Higher-Order Regularization in Computer Vision

At the core of many computer vision models lies the minimization of an objective function consisting of a sum of functions with few arguments. The order of the objective function is defined as the highest number of arguments of any summand. To reduce ambiguity and noise in the solution, regularization terms are included into the objective function, enforcing different properties of the solution. The most commonly used regularization is penalization of boundary length, which requires a second-order objective function. Most of this thesis is devoted to introducing higher-order regularization terms and presenting efficient minimization schemes. One of the topics of the thesis covers a reformulation of a large class of discrete functions into an equivalent form. The reformulation is shown, both in theory and practical experiments, to be advantageous for higher-order regularization models based on curvature and second-order derivatives. Another topic is the parametric max-flow problem. An analysis is given, showing its inherent limitations for large-scale problems which are common in computer vision. The thesis also introduces a segmentation approach for finding thin and elongated structures in 3D volumes. Using a line-graph formulation, it is shown how to efficiently regularize with respect to higher-order differential geometric properties such as curvature and torsion. Furthermore, an efficient optimization approach for a multi-region model is presented which, in addition to standard regularization, is able to enforce geometric constraints such as inclusion or exclusion of different regions. The final part of the thesis deals with dense stereo estimation. A new regularization model is introduced, penalizing the second-order derivatives of a depth or disparity map. Compared to previous second-order approaches to dense stereo estimation, the new regularization model is shown to be more easily optimized

Förekomst av bekämpningsmedel i svenska vatten 1985-2001

En databas innehållande analyser av bekämpningsmedel i yt-, grund- och dricksvatten i Sverige från åren 1985 till 2001 har sammanställts för att försöka skapa en överblick av hur situationen ser ut och hur den har förändrats över tiden. Totalt innehåller den data om 5352 st prover från samtliga län och 197 kommuner. Undersökningarna har utförts av kommuner, länsstyrelser, vattenvårdsförbund, Livsmedelsverket, SLU samt ytterligare några aktörer. Den använda mängden bekämpningsmedel har minskat i Sverige sedan mitten av 80-talet för att de senaste åren öka något igen. Tittar man på hektardoserna, dvs hur många hektar den försålda mängden räcker till, blir uppgången tydligare. Ökningen anses hänga samman med EU-inträdet 1995. Pesticider återfanns i 39 % av proverna tagna i grundvatten. Totalt har 54 olika ämnen hittats i grundvatten minst en gång. De vanligaste substanserna var 2,6-diklorbensamid (BAM, nedbrytningsprodukt till diklobenil), atrazin, bentazon och desetylatrazin (nedbrytningsprodukt till atrazin). Av dessa är alla utom bentazon rester av ett sedan drygt tio år avregistrerat totalbekämpningsmedel, Totex Strö. Flest antal fynd gjordes i Skåne län, där också flest provtagningar är utförda. 49 olika substanser har någon gång hittats i halter över 0,1 μg/l, vilket är Livsmedelsverkets gränsvärde för dricksvattnets tjänlighet vid fynd av bekämpningsmedel. Av proverna från ytvatten har det återfunnits bekämpningsmedel i 44 %. De vanligaste substanserna var MCPA, bentazon, diklorprop och mekoprop. Totalt har 51 olika substanser hittats vid minst ett tillfälle. Fynden jämfördes med gränsvärden framtagna i Nederländerna och Norge till skydd för vattenlevande organismer, och för flera av ämnena överskreds dessa gränsvärden varvid risk för skador i den akvatiska miljön föreligger. Flest antal överskridanden hade MCPA. I dricksvatten har bekämpningsmedel återfunnits i 26 % av de undersökta proverna. Vanligaste ämnena som hittas är desamma som i grundvatten, dvs BAM, atrazin, desetylatrazin och bentazon. Totalt 18 substanser har hittats i dricksvatten i halter över Livsmedelsverkets gräns vid ett eller flera tillfällen. Totalt har det återfunnits 80 olika ämnen vid ett eller flera tillfällen i 2029 st (38 %) av de undersökta vattenproverna. Antal prover med fynd ökar något de senaste åren, vilket främst hänger samman med att detektionsgränserna för de flesta substanser har sänkts. Den procentuella andelen av fynd i halter omkring 0,1 μg/l har varit konstant medan de högre halterna över 0,5 μg/l verkar minska under senare år, framför allt i ytvatten. Detsamma gäller för totalhalten av pesticider i enskilda prov över 0,5 μg/l. För åtta vanligt förekommande substanser i grundvatten har antal fynd i halter över 0,1 μg/l sjunkit, med undantag för den allra vanligaste - BAM - där ingen minskning av fyndfrekvensen kan skönjas. För just denna substans har dock antalet analyser ökat kraftigt de senaste åren. Också i ytvatten har antalet fynd i halter över 0,1 μg/l sjunkit över tiden för de åtta vanligast förekommande substanserna. Undantaget här är glyfosat som ej analyserades före 1997 varför det är svårt att uttala sig om några trender för just glyfosat. I dricksvatten minskade fyndfrekvensen för fyra av de vanligaste substanserna i halter över 0,1 μg/l, medan BAM ligger konstant. Även här har antal analyser av BAM ökat kraftigt över tiden

