L’agriculture doit aujourd'hui évoluer vers des systèmes à la fois performants, écologiques et durables. Ce travail a permis d’évaluer pour 53 parcelles agricoles, représentatives de systèmes en agriculture conventionnelle, biologique et de conservation, les déterminants agroécologiques sous-tendant l’expression d’un panel de services intrants (de régulation et de support) d’une part, et produits (environnementaux ou participant au revenu agricole) d’autre part, ainsi que les compromis éventuels entre ces derniers. Ce travail met ainsi en avant la prédominance des caractéristiques locales et des pratiques agricoles sur le contexte paysager pour l’expression des services intrants. Par ailleurs, ce travail illustre la possibilité de s’affranchir de l’antagonisme entre productivité et performance environnementale par le biais d’agricultures misant sur des intrants écologiques plutôt qu’industriels, notamment via l’agriculture de conservation. / To attain economic and ecological sustainability, agroecological intensification of agriculture is required. This work propose a case study of 53 crop fields managed through conventional, organic or conservation agriculture, to assess the agroecological determinants of a panel of ecosystem services. We first assessed the expression of input services, combining various regulation and supports services. We then study some production services whether contributing to agricultural income or not. The last part of this work was to assess the existence of potential bundles or tradeoffs within these services under each type of agriculture. One of the main finding was the prevalence of local parameters and practices over landscape context on some regulation services. Overall, this work offers a detailed illustration of the ability for agricultures relying on ecological inputs as substitute to industrial ones, to overcome the apparent antagonism between productivity and environmental performances.

Les mutations de la société au cours du dernier siècle ont de fortes répercussions sur le fonctionnement de la majorité des écosystèmes. Notre société fait face à un paradoxe complexe défini par la nécessité de satisfaire des conditions de vie décentes d’une population mondiale croissante tout en limitant les impacts négatifs sur les écosystèmes. Le concept de service écosystémique a été proposé pour accompagner la résolution de ce paradoxe et de nombreuses attentes reposent sur ce concept. Mon travail de thèse a pour objectifs d’évaluer les apports actuels de la cartographie des services écosystémiques pour caractériser les patrons spatiaux et déterminants de la multifonctionnalité des territoires.Dans le chapitre I nous proposons une analyse des associations entre le service de production agricole et quatre services de régulation au niveau des surfaces agricoles de la région Rhône-Alpes (France). Ce travail nous permet de revenir sur la définition des compromis et synergies entre services écosystémiques aussi bien que sur le concept de bouquet de services écosystèmiques. Par ailleurs, en s’inspirant du concept de niche écologique pour les espèces, nous évaluons l’adéquation spatiale entre la fourniture de services écosystèmiques et les caractéristiques socio-écologiques des milieux (i.e. leur niche socio-écologique). Nos résultats révèlent une grande variabilité dans les associations entre le service de production agricole et les services de régulation. Cette observation souligne le poids des modalités de gestion agricole dans l’orientation des associations entre services écosystèmiques. Par ailleurs, nous soulevons de nombreuses interrogations vis-à-vis de la robustesse des analyses courantes des bouquets de services écosystèmiques.L’influence de la résolution spatiale des données de modélisation sur la cartographie des services écosystèmiques est évaluée dans le chapitre II. Pour cela nous comparons les cartes utilisées dans le premier chapitre avec les informations apportées par un projet de cartographie de services écosystèmiques à haute résolution spatiale sur la région de Grenoble (projet ESNET). Cette analyse alimente une réflexion sur les limites des modèles utilisés pour cartographier