Towards Geo Decision Support Systems for Renewable Energy Outreach

La Tierra se encuentra afectada por numerosos fenómenos tales como los desastres naturales, sobre urbanización, contaminación, etc. Todas estas actividades afectan enormemente a los recursos naturales del planeta llevando a la escasez de los mismos. Un tema especialmente relevante es el uso exhaustivo de energía fósil y su impacto negativo sobre nuestro medio ambiente. Resulta de este modo fundamental la búsqueda de nuevos recursos energéticos limpios para satisfacer nuestras necesidades y reducir la dependencia de recursos energéticos fósiles. La transformación de una infraestructura de generación de energía basada en recursos fósiles a otra basada en recursos energéticos renovables tales como eólica, solar y energía hidroeléctrica llevará a un mejor mantenimiento del medio ambiente ya que supondrá poco o ningún efecto en el calentamiento global por las emisiones, y a una reducción de la dependencia de fuentes de energía fósil. Las energías renovables son una fuente natural de energía que tiene importantes beneficios ya que proporciona un sistema de producción de energía confiable, con precios de la energía estables, puestos de trabajo especializados, y beneficios económicos y el medio ambiente. La energía solar es una de las mejores energías renovables. El sol es la fuente natural y fundamental de la existencia humana sobre la tierra y afecta a todos los procesos químicos, físicos y biológicos. Una hora de la energía del sol en la tierra es suficiente para alimentar a todo el planeta durante un año. La energía del sol o la radiación solar y su presencia geográfica determinan posibles inversiones en energía solar y las estrategias de desarrollo de las mismas. De este modo es esencial para poder proporcionar respuestas relacionadas con el "qué, quién, cuando y donde". Por ejemplo: ¿Cuál es el perfil de trabajo que mejor adapta a una posición gerencial de las energías renovables? ¿Dónde está el mejor lugar para invertir en huertos solares y/o parques eólicos? ¿En qué fecha se registra la más alta productividad? ¿Por qué este lugar no es apto para proyectos hidráulicos? ¿Por qué hay un bajón en la radiación solar en el año 2000 frente a 2012? Etc. En general, la toma de decisiones es el proceso de seleccionar la mejor opción viable de un conjunto de posibles maneras de hacer las cosas. Los Sistemas de Soporte de Decisión (del inglés Decision Support System, DSS) constituyen un ecosistema cognitivo que facilita la interacción entre los seres humanos y los datos para facilitar de forma profunda, significativa y útil la creación de soluciones efectivas en tiempo y costes. Grandes almacenamientos de Datos (Data warehousing), procesos de Extracción, Transformación y Carga (del inglés Extract Transform and Load, ETL) y la Inteligencia de Negocios (del ingles Business Intelligence, BI) son aspectos tecnológicos clave vinculados a la toma de decisiones. Además, la toma de decisiones en el contexto de la energía solar depende de Sistemas de Información Geográfica. Aunque la energía del Sol está disponible en todo el mundo, es evidente que la energía solar es más abundante cerca de los trópicos. Por ejemplo, una inversión en plantas de energía fotovoltaica en lugares cerca de los trópicos y del ecuador requerirá menos tiempo para su amortización. Dependiendo de la ubicación geográfica y las condiciones climáticas, la intensidad solar varía. Por esta razón, es importante seleccionar la ubicación adecuada que optimice la inversión teniendo en cuenta factores como la intensidad de la radiación solar, clima, tierras aptas y economía. Hay modelos como Global atlas y SimuSOLAR que dan información de idoneidad sobre la radiación solar y las ubicaciones. Sin embargo, estos modelos están restringidos a expertos, cubren áreas geográficas limitadas, no son aptos para casos de uso diferentes de los inicialmente previstos, y adolecen de falta de informes detallados e intuitivos para el público en general. El desarrollo de una cartografía extensa sobre la relación de zonas de sol y de sombra es un trabajo muy complejo que involucra diversos conceptos y retos de ingeniería, necesitando de la integración de diferentes modelos de datos, de calidad y cantidad heterogéneas, con limitaciones presupuestarias, etc. El objetivo de los trabajos de investigación desarrollados ha sido establecer la arquitectura de software para el desarrollo de Sistemas de Soporte de Decisión en el ámbito de las energías renovables en general, y de la energía solar en particular. La característica clave de este enfoque de arquitectura de software es ser capaz de proporcionar Sistemas de Soporte de Decisión que ofrezcan servicios de bajo coste ("low cost") en este contexto. Hagamos una analogía. Imagínese que usted está buscando comprar o alquilar una casa en España. Quiere analizar las características del edificio (por ejemplo dimensiones, jardín, más de una edificación en la parcela) y su entorno (por ejemplo, conexiones, servicios). Para realizar esta tarea puede utilizar los datos gratuitos proporcionados por la Oficina Virtual del Catastro de España junto con imágenes