Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres e o Ambiente TerraME

Transcrição

1 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Geociências Programa de Pós-Graduação em Análise e Modelagem de Sistemas Ambientais Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres e o Ambiente TerraME Tiago França Melo de Lima

2 Estrutura da apresentação Introdução Modelagem e simulação de sistemas terrestres TerraME

3 Can we avoid that this. Source: Carlos Nobre (INPE)

4 Fire....becomes this? Source: Carlos Nobre (INPE)

5 Amazônia in 2005 source: Greenpeace

6 Give us some new problems What about saving the planet?

7 The fundamental question How is the Earth s environment changing, and what are the consequences for human civilization? Source: NASA, IGBP

8 Challenge: How do people use space? Soybeans Competition for Space Loggers Small-scale Farming Ranchers Source: Dan Nepstad (Woods Hole)

9 Earth as a system Physical Climate System Atmospheric Physics/Dynamics Climate Change Ocean Dynamics Global Moisture Terrestrial Energy/Moisture Soil CO2 Human Activities Marine Biogeochemistry Terrestrial Ecosystems Land Use Tropospheric Chemistry Biogeochemical Cycles CO2 Pollutants (from Earth System Science: An Overview, NASA, 1988)

10 Ciência dos Sistemas Terrestres O que é um sistema terrestre? Sistema Terrestre é uma maneira de enxergar a Terra com todos os seus elementos vivos e não-vivos, com vários compartimentos, componentes inter-relacionados, interligados, interativos. (...) o homem, que, no sistema terrestre, não deve ser visto como um componente fora do sistema Ele está dentro do sistema, mas tem um papel especial, porque ele é o único ser que tem a capacidade de mudar esse sistema terrestre, de transformar esse sistema terrestre de uma maneira que nenhuma outra espécie viva até hoje conseguiu. (Carlos Nobre)

11 Modelling Complex Problems... Application of interdisciplinary knowledge to produce a model. If (...? ) then... Desforestation?

12 Why is it so hard to model change? Uncertainty on basic equations Quantum Gravity Particle Physics Chemical Reactions Living Systems Hydrological Models Solar System Dynamics Social and Economic Systems Global Change Meteorology Complexity of the phenomenon source: John Barrow (after David Ruelle)

13 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Ciência dos Sistemas Terrestres: problemas de natureza complexa Equipes multidisciplinares Equipes multidisciplinares trabalhar conjuntamente; comunicar; colaborar necessidade: forma comum de representar e compartilhar informações

14 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Modelo: representação simplificada da realidade permite organizar conhecimento, explicitar e validar hipóteses permite realizar simulações gerar cenários Representação abstração linguagem de comum entendimento para todas as pessoas envolvidas Modelo ambiental ou espacial dinâmico Desenvolvimento de plataformas de software para modelagem e simulação dos processos e fenômenos antrópicos e biofísicos e suas interações

15 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Requisitos abordagem de múltiplas escalas diferentes resoluções temporais eventos discretos ou contínuos (Slide: Gilberto Câmara)

16 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Requisitos diferentes partições possuem atores, sistemas e processos específicos (Slide: Gilberto Câmara)

17 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Requisitos quais objetos estão mais próximos entre si? (Aguiar et al. 2003)

18 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Requisitos quais objetos estão mais próximos entre si? (Aguiar et al. 2003)

19 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Requisitos diferentes relações de proximidade (Aguiar et al. 2003)

20 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Processo de modelagem software x sistemas terrestres (Carneiro, 2003)

21 1. Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres O processo de modelagem (Slide: Tiago G. S. Careiro)

22 Autômatos Celulares Autômatos Celulares matriz vizinhança conjunto de estados discretos conjunto de regras de transição tempo discreto

23 Autômatos Hibridos Formalismo desenvolvido por Tom Henzinger aplicado a sistemas embutidos, robótica, controle de processos, sistemas biológicos Autômatos hibridos combinam grafos de transição discreta com sistemas dinâmicos contínuos sistema de transição de estado infinito Event Control Mode A Flow Condition Jump condition Control Mode B Flow Condition

24 Nested-CA CA espaço isotrópico, homogêneo ação local um atributo por célula (valores discretos) espaço de estados finito Nested-CA espaço não-homogêneo ações à distância muitos atributos por células espaço de estados infinito

25 Agentes Inteligentes Origens na IA Agente percebe o seu ambiente por meio de sensores e age sobre este por intermedio de atuadores racionalidade medida de desempenho ambiente aprendizado autonomia ( ) Norvig

