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The modeling of spatio-temporal and multivariate spatial random fields has been an important and growing area of research due to the increasing availability of spacetime-referenced data in a large number of scientific applications. In geostatistics, the covariance function plays a crucial role in describing the spatio-temporal dependence in the data and is key to statistical modeling, inference, stochastic simulation and prediction. Therefore, the development of flexible covariance models, which can accomodate the inherent variability of the real data, is necessary for an advantageous modeling of random fields. This thesis is composed of four significant contributions in the development and applications of new covariance models for stationary multivariate spatial processes, and nonstationary spatial and spatio-temporal processes. The first focus of the thesis is on modeling of stationary multivariate spatial random fields through flexible multivariate covariance functions. Chapter 2 proposes a semiparametric approach for multivariate covariance function estimation with flexible specification of the cross-covariance functions via their spectral representations. The proposed method is applied to model and predict the bivariate data of particulate matter concentration (PM2.5) and wind speed (WS) in the United States. Chapter 3 introduces a parametric class of multivariate covariance functions with asymmetric cross-covariance functions. The proposed covariance model is applied to analyze the asymmetry and perform prediction in a trivariate data of PM2.5, WS and relative humidity (RH) in the United States. The second focus of the thesis is on nonstationary spatial and spatio-temporal random fields. Chapter 4 presents a space deformation method which imparts nonstationarity to any stationary covariance function. The proposed method utilizes the functional data registration algorithm and classical multidimensional scaling to estimate the spatial deformation. The application of the proposed method is demonstrated on a precipitation data. Finally, chapter 5 proposes a parametric class of time-varying spatio-temporal covariance functions, which are nonstationary in time. The proposed class is a time-varying generalization of an existing nonseparable stationary class of spatio-temporal covariance functions. The proposed time-varying model is then used to study the seasonality effect and perform space-time predictions in the daily PM2.5 data from Oregon, United States.

Spatio-temporal data analysis involves modeling a variable observed at different locations over time. A key component of space-time modeling is determining the spatial scale of the data. This dissertation addresses the following three questions: 1) How does spatial aggregation impact the properties of the variable and its model? 2) What spatial scale of the data produces more accurate forecasts of the aggregate variable? 3) What properties lead to the smallest information loss due to spatial aggregation? Answers to these questions involve a thorough examination of two common space-time models: the STARMA and GSTARMA models. These results are helpful to researchers seeking to understand the impact of spatial aggregation on temporal and spatial correlation as well as to modelers interested in determining a spatial scale for the data. Two data examples are included to illustrate the findings, and they concern states' annual labor force totals and monthly burglary counts for police districts in the city of Philadelphia. / Statistics

Lors d'une étude en santé environnementale il est primordial pour les chercheurs de connaître et de comprendre les relations entre la santé des populations et l'environnement dans lequel elles évoluent. Notre évaluation des étapes actuelles d'acquisition de données en santé environnementale nous a permis de constater qu'aucune méthodologie d'acquisition n'introduit systématiquement les références spatiales et temporelles lors de leur collecte. Nous estimons que la référence spatio-temporelle complémentaire à une procédure d'acquisition standardisée permettrait de donner un sens nouveau aux données hétérogènes, en les transformant en informations utiles à une plus large communauté d'utilisateurs. Nous avons donc défini une procédure d'acquisition de données spatio-temporelles. Cette procédure formalise, via une interface cartographique disponible sur un ordinateur de poche, le positionnement par GPS ou par toponyme d'échantillons utiles aux études en santé environnementale. De plus, elle automatise le peuplement de la base de données et s'assure de l'intégrité du lien entre l'identifiant de l'échantillon, le lieu et le moment de son acquisition jusqu'au rattachement des résultats d'analyses en laboratoire. Les données sont ensuite transférées et stockées dans une base de données multidimensionnelle (via un SOLAP) et accessibles par Internet. Ceci permet le partage direct des informations à d'autres chercheurs en environnement. La procédure a été implantée et mise à l'épreuve dans le cadre de la première mission du laboratoire mobile Atlantis. Cette mission s'est déroulée aux Bermudes et a permis aux spécialistes en environnement de collecter des échantillons d'eau, de sédiments, de pétoncles et de tissus humains (sang au cordon ombilical et placenta) à l'aide de cette procédure. Les chercheurs ont manifesté beaucoup d'enthousiasme et nos premiers tests montrent que la procédure d'acquisition est conviviale et qu'elle a été d'une grande utilité pour les spécialistes en facilitant leur collecte de données. De plus, il est clair que cette procédure basée sur un référentiel spatial commun favorise le partage des données à la base hétérogènes (toxicologie, microbiologie, chimie) pour parvenir à une analyse réellement intégrée.