libres de un proveedor de ortofotografías (por ejemplo PNOA, Google o Bing) y datos contextuales libres procedentes de otros organismos locales, regionales y/o nacionales (por ejemplo el Ayuntamiento de Zaragoza, el Gobierno de Aragón, el proyecto Cartociudad). Si alguien integra todos estos orígenes de datos en un sistema (por ejemplo el cliente del servicio de mapas de la Infraestructura de Datos Espaciales de España, IDEE), tiene un Sistema de Soporte de Decisión "low cost" para comprar o alquilar una casa. Este trabajo de investigación tiene como objetivo el desarrollo de un enfoque de arquitectura de software que podría proporcionar un Sistema de Soporte de Decisión "low cost" cuando los consumidores necesitan tomar decisiones relacionadas con las energías renovables, en particular sistemas de energía solar, como podría ser la selección de la mejor opción para instalar un sistema solar, o decidir una inversión en una granja solar comunitaria. Una parte importante de este proceso de investigación ha consistido en el análisis sobre la idoneidad de las tecnologías vinculadas a Grandes almacenamientos de Datos y procesos de Extracción, Transformación y Carga para almacenar y procesar gran cantidad de datos históricos referentes a la energía, e Inteligencia de Negocios para la estructuración y presentación de informes. Por otro lado, ha sido necesario centrar el trabajo en modelos de negocio abierto (infraestructura de servicios web, modelos de datos 3D, técnicas de representación de datos sobre zonas de sol y sombra, y fuentes de datos) para el desarrollo económico del producto. Además, este trabajo identifica casos de uso donde los Sistemas de Soporte de Decisión deben ser el instrumento de resolución de problemas de mercado y de problemas científicos. Por lo tanto, esta tesis tiene como objetivo enfatizar y adoptar las tecnologías citadas para proponer un Sistema de Soporte de Decisión completo para un mejor uso potencial de las energías renovables que denominamos REDSS (del inglés Renewable Energy Decision Support System). El trabajo de investigación ha sido desarrollado con el objeto de encontrar respuestas a las siguientes preguntas de investigación: Preguntas relacionadas a los datos: - ¿Cómo elegir el proceso de creación de datos más adecuado para crear modelos geográficos cuyo coste económico sea razonable? Preguntas relacionadas con la tecnología: - ¿Qué limitaciones tecnológicas actuales tienen las herramientas computacionales para el cálculo de la intensidad y sombra solar? - ¿Cómo se puede adaptar conceptos como Grandes almacenamientos de Datos y la Inteligencia de Negocios en el campo de las energías renovables? - ¿Cómo estructurar y organizar datos relacionados con la intensidad solar y la sombra? - ¿Cuáles son las diferencias significativas entre el método propuesto y otros servicios globales existentes? Preguntas relacionadas con casos de uso: - ¿Cuáles son los casos de uso de REDSS? - ¿Cuáles son los beneficios de REDSS para expertos y público en general? Para darle una forma concreta a la contribución y el enfoque propuesto, se ha desarrollado un prototipo denominado Energy2People basado en principios de Inteligencia de Negocio que no sólo proporciona datos de localización avanzada sino que es una base sobre la que para desarrollar futuros productos comerciales. En su conformación actual, esta herramienta ayuda a descubrir y representar las relaciones de datos clave en el sector de las energías renovables y, permite descubrir al público en general relaciones entre los datos en casos donde no era evidente. Esencialmente, el enfoque propuesto conduce a un aumento en el rendimiento de gestión y visualización de datos. Las principales aportaciones de esta tesis pueden resumirse como siguen: - En primer lugar, esta tesis hace una revisión de varios modelos de sol-sombra de código abierto y cerrado para identificar el alcance de la necesidad de modelos de decisión y de su soporte efectivo. Además, proporciona información detallada sobre fuentes de información gratuita relacionada con datos de radiación solar. - En segundo lugar, se plantea un armazón conceptual para el desarrollo de modelos geográficos de bajo coste. Como ejemplo de la aplicación de esta aproximación se ha desarrollado un modelo de bajo coste de ciudad virtual 3D utilizando datos catastrales públicamente disponibles vía servicios Web. - En tercer lugar, este trabajo propone el uso de REDSS al problema de la toma de decisiones en el campo de la energía solar. Este modelo también cuenta con otros puntos distinguibles como los enfoques de co-creación y Mix-and-match. - En cuarto lugar, esta tesis identifica varios escenarios de aplicaciones reales y varios tipos de actores que deberían salir beneficiados por la aplicación de esta estrategia. - Por último, esta tesis presenta el prototipo "Enery2People" desarrollado para explorar datos de localización de la radiación solar y eventos temporales que sirve como ejemplo práctico de la aproximación planteada en esta tesis. Para hacer más claro el potencial del enfoque propuesto, este prototipo es comparado con otros Atlas Internacionales de la energía renovable

