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 Ferramentas de Modelagem Ambiental Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro T erraLAB - Labora tório INPE/UFOP para Simulação e Modelagem dos Sistemas Terrestres Fevereiro de 2010

Ferramentas de modelagem ambiental BOM.pdf

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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