le due caratteristiche predette e quindi molto indicata ai fini spionaggio. Inoltre, data la numerosità e la frequenza delle missioni all’interno dell’omonimo programma, le serie storiche di questi fotogrammi permettono una ricostruzione “ricca” e “minuziosa” degli assetti territoriali pregressi, data appunto la maggior quantità di informazioni e l’imparzialità associabili ai prodotti fotografici. Va precisato sin dall’inizio come queste immagini, seppur rappresentino una risorsa “storica” notevole (sono datate fra il 1959 ed il 1972 e coprono regioni moto ampie e di grandissimo interesse per analisi territoriali), siano state molto raramente impiegate a scopi metrici. Ciò è probabilmente imputabile al fatto che il loro trattamento a fini metrici non è affatto semplice per tutta una serie di motivi che saranno evidenziati nei capitoli successivi. La sperimentazione condotta nell’ambito della tesi ha avuto due obiettivi primari, uno generale ed uno più particolare: da un lato il tentativo di valutare in senso lato le potenzialità dell’enorme patrimonio rappresentato da tali immagini (reperibili ad un costo basso in confronto a prodotti simili) e dall’altro l’opportunità di indagare la situazione territoriale locale per una zona della Turchia sud orientale (intorno al sito archeologico di Tilmen Höyük) sulla quale è attivo un progetto condotto dall’Università di Bologna (responsabile scientifico il Prof. Nicolò Marchetti del Dipartimento di Archeologia), a cui il DISTART collabora attivamente dal 2005. L’attività è condotta in collaborazione con l’Università di Istanbul ed il Museo Archeologico di Gaziantep. Questo lavoro si inserisce, inoltre, in un’ottica più ampia di quelle esposta, dello studio cioè a carattere regionale della zona in cui si trovano gli scavi archeologici di Tilmen Höyük; la disponibilità di immagini multitemporali su un ampio intervallo temporale, nonché di tipo multi sensore, con dati multispettrali, doterebbe questo studio di strumenti di conoscenza di altissimo interesse per la caratterizzazione dei cambiamenti intercorsi. Per quanto riguarda l’aspetto più generale, mettere a punto una procedura per il trattamento metrico delle immagini CORONA può rivelarsi utile all’intera comunità che ruota attorno al “mondo” dei GIS e del telerilevamento; come prima ricordato tali immagini (che coprono una superficie di quasi due milioni di chilometri quadrati) rappresentano un patrimonio storico fotografico immenso che potrebbe (e dovrebbe) essere utilizzato sia a scopi archeologici, sia come supporto per lo studio, in ambiente GIS, delle dinamiche territoriali di sviluppo di quelle zone in cui sono scarse o addirittura assenti immagini satellitari dati cartografici pregressi. Il lavoro è stato suddiviso in 6 capitoli, di cui il presente costituisce il primo. Il secondo capitolo è stato dedicato alla descrizione sommaria del progetto spaziale CORONA (progetto statunitense condotto a scopo di fotoricognizione del territorio dell’ex Unione Sovietica e delle aree Mediorientali politicamente correlate ad essa); in questa fase vengono riportate notizie in merito alla nascita e all’evoluzione di tale programma, vengono descritti piuttosto dettagliatamente gli aspetti concernenti le ottiche impiegate e le modalità di acquisizione delle immagini, vengono riportati tutti i riferimenti (storici e non) utili a chi volesse approfondire la conoscenza di questo straordinario programma spaziale. Nel terzo capitolo viene presentata una breve discussione in merito alle immagini panoramiche in generale, vale a dire le modalità di acquisizione, gli aspetti geometrici e prospettici alla base del principio panoramico, i pregi ed i difetti di questo tipo di immagini. Vengono inoltre presentati i diversi metodi rintracciabili in bibliografia per la correzione delle immagini panoramiche e quelli impiegati dai diversi autori (pochi per la verità) che hanno scelto di conferire un significato metrico (quindi quantitativo e non solo qualitativo come è accaduto per lungo tempo) alle immagini CORONA. Il quarto capitolo rappresenta una breve descrizione del sito archeologico di Tilmen Höyuk; collocazione geografica, cronologia delle varie campagne di studio che l’hanno riguardato, monumenti e suppellettili rinvenute nell’area e che hanno reso possibili una ricostruzione virtuale dell’aspetto originario della città ed una più profonda comprensione della situazione delle capitali del Mediterraneo durante il periodo del Bronzo Medio. Il quinto capitolo è dedicato allo “scopo” principe del lavoro affrontato, vale a dire la generazione dell’ortofotomosaico relativo alla zona di cui sopra. Dopo un’introduzione teorica in merito alla produzione di questo tipo di prodotto (procedure e trasformazioni utilizzabili, metodi di interpolazione dei pixel, qualità del DEM utilizzato), vengono presentati e commentati i risultati ottenuti, cercando di evidenziare le correlazioni fra gli stessi e le problematiche di diversa natura incontrate nella redazione di questo lavoro di tesi. Nel sesto ed ultimo capitolo sono contenute le conclusioni in merito al lavoro in questa sede presentato. Nell’appendice A vengono riportate le tabelle dei punti di controllo utilizzati in fase di orientamento esterno dei fotogrammi.

