Unifying Geometry and Mesh Adaptive Refinement Using Loop Subdivision

RÉSUMÉ Cette thèse présente une nouvelle approche pour le raffinement de trois types de maillages : courbes, surfaces triangulaires et maillages tétraédriques tridimensionnels. Cette approche utilise des représentations par subdivisions afin de définir, modifier, analyser et visualiser des modèles géométriques de topologie arbitraire pour les applications de simulation numérique. Les représentations par subdivisions sont générées à l’aide des subdivisions de Loop. Après avoir étudié les inconvénients du manque de flexibilité dans le contrôle des niveaux de détails et du manque de précision dans les représentations de modèles géométriques utilisant les subdivisions itératives, approximatives et non-uniformes pour se rapprocher des modèles simulés, nous introduisons une nouvelle méthode de subdivision adaptative pour le raffinement de maillages. Cette méthode de raffinement à un seul niveau a été développée afin de supporter les subdivisions adaptatives pour les trois types de maillages. Cette méthode évite le stockage par hiérarchie et les problèmes d’assemblage rencontrés durant la génération des maillages multi-résolutions par subdivisions, surtout pour les maillages tétraédriques. La mise en œuvre de subdivisions pour les maillages adaptatifs tétraédriques amène deux innovations : la configuration de forme de fractionnement des tétraèdres et l’amélioration de la paramétrisation des surfaces de subdivision. La combinaison naturelle de ces deux innovations permet la génération par subdivision de maillages multi-résolutions tétraédriques dont les surfaces frontières sont exactement sur les limites de subdivision. Notre recherche contient cinq parties. Premièrement, nous développons un schéma de Loop pour la subdivision des solides, lequel permet d’intégrer le fractionnement topologique des arêtes avec le lissage géométrique des surfaces frontières. Deuxièmement, nous fusionnons les raffinements adaptatifs avec les techniques de subdivision, ce qui permet la subdivision adaptive complète du maillage tout en ayant les surfaces frontières projetées sur les limites de subdivision. Troisièmement, nous étudions et comparons des techniques existantes de paramétrisation des surfaces de subdivision, ce qui permet d’obtenir directement la limite de subdivision de toutes positions arbitraires sur les surfaces de subdivision de Loop. Quatrièmement, nous construisons les règles de création des sommets fixes et des arêtes vives du schéma de subdivision de Loop pour les modèles solides, ce qui permet de préserver les caractéristiques anguleuses des surfaces frontières des maillages tétraédriques. Finalement, nous utilisons un critère de qualité des maillages pour valider nos résultats et nous présentons la performance des calculs en ce qui a trait à la modélisation des solides.----------ABSTRACT In this thesis, we present a new refinement approach on three types of meshes: curves, triangular surfaces and 3D tetrahedral meshes. This approach utilizes subdivision-based representations to create, modify, analyze and visualize geometric models with arbitrary topology for numerical simulation applications. The subdivision-based representations are generated by utilizing Loop subdivisions. After studying the disadvantage of lack of flexibility in controlling LODs (Level Of Details) and accuracy in representing geometric models by using the non-uniform approximating subdivision iterations to approach simulated models, we introduce adaptive subdivisions in our refinement work. We develop a single-level refinement method to support adaptive subdivisions on the three types of meshes. This single-level method eliminates the hierarchy storage and the stitching issues encountered during the generation of multi-resolution subdivision meshes, especially 3D tetrahedral meshes. The implementation of adaptive tetrahedral mesh subdivisions brings up two innovations: the configuration of tetrahedron split patterns and the improvement in subdivision surface parameterizations. The natural combination of these two innovations fulfills generating multi-resolution subdivision tetrahedral meshes, whose boundary surfaces lie exactly on their subdivision limits. Our research work includes five parts. Firstly, we develop the Loop-based solid subdivision scheme, which permits integrating edge-based topological splits with geometrical smoothing on boundary surfaces. Secondly, we merge subdivision techniques with adaptive refinements with, which permits whole meshes to be adaptively subdivided and boundary meshes to be projected to their subdivision limits. Thirdly, we study and compare the existing subdivision surface parameterization techniques, which eventually permits obtaining the limit subdivision of any arbitrary position on Loop subdivision surfaces. Fourthly, we complete vertex and edge crease creation rules of the Loop-based solid subdivision scheme, which permits preserving sharp features on boundary surfaces of 3D tetrahedral meshes. Finally, we use a mesh quality evaluator to validate our results and we evaluate system performance in the context of solid modeling

