modelagem ambiental: ferramenta para definição de

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Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de Políticas Públicas Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro TerraLAB - Laboratório INPE/UFOP para Simulação e Modelagem dos Sistemas Terrestres Instituto Jones dos Santos Neves Vitória, 20 de novembro de 2009

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Page 1: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de Políticas Públicas

Dr. Tiago Garcia de Senna CarneiroTerraLAB - Laboratório INPE/UFOP paraSimulação e Modelagem dos SistemasTerrestres

Instituto Jones dos Santos NevesVitória, 20 de novembro de 2009

Page 2: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Conteúdo

Introdução à modelagemDisponibilidade de dadosTerraME: software público de suporte a modelagemModelos Ambientais: exemplos & estudos de casoPrincipais resultados científicos

Page 3: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Introdução à Modelagem

Page 4: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

O que é um Modelo?

Modelo = uma

representaçãosimplificada

de um fenômeno, processo, ator, sistema ou entidade complexa

Page 5: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelos versus Conhecimento Científico

A verdade sobre a realidade é intangivel.

Tudo que a ciência conhece sobre a realidade é um modelo da realidade.

Page 6: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Átomos

Conceito (modelo conceitual): Entidades indivisíveis das quais a matéria é formadaGrécia Antiga Leucipo e Demócrito, 400 a. C.

Modelo (representação):Dalton, 1807 Esferas maciçasThonson, 1904 Pudim de passasRutherford, 1911 Núcleo positivo + eletrosfera negativaBorh, 1913 Nucleo + eletrons em diferentes niveis de energiaSchrondger, Pauli, Átomo moderno composto por partculas subatômicas

Dalton, 1807 Thonson, 1904 Rutherford, 1911 Borh, 1913

Page 7: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

A Forma da Terra

Conceito (modelo conceitual):Lugar (planeta) onde vivemos. Ambiente.

Modelo (representação):Plana antiguidadeEsférica

Pitágoras (570 a.C.) Sugeriu que a Terra seria esféricaAristóteles (330 a.C.) 1ª evidência: sombra semi-circular na luaErastótenes (240 a.C.) 1º cálcula da circunferência da Terra

MatemáticaScotsman McLaurin (1742) PlanaCarl Jacobi (1834) ElipsoidalHenri Poincaré (885) Periforme

Dinâmica Geodésia moderna

Plana Esférica Elipsóide Periforme

GeóideDinâmico

Page 8: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

O Sistema Solar

Conceito (modelo conceitual):Lugar onde a Terra se insere e interage com outros corpos celetes de maneira formar um sistema.

Modelo (representação):Antiguidade Terra é o centro do universoAristarco (300 a.C.) Sugeriu a que o sol poderia ser o centro do sistema solarCopérnico (1543. d.C) Propôs teoricamente que Sol é o centro do sistema solarGalileu (1610 d. C.) 1ªs evidências que compravam o heliocentrismoKepler (1609 d. C.) Movimentos dos planetas em orbitas elípticasNewton (1687 d. C.) Lei da Gravitação Universal

`Geocentrismo Heliocentrismo

Page 9: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelos funcionam?

Supernova Foto: Hubble

Lançamento CBERSTaiyuan, na China

Satélite

Rede GPS

200 2

1 gttvhh ++=

221

dmmgF=

Page 10: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Para que modelar?

Sobre fenômenos, atores, sistemas ou entidades:

Entender o funcionamento,

Prever o comportamento ou estado futuro,

Simular cenários alternativos,

Apoiar a tomada de decisão,

Sustentar a definição de politicas publicas em bases científicas.

Page 11: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Porque modelos ambientais?

Principalmente para estudar:

MudançasInterações humano-ambiente

Algumas das principais questões são:

Quanta mudança irá ocorrer?Onde as mudanças irão ocorre?Quais são os fatores que direcionam as mudanças?Como os bens e serviços ambientais serão afetados?Quais serão as consequencias das mudanças? (doenças, eventos climaticos ou geológicos)Quais são alternativas viáveis para dirimir os impactos?

Page 12: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Para quem modelar?

As comunidades mais vuneráveis são as primeiras a sofrer com as mudanças ambientais.

Page 13: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelagem de problemas complexos

Aplicação de conhecimento multidisciplinar para produzir ummodelo

If (... ? ) then ...

