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Die Modellierung sozial-ökologischer Systeme im Kontext der Nachhaltigkeitsforschung
Martin Wildenberg
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Struktur der Präsentation
- Einleitung:- Sozial -Ökologische Systeme- Nachhaltigkeitsprobleme- Lokale Sozial -Ökologische Systeme
- Projekte und Fallstudien- LTSER- RECOVER – Kamorta ABM- SERD- Fuzzy Cognitive Modeling
- Integrierende Modellierung- Lessons learned- Ausblick
Sozial Ökologische Systeme
Komplex
Adaptiv
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Wir sind ein Teil davonUnd seit gut 200 Jahren eine bestimmende Einflussgröße…
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Willkommen im Anthropozän
Steffan et al 2004; IGBP Secretariat Royal Swedish Academy of Sciences
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Willkommen im Anthropozän
Steffan et al 2004; IGBP Secretariat Royal Swedish Academy of Sciences
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Lokale sozial-ökologische Systeme
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Long-Term Socioecological Research (LTSER)
LTSER Ziel:Beitrag zur Nachhaltigkeitsforschung
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Themen der Sozial-ökologischen Langzeitforschung
• Gesellschaftlicher Metabolismus• Landnutzung und Landschaft• Governance und Decision Making• Kommunikation, Wissensmanagment und
Transdisziplinarität
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
SERD (Simulation of Ecological Compatibility of Regional Development)
Veronika Gaube, Heidi Adensam, Julia Lutz, Tina Kaiser, Andreas Richter, Helmut Haberl
• Analyse der sozial-ökonomische Dynamiken und deren Wechselwirkung mit Material- und Energieflüssen
• Ursachen und Auswirkungen von langfristigen Veränderungen im ökonomischen und sozialen Bereich, Landnutzung und Ökosystemen.
• Beitrag zu einer nachhaltigen lokalen Entwicklung. Einbeziehung und Unterstützung lokaler Stakeholder.
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Fokus:Reichraming - eine Gemeinde in der LTSER Eisenwurzen
Reichraming
Eisenwurzen
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Land use 1900
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Land use 2001
External conditionsSocio-economic / political
frameworkEnvironmental conditions
e.g. climate
Agent-based modulefarmstourismfirmsmunicipality
Integrated stock-flowmodule
Socio-economic stocks/flows(humans, livestock, artifacts)
Ecological stocks flows(forests, grasslands, cropland)
Land useLand cover
Model outputs
Socio-economicchange
Land-usechange
Changes in material/energy flows
Model Konzept
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Verhalten der Landwirtschaftlichen Agenten
Ziel der Landwirte• Flächen unter Bewirtschaftung• Minimum Einkommen• Minimum Freizeit
Landwirte Berücksichtigen:• Räumliche Gegebenheiten• Förderungen• Produkt Preis• Produktionskosten
Mögliche Reaktionen:• Ex- oder intensivieren der Produktion• Bio-Landwirtschaft• Vergrößern od. Verkleinern der Flächen• Wechsel des Betriebtypen• Mehr / weniger Nebenerwerb• Mehr / weniger Arbeitskräfte• Aufgabe der Landwirtschaft
Interaktionen• via Grundstückmarkt
Verhalten der Landwirtschaftlichen Agenten
Benutzer Interface
Drei SzenariosTREND
GLOB
LOC
+ Base Run
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Trend
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Glob
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Loc
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Trend Szenario
Land-use today
Mehr BauernhöfeWeniger Verwaldung (-15%)Mehr Haushalte (+10%)Weniger Pendler
Höchste GHG & Stickstoff Emissionen
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
GLOB Szenario
Land-use today
Weniger Bauernhöfe – extensive Bewirtschaftung hohe ArbeitsbelastungMehr VerwaldungAbwanderung nimmt zuMehr Pendler +75%Niedrigsten GHG & Stickstoff Emissionen
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
LOC Szenario
Land-use today
Weniger Bauernhöfe als in Trend mehr als in GLOB – extensiv hohe ArbeitsbelastungWeniger VerwaldungWeniger Pendler
Mittlere GHG & Stickstoff Emissionen.
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Eine andere Region, andere Themen, ähnliche Herausforderungen…
RECOVER(research on coping with vulnerability to environmental risk)Singh, Adensam, Haas, Fischer-Kowalski
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
2004 Tsunami
More then 4000 dead Almost all Houses destroyed & infrastructure damaged coconut plantations destroyed Reef & coast topology changed
2004 Tsunami
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
The Second WaveÜber 60 NGOs warten in Port Blair um millionen von US$ auszugeben. Unrepresented inflow of money & commodities.
Die Nicobaren – ein vielversprechender Entwicklungshilfe Markt?