Reconstruction de formes tubulaires à partir de nuages de points : application à l’estimation de la géométrie forestière

Les capacités des technologies de télédétection ont augmenté exponentiellement au cours des dernières années : de nouveaux scanners fournissent maintenant une représentation géométrique de leur environnement sous la forme de nuage de points avec une précision jusqu'ici inégalée. Le traitement de nuages de points est donc devenu une discipline à part entière avec ses problématiques propres et de nombreux défis à relever. Le coeur de cette thèse porte sur la modélisation géométrique et introduit une méthode robuste d'extraction de formes tubulaires à partir de nuages de points. Nous avons choisi de tester nos méthodes dans le contexte applicatif difficile de la foresterie pour mettre en valeur la robustesse de nos algorithmes et leur application à des données volumineuses. Nos méthodes intègrent les normales aux points comme information supplémentaire pour atteindre les objectifs de performance nécessaire au traitement de nuages de points volumineux.Cependant, ces normales ne sont généralement pas fournies par les capteurs, il est donc nécessaire de les pré-calculer.Pour préserver la rapidité d'exécution, notre premier développement a donc consisté à présenter une méthode rapide d'estimation de normales. Pour ce faire nous avons approximé localement la géométrie du nuage de points en utilisant des "patchs" lisses dont la taille s'adapte à la complexité locale des nuages de points. Nos travaux se sont ensuite concentrés sur l’extraction robuste de formes tubulaires dans des nuages de points denses, occlus, bruités et de densité inhomogène. Dans cette optique, nous avons développé une variante de la transformée de Hough dont la complexité est réduite grâce aux normales calculées. Nous avons ensuite couplé ces travaux à une proposition de contours actifs indépendants de leur paramétrisation. Cette combinaison assure la cohérence interne des formes reconstruites et s’affranchit ainsi des problèmes liés à l'occlusion, au bruit et aux variations de densité. Notre méthode a été validée en environnement complexe forestier pour reconstruire des troncs d'arbre afin d'en relever les qualités par comparaison à des méthodes existantes. La reconstruction de troncs d'arbre ouvre d'autres questions à mi-chemin entre foresterie et géométrie. La segmentation des arbres d'une placette forestière est l'une d’entre elles. C'est pourquoi nous proposons également une méthode de segmentation conçue pour contourner les défauts des nuages de points forestiers et isoler les différents objets d'un jeu de données. Durant nos travaux nous avons utilisé des approches de modélisation pour répondre à des questions géométriques, et nous les avons appliqué à des problématiques forestières.Il en résulte un pipeline de traitements cohérent qui, bien qu'illustré sur des données forestières, est applicable dans des contextes variés.Abstract : The potential of remote sensing technologies has recently increased exponentially: new sensors now provide a geometric representation of their environment in the form of point clouds with unrivalled accuracy. Point cloud processing hence became a full discipline, including specific problems and many challenges to face. The core of this thesis concerns geometric modelling and introduces a fast and robust method for the extraction of tubular shapes from point clouds. We hence chose to test our method in the difficult applicative context of forestry in order to highlight the robustness of our algorithms and their application to large data sets. Our methods integrate normal vectors as a supplementary geometric information in order to achieve the performance goal necessary for large point cloud processing. However, remote sensing techniques do not commonly provide normal vectors, thus they have to be computed. Our first development hence consisted in the development of a fast normal estimation method on point cloud in order to reduce the computing time on large point clouds. To do so, we locally approximated the point cloud geometry using smooth ''patches`` of points which size adapts to the local complexity of the point cloud geometry. We then focused our work on the robust extraction of tubular shapes from dense, occluded, noisy point clouds suffering from non-homogeneous sampling density. For this objective, we developed a variant of the Hough transform which complexity is reduced thanks to the computed normal vectors. We then combined this research with a new definition of parametrisation-invariant active contours. This combination ensures the internal coherence of the reconstructed shapes and alleviates issues related to occlusion, noise and variation of sampling density. We validated our method in complex forest environments with the reconstruction of tree stems to emphasize its advantages and compare it to existing methods. Tree stem reconstruction also opens new perspectives halfway in between forestry and geometry. One of them is the segmentation of trees from a forest plot. Therefore we also propose a segmentation approach designed to overcome the defects of forest point clouds and capable of isolating objects inside a point cloud. During our work we used modelling approaches to answer geometric questions and we applied our methods to forestry problems. Therefore, our studies result in a processing pipeline adapted to forest point cloud analyses, but the general geometric algorithms we propose can also be applied in various contexts

