Automatic plant pest detection and recognition using k-means clustering algorithm and correspondence filters

Plant pest recognition and detection is vital for food security, quality of life and a stable agricultural economy. This research demonstrates the combination of the k-means clustering algorithm and the correspondence filter to achieve pest detection and recognition. The detection of the dataset is achieved by partitioning the data space into Voronoi cells, which tends to find clusters of comparable spatial extents, thereby separating the objects (pests) from the background (pest habitat). The detection is established by extracting the variant distinctive attributes between the pest and its habitat (leaf, stem) and using the correspondence filter to identify the plant pests to obtain correlation peak values for different datasets. This work further establishes that the recognition probability from the pest image is directly proportional to the height of the output signal and inversely proportional to the viewing angles, which further confirmed that the recognition of plant pests is a function of their position and viewing angle. It is encouraging to note that the correspondence filter can achieve rotational invariance of pests up to angles of 360 degrees, which proves the effectiveness of the algorithm for the detection and recognition of plant pests

Online coherency identification and stability condition for large interconnected power systems using an unsupervised data mining technique

Identification of coherent generators and the determination of the stability system condition in large interconnected power system is one of the key steps to carry out different control system strategies to avoid a partial or complete blackout of a power system. However, the oscillatory trends, the larger amount data available and the non-linear dynamic behaviour of the frequency measurements often mislead the appropriate knowledge of the actual coherent groups, making wide-area coherency monitoring a challenging task. This paper presents a novel online unsupervised data mining technique to identify coherent groups, to detect the power system disturbance event and determine status stability condition of the system. The innovative part of the proposed approach resides on combining traditional plain algorithms such as singular value decomposition (SVD) and K -means for clustering together with new concept based on clustering slopes. The proposed combination provides an added value to other applications relying on similar algorithms available in the literature. To validate the effectiveness of the proposed method, two case studies are presented, where data is extracted from the large and comprehensive initial dynamic model of ENTSO-E and the results compared to other alternative methods available in the literature

Calorimetry for low-energy electrons using charge and light in liquid argon

Precise calorimetric reconstruction of 5–50 MeV electrons in liquid argon time projection chambers (LArTPCs) will enable the study of astrophysical neutrinos in DUNE and could enhance the physics reach of oscillation analyses. Liquid argon scintillation light has the potential to improve energy reconstruction for low-energy electrons over charge-based measurements alone. Here we demonstrate light-augmented calorimetry for low-energy electrons in a single-phase LArTPC using a sample of Michel electrons from decays of stopping cosmic muons in the LArIAT experiment at Fermilab. Michel electron energy spectra are reconstructed using both a traditional charge-based approach as well as a more holistic approach that incorporates both charge and light. A maximum-likelihood fitter, using LArIAT’s well-tuned simulation, is developed for combining these quantities to achieve optimal energy resolution. A sample of isolated electrons is simulated to better determine the energy resolution expected for astrophysical electron-neutrino charged-current interaction final states. In LArIAT, which has very low wire noise and an average light yield of 18  pe/MeV, an energy resolution of σ/E≃9.3%/√E⊕1.3% is achieved. Samples are then generated with varying wire noise levels and light yields to gauge the impact of light-augmented calorimetry in larger LArTPCs. At a charge-readout signal-to-noise of S/N≃30, for example, the energy resolution for electrons below 40 MeV is improved by ≈10%, ≈20%, and ≈40% over charge-only calorimetry for average light yields of 10  pe/MeV, 20  pe/MeV, and 100  pe/MeV, respectively.https://arxiv.org/abs/1909.07920Othe

The CLEO-III Ring Imaging Cherenkov Detector

The CLEO-III Detector upgrade for charged particle identification is discussed. The RICH design uses solid LiF crystal radiators coupled with multi-wire chamber photon detectors, using TEA as the photosensor, and low-noise Viking readout electronics. Results from our beam test at Fermilab are presented.Comment: Invited talk by R.J. Mountain at ``The 3rd International Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors," a research workshop of the Israel Science Foundation, Ein-Gedi, Dead-Sea, Israel, Nov. 15-20, 1998, 14 pages, 9 figure

Nondestructive evaluation and in-situ monitoring for metal additive manufacturing