No / It's all long gone now...they've closed the shop on the corner of Athlone Street...it was a rough one with a pub on the corner...my dad ran it a long time ago...that time... Within the dominant biomedical discourse, late-life dementia is regarded as a pathological condition characterised by disorientation in time and space, word finding difficulties and 'problem behaviours' such as 'wandering' and 'repetitive questioning'. Once taken out of its biomedical straightjacket, however, dementia emerges as a condition which has much in common with the conscious projects of surrealist and situationist arts movements. This includes the subversion of the idea of time (and history) as linear, unidirectional progress. People diagnosed with dementia frequently state a desire to return (or indeed a fear of returning) to places from the past which no longer exist in physical space, but which remain real as remembered worlds and sources of nostalgia (literally 'the pain of returning'). These are also issues central to the field of psychogeography - an interdisciplinary approach to exploring the emotional and sensory impact of specific, particularly urban, locations. Informed by the work of poets such as Blake, Baudelaire, and Rimbaud, as theorised by, for example, Walter Benjamin and Guy Debord, psychogeography privileges undirected 'wandering' through its emphasis on concepts such as the flaneur, and the dérive (or 'drift'). In this paper, such concepts will be used as a way of exploring the spatio-temporal experiences of people with dementia, using extracts from film and narrative life stories.

Les systèmes d’information géographique (SIG) sont largement utilisés pour représenter, gérer et analyser les données spatiales dans plusieurs disciplines incluant les géosciences, l’agriculture, la foresterie, la météorologie et l’océanographie. Néanmoins, malgré l’avancement récent des technologies des SIG, ils sont encore limités dans la représentation et la simulation des processus spatiotemporels. Ce travail de recherche définit le cadre théorique, conceptuel et applicatif qui vise à améliorer les méthodes de compréhension, de représentation et de simulation des processus dynamiques continus. Il vise plus précisément à améliorer les structures de données dans les SIG en développant une structure de données hiérarchique qui est la base d’un automate cellulaire capable de répondre aux principales caractéristiques de ces processus. L’exploration du potentiel des automates cellulaires pour simuler et représenter les processus dynamiques continus dans les SIG en respectant leur caractère irrégulier et hiérarchique fait l’objet de ce travail de recherche dans lequel une application dans le contexte hydrologique est mise en place. Nos objectifs spécifiques se résument dans 1) la construction d’une tessellation irrégulière et hiérarchique permettant de représenter les processus spatiotemporels et 2) la simulation de ces processus en utilisant un automate cellulaire opérant sur cette tessellation. Nous étudions la discrétisation de l’espace en tessellation irrégulière basée sur le diagramme de Voronoï et nous proposons une procédure de hiérarchisation de cette tessellation dans un objectif de représentation multi-échelle afin d’offrir une solution d’aide à la décision dans la gestion du territoire. Nous expliquons notre méthodologie et les algorithmes de sélection de données pour la génération de différents niveaux d’échelles spatiales. Un automate cellulaire non traditionnel est mis en place pour lequel nous définissons une grille à géométrie irrégulière de type Voronoï, des règles de transition spécifiques et un type particulier de voisinage orienté. Nous validons le fonctionnement de ce prototype dans le Bassin Expérimental de la Forêt Montmorency à Québec où des comparaisons sont possibles grâce à des données de débits d’eau mesurées in situ. / Geographic information systems (GIS) are widely used to represent, manage and analyse spatial data in many disciplines including geosciences, agriculture, forestry, meteorology and oceanography. However, despite recent advances in GIS technologies, they are still limited when it comes to representation and simulation of spatiotemporal processes. This research work, deals with a theoretical, conceptual and practical framework which aims to improve the