Cyanobakterien bilden zahlreiche bioaktive Substanzen mit zum Teil humantoxischer Relevanz. Nicht selten spielen dabei zyklische Peptide, zu denen unter anderem die Microcystine (MCYST) gehören, eine Schlüsselrolle. MCYST werden u.a. von Microcystis KÜTZING EX LEMMERMANN 1907 gebildet. Erkenntnisse zur ökophysiologischen Funktion der MCYST, die zweifelsfrei bei den Produzenten selbst zu suchen ist, liegen bisher kaum vor. Mit Hilfe von Freilanduntersuchungen sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit Kenntnisse zu einer möglichen ökologischen Funktion der MCYST erweitert und vertieft werden. Grundlage stellte dabei die Phänologie von Microcystis als einer der bedeutendsten limnischen MCYST-Produzenten dar. Microcystis zeigt im Freiland einen charakteristischen annuellen Lebenszyklus mit benthisch-pelagischer Kopplung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die phänologischen Phasen des Lebenszyklus von Microcystis im Freiland zu differenzieren sowie die Dynamik der MCYST während dieser Phasen kompartimentübergreifend gesamtheitlich zu erfassen. Über eine MCYST-Massenbilanzierung sollen anschließend die dem annuellen Zyklus zugrundeliegenden Teilprozesse quantifiziert und zusammengeführt werden. Vordergründiges Anliegen war es, Phasen einzugrenzen, bei denen MCYST möglicherweise eine ökophysiologische Funktion haben könnte. Der annuelle Lebenszyklus von Microcystis wurde anhand von Biomasseänderungen am Sediment und im Pelagial der TS Quitzdorf in die phänologischen Phasen Überwinterung, Reinvasion, pelagisches Wachstum und Sedimentation unterteilt: Intakte, im Herbst aus dem Freiwasser aussedimentierte, Microcystis-Kolonien überwintern am Sediment und steigen im Frühjahr und Frühsommer zurück ins Freiwasser auf. Dort erfolgt der Wachstumsprozess, dem sich im darauffolgenden Herbst erneut ein Zusammenbruch und die Sedimentation der Freiwassergemeinschaft anschließt. Die benthisch-pelagische Kopplung wirkt dabei als interannuelles Bindeglied. Zwischen dem annuellen Lebenszyklus von Microcystis und der MCYST-Dynamik wurde eine enge Bindung nachgewiesen: Änderungen der absoluten MCYST-Konzentrationen während der Übergangsphasen Aufstieg (Frühjahr) und Sedimentation (Herbst) zeigen, dass MCYST mit den aufsteigenden bzw. aussedimentierenden Microcystis-Kolonien aus dem bzw. in das Sediment ‚transportiert’ werden. Ausschließlich während der pelagischen Phase, die sich dem Reinvasionsprozess anschließt, kommt es in Abhängigkeit vom Wachstum der Produzenten und deren Sukzession zur Neubildung von MCYST. Während den Wintermonaten wurden MCYST am Sediment intrazellulär ‚konserviert’. Der Verlauf der pelagischen MCYST-Konzentration wurde mit Hilfe eines Wachstumsmodells nachgebildet. In dieses Modell wurde die genetische Variabilität der MCYST-Produzenten sowie eine mögliche physiologische Steuerung der MCYST-Synthese über die Verfügbarkeit des anorganischen Kohlenstoffs integriert. Der prinzipielle Verlauf zeigte dabei weitestgehend Koinzidenz zwischen den real gemessenen und den simulierten MCYST-Konzentrationswerten. Abweichungen zwischen beiden konnten mit Hilfe des gesamtheitlich kompartimentübergreifenden MCYST-Bilanzierungsansatzes – in erster Linie über benthisch-pelagische Kopplungsprozesse – plausibel erklärt werden. Der Habitatwechsel ist für Microcystis prinzipiell mit Verlusten (Seneszenz/Lyse oder möglicherweise Apoptose) verbunden, sowohl für MCYST-Produzenten und Nichtproduzenten. Die auffallende Stabilität der benthischen MCYST-Zellquote während der Überwinterung gibt Grund zur Annahme, dass eine Funktion von MCYST am/im Sediment eher unwahrscheinlich ist. Da MCYST über derart lange Zeiträume am Sediment intrazellulär ‚konserviert’ werden, ist eine Bedeutung der MCYST während der Reinvasionsphase und in der frühen pelagischen Phase nicht auszuschließen. Im Speziellen wurde eine mögliche ökologische Funktion von MCYST in Zusammenhang mit der Variation der Koloniegröße bzw. dem epiphytischen Bewuchs von Microcystis-Kolonien mit Pseudanabaena mucicola geprüft: Aus dem Zusammenhang zwischen extra-/intrazellulärer MCYST-Konzentration und der Microcystis-Koloniegrößenverteilung waren keine konsistenten Schlussfolgerungen abzuleiten, welche auf eine Steuerung der Koloniebildung durch MCYST deuten. Vor dem Hintergrund, dass MCYST keinen nachweislich allelopathischen Effekt auf den Epibionten Pseudanabaena mucicola ausüben, wurde postuliert, dass zwischen dem beobachteten epiphytischen Besiedlungs-/Verteilungsmuster und der MCYST-Produktion ein indirekter Zusammenhang besteht, welcher die zeitweise Einnischung von Pseudanabaena mucicola auf Microcystis-Kolonien ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung lassen weder unmittelbar noch mittelbar eine Variabilität der ökophysiologischen Bedeutung von MCYST, die im Zusammenhang mit der raum-zeitlichen Verteilung potentieller Produzenten steht, erkennen. Eine divergierende Funktion der MCYST auf intra- bzw. extrazellulärer Ebene kann nicht zwingend ausgeschlossen werden. Die Mehrzahl der aus der MCYST-Phänologie und MCYST-Bilanzierung abzuleitenden Schlussfolgerungen deutet allerdings eher auf eine Funktion auf (intra-)zellulärer Ebene hin, wie etwa die Effizienzsteigerung des Kohlenstoffmetabolismus (d.h. der intrazellulä-ren Akkumulation anorganischen Kohlenstoffs) während der pelagischen (Wachstums-)Phase der Produzenten.