Regularized 4D-CT reconstruction from a single dataset with a spatio-temporal prior

X-ray Computerized Tomography (CT) reconstructions can be severely impaired by the patient’s respiratory motion and cardiac beating. Motion must thus be recovered in addition to the 3D reconstruction problem. The approach generally followed to reconstruct dynamic volumes consists of largely increasing the number of projections so that independent reconstructions be possible using only subsets of projections from the same phase of the cyclic movement. Apart from this major trend, motion compensation (MC) aims at recovering the object of interest and its motion by accurately modeling its deformation over time, allowing to use the whole dataset for 4D reconstruction in a coherent way.We consider a different approach for dynamic reconstruction based on inverse problems, without any additional measurements, nor explicit knowledge of the motion. The dynamic sequence is reconstructed out of a single data set, only assuming the motion’s continuity and periodicity. This inverse problem is solved by the minimization of the sum of a data-fidelity term, consistent with the dynamic nature of the data, and a regularization term which implements an efficient spatio-temporal version of the total variation (TV). We demonstrate the potential of this approach and its practical feasibility on 2D and 3D+t reconstructions of a mechanical phantom and patient data

Towards Real-Time Detection and Tracking of Spatio-Temporal Features: Blob-Filaments in Fusion Plasma

A novel algorithm and implementation of real-time identification and tracking of blob-filaments in fusion reactor data is presented. Similar spatio-temporal features are important in many other applications, for example, ignition kernels in combustion and tumor cells in a medical image. This work presents an approach for extracting these features by dividing the overall task into three steps: local identification of feature cells, grouping feature cells into extended feature, and tracking movement of feature through overlapping in space. Through our extensive work in parallelization, we demonstrate that this approach can effectively make use of a large number of compute nodes to detect and track blob-filaments in real time in fusion plasma. On a set of 30GB fusion simulation data, we observed linear speedup on 1024 processes and completed blob detection in less than three milliseconds using Edison, a Cray XC30 system at NERSC.Comment: 14 pages, 40 figure

A Python Application for Visualizing the 3D Stratigraphic Architecture of the Onshore Llobregat River Delta in NE Spain

