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Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration
RESUMEN
Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han
convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La
comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la
gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar
las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de
una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas
de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos.
Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la
relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y
evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca
del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN),
utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método
de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales.
Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera,
la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que
condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte
del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el
río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la
proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento
de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y
demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de
decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos.
El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos
principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las
interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad
fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con
este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con
variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero
con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables
de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la
importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la
necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat
(incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los
ríos Mediterráneos.
El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos
predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La
relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento
ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando
validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2
), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado
(R2
adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el
procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares
(R2
= 68% para RF y R2
= 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine
learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos.
El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los
factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la
demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con
variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el
índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva
(AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue
bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la
densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes
que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de
especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente.
En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de
los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies
exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la
relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría
utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la
conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI
Deep Neural Networks Rival the Representation of Primate IT Cortex for Core Visual Object Recognition
The primate visual system achieves remarkable visual object recognition
performance even in brief presentations and under changes to object exemplar,
geometric transformations, and background variation (a.k.a. core visual object
recognition). This remarkable performance is mediated by the representation
formed in inferior temporal (IT) cortex. In parallel, recent advances in
machine learning have led to ever higher performing models of object
recognition using artificial deep neural networks (DNNs). It remains unclear,
however, whether the representational performance of DNNs rivals that of the
brain. To accurately produce such a comparison, a major difficulty has been a
unifying metric that accounts for experimental limitations such as the amount
of noise, the number of neural recording sites, and the number trials, and
computational limitations such as the complexity of the decoding classifier and
the number of classifier training examples. In this work we perform a direct
comparison that corrects for these experimental limitations and computational
considerations. As part of our methodology, we propose an extension of "kernel
analysis" that measures the generalization accuracy as a function of
representational complexity. Our evaluations show that, unlike previous
bio-inspired models, the latest DNNs rival the representational performance of
IT cortex on this visual object recognition task. Furthermore, we show that
models that perform well on measures of representational performance also
perform well on measures of representational similarity to IT and on measures
of predicting individual IT multi-unit responses. Whether these DNNs rely on
computational mechanisms similar to the primate visual system is yet to be
determined, but, unlike all previous bio-inspired models, that possibility
cannot be ruled out merely on representational performance grounds.Comment: 35 pages, 12 figures, extends and expands upon arXiv:1301.353
An Online Decision-Theoretic Pipeline for Responder Dispatch
The problem of dispatching emergency responders to service traffic accidents,
fire, distress calls and crimes plagues urban areas across the globe. While
such problems have been extensively looked at, most approaches are offline.
Such methodologies fail to capture the dynamically changing environments under
which critical emergency response occurs, and therefore, fail to be implemented
in practice. Any holistic approach towards creating a pipeline for effective
emergency response must also look at other challenges that it subsumes -
predicting when and where incidents happen and understanding the changing
environmental dynamics. We describe a system that collectively deals with all
these problems in an online manner, meaning that the models get updated with
streaming data sources. We highlight why such an approach is crucial to the
effectiveness of emergency response, and present an algorithmic framework that
can compute promising actions for a given decision-theoretic model for
responder dispatch. We argue that carefully crafted heuristic measures can
balance the trade-off between computational time and the quality of solutions
achieved and highlight why such an approach is more scalable and tractable than
traditional approaches. We also present an online mechanism for incident
prediction, as well as an approach based on recurrent neural networks for
learning and predicting environmental features that affect responder dispatch.
We compare our methodology with prior state-of-the-art and existing dispatch
strategies in the field, which show that our approach results in a reduction in
response time with a drastic reduction in computational time.Comment: Appeared in ICCPS 201
Foundations and modelling of dynamic networks using Dynamic Graph Neural Networks: A survey
Dynamic networks are used in a wide range of fields, including social network
analysis, recommender systems, and epidemiology. Representing complex networks
as structures changing over time allow network models to leverage not only
structural but also temporal patterns. However, as dynamic network literature
stems from diverse fields and makes use of inconsistent terminology, it is
challenging to navigate. Meanwhile, graph neural networks (GNNs) have gained a
lot of attention in recent years for their ability to perform well on a range
of network science tasks, such as link prediction and node classification.
Despite the popularity of graph neural networks and the proven benefits of
dynamic network models, there has been little focus on graph neural networks
for dynamic networks. To address the challenges resulting from the fact that
this research crosses diverse fields as well as to survey dynamic graph neural
networks, this work is split into two main parts. First, to address the
ambiguity of the dynamic network terminology we establish a foundation of
dynamic networks with consistent, detailed terminology and notation. Second, we
present a comprehensive survey of dynamic graph neural network models using the
proposed terminologyComment: 28 pages, 9 figures, 8 table
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