Example Based Caricature Synthesis

The likeness of a caricature to the original face image is an essential and often overlooked part of caricature production. In this paper we present an example based caricature synthesis technique, consisting of shape exaggeration, relationship exaggeration, and optimization for likeness. Rather than relying on a large training set of caricature face pairs, our shape exaggeration step is based on only one or a small number of examples of facial features. The relationship exaggeration step introduces two definitions which facilitate global facial feature synthesis. The first is the T-Shape rule, which describes the relative relationship between the facial elements in an intuitive manner. The second is the so called proportions, which characterizes the facial features in a proportion form. Finally we introduce a similarity metric as the likeness metric based on the Modified Hausdorff Distance (MHD) which allows us to optimize the configuration of facial elements, maximizing likeness while satisfying a number of constraints. The effectiveness of our algorithm is demonstrated with experimental results

Analyse de l'architecture de la matière blanche et projection de mesures sur la surface corticale

L'étude de l'architecture et de la connectivité structurelle du cerveau est possible grâce à l'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd). Ce type d’image, similaire à un champ vectoriel tridimensionnel, combiné à un algorithme nommé tractographie, permet d’inférer la distribution des fibres de matière blanche et ainsi de reconstruire la structure locale du tissu. Or, cette méthode demeure limitée par une basse résolution et un faible rapport signal sur bruit. Afin de contourner ces limitations, des modèles géométriques construits à partir d’aprioris anatomiques sont utilisés. Cette thèse montre que des règles et des contraintes basées sur la modélisation corticale peuvent être intégrées à la tractographie par le biais d’équations de géométrie différentielle. En effet, la structure axonale sous-jacente à la matière grise peut être approximée avec l'utilisation de la surface et d'un flot de courbure moyenne. Pondéré par l’information de densité, ce flot permet d’obtenir une meilleure représentation des projections des fibres de matière blanche sous le cortex. D'ailleurs, le fait d’incorporer la surface corticale, obtenue d’une image anatomique haute résolution, à l’IRMd permet d'augmenter la précision de la tractographie. Puisque l'acquisition d'une image anatomique (pondération T1) est toujours faite lors d'une IRMd, la combinaison des deux est une façon simple et peu coûteuse d'améliorer cette technique de reconstruction. Par ailleurs, discrétiser les surfaces corticales à l'aide de maillages, plutôt qu’avec des masques voxeliques, permet non seulement d'augmenter la précision de l'interface, mais d'intégrer facilement de nouveaux aprioris et de mieux choisir la répartition des positions initiales. L'ajout d'aprioris et de modèles géométriques permet de mieux modéliser près du cortex et ainsi connecter jusqu'aux surfaces corticales. Cette connexion rend possible la projection de mesures de la matière blanche le long du cortex, un domaine également utilisé pour plusieurs analyses anatomiques (ex. épaisseur corticale), magnéto-/électro-encéphalographie (MEG/EEG) et IRM fonctionnelle (IRMf). L'intégration de ces surfaces corticales à la tractographie a un impact important pour les recherches multimodales sur la connectivité cérébrale