Analisi di dati telerilevati ottici e radar per la gestione dei disastri: le alluvioni nel Bangladesh.

Abstract L’utilizzo dei dati satellitari per la gestione dei disastri naturali è fondamentale nei paesi in via di sviluppo, dove raramente esiste un censimento ed è difficile per i governi aggiornare le proprie banche dati con le tecniche di rilevamento e metodi di mappatura tradizionali che sono entrambe lunghe e onerose. A supporto dell’importanza dell’impiego del telerilevamento e per favorirne l’uso nel caso di catastrofi, vi è l’operato di diverse organizzazioni internazionali promosse da enti di ricerca, da agenzie governative o da organismi sopranazionali, le quali svolgono un lavoro di cruciale valore, fornendo sostegno tecnico a chi si occupa di far giungere alle popolazioni colpite gli aiuti umanitari e i soccorsi nel più breve tempo possibile. L’attività di tesi è nata proprio dalla collaborazione con una di esse, ITHACA (Information Technology for Humanitarian Assistance, Cooperation and Action), organizzazione no-profit, fondata dal Politecnico di Torino e SiTI (Istituto Superiore sui Sistemi Territoriali per l’Innovazione), la quale a sua volta collabora con il WFP (World Food Programme) delle Nazioni Unite, realizzando cartografie speditive necessarie per la valutazione delle conseguenze di un evento catastrofico, attraverso l’impiego di dati acquisiti da satellite. Su questo tema si è inserito il presente lavoro che ha come obiettivo quello di dimostrare la valenza dei dati telerilevati, siano essi di tipo ottico o Radar, nel caso di alcuni dei disastri naturali più catastrofici, le alluvioni. In particolare è stata studiata la vulnerabilità del Bangladesh, il quale annualmente si trova ad affrontare eventi alluvionali, spesso di grave intensità. Preliminarmente allo studio, è stata condotta una ricerca bibliografica al fine di avere una buona conoscenza dell’area sia in termini geografici e fisici che di sviluppo e tipologia di urbanizzazione. E’stata indagata in particolare l’alluvione che ha colpito il paese nel Luglio del 2004, attraverso delle immagini satellitari multispettrali, in particolare Landsat 7, per un inquadramento pre-evento, ed ASTER per studiare la situazione a distanza di tre mesi dall’accaduto (immagine rilevata il 20 Ottobre 2004). Su tali immagini sono state condotte delle classificazioni supervisionate con il metodo della massima verosimiglianza che hanno portato la suddivisione del territorio in quattro classi di destinazione d’uso del suolo: urbano (Build-up), campi e vegetazione (Crops&Vegetation), sabbia e scavi (Sand&Excavation), idrografia e zone alluvionate (Water). Dalla sperimentazione è emerso come tali immagini multispettrali si prestino molto bene per l’analisi delle differenti caratteristiche del territorio, difatti la validazione condotta sulla mappa tematica derivata dall’immagine Landsat 7 ha portato ad un’accuratezza del 93% circa, mentre la validazione dell’immagine ASTER è stata solo di tipo qualitativo, in quanto, considerata l’entità della situazione rilevata, non è stato possibile avere un confronto con dei punti da assumere come verità a terra. Un’interpretazione della mappa tematica derivante dalla classificazione dell’immagine ASTER è stata elaborata incrociandola in ambiente GIS con dati forniti dal CEGIS (Center for Environmental and Geographic Information Services) riguardanti il landuse della zona in esame; da ciò è emerso che le zone destinate alla coltivazione del riso sono più vulnerabili alle inondazioni ed in particolare nell’Ottobre 2004 il 95% delle aree esondate ha interessato tali colture. Le immagini ottiche presentano un grosso limite nel caso delle alluvioni: la rilevante copertura nuvolosa che spesso accompagna siffatti eventi impedisce ai sensori satellitari operanti nel campo dell’ottico di rilevare il territorio, e per questo di frequente essi non si prestano ad essere impiegati per un’indagine nella fase di prima emergenza. In questa circostanza, un valido aiuto giunge dall’impiego di immagini Radar, le quali permettono osservazioni ad ogni ora del giorno e della notte, anche in presenza di nuvole, rendendole di fondamentale importanza nelle situazioni descritte. Per dimostrare la validità di questi sensori si sono analizzati due subset derivanti da un mosaico di immagini della nuova costellazione italiana ad alta risoluzione CosmoSkymed: il primo va dalla città di Dhaka al Golfo del Bengala ed il secondo copre la zona più a Nord nel distretto di Sylhet. Dalla sperimentazione condotta su tali immagini radar, che ha comportato come ovvio problematiche del tutto differenti rispetto alle elaborazioni tradizionalmente condotte su immagini nel campo dell’ottico, si è potuto verificare come l’estrazione dei corpi d’acqua e più in generale dell’idrografia risulti valida e di veloce computazione. Sono emersi tuttavia dei problemi, per esempio per quanto riguarda la classificazione dell’acqua in presenza di rilievi montuosi; tali complicazioni sono dovute alla presenza di zone d’ombra che risultano erroneamente assegnate alla classe water, ma è stato possibile correggere tali errori di attribuzione mascherando i rilievi con l’ausilio di una mappa delle pendenze ricavata da modelli di elevazione SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission). La validazione dei risultati della classificazione, condotta con un grande numero di check points, ha fornito risultati molto incoraggianti (ca. 90%). Nonostante le problematiche riscontrate, il Radar, in sé o in accoppiamento con altri dati di diversa origine, si presta dunque a fornire in breve tempo informazioni sull’estensione dell’esondazione, sul grado di devastazione, sulle caratteristiche delle aree esondate, sulle vie di fuga più adatte, diventando un’importante risorsa per chi si occupa di gestire l’emergenza in caso di eventi calamitosi. L’integrazione con i dati di tipo ottico è inoltre essenziale per pervenire ad una migliore caratterizzazione del fenomeno, sia in termini di change detection che di monitoraggio post-evento.

