Cartografia multi-escala de alterações do coberto florestal com imagens de satélite

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

Analyse de réseau piéton et gestion scolaire: sinuosité, centricité et transport optimal régularisé

Que ce soit d'un point de vue, urbanistique, social, ou encore de la gouvernance, l'évolution des villes est un défi majeur de nos sociétés contemporaines. En offrant la possibilité d'analyser des configurations spatiales et sociales existantes ou en tentant de simuler celles à venir, les systèmes d'information géographique sont devenus incontournables dans la gestion et dans la planification urbaine. En cinq ans la population de la ville de Lausanne est passée de 134'700 à 140'570 habitants, alors que les effectifs de l'école publique ont crû de 12'200 à 13'500 élèves. Cet accroissement démographique associé à un vaste processus d'harmonisation de la scolarité obligatoire en Suisse ont amené le Service des écoles à mettre en place et à développer en collaboration avec l'université de Lausanne des solutions SIG à même de répondre à différentes problématiques spatiales. Établies en 1989, les limites des établissements scolaires (bassins de recrutement) ont dû être redéfinies afin de les réadapter aux réalités d'un paysage urbain et politique en pleine mutation. Dans un contexte de mobilité et de durabilité, un système d'attribution de subventions pour les transports publics basé sur la distance domicile-école et sur l'âge des écoliers, a été conçu. La réalisation de ces projets a nécessité la construction de bases de données géographiques ainsi que l'élaboration de nouvelles méthodes d'analyses exposées dans ce travail. Cette thèse s'est ainsi faite selon une dialectique permanente entre recherches théoriques et nécessités pratiques. La première partie de ce travail porte sur l'analyse du réseau piéton de la ville. La morphologie du réseau est investiguée au travers d'approches multi-échelles du concept de centralité. La première conception, nommée sinuo-centralité ("straightness centrality"), stipule qu'être central c'est être relié aux autres en ligne droite. La deuxième, sans doute plus intuitive, est intitulée centricité ("closeness centrality") et exprime le fait qu'être central c'est être proche des autres (fig. 1, II). Les méthodes développées ont pour but d'évaluer la connectivité et la marchabilité du réseau, tout en suggérant de possibles améliorations (création de raccourcis piétons). Le troisième et dernier volet théorique expose et développe un algorithme de transport optimal régularisé. En minimisant la distance domicile-école et en respectant la taille des écoles, l'algorithme permet de réaliser des scénarios d'enclassement. L'implémentation des multiplicateurs de Lagrange offre une visualisation du "coût spatial" des infrastructures scolaires et des lieux de résidence des écoliers. La deuxième partie de cette thèse retrace les aspects principaux de trois projets réalisés dans le cadre de la gestion scolaire. À savoir : la conception d'un système d'attribution de subventions pour les transports publics, la redéfinition de la carte scolaire, ou encore la simulation des flux d'élèves se rendant à l'école à pied. *** May it be from an urbanistic, a social or from a governance point of view, the evolution of cities is a major challenge in our contemporary societies. By giving the opportunity to analyse spatial and social configurations or attempting to simulate future ones, geographic information systems cannot be overlooked in urban planning and management. In five years, the population of the city of Lausanne has grown from 134'700 to 140'570 inhabitants while the numbers in public schools have increased from 12'200 to 13'500 students. Associated to a considerable harmonisation process of compulsory schooling in Switzerland, this demographic rise has driven schooling services, in collaboration with the University of Lausanne, to set up and develop GIS capable of tackling various spatial issues. Established in 1989, the school districts had to be altered so that they might fit the reality of a continuously changing urban and political landscape. In a context of mobility and durability, an attribution system for public transport subventions based on the distance between residence and school and on the age of the students was designed. The implementation of these projects required the built of geographical databases as well as the elaboration of new analysis methods exposed in this thesis. The first part of this work focuses on the analysis of the city's pedestrian network. Its morphology is investigated through multi-scale approaches of the concept of centrality. The first conception, named the straightness centrality, stipulates that being central is being connected to the others in a straight line. The second, undoubtedly more intuitive, is called closeness centrality and expresses the fact that being central is being close to the others. The goal of the methods developed is to evaluate the connectivity and walkability of the network along with suggesting possible improvements (creation of pedestrian shortcuts).The third and final theoretical section exposes and develops an algorithm of regularised optimal transport. By minimising home to school distances and by respecting school capacity, the algorithm enables the production of student allocation scheme. The implementation of the Lagrange multipliers offers a visualisation of the spatial cost associated to the schooling infrastructures and to the student home locations. The second part of this thesis recounts the principal aspects of three projects fulfilled in the context of school management. It focuses namely on the built of an attribution system for public transport subventions, a school redistricting process and on simulating student pedestrian flows.

