Introdução à modelagem dinâmica em Sistemas de Informação Geográfico (SIG) Iván Ortiz Valencia liov2067@gmail.com Setembro 2006

Resumo   Fenômenos representados num SIG são inerentemente dinâmicos, porém, a sua representação computacional num SIG é essencialmente estática. A disponibilidade crescente de dados espaciais, principalmente vindos do sensoriamento remoto e redes de estações de monitoramento ambiental e o uso de modelos dinâmicos permitem analisar mudanças e obter predições de possíveis cenários negativos. O objetivo da apresentação é introduzir os conceitos básicos, limitações e aplicações da modelagem dinâmica em SIG, particularmente, as concernentes às mudanças no uso do solo.

Estrutura Introdução Modelagem Dinâmica CLUE (Conversion of Land Use and Its Effects) Considerações finais

Introdução O mapa digital A representação computacional do espaço geográfico num Sistema de Informação Geográfico (SIG) Representação simplificada de uma área geográfica sobre um plano. Principal meio de visualização e comunicação de informação num SIG. O mapa representa uma realidade espacial para uma referência temporal pontual especifica. Mapa não considera o caráter dinâmico dos fenômenos.

Introdução Vivemos uma tendência crescente no uso de sistemas de monitoramento e aquisição de dados sócio-ambientais em escalas e resoluções espaciais cada vez maiores. Algumas fontes de dados: sensoriamento remoto, redes de estações de monitoramento, censos demográficos e outros.

Introdução A análise espacial em SIG se desenvolve dentro de uma região geográfica e um período determinado. Extrapolação temporal Tn Modelagem Espaço-temporal T Extrapolação espacial T0 Modelagem espacial SIG Interpolação D

Sistema de Informação Geográfico Uma base cartográfica constitui um conjunto de mapas que descrevem as feições da área de estudo. Por exemplo: hidrografia, relevo, vegetação, rede de ruas, etc. Esta informação deve estar em formato digital para ser inserido no SIG. Num SIG cada elemento geográfico constitui uma camada de informação.

Sistema de Informação Geográfico Matricial (Raster) Representação Vetorial Ambas representações podem ser usadas numa base cartográfica. Representação Raster ou matricial A área é dividida em células quadradas formando uma grade ou matriz. A célula da grade é chamada de PIXEL (picture element). Cada pixel recebe um único valor.

Modelagem Dinâmica Simulação de processos reais usando modelos matemáticos e estatísticos que descrevem a evolução de padrões espaciais de um sistema ao longo do tempo. Algumas questões que o modelo pode responder são: Quais são as variáveis e processos que contribuem para explicar o fenômeno? Como o processo evolui? Onde ocorrem os hot-spots?

Aplicação Modelagem da cobertura do solo. Tese de doutorado: Modelagem dinâmica do uso e cobertura da paisagem do maciço da tijuca. Jesus Fernando Mansilla Baca (http://www.cnps.embrapa.br/Tijuca/index.html)

Modelagem do Uso do Solo A modelagem das mudanças no uso do solo é um elemento central para o manejo e toma de decisões referentes ao meio ambiente. As mudanças no uso do solo têm impacto direto na biodiversidade, os estoque de água e radiação, emissão de gases raros, ciclo do carbono e vida, etc. Modelagem dinâmica das mudanças do uso do solo pode ajudar a prever possíveis cenários problemáticos.

The Conversion of Land Use and its Effects (CLUE) Referencias: Veldkamp and Fresco 1996, Verburg and others 1999ª. Foi desenvolvido para simular mudanças do uso do solo usando relações empíricas quantitativas entre o uso do solo e os fatores influentes através da modelagem dinâmica. http://www.cluemodel.nl/

The Conversion of Land Use and its Effects (CLUE) CLUE é multifatorial Fatores atuam em diferentes escalas no espaço e tempo. Demográficos: densidade populacional Econômicos: nível do crescimento econômico na área Tecnológicos, Políticos, Culturais e Biofísicos. Estes fatores influenciam nas mudanças no uso do solo de diferentes formas.

The Conversion of Land Use and its Effects (CLUE) Os fatores podem ser divididos em dois grupos: Influência na percentagem ou a quantidade da mudança do uso do solo. Exemplo: Nível de desmatamento está vinculado à presença de grupos imigratórios Influência na posição da mudança do uso do solo. A adequação do solo para o uso agrícola.

The Conversion of Land Use and its Effects Escala regional Escala nacional e continental

The Conversion of Land Use and its Effects Conceitos principais para o desenvolvimento do CLUE-S O modelo CLUE envolve sistemas complexos: sociais, ecológicos e do uso do solo. Conceito de Conectividade Estabelece que posições próximas são relacionadas. O status do uso de solo numa área pode ser explicada pelas condições de áreas vizinhas. Importância da vizinhança. Exemplo: a deterioração do solo numa área pode provocar o desmatamento em áreas vizinhas.

The Conversion of Land Use and its Effects Conceito de estabilidade e resiliência Se refere à capacidade do ecossistema ou da sociedade para absorver perturbações. Mudanças repentinas dos fatores influentes não devem afetar diretamente a estrutura do sistema de uso do solo.