On-line adaptive visual tracking

Visual tracking is the problem of estimating some variables related to a target given a video sequence depicting the target. Visual tracking is key to the automation of many tasks, such as visual surveillance, robot or vehicle autonomous navigation, automatic video indexing in multimedia databases. Despite many years of research, long term tracking in real world scenarios for generic targets is still unaccomplished. The main contribution of this thesis is the definition of effective algorithms that can foster a general solution to visual tracking by letting the tracker adapt to mutating working conditions. In particular, we propose to adapt two crucial components of visual trackers: the transition model and the appearance model. The less general but widespread case of tracking from a static camera is also considered and a novel change detection algorithm robust to sudden illumination changes is proposed. Based on this, a principled adaptive framework to model the interaction between Bayesian change detection and recursive Bayesian trackers is introduced. Finally, the problem of automatic tracker initialization is considered. In particular, a novel solution for categorization of 3D data is presented. The novel category recognition algorithm is based on a novel 3D descriptors that is shown to achieve state of the art performances in several applications of surface matching.

Il contributo del telerilevamento multi ed iperspettrale per la caratterizzazione del territorio e la sostenibilità ambientale

L’evoluzione dei sensori multispettrali e la prospettiva di sviluppo dei sensori iperspettrali nel campo del telerilevamento ottico offrono nuovi strumenti per l’indagine del territorio e rinnovano la necessità di ridefinire potenzialità, limiti e accuratezza delle metodologie tradizionali. Nel caso delle immagini iperspettrali, in particolare, l’elevatissima risoluzione spettrale apre nuove possibilità di sviluppo di modelli fisicamente basati per correlare grandezze radiometriche con indicatori fisico-chimici caratteristici delle superfici osservate, a prezzo però di maggiori oneri nella gestione del dato. Il presente lavoro mira appunto ad esaminare, per alcune applicazioni di carattere ambientale e attraverso casi di studio specifici, le criticità del problema del rilevamento da remoto nel suo complesso: dai problemi di correzione radiometrica delle immagini, all'acquisizione di dati di calibrazione sul campo, infine all'estrazione delle informazioni di interesse dal dato telerilevato. A tal fine sono stati sperimentati diversi modelli di trasferimento radiativo ed è stata sviluppata un’interfaccia per la gestione del modello 6SV. Per quest’ultimo sono state inoltre sviluppate routine specifiche per il supporto dei sensori Hyperion e World View 2. La ricerca svolta intende quindi offrire un contributo alla definizione di procedure operative ripetibili, per alcune applicazioni intimamente connesse all’indagine conoscitiva ed al monitoraggio dei processi in atto sul territorio. Nello specifico, si è scelto il caso di studio dell’oasi del Fayyum, in Egitto, per valutare il contenuto informativo delle immagini satellitari sotto tre diversi profili, soltanto in apparenza distinti: la classificazione della litologia superficiale, la valutazione dello stato di qualità delle acque ed il monitoraggio delle opere di bonifica. Trattandosi di un’oasi, le aree coltivate del Fayyum sono