L’évolution des référentiels spatio-temporels et les dernières avancées des systèmes d’information géographique ont favorisé l’apparition de nouveaux types de services et d’applications liés à la localisation et à la mobilité d’entités d’intérêt dont la supervision et le contrôle d’objets mobiles en temps réel.Ces constats nous ont conduit à nous intéresser en tout premier lieu aux évolutions des objets qui peuvent être envisagées sous forme de trajectoires et offrent de nouvelles perspectives quant à l’analyse en temps réel de leurs comportements particuliers individuels et/ou collectifs.Dans le contexte industriel de l’entreprise Intactile Design, un enjeu majeur émerge : il s’agit de mettre à la disposition de tout expert, amené à prendre une décision au cours d’opérations de surveillance, le plus d'informations possibles relatives au contexte environnant les objets mobiles afin d’en extraire celles permettant la détection de comportements remarquables.L’objectif est donc d'analyser et d'exploiter la masse de données acquises à partir du suivi d'objets mobiles de divers types, et plongés dans des contextes différents de supervision. Pour ce faire, nous proposons une approche générique déclinable sur divers cas de supervision partant de l'hypothèse qui consiste à envisager, pour tout objet mobile, une seule et même trajectoire tout au long de sa vie.L'une des problématiques principales de cette recherche relève des difficultés d'interprétation des données recueillies en temps réel issues de l'observation des objets. En effet celles-ci sont massives, de compositions variables et parfois incomplètes, possiblement redondantes, voire sémantiquement hétérogènes. L'idée est de s’affranchir du manque de sémantique contextuelle et de l’absence de maîtrise des informations liées à l’analyse et à l’exploitation de ces données.L’approche consiste à proposer le recours à une ontologie cadre à des fins d’enrichissements des observations et analyses, et ce pour aider à la détection de comportements d'objets mobiles. L’ontologie cadre représente l'objet mobile et sa trajectoire au sein de tout contexte de supervision et ce de manière générique. Ce modèle s'inspire de travaux existants autour de la modélisation de données spatiales comme temporelles et les étend pour répondre à la spécificité de l’analyse sémantique en temps réel de la mobilité des objets. Pour rendre compte de la spécificité des différents contextes de supervision, l'ontologie est complétée par des règles métiers construites avec l'aide des experts du domaine. L'idée est tout à la fois de disposer d'une représentation de connaissances la plus expressive possible sans augmenter pour autant le coût du raisonnement ; et de rendre l'approche adaptable à toute thématique liée à la supervision.L'approche modulaire spécifiée a ensuite été mise en application au sein d'un prototype logiciel général qui fonctionne comme un système à base de connaissances. Il assure la structuration, enrichissement, extraction et analyse spatio-temporelle des connaissances conformes à notre modèle ontologique et donc offre les éléments nécessaires à la compréhension de comportements remarquables définis par les experts des domaines ciblés.Nous illustrons notre approche au travers d’un cas d’étude concret relatif au domaine des systèmes de supervision des opérations de défense terrestre. / The recent evolution of gazetteers and the latest advances in geographic information systems have promoted new types of services related to the location and mobility of entities of interest, including the real-time supervision and control of moving objects.On the strength of these facts, we are considering the motion of an object based on its trajectory (i.e., the path followed by this object in motion). At our sense, the modeling of trajectories of a number of moving objects offers new insights into real-time analysis of their individual and/or group specific behaviors.Within the industrial context of the company Intactile Design, enhancing decision making in real time for supervision purposes, turns out to be a major challenge. At the same time, much emphasis is being placed on making sure any accessible data, related to the context of the moving objects, are available to experts in order to fully support decision making processes. More importantly, the key idea is to find a strategy that enhances capabilities of detecting unusual behaviors whilst integrating some kind of valuable information related to the context.Consequently, the main objective is to collect and analyze all of the data acquired from the tracking of many different types of moving objects in a variety of supervision contexts.At this effect, we propose a generic and innovative approach that can be applied to any case of supervision based on the assumption that considers for every mobile object, a single and unique trajectory constantly changing over time.One of the main obstacles of this research is the difficulty of real-time interpreting of all of the collected data as these data are mostly complex, voluminous, semantically heterogeneous and incomplete.In this way, the idea is to overcome the lack of contextual semantics (i.e., semantics captured from the observations of the objects evolving within their contexts).To address these challenges, we propose a top domain ontology for moving objects and their trajectories, which is expressed in OWL 2 DL. The ontology attempts to describe the starting categories for the field of mobility and therefore is applicable to all supervision and control contexts.Additionally, this ontology is building upon a few number of existing ontologies that all refer to spatio-temporal knowledge, including GeoSPARQL and OWL Time.Moreover, the ontology and a set of business rules, provided by the experts on a domain of interest, are combined to fully capture the contextual semantics of the domain under consideration.The aim is double: on one side, to benefit from a knowledge representation as expressive as possible that offers a cost-effective reasoning, and on the other side to efficiently adapt the approach to any context related to supervision.Our modular approach is implemented through a general software prototype that runs as a knowledge-based system.The prototype ensures the sustainability, extraction and spatio-temporal reasoning of information that complies with our ontology, and therefore it offers the necessary elements to understand behaviors defined by the experts of the targeted areas.We illustrate our approach through a concrete case study of monitoring systems dedicated to land defense.

