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Ferramentas de Modelagem Ambiental

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

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Presentation Transcript

  1. Ferramentas de Modelagem Ambiental Dr. Tiago Garcia de SennaCarneiro TerraLAB - Laboratório INPE/UFOP paraSimulação e Modelagem dos SistemasTerrestres 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 Campos Objetos • Componentes • matriz de valores categórícosou numéricos • coordenadas (x, y) • um atributo por célula • vizinhança (filtros) • Componentes • conjunto de geo-objetos • identificador único • vários atributos por células • operadores topológicos:, , , , toca, etc. realidade mapas de solo campo uma superfície ocupada por objetos discretos e identificáveis superfície contínua A maioria dos SIGs modelam a realidade geográfica como: campo ou objeto.

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

  6. Arquitetura e Interface de um SIG Interface com o Usuario TerraView (INPE) Arquitetura TerraLIB (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 comentáriotimer 1 28 1; # 28 passos de simulaçãoinitial # 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);

  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 Usando areas predefinida Calcula o centro das ocorrências.

  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: • 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 • Cientistasqueintroduziram a TGS nassuasdisciplinas: • Parsons, a sociologist (1951)‏ • J.G Miller a Psychiatrist & Psychologist (1955)‏ • Boulding, an economist (1956)‏ • Rapoport. A mathematician (1956)‏ • Ashby, a bacteriologist (1958)‏

  20. Concepção da Realidade • A realidade é formada por sistemasqueagemcomomódulosorganizadoshieraquicamente. • Sistemassão estoques de energia: pura, matériaouinformação. • Sistemasestãoimersosem um ambiente. • Fluxososconectam e transportamenergia de um sistemapara o outro . Ambiente Sistema 2 Sistema 1 Sistema 3 Sistema 4

  21. Aplicações Atmosfera Atmosfera Ciclo antropogênico do CO2 fixação chuva evaporação Floresta Solo Ciclo da Água Camada1 Subbosque Oceano queima Arvores Camada2 • Fluxossão descritos comofunçõesreais (regras): • Discretas ou Contínuas • DeterminísticasouEstocáticas • Booleanas ou Fuzzy • Estacionárias ou Adaptativas drenagem infiltração Rio

  22. Vantagens e Desantagens • Vantagens: • Princípiossimples e sólidos: • Modularidade: todosistema é umacaixa-preta, suasaídadependesomentedaentrada • OrganizaçãoHierarquica: sistemassãorecursivamenteformadopor sub-sistemasque, porsuavez, sãoforamdoporoutrossistemas. • Excelente abordagem para modelar mudançasemquantidades • 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. Representations Communication Communication Action Perception Environment Agent-Based Modelling Goal 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. Netlogo

  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. GIS Integração com SIG

  38. TerraME C++Framework C++ Signal Processing librarys C++ Mathematicallibrarys C++ Statisticallibrarys TerraME: Arquitetura de Software RondôniaModel dynamicaModel RICKSModel CLUEModel TerraML Language TerraMLCompiler TerraML Virtual Machine TerraLib

  39. GIS 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");

  40. Escala 1 Escala 2 ? Escala 1.1 Scale 1.2 Escala 1.1.1 entrada saida retroalimentação TerraME: Requisitosde Suporte à MúltiplasEscalas • Comportamento modular (caixapreta) • Organizaçãohierárquica • Escala = tempo + espaço + comportamento • Multiplasextensões e resoluçõesemcadadimensão • Retroalimentações(feedbacks) inter- and entre- escalas

  41. O Conceito de Escala Scale é um conceitogeralqueinclui as dimensõesespacial, temporal e comportamentalutilizadaparamensurarqualquerfenômeno, sistema, ator, entidadeouprocesso. Extensão se refere a magnitude damedida. Resolução se refere a granularidadedamedida. (Gibson et al. 2000)

  42. joão maria homens mulheres Escala: Extensão e Resolução Extenção refere-se à magnitude das medições. TEMPO ESPAÇO COMPORTAMENTO Resolução refere-se à granularidade das medições.

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

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

  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. 1. Get first pair 2. Execute the ACTION 1. 2. 3. Timer =EVENT 3. 1:42:00 1:38:07 1:32:10 1:32:00 Mens.4 Mens. 3 Mens. 1 Mens. 2 4. return value . . . true 4. timeToHappen += period y cobertura t coberturea estado do agente estado do autômato x Nested-CA emTerraME: múltiplosparaparadigmas de modelagem DEVS AMBIENTE ou ESCALA GPM INDIVÍDUO CAMPO TRAJETÓRIA

  48. Obrigado… Perguntas? Mais informações em: www.terralab.ufop.br www.terrame.org

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