les services écosystémiques.Dans le but d’améliorer la modélisation des services écosystémiques fournis par les terres agricoles, nous développons dans le chapitre III, une approche basée sur la télédétection pour cartographier l’utilisation des terres agricoles dans la région de Grenoble. L’utilisation conjointe de données satellitaires MODIS et RapidEye nous permet de déterminer les successions culturales sur 5 années à la résolution de la parcelle agricole. Validée par les données du registre parcellaire graphique, l’utilisation de ces données spatialement explicites améliore significativement notre capacité de cartographie de la production agricole et pourrait être utilisée pour cartographier de nombreux autres services écosystèmiques.Alors que le chapitre III est focalisé sur l’utilisation de la télédétection pour la cartographie de l’utilisation des terres agricoles, le chapitre IV propose une synthèse des autres utilisations des données de télédétection pouvant potentiellement contribuer à la modélisation des services écosystémiques. Ce travail est une mise en correspondance entre les capacités des approches de télédétection et les besoins des modélisateurs de services écosystémiques, sur la base d’une analyse bibliographique d’un large panel d’études de cartographie des services écosystémiques / Societal changes over the last century have strongly affected the majority of ecosystem dynamics. Our society is facing a complex paradox: how to maintain decent livelihoods for the world population while limiting negative effects of human activities on ecosystems? The concept of ecosystem services has been proposed to contribute to the solving of this paradox and it holds strong expectations. My PhD research aims at assessing the contribution of ecosystem services mapping to the definition of patterns and drivers of landscape multifunctionality.Chapter I analyses the spatial associations between the agricultural production service and four regulating services over the agricultural lands of the Rhône-Alpes region (France). This work allows us to insist on the ways trade-off and synergies between ecosystem services are defined as well as on the characterization of bundles of ecosystem services. Furthermore, taking advantage of the "ecological niches” concept usually applied to biodiversity, we assess spatial matching between the supply of ecosystem services and the socio-ecological specificities of associated areas, i.e. their social-ecological niche. Our results highlight a large variability concerning associations between agricultural production and regulating services, which illustrates the strong influence of farming practices (e.g., in terms of intensity) in defining the strength of associations between multiple services. In addition, we raised the issue of the robustness of standard statistical analyses to consistently identify bundles of ecosystem services.Chapter II assesses the influence of spatial resolution of modeled data on ecosystem services mapping. To this end, we compare the maps used in the first chapter with high spatial resolution data provided at Grenoble area scale (in the context of the ESNET project). Based on this comparison, we discuss the limits of models used to map ecosystem services.To improve the mapping of ecosystem services supplied by agricultural areas, we propose, in chapter III, a remote sensing-based approach to map agricultural land uses at high resolution on Grenoble region. Simultaneous use of MODIS and Rapideye satellite data allows us to determine cropping successions for 5 years at farming plot scale. These spatially explicit data significantly improved our abilities to map agricultural productions and may be used to map several other ecosystem services.To complete the third chapter, chapter IV gives a synthesis of remote sensing approaches that could be used to map ecosystem services, focusing on methods that are not linked to land uses identification. Based on a wide panel of ecosystem services mapping studies, we highlight data currently needed to map ecosystem services. Then we bridge these needs and the potential of remote sensing approaches for ecosystem services modelers.