The Conversion of Land Use and its Effects Modelo CLUE Dois módulos: 1) Módulo não-espacial Cálculo da mudança da área para cada tipo do uso do solo (entre dois anos) no nível agregado. 2) Módulo espacial Processo de alocação da informação: fatores influentes + uso do solo A informação é representada usado formato raster no SIG. A informação é agregada para a mesma resolução espacial (pixel).

The Conversion of Land Use and its Effects Processo de alocação espacial

The Conversion of Land Use and its Effects Onde Pi Probabilidade para a ocorrência de um tipo de uso do solo em um pixel i da grade Xn,i fatores influentes. βi coeficiente de regressão

The Conversion of Land Use and its Effects Variáveis que não tem significância estatística são excluídas. A avaliação do ajuste da regressão é feita calculado curva ROC. Influência da autocorrelação espacial. Rodar a regressão logística numa amostra de pixels separados uma distância mínima. Cálculo de mapas de probabilidade para cada tipo de uso do solo.

The Conversion of Land Use and its Effects Regras de decisão de alocação Podem ser especificadas pelo usuário. Podem incluir a delineação de áreas protegidas (reservas naturais), neste caso, não é permitido mudanças dentro desta área. Regra 1. Para alguns tipos de uso do solo é pouco provável que sejam convertidos em outro tipo de uso do solo depois da primeira conversão. Exemplo: Se uma área agrícola é urbanizada não é esperado que volte a ser agrícola ou seja convertida em floresta.

The Conversion of Land Use and its Effects Regra 2. Áreas com tipo de uso do solo com facilidade de mudança. Regra 3. Elasticidade. Mede a propensão relativa à mudança de um tipo de uso do solo. A elasticidade relativa (ELASu) toma valores entre 0 a 1. ELASu = 0: todas as mudanças no tipo de uso do solo são permitidas. 0<ELASu<1: mudanças são permitidas, mas enquanto maior o valor mais difícil a mudança do tipo de uso do solo. ELASu = 1: Igual à regra 1.

The Conversion of Land Use and its Effects Processo iterativo de alocação A alocação do uso do solo é realizada de forma Iterativa usando o mapa de probabilidade, regras de decisão, o mapa atual do uso do solo e o mapa de demanda para os diferentes uso do solo. Etapa 1. Determinação de todos os pixels que podem sofrer mudanças. Pixels que fazem parte de áreas restritas ou que estão no presente momento alocadas para um tipo de uso que não pode realizar conversões serão excluídas do cálculo.

The Conversion of Land Use and its Effects Etapa 2. Para cada pixel i é calculada a probabilidade total (TPROPi,u) para cada tipo de uso da terra u: TPROPi,u = Pi,u + ELASu + ITERu Onde: Pi,u : é a probabilidade de um tipo de uso da terra u ser a preferência da localidade i obtido da regressão logística. ELASu : é a elasticidade da conversão para um tipo de uso do solo u. ITERu : é uma variável de iteração que é específica do tipo de uso do solo u.

The Conversion of Land Use and its Effects Etapa 3. É feita uma alocação preliminar com um valor igual da variável de iteração (ITERu) para todos os tipos de uso do solo alocando os tipos de uso com maior probabilidade total para a célula considerada. Etapa 4. É feita uma comparação entre a área total alocada para um determinado tipo do uso do solo e a área de demanda para os tipos de uso do solo. Para os tipos de uso do solo que tiveram área locada menor que a demanda o valor de ITERu é incrementado. Para os tipos de uso do solo que tiveram área locada maior que a demanda o valor de ITERu é diminuído.

The Conversion of Land Use and its Effects As etapas 2, 3 e 4 são repetidas até que a área demanda seja satisfeita. Quando isto se cumpre, o processo continua para o seguinte ano.

Considerações finais O futuro aponta para o desenvolvimento de GIS espaço-temporais. Projetos de mudança do uso solo são multidisciplinares.

Bibliografia Câmara A. S., Ferreira F e Castro P. Spatial simulation modeling. Capítulo 15 do livro Spatial Analytical Perspectives on GIS. GISDATA 4. Series Editors Masser I. & Salgé François. Taylor & Francis, 1996. Pedrosa B. e Câmara G. Modelagem dinâmica. Capítulo 6 do livro Análise Espacial de Dados Geográficos Editores Druck S., Carvalho M. S., Câmara G., Monteiro A. M..2004. [http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro/analise/cap6-dinamica.pdf] Mansilla Baca, J.F. Dinâmica da Paisagem: Métodos analíticos e modelos de classificação e simulação prognóstica, sob a ótica geoecológica. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Rio de Janeiro, Dpto. de Geografia, Rio de Janeiro, 2002. Verburg, P.H., Soepboer, W., Veldkamp, A., Limpiada, R. and Espaldon, V. 2002. Modeling the spatial dynamics of regional land use: the CLUE-S model. Environmental Management, 30(3): 391-405.