26 Modelagem de sistemas baseada em agentes Não existe uma conceituação padrão estabelecida Mais uma forma de pensar que uma tecnologia Um sistema é descrito a partir de suas partes constituintes Gilbert, 2003

27 Modelagem de sistemas baseada em agentes Características autonomia heterogeneidade ativo pró-ativo / orientado por objetivos (goal-directed) reativo / perceptivo interatividade / comunicabilidade mobilidade adaptação / aprendizagem representação no espaço ( )

28 Modelagem de sistemas baseada em agentes Vantagens detectar e analisar propriedades emergentes fornece ambiente (organização) natural para estudo de determinados sistemas representação explícita dos atores envolvidos habilidade para modelar a complexidade Limitações o modelo deve ser construido no nível certo de descrição para cada fenômeno, usando a quantidade adequada de detalhes natureza do sistema a ser modelado processos antrópicos como validar? Diversas ferramentas Swarm, RePast, NetLogo ( )

29 2. TerraME TerraME TerraLib Modelling Environment (Carneiro, 2003) Componente do TerraLib (Câmara et al., 2000) Fornece funcionalidades representar e simular modelos espaciais dinâmicos integrados a um SIG Um ambiente na Terra pode ser representado por um ambiente sintético (virtual) onde entidades analíticas (regras) alteram as propriedades espaciais no tempo.

30 2. TerraME Escala é um conceito genérico que inclui as dimensões espaciais, temporais, e comportamentais usadas para mensurar um fenômeno. (Gibson et al. 2000) extensão resolução

31 2. TerraME Escala e espaço

32 2. TerraME

33 2. TerraME Escala e tempo

34 2. TerraME Escala e comportamento o comportamento não é homogêneono espaço e no tempo Múltiplos atores e processos Agentes Autômatos celulares

35 2. TerraME Arquitetura em camadas Programadores experientes x programadores iniciantes" (Carneiro, 2003)

36 2. TerraME Linguagem de programação TerraME extensão da linguagem LUA (Ierusalimschy et al., 1996) Tipos de dados: Environment CellularSpace, Cell, Neighborhood Timer, Event, Message Agent, Automaton, State, Jump, Flow, Trajectory

37 2. TerraME o modelo espacial GIS

38 2. TerraME o modelo espacial CellularSpace, Cell, Neighborhood

39 2. TerraME o modelo temporal 1. Get first pair 2. Execute the ACTION 1. 1:32:00 Mens. 1 Execute an agent over the cellular space regions 3. Timer =EVENT 2. 1:32:10 Mens. 3 Save the spatial data 3. 1:38:07 Mens. 2 Draw cellular spaces and agents states 4. 1:42:00 Mens.4 Carrie out the comunication between agents return value true 4. timetohappen += period...

40 2. TerraME o modelo temporal Múltiplas resoluções e extensões temporais

41 2. TerraME o modelo temporal Timer, Event, Message

42 2. TerraME espaço-tempo Esquemas de sincronização Processes Might Be Sequential in Time Sequential in Space execute(globalautomaton1); synchronize( ); execute(globalautomaton2); synchronize( ); Parallel in Time execute(globalautomaton1); execute(globalautomaton2); synchronize( ); Parallel in Space execute(localautomaton1); synchronize( ); execute(localautomaton2); synchronize( ); execute(localautomaton1); execute(localautomaton2); synchronize( );

43 2. TerraME modelo comportamental Discreto e contínuo Baseado em conhecimento Seqüencial e paralelo Processos com trajetória

44 2. TerraME modelo comportamental Agent, Automaton, State, Jump, Flow, Trajectory

45 2. TerraME modelo comportamental

46 2. TerraME modelo comportamental

47 2. TerraME modelo comportamental Automaton

48 2. TerraME modelo comportamental

49 2. TerraME modelo comportamental

50 2. TerraME abordagem multi-escala Global Automata Local Automata Cellular Spaces Discrete-Event Schedulers

51 3. TerraME - Aplicações Modelos de mudança de uso e cobertura da terra (LUCC Land Use Land Change) Propagação de fogo Crescimento Urbano Outros...

52 3. TerraME GIMS TerraME Graphical Interface for Modeling and Simulation RondôniaModel São Felix Model Amazon Model Hydro Model TerraME GIMS Eclipse Platform TerraME Platform

53 TerraME GIMS Interface (a) (b) (c) (d) env = Environment { id = Amazônia,... } env:execute();

54 3. TerraME GIMS