Actas do 10º Encontro Português de Computação Gráfica

Actas do 10º Encontro Portugês de Computação Gráfica, Lisboa, 1-3 de Outubro de 2001A investigação, o desenvolvimento e o ensino na área da Computação Gráfica constituem, em Portugal, uma realidade positiva e de largas tradições. O Encontro Português de Computação Gráfica (EPCG), realizado no âmbito das actividades do Grupo Português de Computação Gráfica (GPCG), tem permitido reunir regularmente, desde o 1º EPCG realizado também em Lisboa, mas no já longínquo mês de Julho de 1988, todos os que trabalham nesta área abrangente e com inúmeras aplicações. Pela primeira vez no historial destes Encontros, o 10º EPCG foi organizado em ligação estreita com as comunidades do Processamento de Imagem e da Visão por Computador, através da Associação Portuguesa de Reconhecimento de Padrões (APRP), salientando-se, assim, a acrescida colaboração, e a convergência, entre essas duas áreas e a Computação Gráfica. Este é o livro de actas deste 10º EPCG.INSATUniWebIcep PortugalMicrografAutodes

Advanced interaction techniques for medical models

Advances in Medical Visualization allows the analysis of anatomical structures with the use of 3D models reconstructed from a stack of intensity-based images acquired through different techniques, being Computerized Tomographic (CT) modality one of the most common. A general medical volume graphics application usually includes an exploration task which is sometimes preceded by an analysis process where the anatomical structures of interest are first identified. The main objective of this thesis is the improvement of the user experience in the analysis and exploration of medical datasets. This improvement involves the development of efficient algorithms designed both under a user-centered perspective and taking the new computing capabilities into account in order to obtain high quality results in real-time. On the analysis stage, we have focused on the identification of the bones at joints, which is particularly challenging because the bones are very close to each other and their boundaries become ambiguous in CT images. We have concentrated our efforts on reaching maximum automation of the overall process. The proposed algorithm uses an example mesh of the same bone that has to be segmented, usually from a different person, to drive the segmentation process. The algorithm is based on an energy minimization scheme to deform the initial example mesh while following the well-defined features of the volume data to be segmented in a local and adaptive way. We also present contributions on three different aspects of the exploration task: a best-view determination system and centering in virtual reality environments, a focus-and-context technique and a point selection method. In medical practice it would often be very useful to have access to a quick pre-visualization of the involved medical dataset. We have proposed a new system which allows users to obtain a set of representative views in a short time and permits the generation of inspection paths at almost no extra cost. The technique relies on the use of a multiscale entropy measure for the generation of good viewpoints and uses a complexity-based metric, the normalized compression distance, for the calculation of the representative views set. In the exploration of medical datasets, it is difficult to simultaneously visualize interior and exterior structures because the structures are commonly quite complex and it is easy to lose the context. We have developed a new interaction tool, the Virtual Magic Lantern, tailored to facilitate volumetric data inspection in a Virtual Reality environment. It behaves like a lantern whose illumination cone determines the region of interest. It addresses the occlusion management problem and facilitates the inspection of inner structures without the total elimination of the exterior structures, offering in this way, a focus+context-based visualization of the overall structures. Finally, the analysis of medical datasets may require the selection of 3D points for measurements involving anatomical structures. Although there are well-established 3D object selection techniques for polygonal models, there is a lack of techniques specifically developed for volume datasets. We present a new selection technique for Virtual Reality setups which allows users to easily select anchor points in non-necessarily segmented volume datasets rendered using Direct Volume Rendering. This new metaphor is based on the use of a ray emanating from the user, whose trajectory is enriched with its points of intersection with the on-the-fly determination of the isosurfaces along the ray path. Additionally, a visual feedback of the ray selection is offered through the use of two helper mirror views, in order to show occluded candidate points that would otherwise be invisible to the user without posterior and ad-hoc manipulation.Els avenços en la investigació en el camp de Medical Visualization permeten l’anàlisi de models volumètrics tridimensionals d’estructures anatòmiques obtinguts a partir d’imatgesmèdiques capturades mitjançant diferents