Ferramentas de Modelagem Ambiental

Dr. Tiago Garcia de Senna CarneiroTerraLAB - Laboratório INPE/UFOP paraSimulação e Modelagem dos SistemasTerrestres

Fevereiro de 2010

Modelos Ambientais Dinâmicos Espacialmente explicitos.

Os modelos ambientais que nos interessam são dinâmicos e espacialmente-explicitos:

Modelos dinâmicos são capzes de representar mudança.

Modelos espacialmente-explicitos nos permitem estudar as trajetórias e os padrões espaciais dessas mudanças.

Modelos Computacionais do Espaço

Dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG) à Álgebra de Mapas

Atuais Concepções do Espaços

A maioria dos SIGs modelam a realidade geográfica como: campo ou objeto.

Campos Objetos

Componentes conjunto de geo-objetos identificador único vários atributos por células operadores topológicos: , , , , toca, etc.

mapasde solo

realidade

campo

Componentes matriz de valores categórícos

ou numéricos coordenadas (x, y) um atributo por célula vizinhança (filtros)

uma superfície ocupada por objetos discretos e identificáveis

superfície contínua

Representações Computacionais do Espaços

Matriciais (campo ): Imagems Grades numéricas Grades celulares

• Vetoriais (objeto):– Pontos– Linhas (e redes)– Poligonos (e triangulações)

X,Y,ZX,Y,Z X,Y,Z

X,Y,Z

X,Y,Z

Arquitetura e Interface de um SIG

Arquitetura TerraLIB (INPE)

Interface com o Usuario TerraView (INPE)

O Banco de Dado Geográfico é organizado em Planos de Informação

Metodos de Análise Espacial

Análise dados vetoriais: Análise de pontos: kernel,

cluster Análise de área: Moran, ... Geoestatística: krigeagem

ordinária, krigeagem por indicação

Análise de dados matriciais: Filtros Contrastes Segmentação Classificação

Álgebra de Mapas

“A dinâmica da simulação é representada pela realização de uma seqüência finita de operações algébricas sobre os mapas de entrada. O tempo não é considerado explicitamente.”

Tomlin (1990): somente campos Operações pontuais,

de vizinhança e zonais

A linguagem LEGAL (199?): campos e objetos Integrada ao Spring

PCRaster (199?): somente campos possui o conceito de

interação

A linguagem PCRaster

# <- este símbolo indica comentáriotimer 1 28 1; # 28 passos de simulação

initial # cobertura de estações meteorológicas para toda a área RainZones = spreadzone(RainStations,0,1); # cria o mapa de capacidade de infiltração (mm/6horas), # com base no mapa de solos InfiltrationCapacity = lookupscalar(SoilInfiltrationTable,SoilType);

dynamic # adiciona chuva à superfície de água (mm/6horas) SurfaceWater = timeinputscalar(RainTimeSeries,RainZones); # computa a inflitração atual e o overflow Runoff, Infiltration =  accuthresholdflux, accuthresholdstate(Ldd,SurfaceWater,InfiltrationCapacity); # saída: escoamento de para cada passo da simulação report LogRunoff = log10(Runoff+0.001);

A Lingagem LEGAL do software SPRING

Dinâmica-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 Movement

Media HarmonicaMedia Aritmética

Calcula o centro das ocorrências.

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

Provê uma classificação unificada para o conhecimento científico disponivel.

Enunciada pelo biólogo Ludiwig Von Bertalanffy: 1920’s: 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

Concepção da Realidade • A realidade é formada por sistemas que agem como módulos

organizados hieraquicamente.

• Sistemas são estoques de energia: pura, matéria ou informação.

• Sistemas estão imersos em um ambiente.

• Fluxos os conectam e transportam energia de um sistema para o outro .