Parmi les différentes formes de raisonnement étudiées dans le contexte de l'intelligence artificielle, le raisonnement qualitatif permet d'inférer de nouvelles connaissances dans le contexte d'informations imprécises, incomplètes et dépourvues de valeurs numériques. Il permet par exemple de déduire de nouvelles informations à partir d'un ensemble d'informations spatiales telles que « la France est frontalière de l'Allemagne », « la Suisse est à l'est de la France », « l'Italie est en Europe » et « le Luxembourg est proche de la France ». Il peut également être utilisé pour résoudre des abstractions de problèmes quantitatifs difficiles à résoudre, afin par exemple d'accélérer la résolution de ces problèmes.De nombreux formalismes de raisonnement qualitatif ont été proposés dans la littérature. Ils ne se focalisent cependant que sur un seul aspect du monde, alors que la majorité des applications requièrent la prise en compte d'informations hétérogènes. Afin de répondre à ces besoins, plusieurs combinaisons et extensions de formalismes qualitatifs, comme le raisonnement spatio-temporel et le raisonnement multi-échelle, ont récemment été proposées dans la littérature. Le raisonnement spatio-temporel permet de raisonner dans le contexte d'informations spatiales et temporelles interdépendantes. Le raisonnement multi-échelle permet de raisonner avec des informations de précisions différentes, et en particulier de lever des incohérences apparentes.Dans cette thèse, nous nous intéressons au raisonnement multi-échelle, au raisonnement spatio-temporel et aux combinaisons de formalismes qualitatifs.Nous proposons d'étendre le raisonnement qualitatif temporel multi-échelle pour prendre en compte le fait que les intervalles de temps peuvent être perçus comme des instants à certaines échelles de précision, de formaliser intégralement ce raisonnement et d'étudier la décision de la cohérence dans ce contexte ainsi que sa complexité. Nous montrons en particulier que ce formalisme permet de décider la cohérence et que le problème de décision de la cohérence est NP-complet, même dans le cas le plus simple.En outre, nous proposons un cadre général permettant de raisonner sur les séquences temporelles d'informations qualitatives, une forme de description spatio-temporelle. Ce cadre permet notamment de raisonner dans le contexte d'évolutions complexes. Par exemple, les entités considérées peuvent avoir des caractéristiques préservées au cours du temps, évoluer de manière dépendante les unes par rapport aux autres, tout en ayant un comportement potentiellement irréversible et différent selon leur nature. De plus, dans ce cadre, le raisonnement est plus performant computationnellement que les approches de l'état de l'art. Nous étudions en particulier la décision de la cohérence dans le contexte spécifique de régions mobiles de taille constante, et montrons que ce cadre permet effectivement de décider la cohérence.De surcroît, nous proposons un cadre formel unifiant plusieurs formes d'extensions et de combinaisons de formalismes qualitatifs, incluant le raisonnement multi-échelle et les séquences temporelles. Ce cadre permet de raisonner dans le contexte de chacune de ces combinaisons et extensions, mais également d'étudier de manière unifiée la décision de la cohérence et sa complexité. Nous établissons en particulier deux théorèmes complémentaires garantissant que la décision de la cohérence est polynomiale, et nous les utilisons pour prouver que plusieurs fragments de séquences temporelles sont traitables.Nous généralisons également la définition principale de formalisme qualitatif afin d'inclure des formalismes qualitatifs exclus des définitions de la littérature, importants dans le cadre des combinaisons. / In this thesis, we are interested in qualitative multi-scale reasoning, qualitative spatio-temporal reasoning and combinations of qualitative formalisms.We propose to extend the multiscale temporal reasoning to take into account the fact that time intervals can be perceived as instants at certain scales of precision, to fully formalize this reasoning and to study its consistency problem. We show in particular that this formalism decides consistency and that the consistency problem is NP-complete, even in the simplest case.In addition, we propose a general framework for reasoning on temporal sequences of qualitative information, a form of spatio-temporal description. This framework allows for reasoning in the context of complex evolutions. For example, the considered entities may have characteristics preserved over time, evolve in a dependent manner with respect to each other, while having a potentially irreversible and different behavior depending on their nature. Moreover, in this context, reasoning is computationally more efficient than state-of-the-art approaches. In particular, we study the consistency problem in the specific context of constant-size moving regions, and show that this framework actually decides consistency.Furthermore, we propose a formal framework unifying several forms of extensions and combinations of qualitative formalisms, including multi-scale reasoning and temporal sequences. This framework allows one to reason in the context of each of these combinations and extensions, but also to study in a unified way the consistency problem. In particular, we establish two complementary theorems guaranteeing that the consistency problem is polynomial, and we use them to prove that several fragments of temporal sequences are tractable.

