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Ferramentas de Modelagem Ambiental Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro TerraLAB - Laboratório INPE/UFOP para Simulação e Modelagem dos Sistemas Terrestres.

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1 Ferramentas de Modelagem Ambiental Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro TerraLAB - Laboratório INPE/UFOP para Simulação e Modelagem dos Sistemas Terrestres Fevereiro de 2010

2 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.

3 Modelos Computacionais do Espaço Dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG) à Álgebra de Mapas

4 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. mapas de solo realida de 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

5 Representações Computacionais do Espaços Matriciais (campo ): Imagems Grades numéricas Grades celulares Vetoriais (objeto): –Pontos –Linhas (e redes) –Poligonos (e triangulações ) X,Y,Z

6 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

7 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

8 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

9 A linguagem PCRaster # <- este símbolo indica comentário timer ; # 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 simulaçãolookupscalartimeinputscalaraccuthresholdflux, accuthresholdstate report LogRunoff = log10(Runoff+0.001);

10 A Lingagem LEGAL do software SPRING

11 Dinâmica-EGO (Environment for Geoprocessing Objects)

12 Animal Movement: plugin for ArcGIS The Analysis of Telemetry Data in GIS Environment

13 Analise Estatistica: Animal Movement Histogramas

14 Spider Diagram: Animal Movement Media Harmonica Media Aritmética Calcula o centro das ocorrências. Usando areas predefinida

15 Rotas: Animal Movement

16 Area de vida: Animal Movement Kernel Poligono convexo

17 Functions: Animal Moviment s

18 Plataformas baseadas em Teoria Geral de Sistemas

19 Teoria Geral de Sistemas Provê uma classificação unificada para o conhecimento científico disponivel. Enunciada pelo biólogo 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)

20 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 3 Sistema 1 Sistema 4

21 Aplicações Ciclo antropogênico do CO2 Ciclo da Água Atmosfera Rio Solo Oceano Camada 1 Camada 2 chuva infiltração drenagem 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

22 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

23 Ferramentas de Modelagem Baseadas em Teoria Geral de Sistemas Dinamo Vensim Smile STELLA

24 SME - Spatial Modelling Environment

25 Plataformas baseadas em Agentes

26 Agent-Based Modelling Goal Environment Representations Communication Action Perception Communication Gilbert, 2003

27 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

28 Swarm

29 Repast

30 Netlogo

31

32 Plataformas baseadas em Automatos Celulares

33 Kenge = Swarm + Cellular Automata + GIS

34 Geonamica

35 TerraME: um software publico de suporte a modelagem ambiental Nested-CA: um modelo de computação hibrido

36 Ambiente de Modelagem TerraME

37 Integração com SIG GIS

38 TerraLib TerraME C++ Framework C++ Signal Processing librarys C++ Mathematical librarys C++ Statistical librarys TerraML Virtual Machine TerraME: Arquitetura de Software TerraMLCompiler TerraML Language RondôniaModeldynamicaModel RICKSModelCLUEModel

39 Carregamento de dados em TerraME -- Loads the TerraLib cellular space csCabecaDeBoi = 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

40 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 1Escala 2 Escala 1.1 Scale 1.2 Escala ? entrada saida

41 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)

42 Escala: Extensão e Resolução Resolução refere-se à granularidade das medições. TEMPOESPAÇOCOMPORTAMENTO Extenção refere-se à magnitude das medições. joãomaria homensmulheres

43 Nested-CA: Escalas Aninhadas up-scaling Escala 1 Escala 2 pai filho down-scaling

44 A estrutura do Espaço é não-homogênea Escalas Aninhadas Partições do Espaço podem ter Escalas diferentes. Modelos em múltiplas camadas (escalas).

45 Rondônia: cada assentamento do INCRA é modelado como uma Escala Fonte: Isabel Escada (INPE)

46 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?

47 Nested-CA em TerraME: múltiplos para paradigmas de modelagem estado do autômato cobertura y t x estado do agente coberturea 1:32:0 0 Mens :32:1 0 Mens :38:0 7 Mens :42:0 0 Mens 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

48 Obrigado… Perguntas? Mais informações em:


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