Les prairies permanentes sont reconnues pour les nombreux services agronomiques et environnementaux qu’elles fournissent. Cependant, elles sont aujourd’hui encore retournées ou menacées de l’être au profit de productions plus rentables, ou abandonnées dans le cas des prairies humides où les conditions d’exploitation sont soumises à de nombreuses contraintes. Concilier objectifs de production et environnementaux afin de maintenir une activité agricole extensive au sein des prairies temporaires s’avère alors indispensable. Dans ce contexte, des études multi-services ont été réalisées au sein des prairies humides du Parc Naturel Régional (PNR) des marais du Cotentin et du Bessin (Normandie) ainsi que dans des prairies mésophilesaux conditions pédoclimatiques contrastées situées en Normandie, en Lorraine et en Auvergne. L’étude s’est focalisée sur 3 catégories de services écosystémiques (SE) telles que définis par le Millenium Ecosystem Assessment: la diversité floristique et fonctionnelle comme services de support, la qualité et la production du fourrage comme services d’approvisionnement et les stocks de carbone organique et les teneurs en carbone soluble du sol comme services de régulation. Afin de mettre en évidence la part du fonctionnement des communautés végétales dans le déterminisme des SE, la mesure de traits fonctionnels foliaires a été réalisée à l’échelle de l’espèce et/ou de la communauté végétale. Une partie de ces travaux se focalise sur les relations entre le fonctionnement des communautés végétales et la qualité du fourrage ainsi que l’impact des conditions hydriques du solsur les teneurs en micronutriments des espèces dans les prairies humides.Les résultats ont mis en évidence, qu’en fonction du groupe fonctionnel considéré, le SLA ou le LDMC étaient de bons proxies de la digestibilité des fourrages des prairieshumides. Les dicotylédones ont des teneurs en micronutriments plus élevées que les monocotylédones. Nos résultats montrent que l’inondation influence plus la composition élémentaire des espèces intolérantes aux inondations que les espèces adaptées et qu’elle n’a pas incidence sur la production de biomasse. De manière générale, le fonctionnement des communautés végétales n’explique pas à lui seul les relations entre les SE. La qualité du fourrage est liée au fonctionnement des communautés végétales ainsi qu’à la diversité floristique et fonctionnelle mais seulement en prairies humides. En prairies mésophiles, l’historique de la gestion ou la structure du paysage pourrait être déterminants. Par ailleurs, nos résultats montrent que les stocks de C organique dans le sol des prairies mésophiles et humides sont étroitement liés à sa nature.Les indicateurs des SE combinent les prairies humides en 4 groupes distincts en selon la nature du sol et la gestion (fauche ou pâturage). Globalement, les bouquets de services rendus par les prairies humides sont mieux équilibrés que ceux rendus par les prairies mésophiles, ces derniers ne se distinguant pas les uns des autres selon la localisation géographique des prairies mésophiles. Les prairies gérées de manière extensive fournissent de meilleurs services environnementaux que des prairies gérées de manière intensive et une qualité fourragère équivalente. / Permanent grasslands are recognized for the many agronomic and environmental services they provide. However, they are still plowed or threatened to be in favor of more productive cultures, or abandoned in the case of wet grasslands, where the conditions of exploitation are subjected to many constraints. Reconciling production and environmental objectives in order to maintain extensive agricultural activities is therefore essential in permanent grasslands. In this context, multi-service studies have been carried out in the wet grasslands of the Regional Natural Park (PNR) of the Cotentin and Bessin marshes (Normandy, France) as well as in a set of mesophilous grasslandsofcontrasting pedoclimatic conditions located in Normandy, Lorraine and Auvergne. The study focused on 3 categories of Ecosystem Services (ES) as defined by the Millennium Ecosystem Assessment: floristic and functional diversity as support services, quality and forage production as supply services and stocks of organic carbon and soluble carbon soil contents as regulatory services. In order to analyzethe role of plant community functioning in the ES determinism, the measurement of leaf functional traits was carried out at the species and/or the plant community scales. Part of this work focuses particularly on the relationships between plant communities functioning and forage quality, and soil moisture conditions impact on micronutrient contents of species in wet grasslands. The results showed that, depending on the functional group, SLA or LDMC were good proxies for the digestibility of wet grassland forages. Dicots have higher micronutrient contents than Monocots. Our results show that flooding influences the elemental composition of flood-intolerant species more than adapted species and does not affect biomass production. In general, the plant community functioning does not explain all the relationship between ESs. Forage quality is linked to the plant community functioning as well as thefloristic and functional diversity but only forwet grasslands. In mesophilic grasslands, the history of management or the landscape structure could be important drivers. In addition, our results show that organic C stocks in the soil of wet and mesophilic grasslands are closely related to soil nature. ESs indicators have brought together 4 distinct groups of wet grasslands according to soil nature and management practices (mowing or grazing). Overall, the ESs packages offered by wet grasslands are better balanced than those provided by mesophilic grasslands, the latter being indistinguishable from another according to the geographical location. Extensively managed grasslands provide better environmental services than intensively managed grasslands and equivalent forage quality.