Ce travail de thèse est dédié à la visualisation par microscopie optique des transitions de phases, thermo- et photo-induites dans des monocristaux à transition de spin. L’étude des cristaux du composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)] a permis de montrer la possibilité de contrôler la dynamique de l’interface HS/BS (haut spin/bas spin) par une irradiation lumineuse appliquée sur toute la surface du cristal ou de manière localisée. Les investigations expérimentales menées sur l’effet de l’intensité de la lumière sur la température de transition ont mis en évidence d’une part l’importance du couplage entre le cristal et le bain thermique, et d’autre part le rôle de la diffusion de la chaleur dans le monocristal. En parallèle, un modèle basé sur une description de type Ginzburg-Landau, a permis de mettre sur pied une description de type réaction diffusion des effets spatio-temporels accompagnant la transition de spin dans un monocristal. Celui-ci a permis d’identifier et de comprendre le rôle des paramètres pertinents entrant en jeu dans le contrôle du mouvement de l’interface HS/BS. Les résultats obtenus sont très encourageants et reproduisent avec une grande fidélité les données expérimentales. Cependant l’origine de l’orientation de l’interface HS/BS observée par microscopie optique dans les cristaux du composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)] était restée mystérieuse. Pour résoudre cette question, nous avons développé un modèle électro-élastique qui tient compte du changement de volume au cours de la transition de spin. Ce dernier nous a conduits à analyser l’effet de la symétrie du réseau cristallin et de la forme du cristal sur l’orientation de l’interface élastique. En l’appliquant au composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)], en tenant compte du caractère anisotrope du changement de la maille élémentaire lors du passage HSBS, nous avons réussi à retrouver quantitativement l’orientation du front observée expérimentalement en microscopie optique. Ceci confirme bien le rôle primordial de l’élasticité dans le comportement des matériaux à transition de spin. Des études sous lumière à très basse température nous ont donné la possibilité de suivre en temps réel, l’effet LIESST (Light Induced Excited Spin State Trapping), la re-laxation coopérative du cristal ainsi que l’instabilité photo-induite LITH (Light Induced Thermal Hysteresis). Un monde fascinant est apparu autour de cette dernière, avec la présence de comportements totalement inédits. Ainsi, et pour la première fois, nous avons mis en évidence l’existence de phénomènes d’auto-organisation et de comportements autocatalytiques du front de transition. Cette physique non-linéaire dénote un comportement actif du cristal, par suite d’une subtile préparation autour d’un état instable. Ces comportements rappellent les structures dissipatives de Turing et ouvrent des perspectives fascinantes pour cette thématique, tant sur le plan expérimental que théorique. / This thesis work is devoted to visualization by optical microscopy of thermo- and photo-induced phase transitions, in switchable spin transition single crystals. The study of crystals of the compound [{Fe (NCSe) (py) 2} 2 (m-bpypz)] showed the possibility to control reversibly the dynamics of the HS/LS interface through a photo-thermal effect generated by an irradiation of the whole crystal or using a spatially localized light spot on the crystal surface. The investigations of the effect of the light intensity on the transition temperature have highlighted the importance of the coupling between the crystal and the thermal bath in these experiments. Concomitantly, we developped a reaction diffusion model allowing to describe and iden-tify the relevant physical parameters involved in the control of the movement of HS/LS interface. The obtained results are very encouraging and reproduce the main features of the experimental data. However the origin of the interface orientation observed by the optical microscopy in the crystal of the compound [{Fe (NCSe) (py) 2} 2 (m-bpypz)] re-mained mysterious, and needed an elastic approach to be handled. At this end, an electro-elastic model including the volume change at the spin transition was developed. By taking into account for the anisotropy of the unit cell deformation at the transition, we were able to reproduce quantitatively the experimental HS/LS interface orientation. This result confirms the crucial role of the lattice symmetry and its elastic properties in the emergence of a stable interface orientation. The last part of the thesis is devoted to the investigation of photo-induced effects at very low temperatures (~10K). There, we visualized for the first time the real time transformation of a single crystal under LIESST (Light Induced Excited Spin State Trapping) effect as well as its subsequent relaxation at higher temperatures. We have also studied the light induced instabilities through investigation on the LITH (Light Induced Thermal Hysteresis) loops. Around the latter, a fascinating world made of nonlinear effects, and patterns formation emerged, recalled the well known Turing structures. These results lead to new horizons that will give access to new theories and original experimental observations that will enrich the topics opening the new avenues to study of nonlinear phenomena in spin crossover solids.