Cities have adopted evolving urban digitization strategies, and most of those increasingly focus on data, especially in the field of public transportation. Transportation data have intuitively spatial and temporal characteristics, for they are often described with when and where the trips occur. Since a trip is often described with many attributes, the transportation data can be presented with a tensor, a container which can house data in $N$-dimensions. Unlike a traditional data frame, which only has column variables, tensor is intuitively more straightforward to explore spatio-temporal data-sets, which makes those attributes more easily interpreted. However, it requires unique techniques to extract useful and relatively correct information in attributes highly correlated with each other. This work presents a mixed model consisting of tensor decomposition combined with seasonal vector autoregression in time to find latent patterns within historical taxi data classified by types of taxis, pick-up and drop-off times of services in NYC, so that it can help predict the place and time where taxis are demanded. We validated the proposed approach using the experiment evaluation with real NYC tax data. The proposed method shows the best prediction among alternative models without geographical inference, and captures the daily patterns of taxi demands for business and entertainment needs.

Das Nervensystem von Drosophila melanogaster entwickelt sich aus dem Neuroectoderm entlang der anterior-posterioren Axe des Embryos. Dieses Gewebe unterteilt sich in drei Expressionsdomänen, die von ventral nach dorsal durch Expression der drei Homöobox-Transkriptionsfaktoren vnd, ind und msh charakterisiert sind. Vnd und Ind wurden als notwendig und ausreichend beschrieben, um die Zellidentitäten ihrer jeweiligen Gewebe zu determinieren. Um zu untersuchen, wie diese Transkriptionsfaktoren agieren, um ihre jeweiligen Zelltypen hervorzubringen, habe ich die genomweiten Genexpressionsmuster dieser verwandten Gewebe in Wildtyp-Embryos und in einer vnd-Mutante bestimmt. Ich fand heraus, dass anstelle eines Gewebes, das der IC-Domäne ähnelt, die Vnd-Mutante ein Gewebe hervorbringt, das neuronale Charakteristika zum grossen Teil verloren hat. Ich habe gefunden, dass der Transkiptionsfaktor "eyeless" bei ektopischer Expression in der VC den Vnd-Nervensystemphänotyp phänokopiert und ein ähnliches DNA-Bindemuster aufweist wie Vnd. Unsere Daten lassen vermuten, das Vnd sowohl als direkter Aktivator von VC-spezifischen Genen als auch als direkter Repressor von nicht-neuronalen Genen wirkt. Um die zeitlich-örtliche Auflösung weiter zu erhöhen, habe ich mit Nikolaos Karaiskos kollaboriert, um Einzelzell-Transkriptome von Embryos einer einzigen embryonalen Stufe zu generieren und einen Genexpressions-Atlas des frühen Drosophila-Embryos mit Einzelzellauflösung zu erstellen der die nahezu genomweite Genexpression fast jeder Zelle zu rekapitulieren. Um die Nützlichkeit der Plattform zu demonstrieren, untersuchten wir Expressionsmuster von Genen, die an der Hippo-Signalkaskade beteiligt sind. Wir prognostizierten Hippo-Signalaktivität in bestimmten Bereichen des Embryos und zeigten, dass der Hippo-Signalweg die synchronisierte Zellteilung in diesen Bereichen unterbricht. / The embryonic nervous system of Drosophila melanogaster derives from the neurogenic ectoderm, which is subdivided into three distinct domains. Several key transcription factors show expression exclusive to individual columns and endow their expression domains with characteristic identities. The genes vnd and ind, for example, are homeodomain transcription factors expressed in two columns. Both have been argued to be necessary and sufficient to confer the ventral column or intermediate column fates. To address the question how these transcription factors confer identities to their expression domains I determined the transcriptomic profile of these tissues in wild type and a Vnd mutant embryos. In order to do this, I established a protocol that allowed me to sequence the transcriptomes in developing embryos with spatio-temporal resolution. I found that upon knockout of Vnd, the ventral column largely looses its neurogenic identity rather than converting its fate, as models would predict. I identified Eyeless as a novel candidate transcription factor that shapes early nerve cord identities. Furthermore the data indicates that in Vnd acts as both, activator and repressor. Excessive co-binding with the GAGA-factor GAF suggests a mechanism by which this activation might be achieved. To push spatio-temporal resolution towards the single cell level, I collaborated with Nikolaos Karaiskos to extract single cell transcriptomes of a single developmental stage. This has allowed us to establish a digital single-cell resolved transcriptomic map of a single developmental stage. We used this map to predict expression patterns of thousands of genes with striking accuracy. We identified the Hippo signaling pathway as a spatially regulated pathway in early embryos and showed that it directs the interruption of cell cycle synchronicity in specific areas of the embryo.