Pretraining Convolutional Neural Networks for Visual Recognition

Convolutional Neural Networks (CNN) have become the state-of-the-art methods on many large scale visual recognition tasks. For a lot of practical applications, CNN architectures have a restrictive requirement: A huge amount of labeled data are needed for training. The idea of generative pretraining is to obtain initial weights of the network by training the network in a completely unsupervised way and then fine-tune the weights for the task at hand using supervised learning. In this thesis, a general introduction to Deep Neural Networks and algorithms are given and these methods are applied to classification tasks of handwritten digits and natural images for developing unsupervised feature learning. The goal of this thesis is to find out if the effect of pretraining is damped by recent practical advances in optimization and regularization of CNN. The experimental results show that pretraining is still a substantial regularizer, however, not a necessary step in training Convolutional Neural Networks with rectified activations. On handwritten digits, the proposed pretraining model achieved a classification accuracy comparable to the state-of-the-art methods.

Analyse multi-échelle des champs magnétiques dans des nuages moléculaires à structures filmentaires

Associée à d'autres techniques observationnelles, la polarimétrie dans le visible ou dans le proche infrarouge permet d'étudier la morphologie des champs magnétiques à la périphérie de nombreuses régions de formation stellaire. A l'intérieur des nuages molécualires la morphologie des champs est connue par polarimétrie submillimétrique, mais rarement pour les mêmes régions. Habituellement, il manque une échelle spatiale intermédiaire pour pouvoir comparer correctement la morphologie du champ magnétique galactique avec celle située à l'intérieur des nuages moléculaires. -- Cette thèse propose les moyens nécessaires pour réaliser ce type d'analyse multi-échelle afin de mieux comprendre le rôle que peuvent jouer les champs magnétiques dans les processus de formation stellaire. La première analyse traite de la région GF 9. Vient ensuite une étude de la morphologie du champ magnétique dans les filaments OMC-2 et OMC-3 suivie d'une analyse multi-échelle dans le complexe de nuages moléculaires Orion A dont OMC-2 et OMC-3 font partie. -- La synthèse des résultats couvrant GF 9 et Orion A est la suivante. Les approches statistiques employées montrent qu'aux grandes échelles spatiales la morphologie des champs magnétiques est poloïdale dans la région GF 9, et probablement hélicoïdale dans la région Orion A. A l'échelle spatiale des enveloppes des nuages moléculaires, les champs magnétiques apparaissent alignés avec les champs situés à leur périphérie. A l'échelle spatiale des coeurs, le champ magnétique poloïdal environnant la région GF 9 est apparemment entraîné par le coeur en rotation, et la diffusion ambipolaire n'y semble pas effective actuellement. Dans Orion A, la morphologie des champs est difficilement détectable dans les sites actifs de formation d'OMC-2, ou bien très fortement contrainte par les effets de la gravité dans OMC-1. Des effets probables de la turbulence ne seont détectés dans aucune des régions observées. -- Les analyses multi-échelles suggèrent donc qu'indépendamment du stade évolutif et de la gamme de masse des régions de formation stellaires, le champ magnétique galactique subit des modifications de sa morphologie aux échelles spatiales comparables à celles des coeurs protostellaires, de la même façon que les propriétés structurelles des nuages moléculaires suivent des lois d'autosimilarité jusqu'à des échelles comparables à celles des coeurs.

Développement d’une méthode de simulation multi-échelle pour l’étude des grandes transformations dans les protéines

Les films de simulations qui accompagnent le document ont été réalisés avec Pymol.

Apprentissage de représentations musicales à l'aide d'architectures profondes et multiéchelles

L'apprentissage machine (AM) est un outil important dans le domaine de la recherche d'information musicale (Music Information Retrieval ou MIR). De nombreuses tâches de MIR peuvent être résolues en entraînant un classifieur sur un ensemble de caractéristiques. Pour les tâches de MIR se basant sur l'audio musical, il est possible d'extraire de l'audio les caractéristiques pertinentes à l'aide de méthodes traitement de signal. Toutefois, certains aspects musicaux sont difficiles à extraire à l'aide de simples heuristiques. Afin d'obtenir des caractéristiques plus riches, il est possible d'utiliser l'AM pour apprendre une représentation musicale à partir de l'audio. Ces caractéristiques apprises permettent souvent d'améliorer la performance sur une tâche de MIR donnée. Afin d'apprendre des représentations musicales intéressantes, il est important de considérer les aspects particuliers à l'audio musical dans la conception des modèles d'apprentissage. Vu la structure temporelle et spectrale de l'audio musical, les représentations profondes et multiéchelles sont particulièrement bien conçues pour représenter la musique. Cette thèse porte sur l'apprentissage de représentations de l'audio musical. Des modèles profonds et multiéchelles améliorant l'état de l'art pour des tâches telles que la reconnaissance d'instrument, la reconnaissance de genre et l'étiquetage automatique y sont présentés.