circondate dai suoli aridi del deserto libico. La mancanza di copertura vegetale rappresenta una condizione privilegiata per l’osservazione della litologia superficiale da remoto, auspicabile anche per la scarsa accessibilità di alcune aree. Il fabbisogno idrico dell’oasi è garantito dall’apporto di acque del fiume Nilo attraverso una rete di irrigazione che ha, come recettore finale, il lago Qarun, situato nella porzione più depressa dell’oasi. Questo lago, privo di emissari, soffre enormi problemi di salinizzazione, visto il clima iper-arido in cui si trova, e di inquinamento da fertilizzanti agricoli. Il problema della sostenibilità ambientale dello sfruttamento agricolo intensivo dell’oasi è un problema di deterioramento della qualità dell’acqua e della qualità dei suoli. È un problema che richiede una adeguata conoscenza del contesto geologico in cui questi terreni sono inseriti ed una capacità di monitoraggio degli interventi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto; entrambe conoscenze necessarie alla definizione di un piano di sviluppo economico sostenibile. Con l’intento di contribuire ad una valutazione delle effettive potenzialità del telerilevamento come strumento di informazione territoriale, sono state sperimentate tecniche di classificazione di immagini multispettrali ASTER ed iperspettrali Hyperion di archivio per discriminare la litologia superficiale sulle aree adiacenti al lago Qarun nell’oasi del Fayyum. Le stesse immagini Hyperion di archivio più altre appositamente acquisite sono state utilizzate, assieme ad immagini multispettrali ALI, per la valutazione qualitativa e quantitativa di parametri di qualità delle acque, attraverso l’applicazione di modelli empirici di correlazione. Infine, per valutare l’ipotesi che il deterioramento della qualità delle acque possa essere correlato ai processi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto negli ultimi decenni, le immagini dell’archivio Landsat sono state utilizzate per analisi di change detection. Per quanto riguarda il problema della validazione dei risultati, si è fatto uso di alcuni dati di verità a terra acquisiti nel corso di un survey preliminare effettuato nell’Ottobre 2010. I campioni di roccia prelevati e le misure di conducibilità elettrica delle acque del lago, benché in numero estremamente limitato per la brevità della missione e le ovvie difficoltà logistiche, consentono alcune valutazioni preliminari sui prodotti ottenuti dalle elaborazioni. Sui campioni di roccia e sabbie sciolte, in particolare, sono state effettuate misure di riflettività in laboratorio ed analisi mineralogiche dettagliate. Per la valutazione della qualità delle acque, più precisamente delle concentrazioni di clorofilla, la metodologia utilizzata per il caso di studio egiziano è stata applicata anche sul tratto costiero adriatico antistante le foci dei fiumi Tronto e Salinello. In questo sito sono state effettuate misure in situ di conducibilità elettrica ed il prelievo di campioni di acqua per la determinazione in laboratorio delle concentrazioni di clorofilla. I risultati ottenuti hanno evidenziato le potenzialità offerte dall’informazione spettrale contenuta nelle immagini satellitari e consentono l’individuazione di alcune pratiche operative. D’altro canto hanno anche messo in luce le carenze dei modelli attualmente esistenti, nonché le criticità legate alla correzione atmosferica delle grandezze radiometriche rilevate.

