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Ferramentas de Modelagem Ambiental
Dr. Tiago Garcia de Senna CarneiroTerraLAB - Laboratrio INPE/UFOP paraSimulao e Modelagem dos SistemasTerrestres
Fevereiro de 2010
Modelos Ambientais Dinmicos Espacialmente explicitos.
Os modelos ambientais que nos interessam so dinmicos e espacialmente-explicitos:
Modelos dinmicos so capzes de representar mudana.
Modelos espacialmente-explicitos nos permitem estudar as trajetrias e os padres espaciais dessas mudanas.
Modelos Computacionais do Espao
Dos Sistemas de Informao Geogrfica (SIG) lgebra de Mapas
Atuais Concepes do Espaos
A maioria dos SIGs modelam a realidade geogrfica como: campo ou objeto.
Campos Objetos
Componentes conjunto de geo-objetos identificador nico vrios atributos por clulas operadores topolgicos: , , , , toca, etc.
mapasde solo
realidade
campo
Componentes matriz de valores categrcos
ou numricos coordenadas (x, y) um atributo por clula vizinhana (filtros)
uma superfcie ocupada por objetos discretos e identificveis
superfcie contnua
Representaes Computacionais do Espaos
Matriciais (campo ): Imagems Grades numricas Grades celulares
Vetoriais (objeto): Pontos Linhas (e redes) Poligonos (e triangulaes)
X,Y,Z X,Y,Z X,Y,ZX,Y,Z
X,Y,Z
Arquitetura e Interface de um SIG
Arquitetura TerraLIB (INPE)
Interface com o Usuario TerraView (INPE)
O Banco de Dado Geogrfico organizado em Planos de Informao
Metodos de Anlise Espacial
Anlise dados vetoriais: Anlise de pontos: kernel,
cluster Anlise de rea: Moran, ... Geoestatstica: krigeagem
ordinria, krigeagem por indicao
Anlise de dados matriciais: Filtros Contrastes Segmentao Classificao
lgebra de Mapas
A dinmica da simulao representada pela realizao de uma seqncia finita de operaes algbricas sobre os mapas de entrada. O tempo no considerado explicitamente.
Tomlin (1990): somente campos Operaes pontuais,
de vizinhana e zonais
A linguagem LEGAL (199?): campos e objetos Integrada ao Spring
PCRaster (199?): somente campos possui o conceito de
interao
A linguagem PCRaster
#
A Lingagem LEGAL do software SPRING
Dinmica-EGO (Environment for Geoprocessing Objects)
Animal Movement: plugin for ArcGIS
The Analysis of Telemetry Data in GIS Environment
Analise Estatistica: Animal Movement
Histogramas
Spider Diagram: Animal MovementMedia Harmonica
Media Aritmtica
Calcula o centro das ocorrncias.
Usando areas predefinida
Rotas: Animal Movement
Area de vida: Animal Movement
Kernel
Poligono convexo
Functions: Animal Moviment
s
Plataformas baseadas em Teoria Geral de Sistemas
Teoria Geral de Sistemas
Prov uma classificao unificada para o conhecimento cientfico disponivel.
Enunciada pelo bilogo Ludiwig Von Bertalanffy: 1920s: primeiros desenvolvimentos 1937: Charles Morris Philosophy Seminar, University of Chicago 1950: An Outline of General Systems Theory, Journal for the
Philosophy of Science
Cientistas que introduziram a TGS nas suas disciplinas: Parsons, a sociologist (1951) J.G Miller a Psychiatrist & Psychologist (1955) Boulding, an economist (1956) Rapoport. A mathematician (1956) Ashby, a bacteriologist (1958)
Ambiente
Concepo da Realidade A realidade formada por sistemas que agem como mdulos
organizados hieraquicamente.
Sistemas so estoques de energia: pura, matria ou informao.
Sistemas esto imersos em um ambiente.
Fluxos os conectam e transportam energia de um sistema para o outro .
Sistema 2
Sistema 3Sistema 1 Sistema 4
Aplicaes
Ciclo antropognico do CO2
Ciclo da gua
AtmosferaAtmosfera
RioRio
SoloSolo
OceanoOceano Camada 1Camada 1
Camada 2Camada 2
chuva
infiltraodrenagem
evaporao
AtmosferaAtmosfera
FlorestaFloresta
SubbosqueSubbosque
ArvoresArvores
fixao
queima
Fluxos so descritos como funes reais (regras): Discretas ou Contnuas Determinsticas ou Estocticas Booleanas ou Fuzzy Estacionrias ou Adaptativas
Vantagens e Desantagens
Vantagens: Princpios simples e slidos:
Modularidade: todo sistema uma caixa-preta, sua sada depende somente da entrada
Organizao Hierarquica: sistemas so recursivamente formado por sub-sistemas que, por sua vez, so foramdo por outros sistemas.