Malgré les progrès dans la lutte contre le paludisme au Burkina Faso, il reste la plus importante maladie à transmission vectorielle dans le pays. P. falciparum est le plus répandu et le plus mortel au Burkina Faso. Les facteurs liés à ce fardeau élevé sont l’inaccessibilité (financière et géographique) aux soins de santé, l’insuffisance dans le diagnostic et la prise en charge adéquate et précoce des cas de paludisme. La réalisation de l'Objectif du Développement Durable 3 au Burkina Faso repose sur une mise en œuvre réussie d'un ensemble d'interventions de prévention, de gestion des cas et de surveillance épidémiologique du paludisme. L'objectif de réduire le taux de létalité lié au paludisme à 1 % en 2020 n'a pas été atteint, il est donc nécessaire de réaliser une évaluation de l’efficacité des programmes de lutte antipaludique (utilisation des MILDA, utilisation des CTA, la politique de gratuité des soins de santé) surtout au niveau infranational, utile pour orienter la prise de décision à des échelles géographiques plus petites. Les données cliniques sur le paludisme collectées en routine peuvent fournir des informations indispensables pour l’évaluation de la variation inter et intra mensuelle/annuelle de l’effet des interventions de lutte antipaludique et du risque de paludisme à l'échelle nationale et infranationale chez les enfants de moins de cinq ans. Au Burkina Faso, une quantité importante de données a été régulièrement collectée par le biais du système de transmission des données en ligne via le « District Health Information System 2 (DHIS2) ». Toutefois, leur utilisation pour évaluer l’effet des interventions de lutte sur la dynamique spatio-temporelle du risque de paludisme à l’échelle locale (district) reste limitée au Burkina Faso. Dans cette recherche, nous avons développé des modèles spatiaux et spatio-temporels implémentés dans un cadre hiérarchique bayésien pour (I) évaluer l’effet des interventions de lutte sur la dynamique spatio-temporelle de la morbidité et de la létalité dues au paludisme sur la période 2013-2018 chez les enfants de moins de 5 ans au Burkina Faso et (II) détecter les districts sanitaires (spatio-temporelle) qui ne parviennent pas à atteindre les objectifs du PNLP en termes de morbidité/létalité. Ces modèles utilisent l’Approximation Intégrée de la Laplace (INLA), un algorithme déterministe qui est une méthode appropriée pour analyser les données de routine du paludisme corrélées à la fois dans l’espace et dans le temps. Nous avons observé que la mise en œuvre de la politique de gratuité des soins de santé était significativement associée à une augmentation du nombre de cas rapportés de paludisme testés et confirmés par rapport à la période précédant sa mise en œuvre. Cet effet était cependant hétérogène dans les districts de santé. De plus, nous avons constaté que le taux mensuel de létalité du paludisme était en baisse au cours de la période 2013-2018. Cette réduction était significativement associée à la disponibilité des tests de diagnostic rapide du paludisme et du traitement. Aussi, nous avons observé que le risque de décéder du paludisme chez les enfants de moins de 5 ans était plus faible au cours de la période suivant la mise en œuvre de cette politique par rapport à la période précédente. Nous avons également identifié des districts sanitaires avec un taux de létalité du paludisme élevé dans les parties nord, nord-ouest et sud-ouest du pays. Nos résultats appellent à un effort soutenu et renforcé pour tester tous les cas suspects afin que, parallèlement à l’amélioration de la prise en charge précoce des cas, le fardeau du paludisme chez les enfants de moins de cinq ans soit connu avec précision (voir l'hippopotame presque entièrement). De plus, ils ont mis en évidence les districts sanitaires qui ont le plus besoin d'interventions ciblées et la nécessité de maintenir et de renforcer les programmes de santé en cours pour réduire davantage les décès dus au paludisme au Burkina Faso. / Despite progress in the fight against malaria in Burkina Faso, malaria remains the most important vector-borne disease in the country, and P. falciparum is the most widespread and deadly pathogen in the area. The factors linked to this high burden are the inaccessibility (financial and geographical) to health care, insufficient diagnoses, and inadequate/late management of malaria cases. The achievement of Sustainable Development Goal 3 in Burkina Faso is based on the successful implementation of a set of interventions for the prevention, case management, and epidemiological surveillance of malaria. The objective of reducing the case fatality rate linked to malaria to 1% by 2020 has not been reached. It is, therefore, necessary to carry