Efficient Optimization Algorithms for Nonlinear Data Analysis

Identification of low-dimensional structures and main sources of variation from multivariate data are fundamental tasks in data analysis. Many methods aimed at these tasks involve solution of an optimization problem. Thus, the objective of this thesis is to develop computationally efficient and theoretically justified methods for solving such problems. Most of the thesis is based on a statistical model, where ridges of the density estimated from the data are considered as relevant features. Finding ridges, that are generalized maxima, necessitates development of advanced optimization methods. An efficient and convergent trust region Newton method for projecting a point onto a ridge of the underlying density is developed for this purpose. The method is utilized in a differential equation-based approach for tracing ridges and computing projection coordinates along them. The density estimation is done nonparametrically by using Gaussian kernels. This allows application of ridge-based methods with only mild assumptions on the underlying structure of the data. The statistical model and the ridge finding methods are adapted to two different applications. The first one is extraction of curvilinear structures from noisy data mixed with background clutter. The second one is a novel nonlinear generalization of principal component analysis (PCA) and its extension to time series data. The methods have a wide range of potential applications, where most of the earlier approaches are inadequate. Examples include identification of faults from seismic data and identification of filaments from cosmological data. Applicability of the nonlinear PCA to climate analysis and reconstruction of periodic patterns from noisy time series data are also demonstrated. Other contributions of the thesis include development of an efficient semidefinite optimization method for embedding graphs into the Euclidean space. The method produces structure-preserving embeddings that maximize interpoint distances. It is primarily developed for dimensionality reduction, but has also potential applications in graph theory and various areas of physics, chemistry and engineering. Asymptotic behaviour of ridges and maxima of Gaussian kernel densities is also investigated when the kernel bandwidth approaches infinity. The results are applied to the nonlinear PCA and to finding significant maxima of such densities, which is a typical problem in visual object tracking.Siirretty Doriast

Applicability of open rainfall data to event-scale urban rainfall-runoff modelling

Rainfall-runoff simulations in urban environments require meteorological input data with high temporal and spatial resolutions. The availability of precipitation data is constantly increasing due to the shift towards more open data sharing. However, the applicability of such data for urban runoff assessments is often unknown. Here, the feasibility of Finnish Meteorological Institute's open rain gauge and open weather radar data as input sources was studied by conducting Storm Water Management Model simulations at a very small (33.5 ha) urban catchment in Helsinki, Finland. In addition to the open data sources, data were also available from two research gauges, one of them located on-site, and from a research radar. The results confirmed the importance of local precipitation measurements for urban rainfall-runoff simulations, implying the suitability of open gauge data to be largely dictated by the gauge's distance from the catchment. Performance of open radar data with 5 min and 1 km' resolution was acceptable in terms of runoff reproduction, albeit peak flows were constantly and flow volumes often underestimated. Gauge adjustment and advection interpolation were found to improve the quality of the radar data, and at least gauge adjustment should be performed when open radar data are used. Finally, utilizing dual-polarization capabilities of radars has a potential to improve rainfall estimates for high intensity storms although more research is still needed. (C) 2017 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer reviewe

Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU)

Voimakkaat rankkasateet ja niihin usein liittyvät sääilmiöt kuten rakeet, ukkonen sekä ukkospuuskat vaikuttavat monin tavoin yhteiskunnan eri aloihin ja edellyttävät erilaisia varautumistoimia. Taajamissa hulevesien hallinnan ongelmana ovat ilmastonmuutoksen myötä kasvavat sademäärät ja lisääntyvät rankkasateet. Konkreettinen esimerkki rankkasateiden aiheuttamista mittavista ja laaja-alaisista vahingoista suomalaisessa yhteiskunnassa on kesän 2007 tapaus Porissa, jossa hulevesien aiheuttamat vahingot olivat arviolta 20 miljoonaa euroa. Lyhytaikaisten ja paikallisten rankkasateiden nykyisistä intensiteeteistä ja todennäköisyyksistä oli ennen hanketta käytettävissä varsin niukasti ajanmukaista tutkimustietoa. Yhdyskuntasuunnittelun mitoituksissa käytetään edelleenkin 1960-luvulta peräisin olevia sadejakaumia, jotka perustuvat suhteellisen vähälukuisiin sademittarihavaintoihin, vaikka uutta mittausaineistoa on Suomen sateista erittäin paljon. Tämä rankkasateita ja taajamatulvia koskeva RATU-hanke toteutettiin vuosina 2005 - 2008. Sen tavoitteena oli - selvittää säätutka- ja sademittarihavaintoihin pohjautuen rankkasateiden nykyinen esiintymistodennäköisyys - arvioida valittujen kesien rankkasateiden ilmastollinen edustavuus ja rankkasateiden esiintymisen muutos tulevaisuudessa - selvittää olemassa olevien käyttökelpoisten taajamahydrologiamallien soveltuvuus Suomen olosuhteisiin - arvioida uuden tiedon vaikutuksia hulevesien hallintaan mallintamalla kaksi koealuetta. Tutkimuksessa käytettiin koko Suomen kattavilta säätutkilta kesinä 2000 - 2005 saatuja sadantatietoja. Vaikka havaintovuosia on vähän niin mittaustuloksia on miljardeja, joten niiden perusteella voidaan arvioida myös harvinaisten tapausten toistuvuutta. Tutkimuksessa saatiin arvioita erittäin harvoin, jopa keskimäärin kerran 3000 kesässä, toistuville sadetapahtumille. Tulosten mukaan harvinaisten rankkasateiden sademäärät ovat varsin samansuuruisia kuin tähän asti on oletettu. Analysoitujen sateen tilastollisten parametrien avulla voidaan generoida Suomen ilmastoon sopivia sadetapahtumia. Perinteisillä sademittareilla saatujen tulosten mukaan sadanta vähenee Suomessa etelästä pohjoiseen mennessä. Rannikon ja sisämaan välillä ei havaittu samalla leveyspiirillä olevan tarvetta korjata sadetta korjauskertoimella. Touko-syyskuun rankkasateiden arvioidaan kasvavan ajan mukana keskimäärin melko lineaarisesti. Nykyilmaston keskimäärin kolmen vuoden välein toistuva tapahtuma toistuu tulevaisuudessa noin kahden vuoden välein. Hulevesimalleilla tehtyjen tarkastelujen mukaan ilmastonmuutos lisäsi virtaamaa koealueilla lähes yhtä paljon kuin sadanta kasvoi

