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La agricultura es una de las prácticas humanas más antiguas y de mayor importancia en nuestra sociedad. Es fundamental para la subsistencia de millones de personas, donde cultivos como el arroz o el trigo son la base alimenticia de un gran porcentaje de la población mundial. Al igual que la sociedad, las técnicas agrícolas han ido evolucionando con el paso del tiempo. En este contexto, es la agricultura de precisión el tipo de agricultura que más fuerza y mejores resultados está obteniendo. La agricultura de precisión surge con la aplicación de nuevos elementos tecnológicos con el objetivo de optimizar la gestión de una parcela desde el punto de vista: • Agronómico: ajuste de las prácticas de cultivo a las necesidades de la planta • Medioambiental: reducción del impacto vinculado a la actividad agrícola • Económico: aumento de la competitividad a través de una mayor eficacia de las prácticas. Una de las medidas más utilizadas en la inspección del estado de los cultivos es la de medida del estado fenológico (fenología). La fenología nos indica las diferentes etapas biológicas que irá atravesando un cultivo desde su siembra hasta la cosecha. El conocimiento exacto de este valor es fundamental en las prácticas agrícolas, dado que marca el momento en el que se debe realizar cada uno de los procesos agrícolas. Por ejemplo, el momento del suministro de nutrientes como el nitrógeno, es uno de los aspectos claves en el incremento de la productividad y de no aplicarse en el estado fenológico correcto la productividad en vez de aumentar se verá reducida. Una de las formas que tenemos para inferir el valor fenológico es mediante teledetección. La utilización de satélites nos permite cubrir grandes extensiones de terreno en un mismo instante de tiempo. En este contexto las fuentes de observación más utilizadas son de naturaleza radar (en concreto SAR) e imágenes ópticas. Ambas poseen características diferentes y ofrecen distintas sensibilidades. Por ejemplo, el sensor óptico es sensible a los procesos químicos internos de las plantas y el SAR a su estructura o morfología. La forma más extendida para la estimación fenológica a partir de las series de datos sensoriales se basa en el procesado de señal convencional. Por ejemplo, para el caso del sistema SAR se puede analizar la evolución de determinados parámetros polarimétricos en función del estado del cultivos y en base a este análisis definir una estrategia de estimación Por otro lado, el sensor óptico ha sido el más utilizado para dicho fin. A partir de una combinación de bandas ópticas se definen unos índices denominados Índices de Vegetación (IV). Estos índices maximizan su respuesta ante la presencia de vegetación y se ven minimizados ante cualquier otro tipo de terreno. Dentro de los diferentes IV el más estudiado es el Índice de vegetación de diferencia normalizada o NDVI (de sus siglas en inglés). El NDVI debe ser filtrado antes de ser utilizado para estimar el estado fenológico debido al ruido inherente de los datos ópticos. Las técnicas convencionales utilizan métodos basados en ajustes o transformadas que requieren todo el set de imágenes (durante toda la campaña) para poder trabajar, lo cual imposibilita el uso de estas técnicas en aplicaciones de tiempo real. Otro de los inconvenientes es que debido a la poca sensibilidad que tiene el NDVI entre cambios fenológicos solo se pueden distinguir unos pocos estados Dando un enfoque diferente, un enfoque dinámico, podemos ofrecer estimaciones mucho más robustas que las obtenidas hasta ahora. El enfoque dinámico analiza no sólo el contenido de los datos sensoriales sino también su evolución temporal. Para esto, no se parte directamente de los datos observados sino que se divide el problema en dos etapas: 1. Modelo del comportamiento del sistema que determina su evolución temporal permitiendo predecir las transiciones entre dos instantes de tiempo. 2. Inclusión de los datos procedentes de la observación (sensores radar y/u ópticos). La primera etapa consiste en la utilización de un modelo que describe el comportamiento temporal del sistema, en nuestro caso, la evolución fenológica a lo largo del tiempo, con el fin de realizar una predicción de hacia dónde evoluciona el siguiente estado. Esta predicción se combina en la siguiente etapa, con la observación proveniente de los sensores. Esto supone un gran avance respecto a los métodos en los que se deben desarrollar estudios y ajustes matemáticos para cada sensor por separado y determinar el estado basándonos única y exclusivamente en la información proporcionada por dicho sensor en un instante de tiempo. En estudios recientes se ha demostrado el potencial de la metodología sobre cultivos de arroz utilizando modelos de evolución fenológica combinados con imágenes SAR u observaciones ópticas. Otra posibilidad que brinda esta metodología es la fusión de datos, es decir, la segunda etapa puede albergar más de una fuente de observación que se combine con la predicción. Imaginemos un escenario de teledetección para el que disponemos de tres fuentes