Powder-based additive manufacturing (AM) technologies are seeing increased use, particularly because they give greatly enhanced design flexibility and can be used to form components that cannot be formed using subtractive manufacturing. There are fundamental differences in the morphology of additively manufactured materials, when compared with, for example castings or forgings. In all cases it is necessary to ensure that parts meet required quality standards and that “allowable” anomalies can be detected and characterized. It is necessary to understanding the various types of manufacturing defects and their potential effects on the quality and performance of AM, and this is a topic of much study. In addition, it is necessary to investigate quality from powder throughout the manufacturing process from powder to the finished part. In doing so it is essential to have metrology tools for mechanical property evaluation and for appropriate anomaly detection, quality control, and monitoring. Knowledge of how and when the various types of defects appear will increase the potential for early detection of significant flaws in additively manufactured parts and offers the potential opportunity for in-process intervention and to hence decrease the time and cost of repair or rework. Because the AM process involves incremental deposition of material, it gives unique opportunities to investigate the material quality as it is deposited. Due to the AM processes sensitivity to different factors such as laser power and material properties, any changes in aspects of the process can potentially have an impact on the part quality. As a result, in-process monitoring of additive manufacturing (AM) is crucial to assure the quality, integrity, and safety of AM parts. To meet this need there are a variety of sensing methods and signals which can be measured. Among the available measurement modalities, acoustic-based methods have the advantage of potentially providing real-time, continuous in-service monitoring of manufacturing processes at relatively low cost. In this research, the various types of microstructural features or defects, their generation mechanisms, their effect on bulk properties and the capabilities of existing characterization methodologies for powder-based AM parts are discussed and methods for in-situ non-destructive evaluation are reviewed. A proof-of-concept demonstration for acoustic measurements used for monitoring both machine and material state is demonstrated. The analyses have been performed on temporal and spectral features extracted from the acoustic signals. These features are commonly related to defect formation, and acoustic noise that is generated and can potentially characterize the process. A novel application of signal processing tools is used for identification of temporal and spectral features in the acoustic signals. A new approach for a K-means statistical classification algorithm is used for classification of different process conditions, and quantitative evaluation of the classification performance in terms of cohesion and isolation of the clusters. The identified acoustic signatures demonstrate potential for in-situ monitoring and quality control of the additive manufacturing process and parts. A numerical model of the temperature field and the ultrasonic wave displacement field induced by an incident pulsed laser on additively manufactured stainless steel 17 4 PH is established which is based on thermoelastic theory. The numerical results indicate that the thermoelastic source and the ultrasonic wave features are strongly affected by the characteristics of the laser source and the thermal and mechanical properties of the material. The magnitude and temporal-spatial distributions of the pulsed laser source energy are very important factors which determine not only the wave generation mechanisms, but also the amplitude and characteristics of the resulting elastic wave signals

Uterine contractions clustering based on surface electromyography: an input for pregnancy monitoring