This paper introduces a Python application for visualizing the 3D stratigraphic architecture of porous sedimentary media. The application uses the parameter granulometry deduced from borehole lithological records to create interactive 3D HTML models of essential stratigraphic elements. On the basis of the high density of boreholes and the subsequent geological knowledge gained during the last six decades, the Quaternary onshore Llobregat River Delta (LRD) in northeastern Spain was selected to show the application. The public granulometry dataset produced by the Water Authority of Catalonia from 433 boreholes in this strategic coastal groundwater body was clustered into the clay–silt, coarse sand, and gravel classes. Three interactive 3D HTML models were created. The first shows the location of the boreholes granulometry. The second includes the main gravel and coarse sand sedimentary bodies (lithosomes) associated with the identified three stratigraphic intervals, called lower (>50 m b.s.l.) in the distal LRD sector, middle (20–50 m b.s.l.) in the central LRD, and upper (<20mb.s.l.) spread over the entire LRD. The third deals with the basement (Pliocene and older rocks) top surface, which shows an overall steeped shape deepening toward the marine platform and local horsts, probably due to faulting. The modeled stratigraphic elements match well with the sedimentary structures reported in recent scientific publications. This proves the good performance of this incipient Python application for visualizing the 3D stratigraphic architecture, which is a crucial stage for groundwater management and governance.Spanish Government PID2020-114381GB-100Generalitat Valenciana from the University of Alicante (CTMAIGA)Junta de Andalucia FQM-343 RNM-18

Survey of image-based representations and compression techniques

In this paper, we survey the techniques for image-based rendering (IBR) and for compressing image-based representations. Unlike traditional three-dimensional (3-D) computer graphics, in which 3-D geometry of the scene is known, IBR techniques render novel views directly from input images. IBR techniques can be classified into three categories according to how much geometric information is used: rendering without geometry, rendering with implicit geometry (i.e., correspondence), and rendering with explicit geometry (either with approximate or accurate geometry). We discuss the characteristics of these categories and their representative techniques. IBR techniques demonstrate a surprising diverse range in their extent of use of images and geometry in representing 3-D scenes. We explore the issues in trading off the use of images and geometry by revisiting plenoptic-sampling analysis and the notions of view dependency and geometric proxies. Finally, we highlight compression techniques specifically designed for image-based representations. Such compression techniques are important in making IBR techniques practical.published_or_final_versio

Towards Predictive Rendering in Virtual Reality

The strive for generating predictive images, i.e., images representing radiometrically correct renditions of reality, has been a longstanding problem in computer graphics. The exactness of such images is extremely important for Virtual Reality applications like Virtual Prototyping, where users need to make decisions impacting large investments based on the simulated images. Unfortunately, generation of predictive imagery is still an unsolved problem due to manifold reasons, especially if real-time restrictions apply. First, existing scenes used for rendering are not modeled accurately enough to create predictive images. Second, even with huge computational efforts existing rendering algorithms are not able to produce radiometrically correct images. Third, current display devices need to convert rendered images into some low-dimensional color space, which prohibits display of radiometrically correct images. Overcoming these limitations is the focus of current state-of-the-art research. This thesis also contributes to this task. First, it briefly introduces the necessary background and identifies the steps required for real-time predictive image generation. Then, existing techniques targeting these steps are presented and their limitations are pointed out. To solve some of the remaining problems, novel techniques are proposed. They cover various steps in the predictive image generation process, ranging from accurate scene modeling over efficient data representation to high-quality, real-time rendering. A special focus of this thesis lays on real-time generation of predictive images using bidirectional texture functions (BTFs), i.e., very accurate representations for spatially varying surface materials. The techniques proposed by this thesis enable efficient handling of BTFs by compressing the huge amount of data contained in this material representation, applying them to geometric surfaces using texture and BTF synthesis techniques, and rendering BTF covered objects in real-time. Further approaches proposed in this thesis target inclusion of real-time global illumination effects or more efficient rendering using novel level-of-detail representations for geometric objects. Finally, this thesis assesses the rendering quality achievable with BTF materials, indicating a significant increase in realism but also confirming the remainder of problems to be solved to achieve truly predictive image generation