out an evaluation of the effectiveness of malaria control programs (the use of long-lasting insecticidal nets, the use of Artemisinin-based combination therapy, and free health care policies), especially at the sub-national level, which will be useful for guiding decision-making at smaller geographic scales. Routinely collected clinical data on malaria can provide essential information for the assessment of inter- and intra-monthly/annual variation in the effects of malaria control interventions and the risk of malaria at the national and subnational levels among children under five. In Burkina Faso, a significant amount of data is regularly collected through the online data transmission system via the “District Health Information System 2 (DHIS2)”. However, the use of these data to assess the effects of control interventions on the spatio-temporal dynamics of malaria risk at the local (district) level remains limited in Burkina Faso. In this research, we developed spatial and spatio-temporal models implemented in a Bayesian hierarchical framework to (i) assess the effects of control interventions on the spatio-temporal dynamics of morbidity and lethality due to malaria in the period of 2013–2018 in children under 5 in Burkina Faso and (ii) detect health districts (spatio-temporal) that fail to achieve the PNLP objectives in terms of morbidity/lethality. These models use Laplace Integrated Approximation (INLA), a deterministic algorithm that provides an appropriate method for analyzing routine malaria data correlated in both space and time. We observed that the implementation of the free health care policy was significantly associated with an increase in the number of reported cases of malaria tested and confirmed compared to the period before its implementation. This effect was, however, heterogeneous in the health districts. In addition, we found that the monthly malaria case fatality rate declined during the period of 2013–2018. This reduction was significantly associated with the availability of rapid diagnostic tests for malaria and treatments. We also observed that the risk of dying from malaria in children under 5 years old was lower during the period following the implementation of this policy compared to the previous period and identified health districts with a high case fatality rate from malaria in the northern, northwestern, and southwestern parts of the country. Our results call for a sustained and strengthened effort to test all suspected cases so that, along with improving early case management, the burden of malaria in children under five can be known with precision. In addition, our results highlight the health districts in greatest need of targeted interventions, as well as the need to maintain and strengthen ongoing health programs to further reduce malaria deaths in Burkina Faso. / Doctorat en Sciences de la santé Publique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Olika typer av data genereras kontinuerligt varje sekund och för att kunna analysera denna data måste den transformeras till någon typ av visuell representation. En vanlig typ av data är spatio-temporal data, vilket är data som existerar i både rymd och tid. Hur denna typ av data kan visualiseras har undersökts under en lång period och området är fortfarande relevant idag. Ett antal metoder har undersökts i detta arbete och en genomgående litteraturstudie har genomförts. En applikation som implementerar ett antal av dessa undersökta metoder för att visualisera klimatdata har även skapats. / Different kinds of data is generated continuously every second and in order to be ableto analyze this data it has to be transformed into some kind of visual representation. Onecommon type of data is spatio-temporal data, which is data that exists in both space andtime. How to visualize this kind of data have been researched for a long time and is still avery relevant subject to expand on today. A number of approaches have been explored inthis work. An extensive literature study has also been performed and can be read in thisreport. The study has been divided into different classifications of spatio-temporal dataand the visual representations are structured by these classes.Another contribution of this thesis is a climate data application to visualize spatiotemporaldata sets of temperatures collected for several countries in the world. This applicationimplements several of the visual representations presented in the survey includedin this thesis. This resulted in a four display application, each showing a different aspect ofthe chosen data sets that consisted of climate data. The result shows how effective multiplelinked views are in order to understand different characteristics of the data.

