Introdução à modelagem dinâmica em Sistemas de Informação Geográfico (SIG) Iván Ortiz...

Introdução à modelagem dinâmica emSistemas de Informação Geográfico (SIG)

Iván Ortiz Valencialiov2067@gmail.comSetembro 2006 1

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.

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Estrutura

• Introdução

• Modelagem Dinâmica

• CLUE (Conversion of Land Use and Its Effects)

• Considerações finais

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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.

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Introdução

• A análise espacial em SIG se desenvolve dentro de uma região geográfica e um período

determinado.

DT0

Tn

Modelagem espacial SIGInterpolação

Extrapolaçãoespacial

Extrapolaçãotemporal

T ModelagemEspaço-temporal

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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 digitalformato digital para ser inserido no SIG.

• Num SIG cada elemento geográfico constitui uma camada de camada de

informaçãoinformação.

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Sistema de Informação GeográficoSistema de Informação Geográfico

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.

Representação

Vetorial

Matricial (Raster)

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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?

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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)

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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.

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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/

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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)

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• 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.

Exemplo:

A adequação do solo para o uso agrícola.

The Conversion of Land Use and its Effects (CLUE)

15Escala nacional e continental Escala regional

The Conversion of Land Use and its Effects

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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

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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

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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

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Processo de alocação espacial

The Conversion of Land Use and its Effects

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OndePi 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

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• 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

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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Considerações finais

• O futuro aponta para o desenvolvimento de GIS espaço-temporais.

• Projetos de mudança do uso solo são multidisciplinares.

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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.