Aujourd'hui, les progrès dans le développement d'appareils mobiles et des capteurs embarqués ont permis un essor sans précédent de services à l'utilisateur. Dans le même temps, la plupart des appareils mobiles génèrent, enregistrent et de communiquent une grande quantité de données personnelles de manière continue. La gestion sécurisée des données personnelles dans les appareils mobiles reste un défi aujourd’hui, que ce soit vis-à-vis des contraintes inhérentes à ces appareils, ou par rapport à l’accès et au partage sûrs et sécurisés de ces informations. Cette thèse adresse ces défis et se focalise sur les traces de localisation. En particulier, s’appuyant sur un serveur de données relationnel embarqué dans des appareils mobiles sécurisés, cette thèse offre une extension de ce serveur à la gestion des données spatio-temporelles (types et operateurs). Et surtout, elle propose une méthode d'indexation spatio-temporelle (TRIFL) efficace et adaptée au modèle de stockage en mémoire flash. Par ailleurs, afin de protéger les traces de localisation personnelles de l'utilisateur, une architecture distribuée et un protocole de collecte participative préservant les données de localisation ont été proposés dans PAMPAS. Cette architecture se base sur des dispositifs hautement sécurisés pour le calcul distribué des agrégats spatio-temporels sur les données privées collectées. / Nowadays, the advances in the development of mobile devices, as well as embedded sensors have permitted an unprecedented number of services to the user. At the same time, most mobile devices generate, store and communicate a large amount of personal information continuously. While managing personal information on the mobile devices is still a big challenge, sharing and accessing these information in a safe and secure way is always an open and hot topic. Personal mobile devices may have various form factors such as mobile phones, smart devices, stick computers, secure tokens or etc. It could be used to record, sense, store data of user's context or environment surrounding him. The most common contextual information is user's location. Personal data generated and stored on these devices is valuable for many applications or services to user, but it is sensitive and needs to be protected in order to ensure the individual privacy. In particular, most mobile applications have access to accurate and real-time location information, raising serious privacy concerns for their users.In this dissertation, we dedicate the two parts to manage the location traces, i.e. the spatio-temporal data on mobile devices. In particular, we offer an extension of spatio-temporal data types and operators for embedded environments. These data types reconcile the features of spatio-temporal data with the embedded requirements by offering an optimal data presentation called Spatio-temporal object (STOB) dedicated for embedded devices. More importantly, in order to optimize the query processing, we also propose an efficient indexing technique for spatio-temporal data called TRIFL designed for flash storage. TRIFL stands for TRajectory Index for Flash memory. It exploits unique properties of trajectory insertion, and optimizes the data structure for the behavior of flash and the buffer cache. These ideas allow TRIFL to archive much better performance in both Flash and magnetic storage compared to its competitors.Additionally, we also investigate the protect user's sensitive information in the remaining part of this thesis by offering a privacy-aware protocol for participatory sensing applications called PAMPAS. PAMPAS relies on secure hardware solutions and proposes a user-centric privacy-aware protocol that fully protects personal data while taking advantage of distributed computing. For this to be done, we also propose a partitioning algorithm an aggregate algorithm in PAMPAS. This combination drastically reduces the overall costs making it possible to run the protocol in near real-time at a large scale of participants, without any personal information leakage.

