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Ferramentas de Modelagem Ambiental
Dr. Tiago Garcia de Senna CarneiroTerraLAB - Laboratório INPE/UFOP paraSimulação e Modelagem dos SistemasTerrestres
Fevereiro de 2010
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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.
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Modelos Computacionais do Espaço
Dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG) à Álgebra de Mapas
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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
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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
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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
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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
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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
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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);
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A Lingagem LEGAL do software SPRING
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Dinâmica-EGO (Environment for Geoprocessing Objects)
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Animal Movement: plugin for ArcGIS
The Analysis of Telemetry Data in GIS Environment
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Analise Estatistica: Animal Movement
Histogramas
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Spider Diagram: Animal Movement
Media HarmonicaMedia Aritmética
Calcula o centro das ocorrências.
Usando areas predefinida
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Rotas: Animal Movement
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Area de vida: Animal Movement
Kernel
Poligono convexo
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Functions: Animal Moviment
s
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Plataformas baseadas em Teoria Geral de Sistemas
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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)
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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
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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
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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
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Ferramentas de Modelagem Baseadas em Teoria Geral de Sistemas
Dinamo Vensim Smile STELLA
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SME - Spatial Modelling Environment
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Plataformas baseadas em Agentes
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Agent-Based Modelling
Goal
Environment
Representations
Communication
ActionPerception
Communication
Gilbert, 2003
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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
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Swarm
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Repast
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Netlogo
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Netlogo
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Plataformas baseadas em Automatos Celulares
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Kenge = Swarm + Cellular Automata + GIS
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Geonamica
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TerraME: um software publico de suporte a modelagem ambiental
Nested-CA: um modelo de computação hibrido
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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
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Integração com SIG
GIS
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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
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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
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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
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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)
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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
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Desenvolvimento de Modelos em Múltiplas Escalas
Use escalas aninhadas
Nested-CA: Escalas Aninhadas
up-scaling
Escala 1
Escala 2
pai
filho
down-scaling
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A estrutura do Espaço é não-homogênea
Escalas Aninhadas
Partições do Espaço podem ter Escalas diferentes.
Modelos em múltiplas camadas (escalas).
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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)
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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?
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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
![Page 48: Ferramentas de Modelagem Ambiental Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro TerraLAB - Laboratório INPE/UFOP para Simulação e Modelagem dos Sistemas Terrestres.](https://reader036.fdocumentos.tips/reader036/viewer/2022062312/552fc131497959413d8d5ec6/html5/thumbnails/48.jpg)
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