Cuando creces, yo crezco contigo”: La configuración de áreas de protección ambiental y de subjetividades en el Humedal de Córdoba y la vereda El Verjón Bajo

La configuración de lugares como áreas de protección ambiental puede ser vista como un proceso técnico y objetivo, en el que se crean políticas públicas que definen prácticas adecuadas e inadecuadas en el lugar. Pero esta configuración es un proceso histórico y negociado. Este se construye en contante diálogo entre diferentes actores que se preocupan por definir qué es la naturaleza y el cuidado ambiental, y las percepciones que individuos que habitan en o cerca a estos lugares construyen en su diario vivir. Es así como la configuración socioambiental de lugares como áreas de protección ocurre por transformaciones en la forma de percibir un lugar, la relaciones con este y sobre todo, prácticas y relaciones que se traducen en formas de negociar nociones de naturaleza y cuidado ambiental. Esta negociación tiene grandes implicaciones en los individuos, particularmente en su subjetividad. Es decir, en hechos como la forma de nombrarlo, caminarlo, observar las especies, iniciar proyectos de agricultura orgánica, cambiar prácticas productivas, el cerramiento de zonas para proteger las fuentes de agua o zonas de vegetación. También sobre su subjetividad, la manera como se sienten frente al lugar, como juzgan sus acciones y las de otros y cómo construyen objetivos personales con respecto a la idea de cuidado ambiental.

International public goods through integrated natural resources management research in CGIAR partnerships

The CGIAR System conducts research to produce international public goods (IPG) that are of wide applicability creating a scientific base which speeds and broadens local adaptive development. Integrated natural resources management (INRM) research is sometimes seen to be very location specific and consequently does not lend itself readily to the production of IPGs. In this paper we analyse ways in which strategic approaches to INRM research can have broad international applicability and serve as useful foundations for the development of locally adapted technologies. The paper describes the evolution of the IPG concept within the CGIAR and elaborates on five major types of IPGs that have been generated from a varied set of recent INRM research efforts. CGIAR networks have both strengths and weaknesses in INRM research and application, with enormous differences in relative research and development capacities, responsibilities and data access of its partners, making programme process evolution critical to acceptance and participation. Many of the lessons learnt regarding challenges and corresponding IPG research approaches are relevant to designing and managing future multi-scale, multi-locational, coordinated INRM programmes involving broad-based partnerships to address complex environmental and livelihood problems for development.

High throughput profile-profile based fold recognition for the entire human proteome

BACKGROUND: In order to maintain the most comprehensive structural annotation databases we must carry out regular updates for each proteome using the latest profile-profile fold recognition methods. The ability to carry out these updates on demand is necessary to keep pace with the regular updates of sequence and structure databases. Providing the highest quality structural models requires the most intensive profile-profile fold recognition methods running with the very latest available sequence databases and fold libraries. However, running these methods on such a regular basis for every sequenced proteome requires large amounts of processing power.In this paper we describe and benchmark the JYDE (Job Yield Distribution Environment) system, which is a meta-scheduler designed to work above cluster schedulers, such as Sun Grid Engine (SGE) or Condor. We demonstrate the ability of JYDE to distribute the load of genomic-scale fold recognition across multiple independent Grid domains. We use the most recent profile-profile version of our mGenTHREADER software in order to annotate the latest version of the Human proteome against the latest sequence and structure databases in as short a time as possible. RESULTS: We show that our JYDE system is able to scale to large numbers of intensive fold recognition jobs running across several independent computer clusters. Using our JYDE system we have been able to annotate 99.9% of the protein sequences within the Human proteome in less than 24 hours, by harnessing over 500 CPUs from 3 independent Grid domains. CONCLUSION: This study clearly demonstrates the feasibility of carrying out on demand high quality structural annotations for the proteomes of major eukaryotic organisms. Specifically, we have shown that it is now possible to provide complete regular updates of profile-profile based fold recognition models for entire eukaryotic proteomes, through the use of Grid middleware such as JYDE.