Dans un contexte de changement climatique global et d'évolution locale de l'usage des terres, le devenir des paysages culturels des Alpes françaises, façonnés au cours des siècles par les interactions mutuelles entre sociétés et environnement, apparaît incertain. Dans le même temps, les écosystèmes qui les constituent abritent une biodiversité riche et sont à l'origine de nombreuses ressources naturelles et fonctions écologiques dont bénéficient les populations humaines. Ces ressources et fonctions sont conceptualisées sous le terme de « services écosystémiques » et font aujourd'hui l'objet d'une attention accrue dans la gestion et la protection des ressources environnementales, au même titre que la biodiversité. L'identification des facteurs liés à leur maintien, en termes écologiques, socio-culturels et politiques, est une étape nécessaire à leur gestion durable, bien qu'encore insuffisamment explorée. Mon projet de thèse visait à accroître la compréhension des interactions positives (synergies) et négatives (antagonismes) entre services écosystémiques et biodiversité via une approche multidimensionnelle du socio-écosystème des Alpes françaises. - Le Chapitre I propose une approche biophysique quantitative et spatialisée de la multifonctionnalité des écosystèmes. Suite à une étape de modélisation, les patrons spatiaux de synergie et d'antagonisme entre services et biodiversité ont été explorés statistiquement et reliés à des enjeux de gouvernance actuels à différentes échelles. Ce travail a permis d'identifier les bouquets de services écosystémiques représentatifs des différentes conditions biogéographiques, de gestion et de d'hétérogénéité du paysage représentées dans le massif. - Cette approche est complétée dans le Chapitre II par une représentation qualitative des relations d'influence entre services écosystémiques et biodiversité, ainsi que de leurs liens avec d'autres variables écologiques et sociales. Nous avons considéré explicitement les dimensions multiples englobées par le concept de service écosystémique (leurs ‘facettes') et proposons un cadre conceptuel pour en cartographier les réseaux d'influence. Ce cadre a servi de base à l'analyse d'un processus consultatif que nous avons mené auprès d'acteurs du territoire. Les analyses ont mis en lumière leur perception globale des relations d'influence importantes au sein du socio-écosystème. - Afin de mieux comprendre les régulations sociales appliquées à la gestion environnementale, nous testons dans le Chapitre III une méthodologie d'analyse de l'efficacité environnementale d'instruments de gouvernance. Notre analyse a privilégié un nombre restreint d'instruments qui encadrent actuellement les interactions entre agriculture, tourisme et biodiversité. L'utilisation d'un ensemble d'indicateurs de performance et d'adéquation avec le cadre socio-culturel et de gouvernance a souligné l'articulation complexe des instruments entre eux et a abouti à la production d'une synthèse pour les décideurs (‘policy brief'). - Le Chapitre IV explore enfin certains enjeux conceptuels et éthiques de la recherche dans le domaine des services écosystémiques. Après une réflexion générale sur les relations entre science et société, je propose une évaluation réflexive et personnelle des projets de recherche auxquels j'ai contribué. Pour conclure, je propose une vision transversale du socio-écosystème alpin mettant en lumière les enjeux majeurs identifiés par les différentes analyses. / In the context of global climate change and local land use changes, the future of the French Alps cultural landscapes, shaped through long-lasting and mutual interactions between human and their environment, appears uncertain. Simultaneously, the ecosystems constituting alpine landscapes host a rich biodiversity and provide the many natural resources and ecological functions that benefit to human societies. These resources and functions are conceptualised as “ecosystem services” and currently attract an increasing attention for the management and the conservation of environmental resources, along with biodiversity. Identifying the variables linked to their maintenance, in ecological, socio-cultural and political terms, is a necessary step of their sustainable management, and yet is still under-explored. My PhD project aimed at increasing the understanding of positive (synergies) and negative (trade-offs) interactions among ecosystem services and biodiversity through a multi-dimensional approach of the French Alps social-ecological system. - In Chapter I, I present a quantitative