La recherche et l'indexation de données en fonction d'une date ou d'une zone géographique permettent le partage et la découverte d'informations géolocalisées telles que l'on en trouve sur les réseaux sociaux comme Facebook, Flickr, ou Twitter. Cette réseau social connue sous le nom de Location Based Social Network (LBSN) s'applique à des millions d'utilisateurs qui partagent et envoient des requêtes ciblant des zones spatio-temporelles, permettant d'accéder à des données géolocalisées générées dans une zone géographique et dans un intervalle de temps donné. Un des principaux défis pour de telles applications est de fournir une architecture capable de traiter la multitude d'insertions et de requêtes spatio-temporelles générées par une grande quantité d'utilisateurs. A ces fins, les Tables de Hachage Distribué (DHT) et le paradigme Pair-à-Pair (P2P) sont autant de primitives qui forment la base pour les applications de grande envergure. Cependant, les DHTs sont mal adaptées aux requêtes ciblant des intervalles donnés; en effet, l'utilisation de fonctions de hachage sacrifie la localité des données au profit d'un meilleur équilibrage de la charge. Plusieurs solutions ajoutent le support de requêtes ciblant des ensembles aux DHTs. En revanche ces solutions ont tendance à générer un nombre de messages et une latence élevée pour des requêtes qui ciblent des intervalles. Cette thèse propose deux solutions à large échelle pour l'indexation des données géolocalisées. / Indexing and retrieving data by location and time allows people to share and explore massive geotagged datasets observed on social networks such as Facebook, Flickr, and Twitter. This scenario known as a Location Based Social Network (LBSN) is composed of millions of users, sharing and performing location-temporal range queries in order to retrieve geotagged data generated inside a given geographic area and time interval. A key challenge is to provide a scalable architecture that allow to perform insertions and location-temporal range queries from a high number of users. In order to achieve this, Distributed Hash Tables (DHTs) and the Peer-to-Peer (P2P) computing paradigms provide a powerful building block for implementing large scale applications. However, DHTs are ill-suited for supporting range queries because the use of hash functions destroy data locality for the sake of load balance. Existing solutions that use a DHT as a building block allow to perform range queries. Nonetheless, they do not target location-temporal range queries and they exhibit poor performance in terms of query response time and message traffic. This thesis proposes two scalable solutions for indexing and retrieving geotagged data based on location and time.

La capacité à prévoir les activités humaines a des implications essentielles dans de nombreux aspects des réseaux cellulaires. En particulier, la haute disponibilité de la prédiction de la mobilité peut permettre différents scénarios d'application; une meilleure compréhension de la demande de trafic de données mobiles peut aider à améliorer la conception de solutions pour l'équilibrage de la charge du réseau. Bien que de nombreux chercheurs aient étudié le sujet de la prédiction de la mobilité humaine, il y a eu peu de discussions sur l'anticipation du trafic de données mobiles dans les réseaux cellulaires.Pour comprendre la mobilité humaine, les ensembles de données de téléphones mobiles, consistant en des enregistrements de données de taxation (CDR), constituent un choix pratique d'empreintes humaines. Comme le déploiement du réseau cellulaire est très irrégulier et que les fréquences d'interaction sont généralement faibles, les données CDR sont souvent caractérisées par une parcimonie spatio-temporelle qui, à son tour, peut biaiser les analyses de mobilité basées sur de telles données et provoquer la perte de trajectoires individuelles.Dans cette thèse, nous présentons de nouvelles solutions de reconstruction de trajectoires individuelles et de prédiction de trafic de données mobiles individuelles. Nos contributions abordent les problèmes de (1) surmonter l'incomplétude des informations de mobilité pour l'utilisation des ensembles de données de téléphonie mobile et (2) prédire la future demande de trafic de données mobiles pour le support des applications de gestion de réseau.Premièrement, nous nous concentrons sur la faille de l'information sur la mobilité dans les ensembles de données de téléphones mobiles. Nous rapportons une analyse en profondeur de son effet sur la mesure des caractéristiques de mobilité individuelles et l'exhaustivité des trajectoires individuelles. En particulier, (1) nous fournissons une confirmation des résultats antérieurs concernant les biais dans les mesures de mobilité causées par la rareté temporelle de la CDR; (2) nous évaluons le décalage géographique provoqué par la cartographie des emplacements des utilisateurs vers les tours cellulaires et révélons le biais causé par la rareté spatiale de la CDR; (3) nous fournissons une estimation empirique de l'exhaustivité des données des trajectoires CDR individuelles. (4) nous proposons de nouvelles solutions de complétion CDR pour reconstruire incomplète. Nos solutions tirent parti de la nature des modèles de mouvements humains répétitifs et des techniques d'inférence de données de pointe et surpassent les approches précédentes illustrées par des simulations axées sur les données.Deuxièmement, nous abordons la prédiction des demandes de trafic de données mobiles générées par les abonnés individuels du réseau mobile. Sur la base de trajectoires complétées par nos solutions développées et nos historiques de consommation de données extraites d'un ensemble de données de téléphonie mobile à grande échelle, (1) nous étudions les limites de prévisibilité en mesurant la prévisibilité maximale que tout algorithme peut atteindre. les approches de prédiction du trafic de données mobiles qui utilisent les résultats de l'analyse théorique de la prévisibilité. Notre analyse théorique montre qu'il est théoriquement possible d'anticiper la demande individuelle avec une précision typique de 75% malgré l'hétérogénéité des utilisateurs et avec une précision améliorée de 80% en utilisant la prédiction conjointe avec des informations de mobilité. Notre pratique