Desflorestamento?

Page 14: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Porque modelos matemáticos-computacionais?

É preciso uma linguagem forma para representar o modelo

Livre de ambiguidade 1 gramática = 1 semânticaDescrição estável e discreta do modeloImplementação permite experimentação

Papel da representação computacionalColoca junto a expertise de diferentes campos do conhecimentoTorna explícita concepções diferentesGarante que essas concepções são representadas em um sistema de informação

Page 15: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelo = entidades + relações + atributos + regras

O que é um Modelo?

Modelo = uma representação simplificada de um processo ouentidade complexa

E0E4

possui

desfloresta

espaço• uso do solo• tipo de solo

Modelo de Desflorestamento

fazendeiro• renda

Page 16: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

O que é um modelo dinâmicoespacialmente-explicito?

Fenômentos dinamicamente mudam as condições de locais especificosdo espaço (ambiente).

Duas novas questões são importante:Quando?Onde?

Page 17: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelos precisam ser Calibrados e Validados

M

entrada1

dados reais

resultados do modelo

Ajustou?Ajustou?calibração validação

amostraSaída1

calculadoSaída1 calculadoSaída2

entrada2

M

amostraSaída2

Page 18: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Processo Cíclico de Modelagem

Page 19: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelagem como processo de transformação: dados/informação/conhecimento/tecnologia

especificações formais

descrição detalhada

conceito claro

idéia vaga

primeiro ‘chute’ rápido

protótipo do modelo

modelo pronto para uso

modelo final pronto para publicaçào

experimento, feedback revisão do modelo

tecnologia

conhecimento

processo cíclico e incremental de modelagem

Page 20: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Limites do Conhecimento Científico e Modelos Atuais

source: John Barrow

Complexity of the phenomenon

Unc

erta

inty

on

basi

c eq

uatio

ns

Solar System DynamicsMeteorology

ChemicalReactions

AppliedSciences

ParticlePhysics

Quantum Gravity

Living Systems

GlobalChange

Social and EconomicSystems

Page 21: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Disponibilidade de Dados

Page 22: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

EO data: benefits to everyone

CBERS-2 image of Manaus

Page 23: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Satelite fornecem informações cruciais sobre as mudanças globais

fonte: Câmara

Page 24: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

EO data: benefits to everyone

CBERS-2 image of Manausfonte: Câmara

Dados de obsevação da Terra para o benefício de todos.

Page 25: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Slides from LANDSATAral Sea

Bolivia

1975 1992 2000

1973 1987 2000

source: USGS

fonte: Câmara

Page 26: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais

Platafoma de Coleta de Dados Típica

Page 27: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

SRTM _ Radar, Serra do Espinhaço

Page 28: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Outras fontes de dados?

Site do IBGE: www.ibge.gov.brMapas digitais (divisão política, sede municípios, estradas, vegetacao, solos, cartas toporáficas, hidrografia, etc)Tabelas & Estatísticas (censos)

Site da Agência Nacional de Águas: www.ana.gov.br

Site do INPE: www.inpe.brImagens de Satélite: Catálogo CBERS

Ótico: 260 x 260 metros CBERS25 x 25 metros LandSat ou CBERS2,5 x 2,5 metros CBERS 2b

Infravermelho: 80 x 80 metros CBERS

Sites da NASA:Topografia: Shutle Radar Topographic Mission (SRTM)

America do Norte: 30 x 30 metrosResto do Mundo: 90 x 90 metros

Page 29: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

TerraME: um software publico de suporte a modelagem ambiental

Page 30: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Ambiente de Modelagem TerraME

Page 31: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Integração com Sistemas de Informação Geográfica (SIG)

GIS

Page 32: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Carregamento de dados-- 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

Page 33: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

TerraME & Múltiplas Escalas

Basic concepts

Page 34: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

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)

Page 35: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

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

Page 36: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

TerraME :Requisitos de Suporte à Múltiplas Escalas

Comportamento modular (caixa preta)Comportamento hierárquico behaviorRepresentar multiplas extensões e resoluçõesModelar retroalimentações (feedbacks) inter- and entre- escalas

retroalimentação

Escala 1 Escala 2Escala 1.1 Scale 1.2

Escala 1.1.1 ?entrada saida

Page 37: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Nested-CA: Escalas Aninhadas

up-scaling

Escala 1

Escala 2

pai

filho

down-scaling

Page 38: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

A estrutura do Espaço é não-homogênea

Escalas Aninhadas

Partições do Espaço podem ter Escalas diferentes.