Dans un contexte de réduction des impacts des pratiques agricoles sur la santé humaine et sur les écosystèmes, il est nécessaire de bien prendre en compte la volatilisation d’ammoniac (NH3) dans les inventaires d’émissions, la compréhension du devenir de l’azote après fertilisation et la modélisation de la qualité de l’air. Etant donné le poids de la fertilisation azotée (55%) dans le total des émissions nationales de NH3, cette dernière constitue un levier important pour réduire les émissions de NH3. Les inventaires nationaux actuels, basés sur l’utilisation de facteurs d’émission par défaut, souffrent d’un manque de description spatiale et temporelle, rendant difficile l’élaboration des politiques de réduction efficaces des émissions. Par ailleurs, même s’il existe à l’heure actuelle des modèles qui simulent de manière globale le devenir de l’azote sur le cycle de la culture, la volatilisation de NH3 n’est pas toujours prise en compte, et si elle l’est, les modules de volatilisation sont souvent relativement frustres et n’ont été que partiellement validés. Il existe pourtant des modèles dédiés exclusivement à la volatilisation de NH3 au champ, mais leurs exigences en données et paramètres d’entrée et leur temps de calcul limitent leur utilisation à grande échelle (exemple, échelle nationale…) sur de nombreux sites géographiques pendant plusieurs années, ainsi que leur intégration dans des modèles opérationnels de prédiction de la qualité de l’air, ou des outils d’aide à la décision ou d’évaluation environnementale en termes de fertilisation azotée.Cette thèse propose des nouveaux outils. Le premier outil, CADASTRE_NH3, permet de décrire et d’analyser la variabilité spatio-temporelle des émissions de NH3 liées à la fertilisation azotée. Il couple le modèle de processus Volt’Air avec des bases de données géo-référencées sur les facteurs agro-pédoclimatiques à l’échelle nationale. Cette approche d’inventaires des émissions a montré sa capacité à capturer les variabilités spatio-temporelles de l’utilisation d’azote et des émissions de NH3 qui en résultent, et à prendre en compte l’effet des interactions des facteurs pédologiques et/ou climatiques sur les émissions. La confrontation des résultats de l’outil CADASTRE_NH3 avec les inventaires officiels français montrent de fortes convergences en ce qui concerne les quantités d’azote utilisé et les émissions de NH3 en France pour l’année 2005-06, mais aussi des divergences notamment pour le cas des produits résiduaires organiques. Le deuxième type d’outils correspond aux méta-modèles dérivés de Volt'Air pour prédire les taux d’émissions de NH3 après application d’engrais azotés. Ces méta-modèles présentent de nombreux avantages pratiques du fait de leur simplicité et opérationnalité. Ils ont des potentiels d’utilisation prometteurs pour accompagner la prise de décision en terme de conditions d’utilisation des engrais et également pour appuyer les politiques de réduction des émissions à travers par exemple la réalisation des tests de scénarios.Il serait cependant intéressant de confronter les outils développés dans le cadre de cette thèse avec des données expérimentales pour évaluer leur performance respective et valider l’ensemble de nos approches. Il serait également intéressant de développer des méta-modèles dynamiques dérivés du modèle Volt’Air capables de décrire la dynamique des flux de NH3 liés à l’application des engrais azotés pour être intégrés comme modules simples de volatilisation de NH3 dans des modèles agronomiques et atmosphériques. / In a context of reducing the impacts of agricultural practices on human health andecosystems, it is necessary to better account for ammonia (NH3) volatilization in the inventories of NH3 emissions, the understanding of the nitrogen behavior after fertilization and the modeling of air quality.Given the considerable weight of nitrogen fertilizer (55%) in the total national NH3 emissions, nitrogen fertilization is an important lever for reducing NH3 emissions. Current national inventories are based on the use of default emission factors (EF) and suffer from a lack of fine spatial and temporal NH3 emissions descriptions making it difficult to develop effective emission reduction policies. Moreover, even if there are currently models that globally simulate the fate of nitrogen on the crop cycle, their do not always take into account the volatilization of NH3, and if it is, the volatilization modules are often very frustrating and have not been validated. There are models dedicated exclusively to the volatilization of NH3 in the field, but their requirements for data and input parameters and their calculation time limit their large-scale use (e.g, at national scale) in many geographical locations for several years as well as their integration into airquality prediction models or decision support or environmental assessment tools in terms of nitrogen fertilization.This thesis proposes new tools. The first tool, CADASTRE_NH3 makes it possible to describe and analyze the spatio-temporal variability of NH3 emissions from nitrogen fertilization. It combines the Volt'Air process-based model with geo-referenced databases on agro-soil-meteorological factors at the national level. This approach has demonstrated its ability to capture the spatio-temporal variability ofnitrogen use and resulting NH3 emissions, and to take into account the effect of soil and climate factor interactions on emissions. The comparison of CADASTRE_NH3 results with the official French inventories shows strong convergences regarding the quantities of nitrogen used and NH3 emissions in France for the year 2005-06, but also divergences especially for the case of organic waste products. Thesecond type of tool corresponds to meta-models derived from Volt'Air for predicting NH3 emission rates after nitrogen fertilizer applications. These meta-models have many practical advantages because of their simplicity and operability. They have promising potential uses to support decision-making in terms of fertilizer use conditions and also to support emission reduction policies through, for example, scenario testing.However, it would be interesting to compare the tools developed in this thesis with experimental data to evaluate their respective performance and validate all our approaches. It would also be interesting to develop dynamic meta-models of Volt'Air that can describe the dynamics of NH3 fluxes related to nitrogen fertilizer applications and to be integrated as simple modules of NH3 volatilization in agronomic and atmospheric models.