Tecniche di utilizzo e classificazione di immagini satellitari multispettrali in un'ottica di pianificazione e gestione delle emergenze umanitarie

Il presente lavoro è inserito nel contesto di applicazioni che riguardano la pianificazione e gestione delle emergenze umanitarie. Gli aspetti che si sono voluti mettere in evidenza sono due. Da un lato l'importanza di conoscere le potenzialità dei dati che si hanno di fronte per poterli sfruttare al meglio. Dall'altro l'esigenza di creare prodotti che siano facilmente consultabili da parte dell'utente utilizzando due diverse tecniche per comprenderne le peculiarità. Gli strumenti che hanno permesso il presente studio sono stati tre: i principi del telerilevamento, il GIS e l'analisi di Change Detection.

DESIGN AND FABRICATION OF RESONANT GAS SENSOR FOR HIGH SENSITIVITY IN THE PRESENCE OF AIR DAMPING

Gas sensors have been used widely in different important area including industrial control, environmental monitoring, counter-terrorism and chemical production. Micro-fabrication offers a promising way to achieve sensitive and inexpensive gas sensors. Over the years, various MEMS gas sensors have been investigated and fabricated. One significant type of MEMS gas sensors is based on mass change detection and the integration with specific polymer. This dissertation aims to make contributions to the design and fabrication of MEMS resonant mass sensors with capacitance actuation and sensing that lead to improved sensitivity. To accomplish this goal, the research has several objectives: (1) Define an effective measure for evaluating the sensitivity of resonant mass devices; (2) Model the effects of air damping on microcantilevers and validate models using laser measurement system (3) Develop design guidelines for improving sensitivity in the presence of air damping; (4) Characterize the degree of uncertainty in performance arising from fabrication variation for one or more process sequences, and establish design guidelines for improved robustness. Work has been completed toward these objectives. An evaluation measure has been developed and compared to an RMS based measure. Analytic models of air damping for parallel plate that include holes are compared with a COMSOL model. The models have been used to identify cantilever design parameters that maximize sensitivity. Additional designs have been modeled with COMSOL and the development of an analytical model for Fixed-free cantilever geometries with holes has been developed. Two process flows have been implemented and compared. A number of cantilever designs have been fabricated and the uncertainty in process has been investigated. Variability from processing have been evaluated and characterized.

BEYOND ROOTS ALONE: NOVEL METHODOLOGIES FOR ANALYZING COMPLEX SOIL AND MINIRHIZOTRON IMAGERY USING IMAGE PROCESSING AND GIS TOOLS

Quantifying belowground dynamics is critical to our understanding of plant and ecosystem function and belowground carbon cycling, yet currently available tools for complex belowground image analyses are insufficient. We introduce novel techniques combining digital image processing tools and geographic information systems (GIS) analysis to permit semi-automated analysis of complex root and soil dynamics. We illustrate methodologies with imagery from microcosms, minirhizotrons, and a rhizotron, in upland and peatland soils. We provide guidelines for correct image capture, a method that automatically stitches together numerous minirhizotron images into one seamless image, and image analysis using image segmentation and classification in SPRING or change analysis in ArcMap. These methods facilitate spatial and temporal root and soil interaction studies, providing a framework to expand a more comprehensive understanding of belowground dynamics.

The assessment of visual short-term memory in considering the underlying processes and their relation to psychometric intelligence

By means of fixed-links modeling the present study assessed processes involved in visual short-term memory functioning and investigates how these processes are related to intelligence. Using a color change detection task, short-term memory demands increased across three experimental conditions as a function of number of presented stimuli. We measured amount of information retained in visual short-term memory by hit rate as well as speed of visual short-term memory scanning by reaction time. For both measures, fixed-links modeling revealed a constant process reflecting processes irrespective of task manipulation as well as two increasing processes reflecting the increasing short-term memory demands. For visual short-term memory scanning, a negative association between intelligence and the constant process was found but no relationship between intelligence and the increasing processes. Thus, basic processing speed, rather than speed influenced by visual short-term memory demands, differentiates between high- and low-intelligent individuals. Intelligence was positively related to the experimental processes of shortterm memory retention but not to the constant process. In sum, significant associations with intelligence were only obtained when the specific processes of short-term memory were decomposed emphasizing the importance of a thorough assessment of cognitive processes when investigating their relation to intelligence.