Modelos em múltiplas camadas (escalas).

Page 39: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Rondônia: cada assentamento do INCRA é modelado como uma Escala

Fonte: Isabel Escada (INPE)

Page 40: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

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?

Page 41: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelos Ambientais: exemplos & estudos de caso

Page 42: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Um modelo hidrologico de cunho pedagógico

Drenagem da chuva em “Cabeça de Boi”

Page 43: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

O Brasil “from the space”2000

Espinhaço Range

Page 44: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Minas Gerais State “from the space”

2000

Page 45: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de
Page 46: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de
Page 47: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Pico do Itacolomido Itambé

Serra do Lobo

Page 48: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Pico do Itacolomido Itambé

Serra do Lobo

Page 49: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

chuvachuva chuva

N

Pico do Itacolomi do Itambé

Serra do Lobo

Page 50: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Direção da foto

Pico do Itacolomido Itambé

Serra do Lobo

Page 51: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Resultado da Simulação(36 min.)

Page 52: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Incêndios: mecanismo de propagação do fogo

- incêndios em parques nacionais -

Fonte: Rodolfo Maduro Almeida (2008)

Page 53: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Propagação do Fogo & Percolação

Page 54: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

CA 1 CA 2 CA 3 CA 4 CA 5

CA 1 0.100 0.250 0.261 0.273 0.285

CA 2 0.113 0.253 0.264 0.276 0.288

CA 3 0.116 0.256 0.267 0.279 0.291

CA 4 0.119 0.259 0.270 0.282 0.294

CA 5 0.122 0.262 0.273 0.285 0.297

QUEIMANDO

INE

RT

E

Junho de 2002

0,25< Ic<0,251

Page 55: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

1 (1 ) jbjI I= − − = bias direcionaljb

direção do vento

WS 0 (ventos fracos): 0-5 km/hWS 1 (ventos moderados): 5 - 20 km/hWS 2 (ventos fortes): maior que 20 km/h

Page 56: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

- Local de início: desconhecido

- Data: 06-01-2000

- Velocidade média do vento: 17 km/h (WS 1)

- Direção do vento: O

Incêndio 1

Page 57: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 0

WS 1

O

N

L

S

Page 58: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 20

WS 1

O

N

L

S

Page 59: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 40

WS 1

O

N

L

S

Page 60: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 60

WS 1

O

N

L

S

Page 61: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 80

WS 1

O

N

L

S

Page 62: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 100

WS 1

O

N

L

S

Page 63: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

t = 120

WS 1

O

N

L

S

Page 64: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

O modelo CLUE em TerraME

UFOP - Dr. Tiago CarneiroINPE - Dra. Ana Paula AguiarWageningen University – Dr. Tom Velkamp

Page 65: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Padrão de desflorestamento em 1997Dado do INPE/PRODES 1997 combinado com dado do IBGE/Censo Agrícola 1996

0% -> 100%deforested

Brazilian Legal Amazon

Federative States

RoadsFonte: Ana Paula D. de Aguiar

Page 66: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Aplicação do Modelo CLUE na Amazônia Brasileira

demand modulescenarios of quantity of

changes inland use types

allocation modulespatial analysis

Legal Amazon level

grid-based level

‘coarse scale’multiple regression

models

‘fine scale’multiple regression

models

‘coarse scale’allocation

‘fine scale’allocation

25 x 25 km2 cells

100 x 100 km2 cells

Fonte: Ana Paula D. de Aguiar

Page 67: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Resultado do Modelo – Cenário 2

Page 68: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Ecologia & Saúde Publica: a caso da dengue no Rio de Janeiro

UFOP - Dr. Tiago Carneiro- Msc. Raquel Martins Lana

INPE - Dr. Miguel Vieira Monteiro

FIOCRUZ - Dra, Claudia Codeço

Page 69: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Bairro de Higienópolis, cidade do Rio de Janeiro, RJ