Nebenwirkungen der Hilfsmaßnahmen:Veränderung der Familienstruckturen, des sozialen Zusammenhalts, Konflikte über
Land, zunehmende soziale Differenzierung, Veränderung der Konsum und Produktionsgewohnheiten.
The Second Wave
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Modelling
TheoryDevelopment
Intervention
Work packages Recover
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Level Focus Target group Tools
Island Ecological constraintsBiophysical constraintsMarket
Tribal CouncilAdministrationNGOs
Integrated Model
Village Cooperate societiesProduction (best mix)
SIF (NGO) Village councilCooperate societies
Planning Tool
Household What do people want?Cultural constraintsLifestyle changes Time use
Households Participative Data Collection &Participative observation
Integration verschiedener Ebenen
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Model Komponenten
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
actual lan d cov e r
past lan d cov e r
state o f ne ighbo r
time s in ce last fire
time sin ce last land -co v e r ch ange
yie ld p ro duce dwo rking time re quire d
at coast (ye s / no )
su itab ility fo r con v e rsion in to o the r landtype
coo rd inate s
size
co lo r in map
bu rn ab ility
Vis ib le o n I s lan d s c a le :Lan d s c ap e d ev elo p m en tF r ag m en ta tio n
parame te rs fo r yie ldsde pe nd ing on ag e an d type
Calcu late d Var iab le s
Parame te rs / in itial Data
M ain Var iab le s
Vis ib le fo r Age nt
Landscape e ffe ctsv is ib le fo r u se rs
Ch ange typ e
Bu rn
Actio ns
In flue nce d byAg e n t
Landunits
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Kamorta land-cover and land-use – 2005, 2015, 2025 and 2035.
Zeitbudgets und Landnutzungsveränderungen
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Available, required and desired working times per adult. Required workingtime includes time for subsistence and market oriented activities.
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Lets get softer…
a tool for integrated modelling of SES
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Was ist eine Fuzzy Cognitive Map:
Grafische Repräsentation des Wissens über die Wechselwirkungen zwischen wichtigen Elementen eines Systems.
Eine FCM ist ein qualitatives Systemmodell, welches mathematisch berechnet werden kann
Food intake -
+ Desire to rest
Hunger
0,5
1
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Fuzzy Cognitive MappingWie funktioniert es?
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
FCMapper auf www.FCMappers.net
Schnelle und einfache Berechnung und Visualisierung
Ca. 1000 Anmeldungen auf unserer Homepage
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Erfahrungen mit FCM
Vulnerability of Indian cities towards extreme weather events
Vergleich von sechs Casestudies in LTSER Plattformen
Verwendung von FCM in der PIK Summerschool
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Vulnerability to climate change
Collective fuzzy cognitive map of professionals interviewed in Delhi (Diana Reckien et al.)
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Spanien:14 FCMs mit Experten aus dem Bereich Naturschutz
“Was sind die wichtigsten Einflußfaktoren (pos. und neg.) auf die Biodiversität im Donana Nationalpark?”
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
FinnlandVier Mappings – eines mit Experten drei mit lokalen Stakeholdern
“Beschreiben sie ihrer Wahrnehmung der aktuellen Situation des Karvianjärvi-See”.
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Rumänien:Drei Gruppen-Interviews:1. Wissenschaftler und Naturpark Mitarbeiter2. Bauern und Fischer3. Manager und lokale Administraion.
“Wie wichtig sind für sie Ökosystem-Dienstleistungen, welche Faktoren beeinflussen diese und wie wirkt sich das auf ihr Leben aus?”
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Eisenwurzen LTSER7 Interviews mit lokalen Experten aus den Bereichen Regionalmanagment, Naturschutz und öffentliche Verwaltung
“Welche Faktoren, Akteure oder Institutionen beeinflussen die zukünftige Entwicklung Ihrer Region?”
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
FCM Simulation in a nutshell
ji
N
jij
kj
ki
ki wAAA
1
)()()1(
= value of concept Ci at iteration step k+1
= value of concept Ci at iteration step k
= value of concept Cj at iteration step k
= weight of the link between Ci and Cj
)1( kiA
)(kiA
)(kjA
jiw
X =
C1
Cn
Activation Vector
Interaction Matrix
C1
Cn
C1 Cn
Vector contains values representing the state of the concept
Matrix contains weights of relations between concepts
First iteration
X
C1
Cn
C1
Cn
C1 Cn
Vector contains values representing the state of the concept after one iteration
Seconde iteration
=
C1
Cn …
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Wieder die drei SzenariosTREND
GLOB
LOC
+ Base Run
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Base Run
Trend
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Glob
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Loc
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
• Strukturiert partizipativen Prozess
• Social learning
• Kommunikation zwischen Beteiligten
• Darstellung komplexer Systeme so wie von Stakeholder Wahrgenommen
• Kartierung und Analyse komplexer Systeme
• Vergleichbarkeit qualitativer Daten und Information
• Modellierung und Szenarios
• Schnell und einfach anzuwenden
• Prozess orientiert
Was bietet Fuzzy Cognitive Mapping?