Winter Runoff of Nitrogen and Phosphorus from a Rotational Pen Design with Suckler Cows

Keeping beef cattle outdoors during winter reduces costs and improves animal welfare, but increases the risk of nitrogen (N) and phosphorus (P) runoff losses. This study evaluated a rotational pen design on grassland with two groups of suckler cows given access to an expanding staying area and a new feeding area each week (72 cattle ha−1), with one month’s stay per pen. The spatial distribution of excreta and effects on N and P surface runoff was evaluated during six months. The total excreta loads corresponded to 500 kg·N·ha−1 and 50 kg·P·ha−1. New feeding areas did not distribute excretions evenly, which resulted in the highest proportion of excretions (31%) occurring in the first week’s sub-area. The topsoil had significantly higher amounts of mineral-N, mainly as NH4-N (29 - 81 kg·ha−1), than an unaffected area (13 kg·ha−1). Mean total runoff losses were similar for both groups (1.4 kg·P·ha−1 and 9.0 kg·N·ha−1). Around 78% of N and 70% of P runoff losses occurred during the month with cattle present. During the first two weeks with heavy rain, N and P runoff losses were 50% higher from an area with suckler cows than a corresponding vegetated sub-area without cows. The study design did not provide a sufficient distribution of excretions and a high animal density in combination with trampling resulted in unacceptable N and P run-off losses. An environmentally friendly design would need to include frequent moving of all equipment and access to larger areas

Översvämningar på jordbruksmark

Dagens jordbruksproduktion är anpassat och uppbyggt efter nuvarande klimatförhållanden, men med förändringar i klimatet kommer också förutsättningarna för odling att förändras. Syftet med denna rapport var att göra en sammanställning av hur jordbruksmarkens egenskaper och funktion som växtplats kan påverkas av kortvariga och långvariga översvämningar. I rapporten ingår också en beskrivning av konsekvenser för jordbrukets miljöpåverkan på kort och lång sikt. Ett förändrat klimat med varmare vintrar och mer nederbörd, kommer att leda till högre avrinning och översvämning av vattendrag. En kortvarig översvämning innebär att markprofilen är helt vattenmättad under 1-3 dagar innan den kan dräneras till jämvikt. Vid en långvarig översvämning är marken vattenmättad i 1-2 veckor. God markstruktur är en av de viktigaste markegenskaperna för att upprätthålla jordbruksproduktionen och för att bevara markens bördighet. Klimatet påverkar strukturstabilitet både direkt genom variationer i nederbörd, temperatur och vindförhållanden och indirekt genom klimatets påverkan på de fysikaliska, kemiska och biologiska processerna i marken.Strukturstabiliteten är avgörande för transport och lagring av vatten, markandning, markens bärighet, erosionskänslighet och biologisk aktivitet. Processernas betydelse och den direkta påverkan på marken varierar beroende på jordart, mest känsliga är friktions- och flytjordar som förlorar sin struktur vid vattenmättnad och blir instabila. Makroaggregaten i kohesionsjordar kan falla sönder redan vid kortvariga översvämningar. Vid långvariga översvämningar gynnas tillväxten av anaeroba bakterier som vanligtvis är förknippade med kvävgasförluster, rotsjukdomar och ackumulation av för växterna skadliga toxiner. För att bevara en bra markstruktur krävs en kombination av olika åtgärder där de viktigaste åtgärderna är att hålla marken bevuxen så stor del av året som möjligt, god dränering och minimerad markpackning. De flesta grödor kan tolerera kortare perioder av vattenmättnad, men toleransen varierar beroende på faktorer som temperatur, luftfuktighet och utvecklingsstadium. Ett överskott av vatten i markprofilen kan ge lägre skördar dels på grund av att dålig markbärighet försenar vårbruk och dels på grund av att syrebrist leder till låg grobarhet, biokemisk förgiftning och dåligt växtnäringsupptag. I områden som regelbundet utsätts för översvämning kan man bygga skyddsvallar. Andra förebyggande åtgärder är att ha en bra dränering, ta bort skörderester och att odla sorter som kan återhämta sig efter vattenmättnad. I vissa fall kan även en tillskottsgiva av kväve minska skördeförluster efter översvämning. Översvämningar som påverkar växtproduktionen negativt medför ett lägre växtnäringsupptag och ökade förluster av näringsämnen som kväve och fosfor. Näringsförlusterna av kväve respektive fosfor sker med olika flödesvägar och skiljer sig framförallt åt beroende på jordart. Generellt är kväveförlusterna störst från friktionsjordar, medan fosforförlusterna främst sker från erosionskänsliga kohesions- och flytjordar. Åtgärder för att motverka fosforförluster bör sättas in framför allt i områden där man både har kritiska källområden och snabba transportvägar. Strukturkalkning är en bra åtgärd för att minska fosforförlusterna på lerjordar. Andra åtgärder är anpassade skyddszoner och fångdammar för fosfor. Viktiga åtgärder för att minska kväveförlusterna är fånggrödor, reglerbar dränering, tvåstegsdiken och våtmarker