representation of dynamic continuous processes. It aims especially to improve GIS capabilities by developing a CA based on a hierarchical irregular tessellation which is able to take into account the main characteristics of these processes. The exploration of the cellular automata potential to simulate and represent dynamic continuous processes regarding their irregular and hierarchic characteristics is the subject of this work where an application in the hydrologic field is established. Our specific objectives are 1) to build an irregular and hierarchic grid that can be used to represent spatiotemporal processes, 2) to simulate those processes with a cellular automata operating on this grid. We give details about the irregular geometric grid based on a Voronoï Diagram, the characteristics of a specific oriented neighbourhood and the transition rules that are governing the cells update. In addition, we discuss the hierarchical perspective of the build lattice that is essential for easy move between different spatial scales. We explain our methodology of data selection in order to generate the spatial levels of representation by demonstrating the used selection algorithms. This facilitates the representation of spatial dynamic phenomena and contributes to the better understanding of the complex behaviour of the whole system at different levels of details. We also present the data structures and general functioning of the whole simulation system. We finally, validate our framework by simulating the water flow process in a specific watershed in the region of Montmorency Forest of Quebec where in situ data are available. To validate our simulation results we compare them with measured data.

Les relations spatiales entre les différentes régions dans une image sont utiles pour la compréhension et l'interprétation de la scène représentée. L'analyse Spatio-temporelle d'une scène implique l'intégration du temps dans des relations spatiales entre les objets en mouvement. Les relations spatio-temporelles sont définies dans un intervalle de temps utilisant la géométrie 3D ou l'extension de la géométrie 2D à la dimension temporelle. La modélisation des relations spatiales dynamiques prend en compte la position relative des objets et leurs relations directionnelles, ceci implique les relations topologiques, directionnelles et de distance. Ces relations sont étendues au domaine temporel. Dans notre travail, on décrit une méthode de combinaison d'information topologique et directionnelle où les relations d'Allen floues 1D sont appliquées au domaine spatial. La méthode proposée intègre le flou au niveau des relations. La méthode très gourmande initialement en temps de calcul en raison de l'approximation des objets ainsi qu'à l'algorithme de fuzzification des segments des sections longitudinales est améliorée en utilisant une approximation polygonale adaptée sur les objets considérés. L'algorithme du fuzzification des segments d'une section longitudinale inclut des opérateurs d'agrégation floue. Dans la méthode proposée, Les relations topologiques 2Dsont représentées par un histogramme. Les relations floues n'étant pas exhaustives, un algorithme de défuzzification des relations spatiales a été proposé pour réaliser un ensemble JEPD de relations spatiales. Cet ensemble de relations spatiales est représenté par un graphe de voisinage où chaque nœud du graphe représente la relation topologique et directionnelle. Cette méthode définit des relations spatio-temporelles en utilisant le modèle de données Espace-Temps. Un ensemble de relations spatio-temporelles est également fourni à l'aide de la stabilité topologique. Afin de valider le modèle, nous avons développé des applications fondées sur le raisonnement spatio-temporel proposé. Celui-ci a permit la création de tables de composition pour les relations spatiales topologiques structurées en sous-tables. Les entités de ces sous-tables sont liées les unes aux autres par des relations spatiales. Dans une seconde application, nous avons proposé une méthode de prédiction des évènements entre objets en mouvement fondée sur le même raisonnement spatio-temporel. Les objets en mouvement changeant de position à chaque instant, la prédiction de la nouvelle position spatiale d'un objet tient compte des états de relations spatiales calculées précédemment.

