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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
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Conteúdo
Introdução à modelagemDisponibilidade de dadosTerraME: software público de suporte a modelagemModelos Ambientais: exemplos & estudos de casoPrincipais resultados científicos
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Introdução à Modelagem
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O que é um Modelo?
Modelo = uma
representaçãosimplificada
de um fenômeno, processo, ator, sistema ou entidade complexa
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Modelos versus Conhecimento Científico
A verdade sobre a realidade é intangivel.
Tudo que a ciência conhece sobre a realidade é um modelo da realidade.
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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
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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
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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
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Modelos funcionam?
Supernova Foto: Hubble
Lançamento CBERSTaiyuan, na China
Satélite
Rede GPS
200 2
1 gttvhh ++=
221
dmmgF=
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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.
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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?
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Para quem modelar?
As comunidades mais vuneráveis são as primeiras a sofrer com as mudanças ambientais.
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Modelagem de problemas complexos
Aplicação de conhecimento multidisciplinar para produzir ummodelo
If (... ? ) then ...
Desflorestamento?
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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
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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
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O que é um modelo dinâmicoespacialmente-explicito?
Fenômentos dinamicamente mudam as condições de locais especificosdo espaço (ambiente).
Duas novas questões são importante:Quando?Onde?
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Modelos precisam ser Calibrados e Validados
M
entrada1
dados reais
resultados do modelo
Ajustou?Ajustou?calibração validação
amostraSaída1
calculadoSaída1 calculadoSaída2
entrada2
M
amostraSaída2
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Processo Cíclico de Modelagem
![Page 19: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/19.jpg)
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
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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
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Disponibilidade de Dados
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EO data: benefits to everyone
CBERS-2 image of Manaus
![Page 23: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/23.jpg)
Satelite fornecem informações cruciais sobre as mudanças globais
fonte: Câmara
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EO data: benefits to everyone
CBERS-2 image of Manausfonte: Câmara
Dados de obsevação da Terra para o benefício de todos.
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Slides from LANDSATAral Sea
Bolivia
1975 1992 2000
1973 1987 2000
source: USGS
fonte: Câmara
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Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais
Platafoma de Coleta de Dados Típica
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SRTM _ Radar, Serra do Espinhaço
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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
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TerraME: um software publico de suporte a modelagem ambiental
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Ambiente de Modelagem TerraME
![Page 31: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/31.jpg)
Integração com Sistemas de Informação Geográfica (SIG)
GIS
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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
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TerraME & Múltiplas Escalas
Basic concepts
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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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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
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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
Fonte: Isabel Escada (INPE)
![Page 40: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/40.jpg)
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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Modelos Ambientais: exemplos & estudos de caso
![Page 42: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/42.jpg)
Um modelo hidrologico de cunho pedagógico
Drenagem da chuva em “Cabeça de Boi”
![Page 43: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/43.jpg)
O Brasil “from the space”2000
Espinhaço Range
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Minas Gerais State “from the space”
2000
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Pico do Itacolomido Itambé
Serra do Lobo
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Pico do Itacolomido Itambé
Serra do Lobo
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chuvachuva chuva
N
Pico do Itacolomi do Itambé
Serra do Lobo
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Direção da foto
Pico do Itacolomido Itambé
Serra do Lobo
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Resultado da Simulação(36 min.)
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Incêndios: mecanismo de propagação do fogo
- incêndios em parques nacionais -
Fonte: Rodolfo Maduro Almeida (2008)
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Propagação do Fogo & Percolação
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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
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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](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/56.jpg)
- Local de início: desconhecido
- Data: 06-01-2000
- Velocidade média do vento: 17 km/h (WS 1)
- Direção do vento: O
Incêndio 1
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t = 0
WS 1
O
N
L
S
![Page 58: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/58.jpg)
t = 20
WS 1
O
N
L
S
![Page 59: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/59.jpg)
t = 40
WS 1
O
N
L
S
![Page 60: Modelagem Ambiental: Ferramenta para Definição de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022041802/62541a5d2d9ba76e87587a8e/html5/thumbnails/60.jpg)
t = 60
WS 1
O
N
L
S
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t = 80
WS 1
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t = 100
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t = 120
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O modelo CLUE em TerraME
UFOP - Dr. Tiago CarneiroINPE - Dra. Ana Paula AguiarWageningen University – Dr. Tom Velkamp
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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
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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
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Resultado do Modelo – Cenário 2
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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
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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)
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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)
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Modelo básico para o ciclo de vida do Aedes aegypti
Figura 4: Representação gráfica do modelo de ciclo de vida do Aedes aegypti
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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
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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.
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