basée sur des techniques d'apprentissage automatique peut atteindre une précision typique de 65% et avoir un degré d'amélioration de 1% à 5% en considérant les déplacements individuels.En résumé, les contributions mentionnées ci-dessus vont dans le sens de l'utilisation des ensembles de données de téléphonie mobile et de la gestion des opérateurs de réseau et de leurs abonnés. / The understanding of human behaviors is a central question in multi-disciplinary research and has contributed to a wide range of applications. The ability to foresee human activities has essential implications in many aspects of cellular networks. In particular, the high availability of mobility prediction can enable various application scenarios such as location-based recommendation, home automation, and location-related data dissemination; the better understanding of mobile data traffic demand can help to improve the design of solutions for network load balancing, aiming at improving the quality of Internet-based mobile services. Although a large and growing body of literature has investigated the topic of predicting human mobility, there has been little discussion in anticipating mobile data traffic in cellular networks, especially in spatiotemporal view of individuals.For understanding human mobility, mobile phone datasets, consisting of Charging Data Records (CDRs), are a practical choice of human footprints because of the large-scale user populations and the vast diversity of individual movement patterns. The accuracy of mobility information granted by CDR depends on the network infrastructure and the frequency of user communication events. As cellular network deployment is highly irregular and interaction frequencies are typically low, CDR data is often characterized by spatial and temporal sparsity, which, in turn, can bias mobility analyses based on such data and cause the loss of whereabouts in individual trajectories.In this thesis, we present novel solutions of the reconstruction of individual trajectories and the prediction of individual mobile data traffic. Our contributions address the problems of (1) overcoming the incompleteness of mobility information for the use of mobile phone datasets and (2) predicting future mobile data traffic demand for the support of network management applications.First, we focus on the flaw of mobility information in mobile phone datasets. We report on an in-depth analysis of its effect on the measurement of individual mobility features and the completeness of individual trajectories. In particular, (1) we provide a confirmation of previous findings regarding the biases in mobility measurements caused by the temporal sparsity of CDR; (2) we evaluate the geographical shift caused by the mapping of user locations to cell towers and reveal the bias caused by the spatial sparsity of CDR; (3) we provide an empirical estimation of the data completeness of individual CDR-based trajectories. (4) we propose novel solutions of CDR completion to reconstruct incomplete. Our solutions leverage the nature of repetitive human movement patterns and the state-of-the-art data inference techniques and outperform previous approaches shown by data-driven simulations.Second, we address the prediction of mobile data traffic demands generated by individual mobile network subscribers. Building on trajectories completed by our developed solutions and data consumption histories extracted from a large-scale mobile phone dataset, (1) we investigate the limits of predictability by measuring the maximum predictability that any algorithm has potential to achieve and (2) we propose practical mobile data traffic prediction approaches that utilize the findings of the theoretical predictability analysis. Our theoretical analysis shows that it is theoretically possible to anticipate the individual demand with a typical accuracy of 75% despite the heterogeneity of users and with an improved accuracy of 80% using joint prediction with mobility information. Our practical based on machine learning techniques can achieve a typical accuracy of 65% and have a 1%~5% degree of improvement by considering individual whereabouts.In summary, the contributions mentioned above provide a step further towards supporting the use of mobile phone datasets and the management of network operators and their subscribers.

Le Synthetic Aperture Radar (SAR) aéroporté permet d’obtenir des images hautes résolutions, en compensant un déphasage lié au déplacement de l’avion. Il n’est cependant pas adapté à l’imagerie des cibles mobiles, celles-ci introduisant un déphasage supplémentaire, dépendant de leur vitesse et de leur accélération. En utilisant un système SAR multivoies, il est cependant possible de réaliser des traitements adaptés aux cibles mobiles, dont les principes sont proches du Space-Time Adaptive Processing (STAP). Le Synthetic Aperture Radar (SAR) aéroporté permet d’obtenir des images hautes résolutions, en compensant un déphasage lié au déplacement de l’avion. Il n’est cependant pas adapté à l’imagerie des cibles mobiles, celles-ci introduisant un déphasage supplémentaire, dépendant de leur vitesse et de leur accélération. En utilisant un système SAR multivoies, il est cependant possible de réaliser des traitements adaptés aux cibles mobiles, dont les principes sont proches du Space-Time Adaptive Processing (STAP). / Airborne Synthetic Aperture Radar (SAR) provides high-resolution images, by compensating a phase shift linked to the platform movement. However, this processing is not suited for imaging moving target, for they introduce an additional phase shift, depending on their velocity and acceleration. By using a multichannel SAR system, it is possible to correctly process moving targets. Such a processing is closely related to Space-Time Adaptive Processing (STAP) principles. Airborne Synthetic Aperture Radar (SAR) provides high-resolution images, by compensating a phase shift linked to the platform movement. However, this processing is not suited for imaging moving target, for they introduce an additional phase shift, depending on their velocity and acceleration. By using a multichannel SAR system, it is possible to correctly process moving targets. Such a processing is closely related to Space-Time Adaptive Processing (STAP) principles.