and spatially explicit biophysical assessment of ecosystem multifunctionality. After a modelling step, we explored spatial patterns of trade-offs and synergies among ecosystem services and biodiversity using a series of statistical analyses of increasing complexity. Results were structured to provide insights for sound environmental governance at multiple scales. We identified various bundles of ecosystem services representative of the different conditions across the French Alps massif in terms of biogeography, management and landscape heterogeneity. - This approach is complemented in Chapter II by a qualitative representation of influence relationships among ecosystem services and biodiversity that also accounts for additional ecological and social variables. We explicitly considered the multiple dimensions encompassed by the ecosystem service concept (their ‘facets') and proposed an innovative conceptual framework to represent their influence networks. This framework was applied to analyse a consultative process that we carried out with stakeholders of regional expertise. This analysis highlighted their general perception of important influence relationships in the alpine social ecological system. - In order to better understand social regulations linked to environmental governance, we test in Chapter III a methodology for assessing the environmental effectiveness of policy instruments. We concentrated on a restricted set of instruments regulating the interactions between biodiversity, agriculture and outdoor tourism. The consideration of multiple indicators assessing the performance and the fit with the socio-cultural and governance setting highlighted the complex articulation of instruments within the broader policy mix. Results were synthesised in a policy brief targeting regional decision-makers. - Chapter IV is conceived as my personal exploration of the conceptual and ethical issues linked to research on ecosystem services. Following some general thinking on the relations between environmental sciences and society, I conducted a personal reflexive assessment of the research projects I contributed to. To conclude, I propose a synthetic vision of the alpine social-ecological system and discuss the major issues revealed throughout the analyses.

Dans un contexte de changement climatique global et d'évolution locale de l'usage des terres, le devenir des paysages culturels des Alpes françaises, façonnés au cours des siècles par les interactions mutuelles entre sociétés et environnement, apparaît incertain. Dans le même temps, les écosystèmes qui les constituent abritent une biodiversité riche et sont à l'origine de nombreuses ressources naturelles et fonctions écologiques dont bénéficient les populations humaines. Ces ressources et fonctions sont conceptualisées sous le terme de « services écosystémiques » et font aujourd'hui l'objet d'une attention accrue dans la gestion et la protection des ressources environnementales, au même titre que la biodiversité. L'identification des facteurs liés à leur maintien, en termes écologiques, socio-culturels et politiques, est une étape nécessaire à leur gestion durable, bien qu'encore insuffisamment explorée. Mon projet de thèse visait à accroître la compréhension des interactions positives (synergies) et négatives (antagonismes) entre services écosystémiques et biodiversité via une approche multidimensionnelle du socio-écosystème des Alpes françaises. - Le Chapitre I propose une approche biophysique quantitative et spatialisée de la multifonctionnalité des écosystèmes. Suite à une étape de modélisation, les patrons spatiaux de synergie et d'antagonisme entre services et biodiversité ont été explorés statistiquement et reliés à des enjeux de gouvernance actuels à différentes échelles. Ce travail a permis d'identifier les bouquets de services écosystémiques représentatifs des différentes conditions biogéographiques, de gestion et de d'hétérogénéité du paysage représentées dans le massif. - Cette approche est complétée dans le Chapitre II par une représentation qualitative des relations d'influence entre services écosystémiques et biodiversité, ainsi que de leurs liens avec d'autres variables écologiques et sociales. Nous avons considéré explicitement les dimensions multiples englobées par le concept de service écosystémique (leurs ‘facettes') et proposons un cadre conceptuel pour en cartographier les réseaux d'influence. Ce cadre a servi de base à l'analyse d'un processus consultatif que nous avons mené auprès d'acteurs du territoire. Les analyses ont mis