D'après le rapport de l'OMS en 2015, près de la moitié de la population mondiale est exposée au risque du paludisme et le plus grand nombre des cas recensés se trouve en Afrique subsaharienne. Madagascar fait partie des pays où le paludisme est encore endémique. La géographie et le climat de l'île se traduisent par une répartition assez particulière du paludisme. Les plus fortes incidences sont observées sur les littoraux alors que les plus faibles le sont sur les Hautes Terres Centrales. Cinq zones épidémiologiques et opérationnelles ont été définies par les services de lutte contre le paludisme : Est, Ouest, Sud, Hautes Terres et les Marges. Cette étude vise à apporter une meilleure compréhension de l'épidémiologie du paludisme et de mesurer l'impact des mobilités humaines sur la transmission des zones à forte transmission vers les zones à faible transmission afin de contribuer à mieux cibler les actions de contrôle par les acteurs de la santé publique. Elle offre une nouvelle approche permettant d'évaluer la dynamique spatio-temporelle du paludisme, de quantifier la circulation de l'infection palustre en tenant compte de la mobilité de la population par l’utilisation des données de téléphonie mobile et d'identifier les principales zones exportatrices et importatrices de la maladie. En premier lieu, à travers une analyse rétrospective des données d'incidence, ce travail a montré une hétérogénéité évidente dans chaque stratification épidémiologique et la recrudescence de la maladie sur les Hautes Terres et les Marges. En second lieu, indépendamment de la densité de la population, nous avons montré que les Hautes Terres et surtout la capitale Antananarivo sont une zone à fort risque d'importation de paludisme et que les zones exportatrices sont surtout situées à l'Est et à l'Ouest. Enfin, notre enquête de terrain a souligné l'importance d'une mobilité inter district faible et d'une mobilité intra district voire intra communale importante qui mériterait d'être prise en compte dans la mesure de la circulation de l'infection palustre. Cette étude a permis de mettre en lumière que le paludisme est très dynamique à Madagascar avec un degré d'intensité différent même si les zones appartiennent à la même stratification. Ce constat devrait se traduire par une adaptation des stratégies de lutte. Enfin, la mobilité humaine joue un rôle important dans la transmission. A l'heure où la téléphonie mobile s'est largement diffusée à Madagascar, son utilisation pour estimer le déplacement des populations devient un outil pertinent pour contribuer à orienter le contrôle des maladies. / According to the 2015 WHO report, almost half of the world population is exposed to malaria, with the largest number of reported cases in sub-Saharan Africa. Madagascar is one of the countries where malaria is still endemic because of its geographical location. As a matter of fact, the geography and climate of the island gives a specific epidemiological stratification of malaria. There are five malaria epidemiological zones: East, West, South, Highlands and Fringe. The highest incidence is observed on coastal areas, while the lowest incidence is observed on the Central Highlands. This study aims to provide a better understanding of the epidemiology of malaria and to measure the impact of human mobility on transmission from high transmission areas to low transmission areas in order to help better target control actions by public health actors. This study proposes an alternative approach to assess the spatiotemporal dynamics of malaria, quantify the circulation of malaria infection and take into account the mobility of the population to identify the main source and sink areas of malaria. Firstly, through a retrospective analysis of incidence data, this work showed a clear heterogeneity in each stratum, and an increase the Highlands and the Fringe areas. Secondly, regardless of the population density, we have shown that the Highlands and especially the capital of Madagascar, Antananarivo, was a zone at high risk of the importation of malaria. The source areas were mainly in the eastern and the western part of the country. Finally, our field survey highlighted the importance of low inter-district mobility and high intra-district or even intra-communal mobility which should be taken into consideration when assessing the spreading of malaria infection. This study revealed that malaria is very dynamic in Madagascar with a different degree of intensity even if such areas belong to the same stratum. This observation should translate into an adaptation of control strategies. Finally, human mobility plays a leading part in the transmission. At a time when mobile telephony has spread widely in Madagascar, its use to estimate the mobility of populations is becoming a relevant tool to help guide disease control.