The German Ultrafine Aerosol Network (GUAN) has been continuously measuring the particle number size distribution (PNSD) and equivalent black carbon (eBC) mass concentration since 2009 at 17 atmospheric observatories in Germany, covering all environments from roadside to high-Alpine environments. GUAN provides us an opportunity to reduce the knowledge gaps about the spatio-temporal variation of sub-micrometer particles in different size ranges and eBC mass. These data are not only highly valuable for air pollution and health studies but also can help to reduce the uncertainties in the climate model predictions. With these long-term multi-site-category measurements, it was investigated for the first time how pollutant parameters interfere with spatial characteristics and site categories. Based on this first investigation, the long-term changes in size-resolved particle number concentrations (PNC) and eBC mass concentration were investigate to evaluate the effectiveness of the emission mitigation policies in Germany. The emission and pollutants near ground can be frequently transported to the free troposphere (FT) in the mountain areas. To identify if the decreased emissions at lower-altitudes have affected the aerosol loading in the aged, well-mixed FT air over Central Europe, the long-term trends in PNC and eBC mass concentration were analyzed for the FT and planetary boundary layer (PBL) conditions separately, at two high-Alpine observation sites. In summary, this dissertation aims to answer the following related scientific questions: Q1: How do the sub-micrometer PNSD, PNC, and eBC mass concentration interfere with spatial characteristics and site categories? (First publication) In the first publication (Sun et al., 2019), the spatio-temporal variability of aerosol parameters including PNSD, PNCs, and eBC mass concentration from the GUAN network were investigated for the period 2009−2014. Significant differences in the pollutant concentration were observed among various site categories. The six-year median value of sub-micrometer PNC (diameter range 20–800 nm) varies between 900 and 9000 cm−3, while median eBC mass concentration varies between 0.1 and 2.3 μg m-3 in 17 observation sites. PNCs in different size ranges were found in different spatial variabilities. A cross-correlation between PNSD and eBC mass concentration was analyzed to detect the influence of anthropogenic sources for different site categories. The size-dependent spatial variability analysis of PNCs extracted three size intervals: a higher spatial variability size range 10–30 nm, a transition size range 30–100 nm and a lower spatial variability size range 100–800 nm. Based on the evaluated spatial variability, the measured parameters at various sites were clustered by a hierarchical clustering approach, which revealed different spatial clusters for “source-driven” and “long-range transport” parameters. This result suggests that the traditional “site category” (i.e. urban, and regional background, etc.) concerning mainly the influence of local sources cannot always catch the variation of aerosol particle mass or number concentrations. The dominant factors for various parameter are different, leading to different variability and spatial distribution. The result of spatial clustering offers a sound scientific base to compare pollutant parameters measured in different locations and environments. By assessing the relationship between the measured parameters and geographical distance between different sites, the spatial variability of the aerosol parameters follows the “First Law of Geography” that everything is related to everything else, but near things are more related than distant things (Tobler, 1970). However, different parameters show different sensitivities on geographical distance. The analysis provides an important reference for setting up an observation network with a specific research purpose and is also useful for the regional scale dispersion models or land-use regression models. Q2: How do the sub-micrometer PNSD, PNC, and eBC mass concentration change at a decadal scale? Have the implementations of emission mitigation policies affected the observed decadal trend? (Second publication) In the second publication (Sun et al., 2020), long-term trends in atmospheric PNCs and eBC mass concentration for a 10 years period (2009–2018) were determined for 16 sites of the GUAN, ranging from roadside to high-Alpine. To ensure the data consistency for the trend detection, a thorough and detailed data quality check and data cleaning for the large GUAN dataset was performed. Statistically significant decreasing trends were found for 85% of the parameters and observation sites indicating an overall decreasing trend in sub-micrometer PNC (except N[10−30]) and eBC mass concentration all over Germany. Comparing the trends of measured parameters with the long-term change in total emission, we proofed that the observed trends of PNCs and eBC mass concentrations were mainly due to the emission reduction. The detailed diurnal and seasonal trends in eBC mass concentration and PNCs further confirmed that the observed decreasing trends were largely owing to the reduced emissions such as traffic emission, residential emission, and industry emission, etc. Moreover, the inter-annual changes of meteorological conditions and long-range