Excelente abordagem para modelar mudanas em quantidades
Desvantagens: Como modelar mudanas em:
Localizaes Propriedade de objetos Indivduos Sociedades
Ferramentas de Modelagem Baseadas em Teoria Geral de Sistemas
Dinamo Vensim Smile STELLA
SME - Spatial Modelling Environment
Plataformas baseadas em Agentes
Agent-Based Modelling
Goal
Environment
Representations
Communication
ActionPerception
Communication
Gilbert, 2003
Agents are
Identifiable and self-contained
Goal-oriented Does not simply act in response to the environment
Situated Living in an environment with which interacts with other agents
Communicative/Socially aware Communicates with other agents
Autonomous Exercises control over its own actions
Swarm
Repast
Netlogo
Netlogo
Plataformas baseadas em Automatos Celulares
Kenge = Swarm + Cellular Automata + GIS
Geonamica
TerraME: um software publico de suporte a modelagem ambiental
Nested-CA: um modelo de computao hibrido
Ambiente de Modelagem TerraME
Integrao com SIG
GIS
TerraLib
TerraME C++ Framework
C++ Signal Processing
librarys
C++ Mathematical
librarys
C++ Statisticallibrarys
TerraML Virtual Machine
TerraME: Arquitetura de Software
TerraMLCompiler
TerraML Language
RondniaModel dynamicaModel RICKSModel CLUEModel
Carregamento de dados em TerraME
-- Loads the TerraLib cellular spacecsCabecaDeBoi = CellularSpace{
dbType = "ADO",host = "amazonas",database = "c:\\cabecaDeBoi.mdb",user = "",password = "",layer = "cellsSerraDoLobo90x90",theme = "cells",select = { "altimetria", "qtdeAgua", "capInf" }
}csCabecaDeBoi:load();
csCabecaDeBoi:loadNeighbourhood(Moore_SerraDoLobo1985");
GIS
TerraME: Requisitos de Suporte Mltiplas Escalas
Comportamento modular (caixa preta)
Organizao hierrquica
Escala = tempo + espao + comportamento
Multiplas extenses e resolues em cada dimenso
Retroalimentaes (feedbacks) inter- and entre- escalas
retroalimentao
Escala 1 Escala 2Escala 1.1 Scale 1.2
Escala 1.1.1 ?entrada saida
O Conceito de Escala
Scale um conceito geral que inclui as dimenses espacial, temporal e comportamental utilizada para mensurar qualquer fenmeno, sistema, ator, entidade ou processo.
Extenso se refere a magnitude da medida.
Resoluo se refere a granularidade da medida.
(Gibson et al. 2000)
Escala: Extenso e Resoluo
Resoluo refere-se granularidade das medies.
TEMPO ESPAO COMPORTAMENTO
Exteno refere-se magnitude das medies.
joo maria
homens mulheres
Desenvolvimento de Modelos em Mltiplas Escalas
Use escalas aninhadas
Nested-CA: Escalas Aninhadas
up-scaling
Escala 1
Escala 2
pai
filho
down-scaling
A estrutura do Espao no-homognea
Escalas Aninhadas
Parties do Espao podem ter Escalas diferentes.
Modelos em mltiplas camadas (escalas).
Rondnia: cada assentamento do INCRA modelado como uma Escala
km
Projetos de Colonizao
10
8
151614
13
Projetos antigosNovos projetosProjetos planejados
km
Projetos de Colonizao
10
8
151614
13
Projetos antigosNovos projetosProjetos planejados
Projetos antigosNovos projetosProjetos planejados
Fonte: Isabel Escada (INPE)
TerraME suporte a Mltiplas: Escalas e Representacoes do Espao 2 Submodels (2 different scales):
Demand Model: how much change? 1 Cellular Space: the Legal Amazon States 1 Cellular Space: the Legal Amazon roads
Allocation Model: where the change will take change? 1 Cellular Space: the sparse squared cells.
How much?
Where?
Nested-CA em TerraME: mltiplos para paradigmas de modelagem
estado do autmato
cobertura
y
t
x estado do agente
coberturea
1:32:00
Mens. 11.
1:32:10
Mens. 32.
1:38:07
Mens. 23.
1:42:00
Mens.44.
. . .return value
true
1. Get first pair 2. Execute the ACTION
3. Timer =EVENT
4. timeToHappen += period
INDIVDUO CAMPO
AMBIENTE ou ESCALA
TRAJETRIA
GPM
DEVS
Obrigado
Perguntas?
Mais informaes em: www.terralab.ufop.brwww.terrame.org
Slide 1Modelos Ambientais Dinmicos Espacialmente explicitos.Slide 3Atuais Concepes do EspaosRepresentaes Computacionais do EspaosArquitetura e Interface de um SIGMetodos de Anlise Espaciallgebra de MapasA linguagem PCRasterA Lingagem LEGAL do software SPRINGDinmica-EGO (Environment for Geoprocessing Objects)Slide 12Analise Estatistica: Animal MovementSpider Diagram: Animal MovementRotas: Animal MovementArea de vida: Animal MovementFunctions: Animal MovimentSlide 18Teoria Geral de SistemasConcepo da RealidadeAplicaesVantagens e DesantagensFerramentas de Modelagem Baseadas em Teoria Geral de SistemasSME - Spatial Modelling EnvironmentSlide 25Agent-Based ModellingAgents areSwarmRepastNetlogoNetlogoSlide 32Kenge = Swarm + Cellular Automata + GISGeonamicaSlide 35Ambiente de Modelagem TerraMEIntegrao com SIGTerraME: Arquitetura de SoftwareCarregamento de dados em TerraMETerraME: Requisitos de Suporte Mltiplas EscalasO Conceito de EscalaEscala: Extenso e ResoluoSlide 43A estrutura do Espao no-homogneaSlide 45Slide 46Nested-CA em TerraME: mltiplos para paradigmas de modelagemSlide 48