Titre : La compensation écologique : du principe de non perte nette de biodiversité à son opérationnalisation – analyse de l’action collectiveMots clés : Compensation écologique, action collective, effets spatio-temporels, Non perte nette de biodiversité.Résumé : En France la compensation écologique des impacts résiduels sur la biodiversité a pour objectif l'atteinte de la non perte nette de biodiversité. Un cadre normatif énonçant une dizaine de principes permet théoriquement d'atteindre cet objectif.Nous étudions donc la mise en œuvre de la compensation écologique à travers trois projets de LGV. Nous analysons le jeu d'acteur autour de cette mise en œuvre grâce aux théories de l'action collective, et notamment grâce au cadre analytique de la Traduction proposé par M. Callon. Cette première analyse nous permet de comprendre en quoi la compensation est un objet socio-technique. Nous mettons en évidence que de nombreux acteurs aux intérêts divergents se mobilisent pour mettre en place la compensation écologique. Nous montrons qu’il y a une tension entre la mobilisation des acteurs et les exigences écologiques, ces deux aspects ne sont pas toujours compatibles. La durée des cahiers de charges et la rétribution des propriétaires fonciers, chargés de la mise en œuvre de la compensation écologique est déterminante à la fois pour la mobilisation des humains et des nons humains (biodiversité). Nous nous interrogeons ensuite sur les effets spatiaux temporels de l’action collective et de sa capacité à tendre vers une non perte nette de biodiversité. Nous montrons que les mesures n’ont pas pu être effectives avant le démarrage des impacts. La gestion du foncier en France semble pour le moment difficilement compatible avec une mise en œuvre de la compensation non anticipée très en amont. Nous montrons que la majorité des sites de mesures de compensation sont de petites tailles, bien que des espaces de grandes tailles semblent davantage vertueux d’un point de vue écologique. Enfin nous montrons que la pérennité des mesures de compensations peut être appréhendée à différents niveaux suivant (i) le type de maîtrise foncière (acquisition, conventionnement); (ii) les contrats de mesures de compensation (durée, contenu de ces derniers – les sanctions en cas de manquement aux obligations influent sur le maintien des mesures) ; (iii) la gestion du renouvellement de ces contrats; (iv) la vocation des propriétaires des sites (une entreprises publique ou privée de construction n’a pas comme rôle au départ de conserver la biodiversité, tandis qu’une association naturaliste en a la vocation) ; (v) la pérennité des structures et les assurances quant au devenir des sites de mesures de compensation en cas de faillite; (vi) le suivi et le contrôle l’application de la compensation. / In France, the objective of ecological compensation for residual impacts on biodiversity is to achieve no net loss of biodiversity. A normative framework setting out about ten principles theoretically makes it possible to achieve this objective.We are therefore studying the implementation of biodiversity offset through three High Speed Railway projects. We analyze the actor's game around this implementation through the theories of collective action, and in particular the analytical framework of Translation proposed by M. Callon. This first analysis allows us to understand how biodiversity offset is a socio-technical object. We highlight that many actors with diverging stakes are mobilizing to implement ecological compensation. We show that there is a tension between the mobilization of actors and ecological requirements, these two aspects are not always compatible. The duration of the environmental services specifications and the associated retribution of landowners, who set-up biodiversity offset specification, is decisive for both human and non-human (biodiversity) mobilization. We then question the temporal spatial effects of collective action and its ability to achieve a net loss of biodiversity. We show that the measures could not be effective before the impacts began. Land management in France seems for the moment to be difficult to reconcile with the implementation of unanticipated biodiversity offset at a very early stage. We show that the majority of biodiversity offset sites are small in size, although larger areas seem more virtuous for biodiversity. Finally, we show that the sustainability of biodiversity offset measures can be assessed at different levels depending on (i) the type of land control (acquisition, agreement); (ii) biodiversity offset contracts (duration, content of the latter - sanctions in the event of failure to comply with obligations influence the maintenance of the measures); (iii) the management of the renewal of these contracts; (iv) the vocation of the owners of the sites (a public or private construction company does not initially have the role of conserving biodiversity, whereas an environmental NGO has the vocation); (v) the sustainability of the structures and assurances as to the future of the biodiversity offset measures sites in the event of bankruptcy; (vi) the monitoring and control of the implementation.