Caracterização multi-escalar de bandas de deformação nas tectonossequências paleozóica, pré- e sin-rifte da Bacia do Araripe, Nordeste do Brasil

Deformation bands are structures, developed in porous sandstones, that has small offsets and they are not shown on seismic section. The deformation bands of the pre and synrift sandstones of Araripe Basin were studied in outcrop, macroscopic and microscopic scales. The hierarchical, cinematic and spatial-geometric characteristics, and also the deformational mechanisms acting during its structural evolution were established too. In general, the mesoscopic scale observation allowed to discriminate deformation bands as singles or clusters in three main sets: NNE-SSW dextral; NE-SW normal (sometimes with strike-slip offset); and E-W sinistral; further a bed-parallel deformation bands as a local set. The microscopic characterization allowed to recognize the shearing and cataclastic character of such structures. Through the multi-scale study done in this work we verified that deformation bands analyzed were preferentially developed when sandstones under advanced stage of lithification. We also infer that the geometrical-spatial complexity of these bands, together with the presence of cataclastic matrix, can difficult the migration of fluids in reservoir rocks, resulting on their compartmentalization. Therefore, the study of deformation bands can aid researches about the structural evolution of sedimentary basin, as well as collaborate to understand the hydrodynamic behavior of reservoirs compartmented by these deformational structures

Sistemas orbitais e aéreos aplicados à análise multi-escala da tectônica rúptil atuante na borda sudeste da Bacia do Parnaíba

The tectonics activity on the southern border of Parnaíba Basin resulted in a wide range of brittle structures that affect siliciclastic sedimentary rocks. This tectonic activity and related faults, joints, and folds are poorly known. The main aims of this study were (1) to identify lineaments using several remotesensing systems, (2) to check how the interpretation based on these systems at several scales influence the identification of lineaments, and (3) to contribute to the knowledge of brittle tectonics in the southern border of the Parnaíba Basin. The integration of orbital and aerial systems allowed a multi-scale identification, classification, and quantification of lineaments. Maps of lineaments were elaborated in the following scales: 1:200,000 (SRTM Shuttle Radar Topographic Mission), 1:50,000 (Landsat 7 ETM+ satellite), 1:10,000 (aerial photographs) and 1:5,000 (Quickbird satellite). The classification of the features with structural significance allowed the determination of four structural sets: NW, NS, NE, and EW. They were usually identified in all remote-sensing systems. The NE-trending set was not easily identified in aerial photographs but was better visualized on images of medium-resolution systems (SRTM and Landsat 7 ETM+). The same behavior characterizes the NW-trending. The NS-and EW-trending sets were better identified on images from high-resolution systems (aerial photographs and Quickbird). The structural meaning of the lineaments was established after field work. The NEtrending set is associated with normal and strike-slip faults, including deformation bands. These are the oldest structures identified in the region and are related to the reactivation of Precambrian basement structures from the Transbrazilian Lineament. The NW-trending set represents strike-slip and subordinated normal faults. The high dispersion of this set suggests a more recent origin than the previous structures. The NW-trending set may be related to the Picos-Santa Inês Lineament. The NS-and EW-trending sets correspond to large joints (100 m 5 km long). The truncation relationships between these joint sets indicate that the EW-is older than the NS-trending set. The methodology developed by the present work is an excellent tool for the understanding of the regional and local tectonic structures in the Parnaíba basin. It helps the choice of the best remote-sensing system to identify brittle features in a poorly known sedimentary basin

Segmentação morfológica aplicada à cartografia

Pós-graduação em Ciências Cartográficas - FCT

Aplicação de dados multisensor (SAR e ETM+) no reconhecimento de padrões de uso e ocupação do solo em costas tropicais: Costa Amazônica, Amapá, Brasil

Os estudos ambientais necessitam de informações sobre a cobertura e o uso da terra. Este trabalho apresenta a aplicação de dados de sensores remotos orbitais (óticos e de radares) na validação de padrões de uso e cobertura do solo na planície costeira amapaense para fins de mapeamento e reconhecimento da dinâmica natural e antrópica. Esta costa é submetida a uma dinâmica intensa devido à magnitude dos processos costeiros (marés-pororoca), sua localização geográfica, influenciada pelo rio Amazonas e pela Zona de Convergência Intertropical, e processos antrópicos associados à bubalinocultura. A análise foi realizada aplicando-se dados de satélite (JERS-1, RADARSAT-1, Landsat 7 e DEM do SRTM) digitalmente processados em abordagem multisensor, multiescala e multitemporal, correlacionada com dados pretéritos e informações de campo. A análise dos produtos gerados e dados colaterais permitiu distinguir oito padrões de uso e cobertura do solo: florestas de mangue, florestas de várzeas, campos arbustivos, áreas de vegetação campestre, campo antrópico, zona de intermaré, canal estuarino e lagos, além de feições morfológicas lineares associadas a estes padrões. Estas informações são importantes para o mapeamento dos ambientes costeiros e fundamentais para o reconhecimento da dinâmica na região.

Influências multi-escala da paisagem e limiar da fragmentação em morcegos no cerrado

Pós-graduação em Ciências Biológicas (Zoologia) - IBRC