Techn. University, Diss., 2005--Berlin.

Repeat photography, the process of retaking an existing photograph from the same vantage point, can give insight into long-term land cover dynamics. I advance the use of repeat photography to quantify landscape change in two ways: first, I demonstrate that rigorous field and post-processing methods can lead to highly accurate co-registration of images; second, I show that oblique photographs can provide land cover composition information similar to conventional satellite (Landsat) imagery for dominant land cover types, and that oblique photographs are better at resolving narrow or steep landscape features. I then present a novel approach to evaluate long-term biodiversity change using repeat photography: I measure land cover composition in 46 historical and modern photograph pairs in the Willmore Wilderness Park, Alberta, Canada, and use that land cover information as input into species-habitat models to predict the probability of occurrence of 15 songbird species. I show that coniferous forest cover increased over the past century, leading to a homogenization of the landscape which increased the probability of occurrence of forest-adapted species but negatively impacted non-forest-adapted species. / Graduate / 2019-04-18

We provide geometric inequalities on $R^n$ and on general manifolds with nonnegative Ricci curvature by employing suitable monotone quantities along the flow of capacitary and $p$-capacitary potentials, as well as through related boundary value problems. Among the main achievements, we cite [(i)] a Willmore-type inequality on manifolds with nonnegative Ricci curvature leading in turn to the sharp Isoperimetric Inequality on $3$-manifolds with nonnegative Ricci curvature ; [(ii)] enhanced Kasue/Croke-Kleiner splitting theorems ; [(iii)] a generalised Minkowski-type inequality in $R^n$ holding with no assumptions on the boundary of the domain considered except for smoothness ; [(iv)] a complete discussion of maximal volume solutions to the least area problem with obstacle on Riemannian manifolds and its relation with the variational $p$-capacity.

Nous étudions la minimisation du périmètre et de l'énergie de Willmore en présence de contraintes ainsi que le flot, défini par les mouvements minimisants, de l'énergie de Willmore. Les problèmes d'optimisation géométriques et les flots que nous considérons reposent sur une propriété de semi-continuité inférieure que nous pouvons assurer en prenant l'enveloppe semi-continue inférieurement des énergies incluant les contraintes.Dans la première partie de la thèse, nous étudions trois problèmes d'optimisation. Le premier concerne le périmètre avec une contrainte de connexité. Le second est un problème de reconstruction de domaine à partir de sections planaires. Cette reconstruction est basée sur la minimisation du périmètre ou de l'énergie de Willmore avec des contraintes d'inclusion-exclusion. Nous développons un modèle de champ de phase pour implémenter numériquement la reconstruction en 2D et 3D à partir de contraintes d'inclusion-exclusion variées. Le troisième problème est l'étude des propriétés des courbes fermées, confinées dans un ouvert borné du plan, minimisant l'énergie élastique (Willmore).La deuxième partie étudie le flot de l'énergie de Willmore par les mouvements minimisants. Le flot pour une surface régulière est difficile à analyser, entre autre car il peut développer des singularités en temps fini. L'enveloppe semi-continue inférieurement et les mouvements minimisants permettent de définir un flot en temps long pour des surfaces moins régulières. Ce flot est étudié dans deux situations : pour la somme de l'énergie de Willmore et du périmètre dans le plan et pour l'énergie de Willmore des fonctions radiales à profil décroissant en toute dimension / We study the minimisation with constraints of the perimeter and of the Willmore energie and the flow of the Willmore energie, defined by minimising movements. The geometric optimisation problems and flows we handle rely on a lower semicontinuous property that we enforce by taking the lower semicontinuous envelop of the energies including the constraints.In the first part of the thesis, we consider three optimisation problems. The first one deals with the perimeter and connectedness constraints in the plan. The second one is a reconstruction problem of a volumetric domain from planar slices. This reconstruction is based on the minimisation of the perimeter or of the Willmore energy with inclusion-exclusion constraints. A phase field numerical approach and experiments are implemented. The third problem is the study of closed curves confined in an open bounded subset of the plane that minimise the bending energy (or Willmore energy). The second part of the thesis studies the Willmore flow defined by minimising movements. The flow of a regular surface is complex to analyse and may develop singularities in finite time. We use the lower semicontinuous envelop of the Willmore energy and the minimising movement to define a long time flow for surfaces with less regularity. This flow is studied within two contexts: for the sum of the Willmore energy and the perimeter in the plane and for the Willmore energy of radial functions with a non-increasing profile in any dimension

