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Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE http:// www.terrame.org

Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

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Page 1: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Modelagem Dinâmicacom TerraME:

A Gentle Introduction

Dezembro/09

Pedro Ribeiro de AndradeDSA/CCST/INPEhttp://www.terrame.org

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MotivaçãoÉ crescente a demanda por modelos dinâmicos que permitam a

avaliação e o prognóstico dos impactos causados por mudanças ambientais e que considerem de forma integrada fatores sociais, econômicos, hidrológicos, climáticos e ecológicos.– Projeto Land Use and Cover Change - LUCC– Projeto GEOMA

?Fonte: (Carneiro,

2006)

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Processo cognitivo no qual os princípios de uma ou mais teorias são aplicados para se produzir um modelo de um determinado fenômeno, sistema ou processo real.

Desmatamento ?

Teoria de Modelagem

If (... ? ) then ...

Fonte: (Carneiro, 2006)

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Causa e Efeito

Page 5: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

rainrain rain

N

Itacolomi do ItambéPeak Lobo’s Range

Fonte: (Carneiro, 2006)

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Área de estudo – ALAP BR 319 e entorno

ALAP BR 319Estradas pavimentadas em 2010Estradas não pavimentadasRios principais

Portos

new road

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Data models but not process models

Geographic Information Systems (GIS)

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Simulação Computacional

Caixa Preta

Variação de Temperatura

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100

tempo (s)

gra

us

ce

ntí

gra

do

s

Entrada

Modelo1

Modelo2

Objetivo

Modelo3: 0,1

Modelo3: |f-o|/(|f|+|o|)

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Source: (Carneiro, 2006)

TerraME:Terra Modelling Environment

Page 10: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Lua and the Web

Where is Lua?

• Inside Brazil– Petrobras, the Brazilian Oil Company– Embratel (the main telecommunication company

in Brazil)– many other companies

• Outside Brazil– Lua is used in hundreds of projects, both

commercial and academic– CGILua still in restricted use

• until recently all documentation was in Portuguese

TerraME Programming Language: Extension of LUALUA is the language of choice for computer games

[Ierusalimschy et al, 1996]source: the LUA team

Page 11: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Methodology: TerraME architecture & applications

Fonte: (Carneiro, 2006)

Page 12: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Basic concepts

The Earth’s environment …

can be represented as a synthetic environment…

… where analytical entities (rules) change the space properties in time.

Several interacting entities share the same spatiotemporal structure.Fonte: (Carneiro, 2006)

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TerraME’s way: Modular components

Spatial structure

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

Temporal structure

Newly implanted

Deforesting

Slowing down

latency > 6 years

Iddle

Year of creation

Deforestation = 100%

Rules of behaviour Spatial relations

Source: [Carneiro, 2006]

Page 14: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Source: (Aguiar, 2003;; Carneiro, 2006)

CellCellularSpaceTrajectoryNeighbourhoo

d

( , )

Space

Page 15: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Cellular Space

AnariCells = CellularSpace {dbType = "ADO",host = "localhost",database ="c:\\terralibDB\\mas_lucc.mdb",user = "",password = "",layer = "celulas_500_Anari_1985_pasto",theme = "celulas_500_Anari_1985_pasto",select = {"object_id", "cover", "owner“}

}

Page 16: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

r = Trajectory{cellularspace, function(cell) return cell.height > 50 end, function(c1, c2) return c1.height > c2.height end}

( , )

Trajectory

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Source: (Aguiar, 2003)

Which objects are closer?

Page 18: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Source: (Aguiar, 2003)

Which objects are closer?

Page 19: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Euclidean Spaces

Open Network Closed Network

GPM – strategies for building relations

Page 20: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

GPM as a graphTo

Ag

en

t

Cell

a

b

a

b

c

c

Cell Agent

From

Page 21: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Vizinhança

createMooreNeighborhood(cs)cs:loadTerraLibGPM("name")cs:loadGALNeighborhood("file.gal")

Source: (Aguiar, 2003)

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Behaviour

AgentAutomata

Fonte: (Carneiro, 2006)

Page 23: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Fonte: (Carneiro, 2006)

Desmatamento > 70%

recémImplantada

desflorestando

saturada

Latência > 6 anos

Evolução Desflorestamento - Fazenda

recessão

crescimento

normal

time = 1997

time = 1988

time = 1994

Sistema EconômicoHybridSituated

Behaviour – State Machines

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State{id = "MoveDown", Jump{ function(event, agent) return input == "raise" end, target = "MoveUp" }, Jump{ function(event, agent) return gate.y == 0 end, target = "Closed" }, Flow{ function(event, agent) gate.y = gate.y - 9 if gate.y <= 0 then gate.y = 0 end end}}

State Machine

Page 25: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Temporal model

1:32:00 Mens. 11.

1:32:10 Mens. 32.

1:38:07 Mens. 23.

1:42:00 Mens.44.