Tese de mestrado em Bioestatística, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Inicialmente a investigação da contratilidade uterina recorria à utilização de dois métodos: o tocograma externo e o cateter de pressão intrauterino. Ambos os métodos apresentam limitações ao nível da avaliação do risco de parto prematuro e na monitorização da gravidez. O EHG (Electrohisterograma) é um método alternativo ao tocograma externo e ao cateter de pressão intrauterino. Este método pode ser aplicado de forma invasiva no músculo uterino, ou de forma não invasiva através de elétrodos colocados no abdómen. O EHG tem sido considerado uma ferramenta adequada para a monitorização da gravidez e do parto. O índice de massa corporal tem um impacto quase impercetível no EHG, sendo esta uma das principais características deste método. O EHG pode também ser utilizado para identificar as mulheres que vão entrar em trabalho de parto e ainda auxiliar na tomada de decisão médica quanto à utilização da terapia tocolítica (antagonista da oxitocina), evitando deste modo a ingestão de medicação desnecessária e os consequentes efeitos secundários. Na literatura existem apenas cinco casos publicados em que foi realizada uma separação dos principais eventos do sinal EHG: contrações, movimentos fetais, ondas Alvarez e ondas LDBF (Longue Durée Basse Fréquence). Em três das publicações a separação dos eventos foi feita manualmente e nos restantes casos algoritmos, como redes neuronais, foram aplicados ao EHG. As ondas Alvarez e as Braxton-Hicks são as mais reconhecidas. As ondas Alvarez foram descritas pela primeira vez nos anos cinquenta e as Braxton-Hicks foram descritas pela primeira vez em 1872 sendo detetadas através de palpação. As ondas Alvarez são ocasionalmente sentidas pela mulher. Estas ondas estão localizadas numa pequena área do tecido uterino sem propagação e podem levar a contrações com maior intensidade e, consequentemente, ao parto pré-termo. As Braxton-Hicks são contrações ineficientes registadas a partir da 20ª semana de gravidez que se tornam mais frequentes e intensas com o decorrer da gravidez. Estas contrações são menos localizadas que as ondas Alvarez e, durante o parto, propagam-se por todo o tecido uterino num curto período de tempo. As Braxton-Hicks estão associadas a uma diminuição do ritmo cardíaco fetal. As ondas LDBF são contrações de longa duração associadas a hipertonia uterina, quando há contração do tecido uterino sem retorno ao relaxamento muscular, o que representa um risco na gravidez. Neste trabalho foram utilizadas duas bases de dados. Na base de dados da Islândia existem 122 registos de 45 mulheres, dos quais apenas 4 correspondem a partos pré-termo. Na base de dados TPEHG (Term-Preterm EHG) existem 300 registos, dos quais 38 correspondem a partos pré-termo. Neste trabalho foram escolhidos canais bipolares, visto que estes reduzem o ruído idêntico, como o ECG (Eletrocardiograma) materno ou movimentos respiratórios. Para ambas as bases de dados os sinais originais de EHG foram processados e filtrados. Na estimação espetral foram considerados dois métodos: paramétricos e não paramétricos. O método Welch foi escolhido pois representa um bom compromisso entre ambos. Este método foi utilizado para calcular o espectro de cada evento detetado no sinal EHG. Para detetar os eventos no sinal EHG foram considerados cinco métodos baseados na energia ou amplitude. O método Wavelet foi o escolhido pois após uma inspeção visual, este era o método que delineava melhor as contrações. Na base de dados da Islândia foram identificadas 3136 contrações e na TPEHG foram encontradas 4622 contrações. O objetivo principal desta tese é obter clusters de contrações detetadas no sinal EHG. No entanto, as contrações são séries temporais não estacionárias, e a sua classificação visual é inviável a longo termo e também difícil de aplicar na prática clínica. Existem vários parâmetros que podem ser extraídos do sinal EHG, mas o espectro das contrações foi o método escolhido visto que este representa o sinal EHG e tem sempre a mesma dimensão, independentemente da duração da contração. As distâncias espetrais têm sido utilizadas com sucesso no reconhecimento áudio. Neste trabalho foi realizada uma aplicação desse método ao processamento do EHG, no qual foram realizados os ajustes necessários. Para comparar os espectros foram estudadas 8 distâncias diferentes: Itakura-Saito, COSH, Itakura, Itakura simétrica, Kullback-Leibler, Jeffrey, Rényi e Jensen-Rényi. Apenas as distâncias simétricas foram selecionadas para um estudo mais detalhado visto que estas são, segundo a literatura, as distâncias mais adequadas aquando do clustering. Após comparação das distâncias simétricas, a divergência de Jeffrey foi a selecionada para a comparação dos espectros. Nesta tese foram avaliados três métodos diferentes de clustering: o linkage, o K-means e o K-medoids. O linkage é um método hierárquico. Os clusters que resultam do agrupamento hierárquico estão organizados numa estrutura chamada dendrograma. No agrupamento hierárquico, não é necessário predeterminar o número de clusters, o que torna este um método ideal na exploração dos dados. O K-means e o K-medoids são métodos de partição, nos quais os dados são separados em k clusters decididos previamente. Os clusters são definidos de forma a otimizar a função da distância. No algoritmo K-means, os clusters baseiam-se na proximidade entre si de acordo com uma distância predeterminada. A diferença entre o K-medoids e o K-means é que o K-medoids escolhe pontos de dados como centros, chamados de medoides, enquanto K-means usa centróides. Após uma comparação dos diferentes métodos de clustering foi escolhido neste trabalho foi o average linkage, visto que este apresentava melhores resultados quer na separação dos espectros quer na silhueta. É então apresentado um método