Data mining as a tool for environmental scientists

Over recent years a huge library of data mining algorithms has been developed to tackle a variety of problems in fields such as medical imaging and network traffic analysis. Many of these techniques are far more flexible than more classical modelling approaches and could be usefully applied to data-rich environmental problems. Certain techniques such as Artificial Neural Networks, Clustering, Case-Based Reasoning and more recently Bayesian Decision Networks have found application in environmental modelling while other methods, for example classification and association rule extraction, have not yet been taken up on any wide scale. We propose that these and other data mining techniques could be usefully applied to difficult problems in the field. This paper introduces several data mining concepts and briefly discusses their application to environmental modelling, where data may be sparse, incomplete, or heterogenous

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

On the role of pre and post-processing in environmental data mining

The quality of discovered knowledge is highly depending on data quality. Unfortunately real data use to contain noise, uncertainty, errors, redundancies or even irrelevant information. The more complex is the reality to be analyzed, the higher the risk of getting low quality data. Knowledge Discovery from Databases (KDD) offers a global framework to prepare data in the right form to perform correct analyses. On the other hand, the quality of decisions taken upon KDD results, depend not only on the quality of the results themselves, but on the capacity of the system to communicate those results in an understandable form. Environmental systems are particularly complex and environmental users particularly require clarity in their results. In this paper some details about how this can be achieved are provided. The role of the pre and post processing in the whole process of Knowledge Discovery in environmental systems is discussed

CBR and MBR techniques: review for an application in the emergencies domain

The purpose of this document is to provide an in-depth analysis of current reasoning engine practice and the integration strategies of Case Based Reasoning and Model Based Reasoning that will be used in the design and development of the RIMSAT system. RIMSAT (Remote Intelligent Management Support and Training) is a European Commission funded project designed to: a.. Provide an innovative, 'intelligent', knowledge based solution aimed at improving the quality of critical decisions b.. Enhance the competencies and responsiveness of individuals and organisations involved in highly complex, safety critical incidents - irrespective of their location. In other words, RIMSAT aims to design and implement a decision support system that using Case Base Reasoning as well as Model Base Reasoning technology is applied in the management of emergency situations. This document is part of a deliverable for RIMSAT project, and although it has been done in close contact with the requirements of the project, it provides an overview wide enough for providing a state of the art in integration strategies between CBR and MBR technologies.Postprint (published version

Intelligent systems in manufacturing: current developments and future prospects

Global competition and rapidly changing customer requirements are demanding increasing changes in manufacturing environments. Enterprises are required to constantly redesign their products and continuously reconfigure their manufacturing systems. Traditional approaches to manufacturing systems do not fully satisfy this new situation. Many authors have proposed that artificial intelligence will bring the flexibility and efficiency needed by manufacturing systems. This paper is a review of artificial intelligence techniques used in manufacturing systems. The paper first defines the components of a simplified intelligent manufacturing systems (IMS), the different Artificial Intelligence (AI) techniques to be considered and then shows how these AI techniques are used for the components of IMS

Medical imaging analysis with artificial neural networks

Given that neural networks have been widely reported in the research community of medical imaging, we provide a focused literature survey on recent neural network developments in computer-aided diagnosis, medical image segmentation and edge detection towards visual content analysis, and medical image registration for its pre-processing and post-processing, with the aims of increasing awareness of how neural networks can be applied to these areas and to provide a foundation for further research and practical development. Representative techniques and algorithms are explained in detail to provide inspiring examples illustrating: (i) how a known neural network with fixed structure and training procedure could be applied to resolve a medical imaging problem; (ii) how medical images could be analysed, processed, and characterised by neural networks; and (iii) how neural networks could be expanded further to resolve problems relevant to medical imaging. In the concluding section, a highlight of comparisons among many neural network applications is included to provide a global view on computational intelligence with neural networks in medical imaging

Observation of charge ordering signal in monovalent doped Nd0.75Na0.25-xKxMn1O3 (0 ≤ x ≤ 0.10) manganites

K doping in the compound of Nd0.75Na0.25-xKxMn1O3 (x = 0, 0.05 and 0.10) manganites have been investigated to study its effect on crystalline phase and surface morphology as well as electrical transport and magnetic properties. The structure properties of the Nd0.75Na0.25- xKxMnO3 manganite have been characterized using X-ray diffraction measurement and it proved that the crystalline phase of samples were essentially single phased and indexed as orthorhombic structure with space group of Pnma. The morphological study from scanning electron microscope showed there was an improvement on the grains boundaries and sizes as well as the compactness with K doping suggestively due to the difference of ionic radius. On the other hand, DC electrical resistivity measurement showed all samples exhibit insulating behavior. However, analysis of dlnρ/dT-1 vs. T revealed the clearly peaks could be observed at temperature 210K for x = 0 and the peaks were shifted to the lower temperature around 190 K and 165 K for x = 0.05 and x = 0.1 respectively, indicate the existence of charge ordering (CO) state in the compound. Meanwhile, the investigation on magnetic behavior showed all samples exhibit transition from paramagnetic phase to anti-ferromagnetic phase with decreasing temperature and the TN was observed to shift to lower temperature suggestively due to weakening of CO stat