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Teil IIIntegrierte Modellierung
Also, was ist ein integriertes Model?
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Und wie kann Integration erreicht werden?
Ein integriertes Modell integriert…
- Zwei (oder mehrere) Modelle - Wissen verschiedner Disziplinen- Wissenschaftler aus verschieden
Disziplinen - Wissenschaftler und “andere”
Menschen- Theorie und Praxis- Verschiedene Modelierungsmethoden
(ABM, SD, GIS)- Daten unterschiedlicher Art (qualitative
& quantitative)
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Lessons learned:• Es ist wichtig die Akteure und Stakeholder von Anfang
an in den Modellierungsprozess zu involvieren.
• Iterative Entwicklung, modularer Aufbau.
• Die Akzeptanz des Modelles bei den Stakeholdern ist wichtig.
• Modelle helfen unterschiedlichen Stakeholdergruppen über ihr System zu kommunizieren.
• Der Modellierungsprozess selbst trägt wesentlich zum Verständnis des Systems bei.
• Keep it simple
Integrating people, topics and knowledge: constructing models in iterative loops
F o r m u lie r u n gd e r F ra g e s te llu n g
Hy p o th es enS am m eln
M o d e ll S tr u k tu rau s w äh len
An aly s e d esM o d e ls
M o d e llk o m u n iz ier en
I m p lem en tie r u n gd es M o d e lls
Um f o rm u lier u n gd e r F ra g e s te llu n g
S ta k eh o ld erP ar t iz ip a tio n
I s t d as M o d elb r au c h b ar ?
Ko n zep tu e lle sM o d e ll
Bean tw o r tetd as M o d e ld ie F r ag e?
An f an g s p u n k t
Ko m m u n ik atio n
Ko m m u n ik atio n
1
43
2
Ausblick IWeiterentwicklung Fuzzy Cognitive Mapper und ABM
Causale Modellierung & Mindmapping gewinnt, vor allem in der transdiziplinären Forschung, immer mehr an Bedeutung
Experten Systeme, Knowledge Brokerage, Lernende Netzwerke, Artificial Intelligence
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Ausblick IILandnutzungsmodelle die:
- auf jährlich Erhobenen Daten aufbauen- Daten Eingabeinterface direkt beim Stakeholder- Ergebnisse direkt an Benutzer liefern - Einbindung in Managementsysteme ermöglichen- Großflächig Anwendbar sind- Integration verschiedener Ebenen erlauben
Ermöglichen ein Monitoring von SES und ein darauf aufbauendes adaptives Management
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Ausblick III
The scientific community is part of the experiment of modern society, like it or not…
(Haberl et al. 2006)
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Decision finding process of each farm
Ecological dimension
Economic dimension
Social dimension
ODD
Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012
Results Spain:
• General agreement on drivers and pressures on Doñana’s biodiversity
• Drivers are dominated by factors describing human actions, such as farming, urbanization, land management, pollution and policy (including conservation decisions).
• High relevance given to the social perception of biodiversity and associated threats, as well as the overall local biodiversity conservation
• Low importance given to the administrative policies effects on biodiversity.
• Missing links between socio-economic and natural drivers
• No conflicts connected to the Doñana National Park
• Corridors as a way of spreading alien species, diseases and pests, in addition to their main connectivity of populations and species migration roles.
Results Finland
Clear distinction of “Expert-map” to maps of other stakeholders
Expert map:“state of the lake”, is the central factoremphasises socio-economic factors and their connection to liveability of the rural area and the internal loading process.
Stakholder maps:More human centred maps – users view on the lakeRecreational use, particularly fishing in the lake, is accentuated. The internal loading process only mentioned by the agriculturalistExternal loading, on the other hand, was mentioned in all maps with a high centrality.Water level issues
The ongoing discussions and the experiences of the stakeholders regarding concrete water quality problems in the lake, as well as protection activities that have been conducted for some time are reflected in different degrees in all of the maps.
Results Romania
The experts group:characterized the study area using a large spectrum of factors related to ongoing academic discussions. social aspects, human factors and management issues. The map shows a very high density reflection of the notion that “every thing is connected to every thing”.
The group of local farmers and fishermenmore pragmatic, users view of their area. The farmers and fishermen discussed situations based on the extensive and severe structural changes in their area, which occurred during the 1960s and 1980s due to implementation of management plans.
Managers and local administrationdiscussed the changes they have noticed in the last 50 years. Most central factors: “Financial resources”, “Agro-tourism” and “Biodiversity”.