Área de Estudo

Figura 2: Localização do Bairro de Higienópolis (vermelho) dentro do município do Rio de Janeiro. Fonte: IBGE (http://www.ibge.gov.br)

Page 70: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Desenho Amostral e Dados

Figura 3: Amostras localizadas no Bairro deHigienópolis. Fonte: CICT/Fiocruz-RJ e IBGE

• Fonte dos dados: Fiocruz-RJ

• Dados semanais: 78 semanas

- Contagem de ovos: ovitrampa (Fay andEliason 1966)

-Dados de temperatura: Estação Meteorológica do Galeão (http//www.rio.rj.gov.br/georio/alerta/tempo)

Apresentador
Notas de apresentação
Começar a falar a partir da explicação do que são e como funcionam ovitrampa Explicar: tempo de coleta e como foi feita Setembro de 2006 até março de 2008 totalizando 82 semanas (Honório et al., 2009). As seguintes análises aqui descritas foram feitas utilizando apenas 78 semanas. 500x500m e 41 casas foram escolhidas aleatoriamente, evitando casas com menos de 50 metros de distância. Os ovos de Aedes aegypti foram coletados através de ovitrampas (Fay and Eliason 1966; Reiter et al., 1991; Honório et al. 2003; Honório et al., 2009) que semanalmente tinham o seu conteúdo levado para laboratório e sua água renovada. Quando em laboratório, a contagem de ovos e larvas era feita. Para esse trabalho, apenas a contagem de ovos é utilizada devido à maior precisão para esse tipo de estimativa, uma vez que alguns ovos não eclodiram.
Page 71: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Modelo básico para o ciclo de vida do Aedes aegypti

Figura 4: Representação gráfica do modelo de ciclo de vida do Aedes aegypti

Apresentador
Notas de apresentação
Comece falando que o ciclo de vida tem 4 fases, portanto 4 populacoes distintas são consideradas
Page 72: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Figura 18: Comparação entre os mapas de dadosobservados e mapas estimados pelo modelo para semanasde verão, entre 10 de janeiro de 2007 a 7 de fevereiro de2007.

Figura 19: Comparação entre os mapas de dadosobservados e mapas estimados pelo modelo para semanasde inverno, entre 27 de junho de 2007 a 25 de julho de 2007.

Filme

Apresentador
Notas de apresentação
Mapas para o verão a esquerda e inverno a direita As colunas em branco são para dados observados e as colunas em preto, para os dados simulados Filme: pode-se notar que os eventos provavelmente ocorrem em resoluçaõ diária
Page 73: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Principais Aplicações de TerraME

Mudança de Uso e Cobertura do Solo

MOREIRA, E. ; COSTA, S. ; AGUIAR, A. P. ; CÂMARA, G. ; CARNEIRO, T. G. S. . Dynamical coupling of multiscale land change models. Landscape Ecology, p. 1-10, 2009.

AGUIAR, A. P. D. ; CAMARA, G ; ESCADA, M . Spatial statistical analysis of land-use determinants in the Brazilian Amazonia: Exploring intra-regional heterogeneity. Ecological Modelling, v. 209, p. 169-188, 2007.

CÂMARA, G. ; AGUIAR, A. P.; ESCADA, I. ; AMARAL, S. ; CARNEIRO, T ; MONTEIRO, A. M. ; VIEIRA, I. ; ARAÚJO,R. ; BECKER, B. . Amazon Deforestation Models. Science, v. 307, p. 1043-1044, 2005.

Incêndio

ALMEIDA, R. M. ; MACAU, E. E. N. ; RAMOS, F. M. ; França, H. ; CARNEIRO, T. G. S. . Modelo de propagação de fogo em incêndios florestais e a teoria de percolação. In: XXXI Congresso Nacional de Matemática Aplicada e Computacional, 2008, Belém - PA. Anais do XXXI Congresso Nacional de Matemática Aplicada e Computacional, 2008.

Teoria dos Jogos

ANDRADE, P. R. ; MONTEIRO, A. M. V. ; CÂMARA, G. ; SANDRI, S. . Games on Cellular Spaces: How Mobility Affects Equilibrium. JASSS. Journal of Artificial Societies and Social Simulation, v. 12, p. 5, 2009.

Page 74: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de

Obrigado…

Perguntas?

Mais informações em: www.terralab.ufop.brwww.terrame.org