tècniques, essent la Tomografia Computeritzada (TC) una de lesmés habituals. Generalment, les aplicacions informàtiques d’ajuda al diagnòstic, la simulació, etc., permeten l’exploració interactiva d’aquest tipus de models, una tasca que pot anar precedida d’un procés d’identificació (segmentació) de les estructures anatòmiques per tal de possibilitar la seva exploració. L’objectiu d’aquesta tesi és millorar l’eficiència i l’experiència de l’usuari, tant de la tasca de segmentació com de l’exploració. Per tal d’assolir-ho s’han desenvolupat diversos algorismes; dissenyats sota una perspectiva centrada en l’usuari i fent servir els darrers avenços tecnològics de las targes gràfiques, el que ens permet obtenir resultats visuals de màxima qualitat en temps real. Respecte de la tasca de segmentació, ens hem centrat en el problema de la identificació d’ossos ubicats en articulacions, en models capturats mitjançant TC. La identificació d’aquests ossos pot arribar a ser molt feixuga i costosa fent servir les tècniques clàssiques de segmentació. La recerca realitzada en elmarc de la tesi s’ha enfocat en assolir la màxima automatització possible del procés sencer. La tècnica proposada empra una malla triangular d’exemple de l’os que es vol segmentar, que es fará servir per guiar tot el procés de segmentació. L’algorisme deforma de forma local i adaptativa aquesta malla, adaptant-la a la informació present en el model volumètric en les parts en que la seva frontera està definida de forma no ambigua, i respectant la forma original en les zones en les que el model presenta algun tipus d’incertesa en la definició de la frontera, ja sigui be perque l’estructura òssia apareix totalment unida a altres estructures òssies de l’articulació o be degut a que la informació capturada no presenta una frontera ben contrastada. Per altra banda, en la pràctica clínica pot ser de molta utilitat oferir a l’usuari una previsualització ràpida del model volumètric que ha d’inspeccionar. En aquesta tesi elaborem una nova tècnica que permet obtenir en un temps acceptable un conjunt de vistes representatives d’un model volumètric, així comla generació automàtica d’una animació a l’entorn del model que facilita a l’usuari una ràpida comprensió del mateix. La tècnica desenvolupada utilitza una formulació de l’entropia multiescala per la obtenció de bones vistes i la distància de compressió normalitzada, una mètrica del camp de la teoria de la complexitat, per establir el conjunt de vistes representatives. En l’exploració de models mèdics pot ser difícil la visualització simultània d’estructures internes i externes. Per abordar aquest problema s’ha desenvolupat una nova tècnica d’interacció anomenada Virtual Magic Lantern, pensada per a facilitar la inspecció d’aquests models en entorns de realitat virtual. Aquesta metàfora d’interacció es comporta com una llanterna. El seu feix de llum determina una regió d’interès del model, que serà visualitzada emprant una funció de transferència específica permetent la visualització de les estructures internes sense eliminar el context de tot el model. En l’anàlisi de modelsmédics pot ser necessària la selecció de punts concrets per a poder realitzar algun tipus de medició entre estructures anatòmiques. Depenent del algorisme de visualització del model, determinar quin punt exactament vol seleccionar l’usuari pot no tenir un resultat únic. Per solventar aquest problema, s’ha desenvolupat una nova metàfora d’interacció per entorns de realitat virtual, que permet la selecció de punts en un model volumètric no necessàriament segmentat. Aquesta tècnica es basa en l’ús d’un raig originat en la mà de l’usuari, sobre el que es visualitzen els punts d’intersecció amb les estructures anatòmiques que travessa. Donat que la superfície d’aquestes estructures no està explícitament definida, s’ha requerit desenvolupar especialment un càlcul ràpid i precís de les seves interseccions amb el raig. Per tal de facilitar la visió dels punts interiors a superfícies opaques i enriquir la visualització global, s’afegeix sobre dos plans auxiliars la visió del volum tallat garantint la visibilitat total del conjunt de punts.Los avances en la investigación en el área de Medical Visualization permiten el análisis de modelos volumétricos tridimensionales de estructuras anatómicas, los cuales se obtienen a partir de imágenes médicas capturadas mediante diferentes técnicas de captación, siendo la Tomografía Computerizada (TC) una de las más frecuentes. Habitualmente, las aplicaciones informáticas orientadas al análisis de este tipo de modelos, bien sean para el soporte al diagnóstico, simuladores médicos o la planificación de procesos quirúrgicos, permiten la exploración interactiva de los modelos volumétricos. Dependiendo de las estructuras anatómicas que se precise analizar, puede ser necesario realizar un proceso de identificación (segmentación) de las estructuras anatómicas para posibilitar su posterior inspección. El objetivo principal de esta tesis ha consistido en el desarrollo de nuevas técnicas informáticas que mejoren la experiencia del usuario en los procesos tanto de segmentación como de exploración