Evolution of phosphorus speciation with depth in an agricultural soil profile

With time, different soil-forming processes such as weathering, plant growth, accumulation of organic matter, and cultivation are likely to affect phosphorus (P) speciation. In this study, the depth distribution of P species was investigated for an agricultural clay soil, Lanna, Sweden. Small amounts of apatite-P was demonstrated in the topsoil whereas the speciation of Pat 70-100 cm depth consisted of approximately 86% apatite according to P K-edge XANES (X-ray absorption near-edge structure) spectroscopy. Because there were only minor differences in bulk mineralogy and texture, these variations in P speciation were interpreted as the result of apatite weathering of the topsoil. Speciation modeling on soil extracts supported this idea: hydroxyapatite was not thermodynamically stable in the top 50 cm of the soil. Apatite was enriched in the bulk soil relative to the clay fraction, as expected during apatite dissolution. Combined results from batch experiments, XANES spectroscopy and X-ray diffraction suggested chemical transformations of the topsoil as a result from accumulation of organic matter and airing from tillage followed by enhanced weathering of apatite, amphiboles, clay minerals, and iron oxides. This caused the formation of poorly crystalline secondary iron and aluminum (hydr)oxides in the topsoil, which retained part of the released P from apatite. Other P was incorporated into organic forms. Furthermore, the results also showed that short-term acidification below the current pH value (below 5.5 in the topsoil and 7.2 in the deeper subsoil) caused significant solubilization of P. This is attributed to two different mechanisms: the instability of Al-containing sorbents (e.g. Al hydroxides) at low pH (in the topsoil), and the acid-mediated dissolution of apatite (the subsoil). (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved

Modelling the impacts of agricultural management practices on river water quality in Eastern England

Agricultural diffuse water pollution remains a notable global pressure on water quality, posing risks to aquatic ecosystems, human health and water resources and as a result legislation has been introduced in many parts of the world to protect water bodies. Due to their efficiency and cost-effectiveness, water quality models have been increasingly applied to catchments as Decision Support Tools (DSTs) to identify mitigation options that can be introduced to reduce agricultural diffuse water pollution and improve water quality. In this study, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was applied to the River Wensum catchment in eastern England with the aim of quantifying the long-term impacts of potential changes to agricultural management practices on river water quality. Calibration and validation were successfully performed at a daily time-step against observations of discharge, nitrate and total phosphorus obtained from high-frequency water quality monitoring within the Blackwater sub-catchment, covering an area of 19.6 km2. A variety of mitigation options were identified and modelled, both singly and in combination, and their long-term effects on nitrate and total phosphorus losses were quantified together with the 95% uncertainty range of model predictions. Results showed that introducing a red clover cover crop to the crop rotation scheme applied within the catchment reduced nitrate losses by 19.6%. Buffer strips of 2 m and 6 m width represented the most effective options to reduce total phosphorus losses, achieving reductions of 12.2% and 16.9%, respectively. This is one of the first studies to quantify the impacts of agricultural mitigation options on long-term water quality for nitrate and total phosphorus at a daily resolution, in addition to providing an estimate of the uncertainties of those impacts. The results highlighted the need to consider multiple pollutants, the degree of uncertainty associated with model predictions and the risk of unintended pollutant impacts when evaluating the effectiveness of mitigation options, and showed that high-frequency water quality datasets can be applied to robustly calibrate water quality models, creating DSTs that are more effective and reliable

The concentration-discharge slope as a tool for water quality management

Recent technological breakthroughs of optical sensors and analysers have enabled matching the water quality measurement interval to the time scales of stream flow changes and led to an improved understanding of spatially and temporally heterogeneous sources and delivery pathways for many solutes and particulates. This new ability to match the chemograph with the hydrograph has promoted renewed interest in the concentration-discharge (c-q) relationship and its value in characterizing catchment storage, time lags and legacy effects for both weathering products and anthropogenic pollutants. In this paper we evaluated the stream c-q relationships for a number of water quality determinands (phosphorus, suspended sediments, nitrogen) in intensively managed agricultural catchments based on both high-frequency (sub-hourly) and long-term low-frequency (fortnightly-monthly) routine monitoring data. We used resampled high-frequency data to test the uncertainty in water quality parameters (e.g. mean, 95th percentile and load) derived from low-frequency sub-datasets. We showed that the uncertainty in water quality parameters increases with reduced sampling frequency as a function of the c-q slope. We also showed that different sources and delivery pathways control c-q relationship for different solutes and particulates. Secondly, we evaluated the variation in c-q slopes derived from the long-term low-frequency data for different determinands and catchments and showed strong chemostatic behaviour for phosphorus and nitrogen due to saturation and agricultural legacy effects. The c-q slope analysis can provide an effective tool to evaluate the current monitoring networks and the effectiveness of water management interventions. This research highlights how improved understanding of solute and particulate dynamics obtained with optical sensors and analysers can be used to understand patterns in long-term water quality time series, reduce the uncertainty in the monitoring data and to manage eutrophication in agricultural catchments