en lumière leur perception globale des relations d'influence importantes au sein du socio-écosystème. - Afin de mieux comprendre les régulations sociales appliquées à la gestion environnementale, nous testons dans le Chapitre III une méthodologie d'analyse de l'efficacité environnementale d'instruments de gouvernance. Notre analyse a privilégié un nombre restreint d'instruments qui encadrent actuellement les interactions entre agriculture, tourisme et biodiversité. L'utilisation d'un ensemble d'indicateurs de performance et d'adéquation avec le cadre socio-culturel et de gouvernance a souligné l'articulation complexe des instruments entre eux et a abouti à la production d'une synthèse pour les décideurs (‘policy brief'). - Le Chapitre IV explore enfin certains enjeux conceptuels et éthiques de la recherche dans le domaine des services écosystémiques. Après une réflexion générale sur les relations entre science et société, je propose une évaluation réflexive et personnelle des projets de recherche auxquels j'ai contribué. Pour conclure, je propose une vision transversale du socio-écosystème alpin mettant en lumière les enjeux majeurs identifiés par les différentes analyses. / In the context of global climate change and local land use changes, the future of the French Alps cultural landscapes, shaped through long-lasting and mutual interactions between human and their environment, appears uncertain. Simultaneously, the ecosystems constituting alpine landscapes host a rich biodiversity and provide the many natural resources and ecological functions that benefit to human societies. These resources and functions are conceptualised as “ecosystem services” and currently attract an increasing attention for the management and the conservation of environmental resources, along with biodiversity. Identifying the variables linked to their maintenance, in ecological, socio-cultural and political terms, is a necessary step of their sustainable management, and yet is still under-explored. My PhD project aimed at increasing the understanding of positive (synergies) and negative (trade-offs) interactions among ecosystem services and biodiversity through a multi-dimensional approach of the French Alps social-ecological system. - In Chapter I, I present a quantitative and spatially explicit biophysical assessment of ecosystem multifunctionality. After a modelling step, we explored spatial patterns of trade-offs and synergies among ecosystem services and biodiversity using a series of statistical analyses of increasing complexity. Results were structured to provide insights for sound environmental governance at multiple scales. We identified various bundles of ecosystem services representative of the different conditions across the French Alps massif in terms of biogeography, management and landscape heterogeneity. - This approach is complemented in Chapter II by a qualitative representation of influence relationships among ecosystem services and biodiversity that also accounts for additional ecological and social variables. We explicitly considered the multiple dimensions encompassed by the ecosystem service concept (their ‘facets') and proposed an innovative conceptual framework to represent their influence networks. This framework was applied to analyse a consultative process that we carried out with stakeholders of regional expertise. This analysis highlighted their general perception of important influence relationships in the alpine social ecological system. - In order to better understand social regulations linked to environmental governance, we test in Chapter III a methodology for assessing the environmental effectiveness of policy instruments. We concentrated on a restricted set of instruments regulating the interactions between biodiversity, agriculture and outdoor tourism. The consideration of multiple indicators assessing the performance and the fit with the socio-cultural and governance setting highlighted the complex articulation of instruments within the broader policy mix. Results were synthesised in a policy brief targeting regional decision-makers. - Chapter IV is conceived as my personal exploration of the conceptual and ethical issues linked to research on ecosystem services. Following some general thinking on the relations between environmental sciences and society, I conducted a personal reflexive assessment of the research projects I contributed to. To conclude, I propose a synthetic vision of the alpine social-ecological system and discuss the major issues revealed throughout the analyses.