A variety of research exists for the processing of continuous queries in large, mobile environments. Each method tries, in its own way, to address the computational bottleneck of constantly processing so many queries. For this research, we present a two-pronged approach at addressing this problem. Firstly, we introduce an efficient and scalable system for monitoring traditional, continuous queries by leveraging the parallel processing capability of the Graphics Processing Unit. We examine a naive CPU-based solution for continuous range-monitoring queries, and we then extend this system using the GPU. Additionally, with mobile communication devices becoming commodity, location-based services will become ubiquitous. To cope with the very high intensity of location-based queries, we propose a view oriented approach of the location database, thereby reducing computation costs by exploiting computation sharing amongst queries requiring the same view. Our studies show that by exploiting the parallel processing power of the GPU, we are able to significantly scale the number of mobile objects, while maintaining an acceptable level of performance. Our second approach was to view this research problem as one belonging to the domain of data streams. Several works have convincingly argued that the two research fields of spatiotemporal data streams and the management of moving objects can naturally come together. [IlMI10, ChFr03, MoXA04] For example, the output of a GPS receiver, monitoring the position of a mobile object, is viewed as a data stream of location updates. This data stream of location updates, along with those from the plausibly many other mobile objects, is received at a centralized server, which processes the streams upon arrival, effectively updating the answers to the currently active queries in real time. iv For this second approach, we present GEDS, a scalable, Graphics Processing Unit (GPU)-based framework for the evaluation of continuous spatio-temporal queries over spatiotemporal data streams. Specifically, GEDS employs the computation sharing and parallel processing paradigms to deliver scalability in the evaluation of continuous, spatio-temporal range queries and continuous, spatio-temporal kNN queries. The GEDS framework utilizes the parallel processing capability of the GPU, a stream processor by trade, to handle the computation required in this application. Experimental evaluation shows promising performance and shows the scalability and efficacy of GEDS in spatio-temporal data streaming environments. Additional performance studies demonstrate that, even in light of the costs associated with memory transfers, the parallel processing power provided by GEDS clearly counters and outweighs any associated costs. Finally, in an effort to move beyond the analysis of specific algorithms over the GEDS framework, we take a broader approach in our analysis of GPU computing. What algorithms are appropriate for the GPU? What types of applications can benefit from the parallel and stream processing power of the GPU? And can we identify a class of algorithms that are best suited for GPU computing? To answer these questions, we develop an abstract performance model, detailing the relationship between the CPU and the GPU. From this model, we are able to extrapolate a list of attributes common to successful GPU-based applications, thereby providing insight into which algorithms and applications are best suited for the GPU and also providing an estimated theoretical speedup for said GPU-based applications

This thesis aims to seek interesting patterns from massive amounts of Flickr data in Sweden with pro- posed new clustering strategies. The aim can be further divided into three objectives. The first one is to acquire large amount of timestamped geolocation data from Flickr servers. The second objective is to develop effective and efficient methods to process the data. More specifically, the methods to be developed are bifold, namely, the preprocessing method to solve the “Big Data” issue encountered in the study and the new clustering method to extract spatio-temporal patterns from data. The third one is to analyze the extracted patterns with scaling analysis techniques in order to interpret human social activities underlying the Flickr Data within the urban envrionment of Sweden. During the study, the three objectives were achieved sequentially. The data employed for this study was vector points downloaded through Flickr Application Programming Interface (API). After data ac- quisition, preprocessing was performed on the raw data. The whole dataset was firstly separated by year based on the temporal information. Then data of each year was accumulated with its former year(s) so that the evovling process can be explored. After that, large datasets were splitted into small pieces and each piece was clipped, georeferenced, and rectified respectively. Then the pieces were merged together for clustering. With respect to clustering, the strategy was developed based on the Delaunay Triangula- tion (DT) and head/tail break rule. After that, the generated clusters were analyzed with scaling analysis techniques and spatio-temporal patterns were interpreted from the analysis results. It has been found that the spatial pattern of the human social activities in the urban environment of Sweden generally follows the power-law distribution and the cities defined by human social activities are evolving as time goes by. To conclude, the contributions of this research are threefold and fulfill the objectives of this study, respectively. Firstly, large amount of Flickr data is acquired and collated as a contribution to other aca- demic researches related to Flickr. Secondly, the clustering strategy based on the DT and head/tail break rule is proposed for spatio-temporal pattern seeking. Thirdly, the evolving of the cities in terms of human activities in Sweden is detected from the perspective of scaling. Future work is expected in major two aspects, namely, data and data processing. For the data aspect, the downloaded Flickr data is expected to be employed by other studies, especially those closely related to human social activities within urban environment. For the processing aspect, new algorithms are expected to either accelerate the processing process or better fit machines with super computing capacities.