En biologie, lorsqu'une quantité importante de phospholipides est insérée dans un milieu aqueux, ceux-Ci s'assemblent alors par paires pour former une bicouche, plus communément appelée vésicule. En 1973, Helfrich a proposé un modèle simple pour décrire la forme prise par une vésicule. Imposant la surface de la bicouche et le volume de fluide qu'elle contient, leur forme minimise une énergie élastique faisant intervenir des quantités géométriques comme la courbure, ainsi qu'une courbure spontanée mesurant l'asymétrie entre les deux couches. Les globules rouges sont des exemples de vésicules sur lesquels sont fixés un réseau de protéines jouant le rôle de squelette au sein de la membrane. Un des principaux travaux de la thèse fut d'introduire et étudier une condition de boule uniforme, notamment pour modéliser l'effet du squelette. Dans un premier temps, on cherche à minimiser l'énergie de Helfrich sans contrainte puis sous contrainte d'aire. Le cas d'une courbure spontanée nulle est connu sous le nom d'énergie de Willmore. Comme la sphère est un minimiseur global de l'énergie de Willmore, c'est un bon candidat pour être un minimiseur de l'énergie de Helfrich parmi les surfaces d'aire fixée. Notre première contribution dans cette thèse a été d'étudier son optimalité. On montre qu'en dehors d'un certain intervalle de paramètres, la sphère n'est plus un minimum global, ni même un minimum local. Par contre, elle est toujours un point critique. Ensuite, dans le cas de membranes à courbure spontanée négative, on se demande si la minimisation de l'énergie de Helfrich sous contrainte d'aire peut être effectuée en minimisant individuellement chaque terme. Cela nous conduit à minimiser la courbure moyenne totale sous contrainte d'aire et à déterminer si la sphère est la solution de ce problème. On montre que c'est le cas dans la classe des surfaces axisymétriques axiconvexes mais que ce n'est pas vrai en général.Enfin, lorsqu'une contrainte d'aire et de volume sont considérées simultanément, le minimiseur ne peut pas être une sphère qui n'est alors plus admissible. En utilisant le point de vue de l'optimisation de formes, la troisième et plus importante contribution de cette thèse est d'introduire une classe plus raisonnable de surfaces, pour laquelle l'existence d'un minimiseur suffisamment régulier est assurée pour des fonctionnelles et des contraintes générales faisant intervenir les propriétés d'ordre un et deux des surfaces. En s'inspirant de ce que fit Chenais en 1975 quand elle a considéré la propriété de cône uniforme, on considère les surfaces satisfaisant une condition de boule uniforme. On étudie d'abord des fonctionnelles purement géométriques puis nous autorisons la dépendance à travers la solution de problèmes aux limites elliptiques d'ordre deux posés sur le domaine intérieur à la surface / In biology, when a large amount of phospholipids is inserted in aqueous media, they immediatly gather in pairs to form bilayers also called vesicles. In 1973, Helfrich suggested a simple model to characterize the shapes of vesicles. Imposing the area of the bilayer and the volume of fluid it contains, their shape is minimizing a free-Bending energy involving geometric quantities like curvature, and also a spontanuous curvature measuring the asymmetry between the two layers. Red blood cells are typical examples of vesicles on which is fixed a network of proteins playing the role of a skeleton inside the membrane. One of the main work of this thesis is to introduce and study a uniform ball condition, in particular to model the effects of the skeleton. First, we minimize the Helfrich energy without constraint then with an area constraint. The case of zero spontaneous curvature is known as the Willmore energy. Since the sphere is the global minimizer of the Willmore energy, it is a good candidate to be a minimizer of the Helfrich energy among surfaces of prescribed area. Our first main contribution in this thesis was to study its optimality. We show that apart from a specific interval of parameters, the sphere is no more a global minimizer, neither a local minimizer. However, it is always a critical point. Then, in the specific case of membranes with negative spontaneous curvature, one can wonder whether the minimization of the Helfrich energy with an area constraint can be done by minimizing individually each term. This leads us to minimize total mean curvature with prescribed area and to determine if the sphere is a solution to this problem. We show that it is the case in the class of axisymmetric axiconvex surfaces but that it does not hold true in the general case. Finally, considering both area and volume constraints, the minimizer cannot be the sphere, which is no more admissible. Using the shape optimization point of view, the third main and most important contribution of this thesis is to introduce a more reasonable class of surfaces, in which the existence of an enough regular minimizer is ensured for general functionals and constraints involving the first- and second-Order geometric properties of surfaces. Inspired by what Chenais did in 1975 when she considered the uniform cone property, we consider surfaces satisfying a uniform ball condition. We first study purely geometric functionals then we allow a dependence through the solution of some second-Order elliptic boundary value problems posed on the inner domain enclosed by the shape

Ce travail est relatif à la théorie des immersions et utilise des méthodes issues de la géométrie spinorielle, para-complexe et para-quaternionique. Les deux premières parties sont consacrées aux immersions conformes de surfaces pseudo-Riemanniennes. D'une part, nous étudions ce type d'immersions dans l'espace pseudo-Euclidien de dimension trois. Avec des méthodes de géométrie para-complexe et des représentations spinorielles réelles, l'équivalence entre les données d'une immersion conforme d'une surface de Lorentz dans $\mathbb{R}^{2,1}$ et de spineurs satisfaisant une équation de type Dirac est prouvée. D'autre part nous considérons des surfaces de Lorentz dans la pseudo-sphère $\mathbb{S}^{2,2}$: une bijection entre ces immersions et des sous-fibrés en droite para-quaternioniques du fibré $M\times\mathbb{H}^2$ est établie. Considérant une structure (para-)complexe particulière de ce fibré, la congruence pseudo-sphérique, et les champs de Hopf para-quaternioniques, nous définissons la fonctionnelle de Willmore de la surface et exprimons son énergie comme la somme de cette fonctionnelle et d'un invariant topologique. La dernière partie, plus générale, traite des fibrés vectoriels et immersions affines para-complexes. Nous introduisons la notion de fibré vectoriel para-holomorphe, et les sous-fibrés para-holomorphes et de type $(1,1)$ en termes de connections associées induites et de secondes formes fondamentales. Les équations fondamentales pour des décompositions générales de fibrés vectoriels munis d'une connexion sont étudiées dans le cas où certains des fibrés sont para-holomorphes afin d'obtenir des théorèmes d'existence et d'unicité pour des immersions affines para-complexes.