Sistema 2

Sistema 3Sistema 1 Sistema 4

Aplicações

Ciclo antropogênico do CO2

Ciclo da Água

Atmosfera

Rio

Solo

OceanoCamada 1

Camada 2

chuva

infiltraçãodrenagem

evaporação

Atmosfera

Floresta

Subbosque

Arvores

fixação

queima

• Fluxos são descritos como funções reais (regras): • Discretas ou Contínuas• Determinísticas ou Estocáticas• Booleanas ou Fuzzy• Estacionárias ou Adaptativas

Vantagens e Desantagens

Vantagens: Princípios simples e sólidos:

Modularidade: todo sistema é uma caixa-preta, sua saída depende somente da entrada

Organização Hierarquica: sistemas são recursivamente formado por sub-sistemas que, por sua vez, são foramdo por outros sistemas.

Excelente abordagem para modelar mudanças em quantidades

Desvantagens: Como modelar mudanças em:

Localizações Propriedade de objetos Indivíduos 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 computação hibrido

Ambiente de Modelagem TerraME

Eclipse & LUA plugin• model description• model highlight syntax

TerraView• data acquisition• data visualization• data management• data analysis

TerraLibdatabase

da

ta

Model source code

MODEL DATA

mod

el

• model syntax semantic checking• model execution

TerraME INTERPRETER

LUA interpreter

TerraME framework

TerraME/LUA interface

model d

ata

Integração 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

RondôniaModel 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 à Múltiplas Escalas

Comportamento modular (caixa preta)

Organização hierárquica

Escala = tempo + espaço + comportamento

Multiplas extensões e resoluções em cada dimensão

Retroalimentações (feedbacks) inter- and entre- escalas

retroalimentação

Escala 1 Escala 2

Escala 1.1 Scale 1.2Escala 1.1.1

?entrada saida

O Conceito de Escala

Scale é um conceito geral que inclui as dimensões espacial, temporal e comportamental utilizada para mensurar qualquer fenômeno, sistema, ator, entidade ou processo.

Extensão se refere a magnitude da medida.

Resolução se refere a granularidade da medida.

(Gibson et al. 2000)

Escala: Extensão e Resolução

Resolução refere-se à granularidade das medições.

TEMPO ESPAÇO COMPORTAMENTO

Extenção refere-se à magnitude das medições.

joão maria

homens mulheres

Desenvolvimento de Modelos em Múltiplas Escalas

Use escalas aninhadas

Nested-CA: Escalas Aninhadas

up-scaling

Escala 1

Escala 2

pai

filho

down-scaling

A estrutura do Espaço é não-homogênea

Escalas Aninhadas

Partições do Espaço podem ter Escalas diferentes.

Modelos em múltiplas camadas (escalas).

Rondônia: cada assentamento do INCRA é modelado como uma Escala

km

Projetos de Colonização

10

8

15

1614

13

Projetos antigosNovos projetosProjetos planejados

km

Projetos de Colonização

10

8

15

1614

13

Projetos antigosNovos projetosProjetos planejados

Projetos antigosNovos projetosProjetos planejados

9o S

10o S

9o 30’ S

10o 30’ S

9o S

9o 30’ S

10o S

10o 30’ S

0 50Km

62o 30’ W 62o W

62o 30’ W 62o W

9o S

10o S

9o 30’ S

10o 30’ S

9o S

9o 30’ S

10o S

10o 30’ S

0 50Km

62o 30’ W 62o W

62o 30’ W 62o W

9o S

10o S

9o 30’ S

10o 30’ S

9o S

10o S

9o 30’ S

10o 30’ S

9o S

9o 30’ S

10o S

10o 30’ S

9o S

9o 30’ S

10o S

10o 30’ S

0 50Km

0 50Km

62o 30’ W 62o W62o 30’ W 62o W

62o 30’ W 62o W62o 30’ W 62o W

Fonte: Isabel Escada (INPE)

TerraME suporte a Múltiplas: Escalas e Representacoes do Espaço• 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: múltiplos para paradigmas de modelagem

estado do autômato

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

INDIVÍDUO CAMPO

AMBIENTE ou ESCALA

TRAJETÓRIA

GPM

DEVS

Obrigado…

Perguntas?

Mais informações em: www.terralab.ufop.brwww.terrame.org