de información periódica: imágenes de satélite ópticas, radar y fotografías a pie de campo. El enfoque tradicional estudiaría la información de cada fuente por separado y proporcionaría una solución para cada una de las fuentes. Si utilizamos un enfoque dinámico lo que haremos es determinar una única solución combinando de forma óptima la información actual y pasada de los tres sensores. De este modo, aquellos estados en los que un sensor sea menos sensible pueden verse compensados por la información de otros sensores para mejorar la predicción. Uno de los factores claves para obtener buenos resultados utilizando esta metodología es disponer de un buen muestreo temporal. Una forma de reducir el tiempo de revisita (tiempo entre imágenes) es mediante el uso de un vehículo aéreo no tripulado (UAV) cuya incorporación no supone inconvenientes en esta metodología. Al contrario, facilita sustancialmente la transferencia de esta nueva tecnología a la sociedad. Los UAV, además de ser flexibles en la configuración del tiempo de adquisición, nos permiten observar los cultivos a la distancia que se desee. El vehículo es capaz de realizar la trayectoria sin necesidad de pilotarlo y además, aprovechar al máximo el enfoque dinámico para calcular las trayectorias de forma autónoma. Por ejemplo, si el vehículo detecta una zona que presenta incertidumbre o algún problema podría modificar su trayectoria para recabar más información de dicha zona. Este enfoque abre una nueva brecha de posibilidades y de aplicaciones que pueden ser transferidas del ámbito científico a la sociedad mediante la creación de nuevos productos comerciales.

Tesis por compendio / [ES] La herramienta criptográfica Maude-NPA es un verificador de modelos especializado para protocolos de seguridad criptográficos que tienen en cuenta las propiedades algebraicas de un sistema criptográfico. En la literatura, las propiedades criptográficas adicionales han descubierto debilidades de los protocolos de seguridad y, en otros casos, son parte de los supuestos de seguridad del protocolo para funcionar correctamente. Maude-NPA tiene una base teórica en la rewriting logic, la unificación ecuacional y el narrowing para realizar una búsqueda hacia atrás desde un patrón de estado inseguro para determinar si es alcanzable o no. Maude-NPA se puede utilizar para razonar sobre una amplia gama de propiedades criptográficas, incluida la cancelación del cifrado y descifrado, la exponenciación de Diffie-Hellman, el exclusive-or y algunas aproximaciones del cifrado homomórfico. En esta tesis consideramos nuevas propiedades criptográficas, ya sea como parte de protocolos de seguridad o para descubrir nuevos ataques. También hemos modelado diferentes familias de protocolos de seguridad, incluidos los Distance Bounding Protocols or Multi-party key agreement protocolos. Y hemos desarrollado nuevas técnicas de modelado para reducir el coste del análisis en protocolos con tiempo y espacio. Esta tesis contribuye de varias maneras al área de análisis de protocolos criptográficos y muchas de las contribuciones de esta tesis pueden ser útiles para otras herramientas de análisis criptográfico. / [CA] L'eina criptografica Maude-NPA es un verificador de models especialitzats per a protocols de seguretat criptogràfics que tenen en compte les propietats algebraiques d'un sistema criptogràfic. A la literatura, les propietats criptogràfiques addicionals han descobert debilitats dels protocols de seguretat i, en altres casos, formen part dels supòsits de seguretat del protocol per funcionar correctament. Maude-NPA te' una base teòrica a la rewriting lògic, la unificació' equacional i narrowing per realitzar una cerca cap enrere des d'un patró' d'estat insegur per determinar si es accessible o no. Maude-NPA es pot utilitzar per raonar sobre una amplia gamma de propietats criptogràfiques, inclosa la cancel·lació' del xifratge i desxifrat, l'exponenciacio' de Diffie-Hellman, el exclusive-or i algunes aproximacions del xifratge homomòrfic. En aquesta tesi, considerem noves propietats criptogràfiques, ja sigui com a part de protocols de seguretat o per descobrir nous atacs. Tambe' hem modelat diferents famílies de protocols de seguretat, inclosos els Distance Bounding Protocols o Multi-party key agreement protocols. I hem desenvolupat noves tècniques de modelització' de protocols per reduir el cost de l'analisi en protocols amb temps i espai. Aquesta tesi contribueix de diverses maneres a l’àrea de l’anàlisi de protocols criptogràfics i moltes de les contribucions d’aquesta tesi poden ser útils per a altres eines d’anàlisi criptogràfic. / [EN] The Maude-NPA crypto tool is a specialized model checker for cryptographic security protocols that take into account the algebraic properties of the cryptosystem. In the literature, additional crypto properties have uncovered weaknesses of security protocols and, in other cases, they are part of the protocol security assumptions in order to function properly. Maude-NPA has a theoretical basis on rewriting logic, equational unification, and narrowing to perform a backwards search from an