de un modelo volumétrico. Para alcanzar dicho objetivo, ha sido necesario el desarrollo de algoritmos eficientes diseñados teniendo particularmente en cuenta al usuario final y explotando los últimos avances en la tecnología de las tarjetas gráficas para poder obtener resultados visuales de la máxima calidad en tiempo real. En lo relativo al proceso de segmentación, nos hemos centrado en la identificación de las estructuras óseas ubicadas en articulaciones, en modelos capturadosmediante TC. La identificación de este tipo de estructuras usando los métodos tradicionales de segmentación puede llegar a ser muy tediosa, debido a que puede necesitarse mucha intervención por parte del usuario. La investigación llevada a cabo ha tenido como objetivo principal el maximizar el grado de automatización en el proceso de segmentación de este tipo de estructuras. La técnica propuesta parte de un ejemplo de la estructura ósea (malla triangular) que se quiere segmentar, generada a partir de los datos o bien de otra persona o bien de la misma persona en otras circunstancias. A partir de este ejemplo el algoritmo deforma la malla de manera local y adaptativa, adaptandola a la información presente en elmodelo volumétrico en aquellas zonas donde la frontera de la estructura está definida de forma no ambígua, y respetando la forma de la malla original en aquellas otras zonas en las cuales el modelo volumétrico presenta algún tipo de incertidumbre en la definición de la frontera, ya sea porque la estructura ósea aparece totalmente unida a otras estructuras óseas de la articulación o debido a que la información capturada no presenta una frontera bien contrastada. En lo relativo al proceso de exploración, esta tesis presenta resultados en dos vertientes distintas. Por un lado, la generación automática de una previsualización del modelo volumétrico y por el otro lado, el desarrollo de nuevas técnicas de interacción que faciliten la exploración de modelos volumétricos en entornos de realidad virtual. Ofrecer al usuario una previsualización rápida del modelo volumétrico que ha de inspeccionar, puede ser de mucha utilidad en la práctica clínica. En esta tesis elaboramos un nuevo sistema que permite obtener en un tiempo razonable un conjunto de vistas representativas del modelo volumétrico, así como la generación de una animación alrededor del modelo que facilita al usuario una rápida comprensión del mismo. Las técnicas desarrolladas se basan en el uso de la entropía multiescala para el cálculo de vistas informativas del modelo volumétrico. A partir del conjunto de vistas calculadas y mediante el uso de la distancia de compresión normalizada, una métrica de Teoría de la Complejidad, se puede calcular un subconjunto de vistas representativas del modelo volumétrico. Por otro lado, en la exploración de modelos volumétricos puede ser difícil visualizar simultáneamente estructuras anatómicas internas y externas. Esto es debido a que las estructuras son bastantes complejas, y es fácil perder la referencia respecto a otras estructuras anatómicas. En esta tesis se ha desarrollado una nueva técnica de interacción, bautizada como VirtualMagic Lantern, orientada a facilitar la inspección de modelos volumétricos en entornos de realidad virtual. Esta nueva metáfora de interacción se comporta como una linterna de mano guiada por el usuario, cuyo haz de luz define sobre el modelo volumétrico una región de interés. Esta región de interés será visualizada utilizando una función de transferencia diferente a la usada para el resto del modelo, posibilitando de esta manera la inspección de estructuras internas sin eliminar totalmente el resto delmodelo. En el análisis de modelos médicos puede ser necesaria la selección de puntos concretos para poder realizar algún tipo de medición entre estructuras anatómicas. Dependiendo del tipo de visualización del modelo, determinar qué punto exactamente quiere seleccionar el usuario puede no tener un resultado único. Para solucionar este problema, se presenta una nuevametáfora de interacción en entornos de realidad virtual para la selección de puntos anatómicos de un modelo volumétrico no necesariamente segmentado. Esta técnica se basa en el uso de un rayo originado en la mano del usuario, sobre el que son visualizados los puntos de intersección de las estructuras anatómicas que atraviesa. Dado que la superficie de estas estructuras anatómicas no está explícitamente representada en el modelo volumétrico, se ha requerido desarrollar un cálculo preciso y rápido de la intersección del rayo con estas estructuras. Para ofrecer una visualización de los puntos calculados sin ningún tipo de oclusión por parte de las estructuras anatómicas existentes en el modelo, se ha añadido a la visualización global la visualización de dos paneles auxiliares en los cuales se muestra el mismo modelo volumétrico recortado de tal manera que sean completamente visibles el conjunto de los puntos. De esta forma, se facilita al usuario la selección de los puntos calculados sin tener que realizar ningún tipo de manipulación del modelo para poder obtener una visualización en la que los puntos calculados sean visibles