La numérisation de nos espaces de vie et de mobilités s’est largement accentuée durant la dernière décennie. La multiplication des capteurs de toute nature permettant de percevoir et de mesurer notre espace physique en est le levier principal. L’ensemble de ces systèmes produit aujourd’hui de grands volumes de données hétérogènes sans cesse croissants, ce qui soulève de nombreux enjeux scientifiques et d'ingénierie en termes de stockage et de traitement pour la gestion et l’analyse de mobilités. Les travaux dans le domaine d’analyse des données spatio-temporelles ont largement été orientés soit vers la fouille de données historiques archivées, soit vers le traitement continu. Afin d’éviter les écueils de plus en plus prégnants dus à l’augmentation de ces volumes de données et de leur vélocité (temps de traitement trop long, modèles conceptuellement plus adaptés, analyse approximative des données), nous proposons la conception d’une approche hybride distribuée permettant le traitement combiné de flux temps-réel et de données archivées. L’objectif de cette thèse est donc de développer un nouveau système de gestion et de traitement distribué pour l’analyse des mobilités en particulier maritimes. La solution proposée répond principalement à des contraintes de temps-réel, les données archivées et les informations qui en sont extraites permettant d'améliorer la qualité de réponse. Une proposition de paradigme d'événements est également développée pour permettre ce traitement hybride mais aussi pour caractériser et identifier plus facilement des comportements types d'objets mobiles. Enfin, une requête appliquée sur des zones de couverture de signal pour des objets mobiles a été étudiée et testée sur des données maritimes mettant en exergue le besoin d'une approche hybride pour le traitement de trajectoires. / Over the past few years, the rapid prolifération of sensors and devices recording positioning information regularly produces very large volumes of heterogeneous data. This leads to many research challenges as the storage, distribution, management,Processing and analysis of the large mobility data generated still needs to be solved. Current works related to the manipulation of mobility data have been directed towards either mining archived historical data or continuous processing of incoming data streams.The aim of this research is to design a holistic System whose objective is to provide a combined processing of real time data streams and archived data positions. The proposed solution is real-time oriented, historical data and informations extracted from them allowing to enhance quality of the answers to queries. A event paradigm is discussed to facilitate the hybrid approach and to identify typical moving objects behaviors. Finally, a query concerning signal coverage of moving objects has been studied and applied to maritime data showing the relevance of a hybrid approach to deal with moving object data processing.

Cette thèse propose une infrastructure pour la spécification de gestionnaires de présentations multimédias spatio-temporelles (JAGUAR). Un gestionnaire assure la définition, le stockage, l'interrogation et la mise en forme des présentations qui sont stockées dans un système de gestion de bases de données multimédias. Les gestionnaires spécifiés servent de médiateurs entre des applications multimédias et des sources hétérogènes d'objets réparties et accessibles au travers du Web (via leur URL). Les objets gérés par un gestionnaire pour un ensemble d'applications sont décrits par un schéma de données qui associe à chaque type une présentation par défaut. Ainsi ce schéma définit la manière dont les objets sont vus par les applications. Un modèle spatio-temporel a été défini pour traiter de manière homogène les objets intégrés dans les présentations. Ce modèle permet également de décrire un objet composé en mettant en évidence les relations spatio-temporelles entre ses composants. Nous proposons également le langage OQLiST qui intègre des opérateurs spatiaux et temporels pour la spécification et l'interrogation de présentations. Ainsi, le langage et le modèle permettent de spécifier, d'interroger et de représenter de manière homogène les descriptions inter et intra-médias. Un prototype de gestionnaire a été implanté pour valider l'infrastructure JAGUAR. Il a été adapté à la construction d'applications sur des plates-formes SMIL et Java Media Framework (JMF). Ce gestionnaire a été utilisé pour la spécification et la mise en oeuvre d'une application touristique. Il a également été employé pour spécifier un outil de visualisation d'objets stockés dans un entrepo>t de données.