insecure state pattern to determine whether or not it is reachable. Maude-NPA can be used to reason about a wide range of cryptographic properties, including cancellation of encryption and decryption, Diffie-Hellman exponentiation, exclusive-or, and some approximations of homomorphic encryption. In this thesis, we consider new cryptographic properties, either as part of security protocols or to discover new attacks. We have also modeled different families of security protocols, including Distance Bounding Protocols or Multi-party key agreement protocols. And we have developed new protocol modeling techniques to reduce the time and space analysis effort. This thesis contributes in several ways to the area of cryptographic protocol analysis and many of the contributions of this thesis can be useful for other crypto analysis tools. / This thesis would not have been possible without the funding of a set of research projects. The main contributions and derivative works of this thesis have been made in the context of the following projects: - Ministry of Economy and Business of Spain : Project LoBaSS Effective Solutions Based on Logic, Scientific Research under award number TIN2015-69175-C4-1-R, this project was focused on using powerful logic-based technologies to analyze safety-critical systems. - Air Force Office of Scientific Research of United States of America : Project Advanced symbolic methods for the cryptographic protocol analyzer Maude-NPA Scientific Research under award number FA9550-17-1-0286 - State Investigation Agency of Spain : Project FREETech: Formal Reasoning for Enabling and Emerging Technologies Scientific I+D-i Research under award number RTI2018-094403-B-C32 / Aparicio Sánchez, D. (2022). Modeling and Analysis of Advanced Cryptographic Primitives and Security Protocols in Maude-NPA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190915 / Compendio

[ES] Esta tesis de doctorado está dedicada al problema de descomposición de señales no estacionarias en componentes modales, entendida como componentes oscilatorias independientes, con amplitud y fase dependientes del tiempo. Para este fin, se propone un enfoque metodológico basado en representaciones en espacio de estados diagonales en bloques. Una contribución teórica primaria de esta tesis consiste en demostrar que la respuesta de un sistema de espacio de estados diagonal en bloques puede ser representada en una forma modal con amplitudes y frecuencias dependientes del tiempo. Subsecuentemente, construyendo sobre este resultado, un marco de trabajo basado en filtros de Kalman se propone para la descomposición modal de señales no estacionarias. Como resultado, una familia de métodos paramétricos para la descomposición modal de señales no estacionarias univariadas y multivariadas basadas en representaciones de espacio de estados diagonales en bloques y filtros de Kalman ha sido postulada. La representación básica está construida en bloques de segundo orden, cada uno de los cuales representa los componentes en fase y en cuadratura de un único componente oscilatorio no estacionario. Así, la respuesta total es construida como la suma ponderada de cada uno de estos modos. La identificación de estos modelos requiere la estimación conjunta de las trayectorias y los parámetros modales dependientes del tiempo, así como los hiperparámetros del modelo, constituidos por la matriz de mezcla de modos, las matrices de covarianza del vector de estados, de parámetros y del ruido de medición, y las condiciones iniciales. Para este propósito, un algoritmo de Expectación-Maximización ha sido adaptado como parte de esta tesis. La metodología obtenida es entonces evaluada en la descomposición y eliminación de ruido de registros electrocardiográficos (ECG), los cuales consisten en componentes no-estacionarias pseudo-periódicas y son susceptibles a diferentes tipos de interferencias. La estructura de estas señales las hace susceptibles a las descomposiciones modales basadas propuestas en esta tesis. A diferencia de otros métodos populares de descomposición de señales, las descomposiciones obtenidas con la metodología propuesta proveen componentes oscilatorios con interpretabilidad física y que proveen resultados consistentes para señales multivariadas, como en el caso de registros de ECG con múltiples derivaciones. Otra estrategia que se desarrolló en este proyecto investigativo lo constituye la aplicación de la transformada delta u operador de Euler al filtro de Kalman, esto condujo a resultados de alta precisión en la extracción de componentes de banda angosta. La metodología propuesta constituye una herramienta confiable para la descomposición modal en línea de señales no estacionarias multicomponentes, con resultados excelentes / [CA] Esta tesi de doctorat està dedicada al problema de descomposició de senyals no-estacionaris en components modals, entesa com a components oscil·latòries independents amb amplitud i fase dependents del temps. Per a este fi, es proposa un enfocament metodològic basat en representacions en espai d'estats diagonals en blocs. Una contribució teòrica primària