inovador no qual se utiliza todo o espectro das contrações detetadas automaticamente no EHG para o clustering não supervisionado. Esta técnica é uma contribuição para a classificação automática das diferentes contrações, especialmente aquelas mais reconhecidas na literatura: Alvarez e Braxton-Hicks. Era expectável encontrar um cluster isolado com as ondas LDBF, visto que estas representam um risco para o feto. O principal objetivo era juntar num cluster os espectros semelhantes das contrações, e relacioná-lo com o respetivo tipo de contração. Essa tarefa foi concluída através da identificação positiva de Alvarez e Braxton-Hicks. O clustering forneceu ainda algumas pistas sobre ondas Alvarez que não foram encontradas com o algoritmo de deteção de contrações, situação para a qual um método alternativo é apresentado. É sugerido que as ondas Alvarez sejam detetadas com métodos baseados na frequência, como, por exemplo, a frequência instantânea, no entanto este método não foi desenvolvido neste trabalho. Em relação às ondas LDBF, estas foram encontradas no cluster das Braxton-Hicks. É sugerido que a deteção das ondas LDBF seja baseada na sua caraterística mais distinta: a longa duração. Verificou-se que os casos pré-termo e os registos pré-parto não ficaram isolados num cluster, não se tendo encontrado uma relação entre a idade gestacional e o tipo de contração. Conclui-se que as contrações mais curtas apresentam maior amplitude do que as contrações com maior duração. Baseado em estudos anteriores sobre a eletrofisiologia do útero, supõem-se que o início do trabalho de parto pré-termo e termo esteja associado a sequências específicas de diferentes tipos de contrações, nas quais as ondas Alvares desempenham um papel importante. As contrações identificadas como Alvarez e Braxton-Hicks não são usadas como tal na prática clínica apesar de a maioria das contrações detetadas pelo tocograma serem Braxton-Hicks. O interesse pelas ondas Alvarez diminuiu rapidamente visto que estas ondas são praticamente indetetáveis pelo método de referência de deteção de contrações: o tocograma. As capacidades e a resolução do EHG levaram à renovação do estudo das contrações mais subtis, incluindo as Alvarez. Este trabalho é uma contribuição para a investigação nesta área.An innovative technique is introduced wherein where an unsupervised clustering method using as feature the whole spectrum of automatically detected contractions on the EHG (Electrohysterogram) is presented as a contribution to the automatic classification of the different uterine contractions, at least those that have been most recognized in the literature: Alvarez and Braxton-Hicks. It was expected to also be able to cluster the LDBF (Longue Durée Basse Fréquence) components, as these pose a fetal risk. The main task was to have the spectral contractions descriptions clustered and linked to the respective contraction type. That task was completed with positive identification of the Alvarez and Braxton-Hicks. The clustering process also provided clues regarding the missed Alvarez waves in the contraction detection algorithm, for which an alternative technique is suggested but not developed in this work. Regarding the LDBF they were found in the Braxton-Hicks cluster. It is suggested the LDBF´s to be detected based in their most prominent feature: the long duration. It is presented the rationale behind the selection of a cost function to be used in the spectral distance’s algorithm. Spectral distances have been successfully used in audio recognition and this works represents an application to the EHG processing, for which the necessary adjustments have to be implemented. It was found that no single cluster pointed to the preterm cases, or indeed to the pre-labor subject recordings. It is hypothesized, based on previous studies in uterine electrophysiology, that the initiation of pre-term or term labor should be associated with triggering contraction sequences of different types, where the Alvarez waves play a major role. Alvarez and Braxton-Hicks, labeled as such, are not typically used in the clinical environment despite most of the Tocogram detected contractions being the latter. Alvarez waves are not usually detectable by the Tocogram. Alvarez were firstly detected invasively in the early fifties, and Braxton-Hicks in 1872 using routine palpation techniques. The interest in Alvarez components declined rapidly since being practically undetectable by the de facto reference in the contraction detection: the Tocogram. The EHG capabilities and resolution made it possible to revive the research on the most subtle uterine contractions, Alvarez included and this work is a contribution in this research area

The Origin of Sequential Chromospheric Brightenings

Sequential chromospheric brightenings (SCBs) are often observed in the immediate vicinity of erupting flares and are associated with coronal mass ejections. Since their initial discovery in 2005, there have been several subsequent investigations of SCBs. These studies have used differing detection and analysis techniques, making it difficult to compare results between studies. This work employs the automated detection algorithm of Kirk et al. (Solar Phys. 283, 97, 2013) to extract the physical characteristics of SCBs in 11 flares of varying size and intensity. We demonstrate that the magnetic substructure within the SCB appears to have a significantly smaller area than the corresponding H-alpha emission. We conclude that SCBs originate in the lower corona around 0.1 R_sun above the photosphere, propagate away from the flare center at speeds of 35 - 85 km/s, and have peak photosphere magnetic intensities of 148 +/- 2.9 G. In light of these measurements, we infer SCBs to be distinctive chromospheric signatures of erupting coronal mass ejections.Comment: 25 pages, 9 figures, 5 table