Common Inflammation-Related Candidate Gene Variants and Acute Kidney Injury in 2647 Critically Ill Finnish Patients

Acute kidney injury (AKI) is a syndrome with high incidence among the critically ill. Because the clinical variables and currently used biomarkers have failed to predict the individual susceptibility to AKI, candidate gene variants for the trait have been studied. Studies about genetic predisposition to AKI have been mainly underpowered and of moderate quality. We report the association study of 27 genetic variants in a cohort of Finnish critically ill patients, focusing on the replication of associations detected with variants in genes related to inflammation, cell survival, or circulation. In this prospective, observational Finnish Acute Kidney Injury (FINNAKI) study, 2647 patients without chronic kidney disease were genotyped. We defined AKI according to Kidney Disease: Improving Global Outcomes (KDIGO) criteria. We compared severe AKI (Stages 2 and 3, n = 625) to controls (Stage 0, n = 1582). For genotyping we used iPLEX(TM) Assay (Agena Bioscience). We performed the association analyses with PLINK software, using an additive genetic model in logistic regression. Despite the numerous, although contradictory, studies about association between polymorphisms rs1800629 in TNFA and rs1800896 in IL10 and AKI, we found no association (odds ratios 1.06 (95% CI 0.89-1.28, p = 0.51) and 0.92 (95% CI 0.80-1.05, p = 0.20), respectively). Adjusting for confounders did not change the results. To conclude, we could not confirm the associations reported in previous studies in a cohort of critically ill patients.Peer reviewe

Heme oxygenase-1 repeat polymorphism in septic acute kidney injury

Acute kidney injury (AKI) is a syndrome that frequently affects the critically ill. Recently, an increased number of dinucleotide repeats in the HMOX1 gene were reported to associate with development of AKI in cardiac surgery. We aimed to test the replicability of this finding in a Finnish cohort of critically ill septic patients. This multicenter study was part of the national FINNAKI study. We genotyped 300 patients with severe AKI (KDIGO 2 or 3) and 353 controls without AKI (KDIGO 0) for the guanine-thymine (GTn) repeat in the promoter region of the HMOX1 gene. The allele calling was based on the number of repeats, the cut off being 27 repeats in the S-L (short to long) classification, and 27 and 34 repeats for the S-M-L2 (short to medium to very long) classification. The plasma concentrations of heme oxygenase-1 (HO-1) enzyme were measured on admission. The allele distribution in our patients was similar to that published previously, with peaks at 23 and 30 repeats. The S-allele increases AKI risk. An adjusted OR was 1.30 for each S-allele in an additive genetic model (95% CI 1.01-1.66; p = 0.041). Alleles with a repeat number greater than 34 were significantly associated with lower HO-1 concentration (p<0.001). In septic patients, we report an association between a short repeat in HMOX1 and AKI risk

Miehet ja avioero : Erosta Elossa-ryhmien tarkastelua

Tässä opinnäytetyössä tarkasteltiin avioeroja miesten näkökulmasta. Ensimmäisenä tutkimuskohteena oli selvittää minkälaisista avioliitoista haastatellut miehet olivat eronneet ja mitkä olivat olleet keskeisiä syitä eroamiseen. Miesten käyttämiä selviytymiskeinoja tarkastellaan Lazaruksen ja Folkmanin tekemän jaottelun mukaisesti. Kaikki tutkimukseen haastatellut viisi miestä ovat olleet Miessakkien järjestämän Erosta Elossa - vertaisryhmässä, jossa käsitellään parisuhteeseen ja eroamiseen liittyviä kysymyksiä. Tutkittavana oli näiden miesten kokemuksia tuosta ryhmästä ja sitä miten siinä oleminen oli helpottanut heidän omaa eroprosessiaan. Kvalitatiivinen tutkimustapa sisälsi puolistrukturoidut teemahaastattelut aineistonkeruumenetelmänä. Tuloksena oli, että haastatellut miehet erosivat puolisoistaan useimmiten tunnesuhteen vähenemisen ja kommunikaatio-ongelmien vuoksi. Miesten käyttämät selviytymiskeinot vaihtelivat riippuen heidän persoonallisista ominaisuuksistaan, mielenkiinnon kohteistaan sekä tarjolla olleen avun saavutettavuudesta. Yleisimpiä selviytymiskeinoja olivat olleet keskustelut läheisten kanssa ja fyysiset aktiviteetit, eritoten luonnossa liikkuminen. Erosta Elossa – ryhmä auttoi miehiä monin tavoin. Se oli paikka, jossa miehet pystyivät puhumaan omasta erostaan luottamuksellisessa ja supportiivisessa ilmapiirissä. Miehet kokivat saaneensa ryhmästä monipuolisesti apua ja jokainen mies oli tyytyväinen siitä, että oli osallistunut tuon ryhmän toimintaan