d'esta tesi consistix a demostrar que la resposta d'un sistema d'espai d'estats diagonal en blocs pot ser representada en una forma modal amb amplituds i freqüències dependents del temps. Subseqüentment, construint sobre este resultat, un marc de treball basat en filtres de Kalman es proposa per a la descomposició modal de senyals no estacionaris. Com a resultat, una família de mètodes paramètrics per a la descomposició modal de senyals no estacionaris univariadas i multivariades basades en representacions d'espai d'estats diagonals en blocs i filtres de Kalman ha sigut postulada. La representació bàsica està construïda en blocs de segon ordre, cadascun dels quals representa els components en fase i en quadratura d'un únic component oscil·latori no estacionari. Així, la resposta total és construïda com la suma ponderada de cadascun d'estos modes. La identificació d'estos models requerix l'estimació conjunta de les trajectòries i els paràmetres modals dependents del temps, així com els hiperparámetros del model, constituïts per la matriu de mescla de modes, les matrius de covariància del vector d'estats, de paràmetres i del soroll de mesurament, i les condicions inicials. Per a este propòsit, un algorisme d'Expectació-Maximització ha sigut adaptat com a part d'esta tesi. La metodologia obtinguda és llavors avaluada en la descomposició i eliminació de soroll de registres electrocardiogràfics (ECG), els quals consistixen en components no-estacionàries pseudo-periòdiques i són susceptibles a diferents tipus d'interferències. L'estructura d'estos senyals les fa susceptibles a les descomposicions modals basades propostes en esta tesi. A diferència d'altres mètodes populars de descomposició de senyals, les descomposicions obtingudes amb la metodologia proposada proveïxen components oscil·latoris amb interpretabilidad física i que proveïxen resultats consistents per a senyals multivariats, com en el cas de registres d'ECG amb múltiples derivacions. Una altra estratègia que es va desenvolupar en este projecte investigativo el constituïx l'aplicació de la transformada delta o operador d'Euler al filtre de Kalman, això va conduir a resultats d'alta precisió en l'extracció de components de banda estreta. La metodologia proposada constituïx una eina de confiança per a la descomposició modal en línia de senyals no estacionaris multicomponents, amb resultats excel·lents. / [EN] This PhD thesis is devoted to the problem of the decomposition of non-stationary signals in modal components, understood as independent oscillatory components with time-dependent amplitude and frequency. To this end, a methodological approach based on diagonal time-dependent state space models is postulated. A primary theoretical contribution of this work is to demonstrate that the response of a system in diagonal time-dependent state space form can be cast in a modal form characterized by time-dependent amplitudes and frequencies. Subsequently, building up on this result, a Kalman filter based framework for non-stationary modal decomposition is proposed. As a result, a family of parametric modal decomposition methods is postulated for univariate and multivariate non-stationary signals based on block-diagonal time-dependent state space representations and Kalman filtering/smoothing. The representation is built upon second order blocks, each representing the in-phase and quadrature components of a single non-stationary oscillatory component. The total response is then constructed as the weighted sum of each of these modes. Accordingly, the model identification involves the joint estimation of the modal trajectories and the time-dependent modal parameters, along with the model hyperparameters, constituted by the mode mixing matrix, the state, parameter and noise covariances, and initial conditions. A tailored Expectation-Maximization algorithm is designed for this purpose as part of this thesis. The obtained methodology is assessed in the decomposition and denoising of electrocardiographic (ECG) signals, which consist of pseudo-periodic non-stationary signals and are susceptible to significant interference. The ECG signal structure makes them amenable to the proposed non-stationary modal decompositions. In contrast to other popular non-stationary signal decomposition methods, the proposed method provides a physically meaningful decomposition of oscillatory components, with consistent results for multivariate signals, such as multi-lead ECG records. Another strategy that was developed in this research project is the application of the delta transform or Euler operator to the Kalman filter, which led to highly precise results in extracting narrowband components. The proposed methodology constitutes a reliable tool for on-line modal decomposition of multi-component non-stationary signals, with results comparable and even better than other state-of-the-art methods. / Avendaño, LE. (2024). Método de descomposición modal no estacionaria basado en representación de espacio de estados con aplicación al análisis de señales ECG [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211185