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