Doctor of Philosophy / Department of Statistics / Juan Du / Spatio-temporal and/or multivariate dependence naturally occur in datasets obtained in various disciplines; such as atmospheric sciences, meteorology, engineering and agriculture. There is a great deal of need to effectively model the complex dependence and correlated structure exhibited in these datasets. For this purpose, this dissertation studies methods and application of the spatio-temporal modeling and multivariate computation. First, a collection of spatio-temporal functions is proposed to model spatio-temporal processes which are continuous in space and discrete over time. Theoretically, we derived the necessary and sufficient conditions to ensure the model validity. On the other hand, the possibility of taking the advantage of well-established time series and spatial statistics tools makes it relatively easy to identify and fit the proposed model in practice. The spatio-temporal models with some ARMA discrete temporal margin are fitted to Kansas precipitation and Irish wind datasets for estimation or prediction, and compared with some general existing parametric models in terms of likelihood and mean squared prediction error. Second, to deal with the immense computational burden of statistical inference for multi- ple attributes recorded at a large number of locations, we develop Wendland-type compactly supported covariance matrix function models and propose multivariate covariance tapering technique with those functions for computation reduction. Simulation studies and US tem- perature data are used to illustrate applications of the proposed multivariate tapering and computational gain in spatial cokriging. Finally, to study the impact of weather change on corn yield in Kansas, we develop a spatial functional linear regression model accounting for the fact that weather data were recorded daily or hourly as opposed to the yearly crop yield data and the underlying spatial autocorrelation. The parameter function is estimated under the functional data analysis framework and its characteristics are investigated to show the influential factor and critical period of weather change dictating crop yield during the growing season.

Master of Science / Department of Electrical and Computer Engineering / William H. Hsu / Caterina M. Scoglio / Early detection of livestock diseases and development of cost optimal mitigation strategies are becoming a global necessity. Foot and Mouth Disease (FMD) is considered one of the most serious livestock diseases owing to its high rate of transmission and extreme economic consequences. Thus, it is imperative to improve parameterized mathematical models for predictive and preventive purposes. In this work, a meta-population based stochastic model is implemented to assess the FMD infection dynamics and to curb economic losses in countries with underdeveloped livestock disease surveillance databases. Our model predicts the spatio-temporal evolution of FMD over a weighted contact network where the weights are characterized by the effect of wind and movement of animals and humans. FMD incidence data from countries such as Turkey, Iran and Thailand are used to calibrate and validate our model, and the predictive performance of our model is compared with that of baseline models as well. Additionally, learning-based prediction models can be utilized to detect the time of onset of an epidemic outbreak. Such models are computationally simple and they may be trained to predict infection in the absence of background data representing the dynamics of disease transmission, which is otherwise necessary for predictions using spatio-temporal models. Thus, we comparatively study the predictive performance of our spatio-temporal against neural networks and autoregressive models. Also, Bayesian networks combined with Monte-Carlo simulations are used to determine the gold standard by approximation. Next, cost-effective mitigation strategies are simulated using the theoretical concept of infection network fragmentation. Based on the theoretical reduction in the total number of infected animals, several simulative mitigation strategies are proposed and their cost-effectiveness measures specified by the percentage reduction in the total number of infected animals per million US dollars, are also analyzed. We infer that the cost-effectiveness measures of mitigation strategies implemented using our spatio-temporal predictive model have a narrower range and higher granularity than those for mitigation strategies formulated using learning-based prediction models. Finally, we coin optimal mitigation strategies using Fuzzy Dominance Genetic Algorithms (FDGA). We use the concept of hierarchical fuzzy dominance to minimize the total number of infected animals, the direct cost incurred due to the implementation of mitigation strategies, the number of animals culled, and the number of animals vaccinated to mitigate an epidemic. This method has the potential to aid in economic policy development for countries that have lost their FMD-free status.