Introdução à modelagem dinâmica em
Sistemas de Informação Geográfico (SIG)
Iván Ortiz Valencia
[email protected]
Setembro 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.
2
Estrutura
• Introdução
• Modelagem Dinâmica
• CLUE (Conversion of Land Use and Its Effects)
• Considerações finais
3
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.
4
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.
5
Introdução
• A análise espacial em SIG se desenvolve dentro de uma região geográfica e um período
determinado.
Extrapolação
temporal
Tn
Modelagem
Espaço-temporal
T
T0
Extrapolação
espacial
D
Modelagem espacial SIG
Interpolação
6
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.
7
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.
8
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?
9
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)
10
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.
11
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/
12
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.
13
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.
Exemplo:
A adequação do solo para o uso agrícola.
14
The Conversion of Land Use and its Effects
Escala nacional e continental
Escala regional
15
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.
16
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.
17
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).
18
The Conversion of Land Use and its Effects
Processo de alocação espacial
19
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
20
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.
21
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.
22
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.
23
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.
24
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.
25
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.
26
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.
27
Considerações finais
• O futuro aponta para o desenvolvimento de GIS espaço-temporais.
• Projetos de mudança do uso solo são multidisciplinares.
28
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.
29