Modelling of intertidal floodplains for enhanced estuarine transport and decay of faecal indicator organisms from a diffuse source

The noncompliance of microbiological quality to the standards of the EU Water Framework Directive at shellfish harvesting waters in the UK has become a serious threat to human health. The infected filter-feeding shellfish by enteric bacteria or viruses from these waters is major to the spreading of foodborne diseases as humans consumed them raw or undercooked. Although the quality of effluents from the wastewater treatment works has been improved significantly, diffuse source of pathogens from urban and agricultural settings remained as the reason to the microbiological noncompliance. The exploitation of natural wetlands along with poor management practices at catchments delivered the overloading of faecal contaminants from sources into the receiving water. In this study, a developed hydro-environmental model is novel in contributing to the understanding of the microbial behaviour on the implicit response to the complex estuarine environment from the perspective of their morphological characteristics. Besides, the extended modelling domain at intertidal floodplains is novel in contributing to the representation of the tidal creek connectivity with the sub-mesh scale design based on the hydrological characteristic of the complex floodplain topography. Furthermore, the modelled of FIO transport and decay from intertidal marshlands is novel in contributing to the inclusion of the diffuse source with the integration to the release-kinetic model and based on an active source at the wetting and drying boundary. The hydrodynamic calibration at several sites resulted in an optimum Manning’s n of 0.025. The successful integration between the bathymetric and topographic data at intertidal floodplains resulted in a significant improvement for the tidal circulation within the study area. The sensitivity analysis on the diffusive transport has suggested the decrease in the tracer diffusivity with the increase in the mesh resolution, with the concentration gradient has increased with the decrease of the former parameter. The sensitivity analysis on the bottom roughness has suggested the increase in the tracer retention at floodplains with the increase in the roughness during low tides, with the concentration in subtidal channels was less sensitive to the roughness changes during high tides. The sensitivity analysis on the microbial kinetic has suggested that MS2 coliphage experienced the biphasic decay in the estuarine environment, with the T90 value ranged at 1 hour and from 50 to 125 hours for the first and second components decay respectively. The sensitivity analysis on the FIOs transport from the diffuse ii source has suggested the increase in the spreading area and the flush-out mass with the decrease i