The Dissociation of Location and Object Working Memory using fMRI and MEG

Visual working memory (VWM) involves maintaining and processing visual information, often for the purpose of making immediate decisions. Neuroimaging experiments of VWM provide evidence in support of a neural system mainly involving a fronto-parietal neuronal network, but the role of specific brain areas is less clear. A proposal that has recently generated considerable debate suggests that a dissociation of object and location VWM occurs within the prefrontal cortex, in dorsal and ventral regions, respectively. However, re-examination of the relevant literature presents a more robust distribution suggestive of a general caudal-rostral dissociation from occipital and parietal structures, caudally, to prefrontal regions, rostrally, corresponding to location and object memory, respectively. The purpose of the present study was to identify a dissociation of location and object VWM across two imaging methods (magnetoencephalography, MEG, and functional magnetic imaging, fMRI). These two techniques provide complimentary results due the high temporal resolution of MEG and the high spatial resolution of fMRI. The use of identical location and object change detection tasks was employed across techniques and reported for the first time. Moreover, this study is the first to use matched stimulus displays across location and object VWM conditions. The results from these two imaging methods provided convergent evidence of a location and object VWM dissociation favoring a general caudal-rostral rather than the more common prefrontal dorsal-ventral view. Moreover, neural activity across techniques was correlated with behavioral performance for the first time and provided convergent results. This novel approach of combining imaging tools to study memory resulted in robust evidence suggesting a novel interpretation of location and object memory. Accordingly, this study presents a novel context within which to explore the neural substrates of WM across imaging techniques and populations.

Extraversion and short-term memory for chromatic stimuli: an event-related potential analysis.

The present study investigated extraversion-related individual differences in visual short-term memory (VSTM) functioning. Event related potentials were recorded from 50 introverts and 50 extraverts while they performed a VSTM task based on a color-change detection paradigm with three different set sizes. Although introverts and extraverts showed almost identical hit rates and reaction times, introverts displayed larger N1 amplitudes than extraverts independent of color change or set size. Extraverts also showed larger P3 amplitudes compared to introverts when there was a color change, whereas no extraversion-related difference in P3 amplitude was found in the no-change condition. Our findings provided the first experimental evidence that introverts' greater reactivity to punctuate physical stimulation, as indicated by larger N1 amplitude, also holds for complex visual stimulus patterns. Furthermore, P3 amplitude in the change condition was larger for extraverts than introverts suggesting higher sensitivity to context change. Finally, there were no extraversion-related differences in P3 amplitude dependent on set size. This latter finding does not support the resource allocation explanation as a source of differences between introverts and extraverts.

Detecting single-target changes in multiple object tracking: The case of peripheral vision

In the current study it is investigated whether peripheral vision can be used to monitor multi-ple moving objects and to detect single-target changes. For this purpose, in Experiment 1, a modified MOT setup with a large projection and a constant-position centroid phase had to be checked first. Classical findings regarding the use of a virtual centroid to track multiple ob-jects and the dependency of tracking accuracy on target speed could be successfully replicat-ed. Thereafter, the main experimental variations regarding the manipulation of to-be-detected target changes could be introduced in Experiment 2. In addition to a button press used for the detection task, gaze behavior was assessed using an integrated eye-tracking system. The anal-ysis of saccadic reaction times in relation to the motor response shows that peripheral vision is naturally used to detect motion and form changes in MOT because the saccade to the target occurred after target-change offset. Furthermore, for changes of comparable task difficulties, motion changes are detected better by peripheral vision than form changes. Findings indicate that capabilities of the visual system (e.g., visual acuity) affect change detection rates and that covert-attention processes may be affected by vision-related aspects like spatial uncertainty. Moreover, it is argued that a centroid-MOT strategy might reduce the amount of saccade-related costs and that eye-tracking seems to be generally valuable to test predictions derived from theories on MOT. Finally, implications for testing covert attention in applied settings are proposed.

Evidence for a perception memory continuum: an EEG study in a healthy population

In line with current memory theories of a perception-memory continuum along the ventral visual pathway, there is evidence that the specific profile of enhanced memory in special populations (e.g. synaesthesia) is based on increased perceptual sensitivity. The main goal of this study was to test in a more general population, if increased perceptual sensitivity is indeed associated with enhanced memory performance. We measured ERPs in response to simple perceptual stimuli biasing either the ventral or the dorsal route and established if perceptual sensitivity in response to ventrally (but not dorsally) processed stimuli is associated with visual short term memory performance in a change detection task. Preliminary results confirm the hypothesis and strengthen the assumption of a perceptual-memory-continuum.