Execute an agent over the cellular space regions

Save the spatial data

Draw cellular spaces and agents states

Carrie out the comunication between agents

. . .return value

true

1. Get first pair 2. Execute the ACTION

3. Timer =EVENT

4. timeToHappen += period

Fonte: (Carneiro, 2006)

Page 26: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

time = Timer { Pair { Event{time = 1985, period = 1}, Message{ function(event) AgentRancher:execute(event) return 1 end} }, Pair { Event {time = 1988, period = 1}, Message { function(event) AgentSmall:execute(event) return 1 end} }}

Timer

Page 27: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

myScale = Environment{ id = "MyScale", cs1 = CellularSpace{ ... }, -- ... csN = CellularSpace{ ... },

aut1 = Automata{ ... }, -- ... autN = Automata{ ... },

t1 = Timer{ ... }, -- ... tN = Timer{ ... },

sc1 = Environment{ ... }, -- ... scN = Environment{ ... },}

Environment

Page 28: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

CellAgent

ForEachAgent ForEachCell

ForEachCellForEachNeighbor ForEachNeighbor

ForEachAgent

CellularSpaceSociety

Group Trajectory

DBMS

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chuvachuva chuva

N

Pico do Itacolomido Itambé Serra do Lobo

Fonte: (Carneiro, 2006)

Page 30: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Autômatos Celulares

DRY WET

(soilWater > infCap) ?

(soilWater <= infCap) ?

Fonte: (Carneiro, 2006)

Page 31: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Simulationoutcome

fonte: Carneiro (2006)

Page 32: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

STUDY AREA

Parque Nacional Serra das Emas

Fonte: (Almeida et al, 2008)

Page 33: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

STUDY AREA

Dados de Entrada do Modelo

Fonte: (Almeida et al, 2008)

Page 34: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

STUDY AREA

Propagação do Incêndio

Fonte: (Almeida et al, 2008)

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Estimativa de Emissões por Desmatamento

Emissões de CO2 por Desmatamento de Floresta Primária na Amazônia e nos Estados (Modelo C1)

0

200

400

600

800

1000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Ano

Mto

nCO

2

Acre

Amapa

Amazonas

Maranha

Mato Grosso

Pará

Rondonia

Roraima

Tocantins

Amazonia

Fonte: (Aguiar et al, 2009)

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Deforestation

Forest

Non-forest

Deforestation Map – 2000 (INPE/PRODES Project)

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

Federal Government induced colonization area (since the 70’s):

Small, medium and large farms. Mosaic of land use patterns. Definition of land units and typology of actors

based on multi-temporal images (85-00) and colonization projects information (Escada, 2003).

Deforestation in Rondônia

Fonte: (Carneiro, 2006)

Page 37: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

1985 to 1997

Source: adapted from (Carneiro, 2006)

Deforestation in Rondônia

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BASELINE SCENARIO – Hot spots of change (1997 a 2020)

ALAP BR 319Estradas pavimentadas em 2010Estradas não pavimentadasRios principais

0.0 – 0.10.1 – 0.20.2 – 0.30.3 – 0.40.4 – 0.50.5 – 0.60.6 – 0.70.7 – 0.80.8 – 0.90.9 – 1.0

% mudança 1997 a 2020:

Fonte: (Aguiar, 2006)

Page 39: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

GOVERNANCE SCENARIO – Differences from baseline scenario

ALAP BR 319Estradas pavimentadas em 2010Estradas não pavimentadasRios principais

0.0 -0.50Less:0.0 0.10More:

Differences:Protection areas

Sustainable areasFonte: (Aguiar, 2006)

Page 40: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

STUDY AREA

São Félix do Xingu

Fonte: (Costa, 2009)

Page 41: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Landscape model: different rules of behavior at different partitions

Forest

Not ForestDeforest

River

FRONT

MIDDLE

BACK

SÃO FÉLIX DO XINGU - 1997

Observed deforestation in 1997

Fonte: (Costa, 2009)

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Landscape model: different rules of behavior at different partitions which also change in time

FRENTE

MEIO

RETAGUARDA

Forest

Not ForestDeforest

River

FRONT

MIDDLE

BACK

SÃO FÉLIX DO XINGU - 2006

Observed deforestation in 2006

Fonte: (Costa, 2009)

Page 43: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Modeling results 97 to 2006

Observed 97 to 2006

Real Data

Simulation

Fonte: (Costa, 2009)

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Modelagem Multi-Escala

Athmosphere, ocean, chemistry climate model (resolution 200 x 200

km)

Atmosphere only global climate model

(resolution 50 x 50 km)

Regional climate model(resolution 10 x 10 km)

Hydrology, VegetationSoil Topography (e.g, 1 x 1 km)

Regional land use changeSocio-economic changes

Adaptation (e.g., 100 x 100 m)

Fonte: (Camara, 2009)

Page 45: Modelagem Dinâmica com TerraME: A Gentle Introduction Dezembro/09 Pedro Ribeiro de Andrade DSA/CCST/INPE

Acoplamento de Modelos

Fonte: (Piribauer, 2009)

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TerraME Hoje

• Versão 1.0 Beta prevista para fevereiro/2010• www.terrame.org • Extensão para acessar outros tipos de dados

(pontos, linhas, etc.) como células• TerraME-GIMS (Graphical Interface for Modeling

and Simulation)• TerraME-HPA (High Performance Architecture)• Dificuldade para visualizar dinamicamente os

resultados dos modelos