Over the last four decades, relational database systems, with their mathematical basis in first-order logic, have provided a congenial and efficient environment to handle enterprise data during its entire life cycle of generation, storage, maintenance and processing. An organic reason for their pervasive popularity is intrinsic support for declarative user queries, wherein the user only specifies the end objectives, and the system takes on the responsibility of identifying the most efficient means, called “plans”, to achieve these objectives. A crucial input to generating efficient query execution plans are the compile-time estimates of the data volumes that are output by the operators implementing the algebraic predicates present in the query. These volume estimates are typically computed using the “selectivities” of the predicates. Unfortunately, a pervasive problem encountered in practice is that these selectivities often differ significantly from the values actually encountered during query execution, leading to poor plan choices and grossly inflated response times. While the database research community has spent considerable efforts to address the above challenge, the prior techniques all suffer from a systemic limitation - the inability to provide any guarantees on the execution performance. In this thesis, we materially address this long-standing open problem by developing a radically different query processing strategy that lends itself to attractive guarantees on run-time performance. Specifically, in our approach, the compile-time estimation process is completely eschewed for error-prone selectivities. Instead, from the set of optimal plans in the query’s selectivity error space, a limited subset called the “plan bouquet”, is selected such that at least one of the bouquet plans is 2-optimal at each location in the space. Then, at run time, an exploratory sequence of cost-budgeted executions from the plan bouquet is carried out, eventually finding a plan that executes to completion within its assigned budget. The duration and switching of these executions is controlled by a graded progression of isosurfaces projected onto the optimal performance profile. We prove that this construction provides viable guarantees on the worst-case performance relative to an oracular system that magically possesses accurate apriori knowledge of all selectivities. Moreover, it ensures repeatable execution strategies across different invocations of a query, an extremely desirable feature in industrial settings. Our second contribution is a suite of techniques that substantively improve on the performance guarantees offered by the basic bouquet algorithm. First, we present an algorithm that skips carefully chosen executions from the basic plan bouquet sequence, leveraging the observation that an expensive execution may provide better coverage as compared to a series of cheaper siblings, thereby reducing the aggregate exploratory overheads. Next, we explore randomized variants with regard to both the sequence of plan executions and the constitution of the plan bouquet, and show that the resulting guarantees are markedly superior, in expectation, to the corresponding worst case values. From a deployment perspective, the above techniques are appealing since they are completely “black-box”, that is, non-invasive with regard to the database engine, implementable using only API features that are commonly available in modern systems. As a proof of concept, the bouquet approach has been fully prototyped in QUEST, a Java-based tool that provides a visual and interactive demonstration of the bouquet identification and execution phases. In similar spirit, we propose an efficient isosurface identification algorithm that avoids exploration of large portions of the error space and drastically reduces the effort involved in bouquet construction. The plan bouquet approach is ideally suited for “canned” query environments, where the computational investment in bouquet identification is amortized over multiple query invocations. The final contribution of this thesis is extending the advantage of compile-time sub-optimality guarantees to ad hoc query environments where the overheads of the off-line bouquet identification may turn out to be impractical. Specifically, we propose a completely revamped bouquet algorithm that constructs the cost-budgeted execution sequence in an “on-the-fly” manner. This is achieved through a “white-box” interaction style with the engine, whereby the plan output cardinalities exposed by the engine are used to compute lower bounds on the error-prone selectivities during plan executions. For this algorithm, the sub-optimality guarantees are in the form of a low order polynomial of the number of error-prone selectivities in the query. The plan bouquet approach has been empirically evaluated on both PostgreSQL and a commercial engine ComOpt, over the TPC-H and TPC-DS benchmark environments. Our experimental results indicate that it delivers orders of magnitude improvements in the worst-case behavior, without impairing the average-case performance, as compared to the native optimizers of these systems. In absolute terms, the worst case sub-optimality is upper bounded by 20 across the suite of queries, and the average performance is empirically found to be within a factor of 4 wrt the optimal. Even with the on-the-fly bouquet algorithm, the guarantees are found to be within a factor of 3 as compared to those achievable in the corresponding canned query environment. Overall, the plan bouquet approach provides novel performance guarantees that open up exciting possibilities for robust query processing.