transport pattern were found not to be the main reason for the decreases in pollutant parameters. This study suggests that a combination of emission mitigation policies can effectively improve the air quality over large spatial scales such as Germany. Given the relative novelty of the long-term measurements (PNSD, eBC mass concentration) in a network such as GUAN, the results proved to be quite robust and comprehensive. Q3: Have the decreased PNC and eBC mass concentration due to emission mitigation policies at the lower-altitudes affected the background air in lower FT over Central Europe? (Third publication) In the third publication (Sun et al., 2021), the long-term change of the eBC mass concentration and size-resolved PNCs were determined and analyzed at two high Alpine stations for the period 2009-2018: Schneefernerhaus at mountain Zugspitze in Germany (ZSF, 2671 m a.s.l.) and Jungfraujoch in Switzerland (JFJ, 3580 m a.s.l.). The trend analysis was performed for the FT and PBL-influenced conditions separately, aiming to assess whether the reduced emissions at lower-altitudes over Central Europe can affect the background air in the lower FT on a large spatial scale. The FT and PBL conditions at the two stations were segregated using the adaptive diurnal minimum variation selection (ADVS) method. The result showed that the FT condition in cold months is more prevalent than in warm months. Overall, the FT conditions frequency was ~25% and 6% in the cold and warm seasons at ZSF, respectively. At JFJ, the frequency of FT was ~45% and 10% in these two seasons, respectively. The PNC and eBC mass concentration showed a statistically significant decrease during PBL time. The observed decreasing trends in eBC mass concentration in the PBL-influenced condition are well consistent with the reported trends in total BC emission in Germany and Switzerland. For the FT conditions, decreases in PNC and eBC mass concentration over the years was detected at both sites, suggesting the background PNC and eBC mass in the lower FT over Central Europe has decreased as well. The implementation of emission mitigation policies is the most decisive factor but the weather pattern change over Central Europe also has contributed to the decreasing trends in FT condition.:List of Figures ……………………………………………………………………………………………..I List of Tables ..……………………………………………………………………………………………..I Abbreviations .……………………………………………………………………………………………II 1. Introduction …………………………………………………………………………………………….1 1.1 Role of atmospheric sub-micrometer aerosol particles…...………………………………………...1 1.2 Measurement of sub-micrometer particle number size distribution, particle number concentration, and eBC mass concentration…..……………………………………………….………………………….2 1.3 Previous long-term observations of PNSD, PNC, and eBC mass concentration…………………...4 1.4 Objectives...………………………………………………………………………………………….6 2. Data and Method…..……………………………………………………………………………………9 2.1 The German Ultrafine Aerosol Network (GUAN) …………………………………………………9 2.1.1 Measurement sites in GUAN…………………………………………………………………..10 2.1.2 Instrumental set-up.……….………………………………………………………….…………14 2.1.3 Quality assurance.………………………………………………………………………….……16 2.1.4 Data coverage…..………………………………………………………………………………..17 2.2. High-Alpine observatory Jungfraujoch (JFJ)……………………………………………………..18 2.2.1 Measurement site……….……………………………………………………………………….18 2.2.2 Instrumentation ..………………………………………………………………………………..19 2.3 Data analysis methods……………………………………………………………………………….19 2.3.1 Agglomerative hierarchical clustering….……………………………………………………...19 2.3.2 Customized Sen’s slope estimator…………………..…………………………………………...21 2.3.3 Generalized least-square regression and autoregressive bootstrap confidence intervals (GLS- ARB)…………………………………………………………………………………………………21 2.3.4 Seasonal Mann-Kendal test…..………………….………………………………………………22 2.3.5 Back-trajectory classification method….……………………………………………………...24 3. Results and Discussion…..………………………………………………………………………….27 3.1 First publication….…………………………………………………………………………………..27 3.1.1 Variability of black carbon mass concentrations, sub-micrometer particle number concentrations and size distributions: results of the German Ultrafine Aerosol Network ranging from city street to High Alpine locations……………………………………...………………………………………...27 3.1.2 Supporting information..……………………………………………………………………….41 3.2 Second publication…………………………………………………………………………………..45 3.2.1 Decreasing trends of particle number and black carbon mass concentrations at 16 observational sites in Germany from 2009 to 2018…..…………………………………………………………..45 3.2.2 Supporting information...……………………………………………………………………….66 3.3 Third publication……………………………...……………………………………………………..75 3.3.1 Long-term trends of black carbon and particle number concentration in the lower free troposphere in Central Europe…………………………………………………………………………75 3.3.2 Supporting information..…….……………………………………………………………….92 4. Summary and Conclusions..………………………………………………………………………… 95 5. Outlook….…………………………………………………………………………………………...99 Appendix A….………………………………………………………………………………………...100 Bibliography…………………………………………………………………………………………...101 Acknowledgements….…………………………………………………………………………………115

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21091号 / 工博第4455号 / 新制||工||1692(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 五十嵐 晃, 教授 八木 知己, 准教授 古川 愛子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM