Parametric Level Set Methods for Inverse Problems

In this paper, a parametric level set method for reconstruction of obstacles in general inverse problems is considered. General evolution equations for the reconstruction of unknown obstacles are derived in terms of the underlying level set parameters. We show that using the appropriate form of parameterizing the level set function results a significantly lower dimensional problem, which bypasses many difficulties with traditional level set methods, such as regularization, re-initialization and use of signed distance function. Moreover, we show that from a computational point of view, low order representation of the problem paves the path for easier use of Newton and quasi-Newton methods. Specifically for the purposes of this paper, we parameterize the level set function in terms of adaptive compactly supported radial basis functions, which used in the proposed manner provides flexibility in presenting a larger class of shapes with fewer terms. Also they provide a "narrow-banding" advantage which can further reduce the number of active unknowns at each step of the evolution. The performance of the proposed approach is examined in three examples of inverse problems, i.e., electrical resistance tomography, X-ray computed tomography and diffuse optical tomography

Application of smoothed point interpolation methods to numerical modelling of saturated and unsaturated porous media

This study aims to develop an efficient computational framework for a rigorous coupled flow and deformation analysis of saturated and unsaturated porous media. The governing equations are derived based on equations of equilibrium, and conservation equations of mass and momentum for each phase. For numerical solution of the governing equations, the edge-based smoothed point interpolation method (ESPIM) is employed due to its numerous advantages over the classical techniques. The ESPIM was originally introduced for problems in single phase media. The extension of the technique to multiphase media is not trivial, and therefore as the first development step, ESPIM is extended for the solution of the coupled hydro-mechanical problems in saturated porous media through a novel approach for evaluation of the coupling matrix. Verification of the proposed ESPIM formulation is performed using several benchmark numerical examples. Subsequently, the method of manufactured solutions (MMS) is introduced, for the first time in geomechanics, for a systematic and more rigorous verification of the computational scheme. The proposed numerical framework is then extended to include material nonlinearity. For this purpose, a non-associative Mohr-Coulomb constitutive model is adopted and an algorithm is developed based on the modified Newton-Raphson technique to address the nonlinearities arisen from the elasto-plastic constitutive model. Stress integration is performed using the substepping method. The computational framework is then further extended to include the problems in unsaturated soil mechanics, taking account of coupling among different phases, and the hydraulic hysteresis observed in the behaviour of unsaturated soils. A framework based on the effective stress principle is followed in the formulation and a hysteretic water retention model is taken into account which includes the evolution of water retention curve (WRC) with changes of void ratio. An elasto-plastic constitutive model is employed within the context of bounding surface plasticity theory for predicting the nonlinear behaviour of soil skeleton in saturated and unsaturated porous media. The model is validated by comparing the numerical predictions with experimental or numerical data from the literature for fully and partially saturated soils. The results demonstrate the capability of the proposed numerical framework to predict essential characteristics of variably saturated soils

Global multiquadric collocation method for groundwater contaminant source identification

In this paper, a radial basis collocation method (RBCM) based on the global space-time multiquadric (GST-MQ) is developed to solve the inverse problem of groundwater contaminant source identification. This deterministic method directly induces the problem to a single-step solution of a system of linear algebraic equations in the entire space-time domain. The least-square-based radial basis collocation method (LS-RBCM) is introduced to overcome the ill-posedness of the linear system. To increase confidence in the GST-MQ solutions, the sensitivity analysis with respect to calculation parameters, observation data and model uncertainty is investigated. The performance of the application examples of contaminant source identification in one- and two-dimensional porous media demonstrates that the proposed method poses the meshfree advantage and direct identification of contaminant source with efficient methodology. The GST-MQ method provides a robust tool for estimating spatial plume distribution as well as the release history of groundwater contaminant source from concentration measurements

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume