Técnicas de Modelação e Simulação Espacial para SIG. Luís de Sousa

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1 Técnicas de Modelação e Simulação Espacial para SIG Luís de Sousa Instituto Superior Técnico Maio 2011

2 Um Mapa

3 Resumo 1.História e conceitos gerais 2.Aplicações 3.Ferramentas 3.1. Nível programação 3.2. Nível do modelo 3.3. Linguagens Específicas do Domínio 3.4. Comparativo e dificuldades 1.DSL3S e ProjectIT/3S 2.Sumário

4 1. História e conceitos gerais

5 História 1940s Autómatos Celulares de von Neumman; 1970 Jogo da Vida de Conway; 1970s Classificação de Wolfram; 1980s Primeiras aplicações espaciais: reacções químicas, comportamento matérias gasosas, processamento de imagem; 1990s Popularização da programação por objectos e emergência do conceito de Agente; 1996 Primeira biblioteca: SWARM.

6 Autómatos celulares Variáveis atributos que caracterizam cada autómato; Espaço representação discreta e regular; Vizinhança âmbito espacial de interacção entre autómatos; Regras determinam a evolução do estado do autómato em função da sua vizinhança; Tempo partição discreta que determina cada momento em que são aplicadas as regras.

7 Agente Autónomo controla as suas acções; Contínuo processo que corre continuamente; Reactivo responde prontamente a estímulos; Proactivo actua com determinado objectivo; Móvel transporta-se entre pontos do espaço; Sociável consciente de Sociedade; Carácter tem personalidade e emoções; Adaptativo ganha experiência.

8 Emergência Segregação (Schelling 1971)

9 Processo de Aplicação Modelação Simulação

10 2. Aplicações

11 Fogo Florestal Li & Magil 2001 Biomassa Densidade Flamabilidade Calor Altitude Vento Direcção Velocidade Exemplo online

12 Expansão Urbana SLEUTH: Clarke, Hoppen & Gaydos 1997; Silva & Clarke 2002; Yi & He Uso do Solo Transportes Tecido Urbano Exclusões Inclinação

13 Uso do Solo Uso do Solo Topografia Hidrografia Altimetria Inclinação Messina & Walsh 2000 Dados Socioeconómicos

14 3. Ferramentas

15 Usando Linguagens genéricas A utilização de linguagens de programação genéricas levanta os seguintes problemas (Fall & Fall 2001): Dificuldade em verificar a correcta implementação; Dificuldade em modificar ou generalisar o modelo; Modelos podem ser comparados apenas por entradas e saídas; Capacidade de integração com outras ferramentas (e.g. SIG) limitada;

16 Tipos de ferramentas Três tipos básicos de ferramentas: Nível de programação, i.e. bibliotecas de código; Nível do modelo, i.e. modelos parametrizáveis; Linguagens Específicas do Domínio; Retiram do desenvolvimento do modelo: Estruturas de dados e leitura/escrita; Apresentação de resultados; Colecção de estatísticas;

17 3.1 Nível Programação

18 Swarm Biblioteca de código mais antiga; Evoluiu da Biologia para uma plataforma genérica; Inicialmente em Objective-C, hoje em Java; Código aberto de distribuição livre; Forte comunidade: Wiki, mail-list, SwarmFest; Page

19 MASON Ferramenta recente, primeira versão em 2003; Biblioteca Java aberta e de distribuição livre; Leve e portável, entradas e saídas em texto; Recente integração com Java3D mas ainda sem interoperabilidade com SIG; Fácil de aprender mas com menos funcionalidade; Documentação extensa e apoio comunitário; eclab/projects/mason

20 RePAST Grande abrangência, para além da Simulação Espacial (e.g. Algoritmos genéticos); Multi-plataforma: Java e.net, mas desde 2007 assente apenas em Eclipse: Java e Groovy; GUI para programação com DFD; Extensa comunidade de utilizadores; Biblioteca com maior número de funcionalidades;

21 3.2 Nível Modelo

22 OBEUS Planeamento Urbano integrado em SIG; Parametrização de entradas, variáveis, comportamento e interacções; GUI de parametrização gera código em C#; Dependente de Borland C# Compiler e Microsoft.NET framework; Suporte e desenvolvimento suspensos;

23 AnyLogic Projecto académico que evoluiu para produto comercial; Vasto conjunto de modelos parametrizáveis para diferentes áreas de aplicação; Multi-plataforma: GUI assente sobre Eclipse; Linguagens gráficas: DFD, Diagramas de Estados; Integração com SIG; API para modelos que difiram dos padrões disponíveis;

24 TELSA Produto comercial para a gestão de Ecossistemas; Parametrização: Mapas para variáveis espaciais; Perturbações do ecossistema (temporais); Actividades de gestão (DFD); DFD definidos em GUI específico; Dependente de ESRI ArcGIS e Microsoft Access;

25 LANDIS Projecto académico para simulação de coberto vegetal, em especial Florestas; Parametrização: Mapas de variáveis espaciais com comportamento pré-defindo; Sucessão de perturbações e processos de gestão; Áreas de simulação até 20 M ha, mas parametrização até ao nível da espécie florestal; Dependente de Microsoft.NET Framework;

26 3.3 Linguagens Específicas do Domínio

27 StarLogo/NetLogo Especialização da linguagem funcional Logo para simulação com Agentes; Multi-plataforma com adopção do Java como alvo; Código StarLogo publicado em 2006, mas de utilização restrita à academia; NetLogo novo projecto dirigido à publicação na web; Vasta biblioteca de modelos prontos a usar; Utilização algo restrita ao ensino;

28 AgentSheets Ferramenta de suporte ao ensino para alunos sem formação em programação; Construção de modelos simples em ambiente gráfico a partir de primitivas estereotipadas; Publicação de modelos na web; Introduzido o conceito de Conversational Programming em 2010; Funcionamento opaco, sem interoperabilidade;

29 SELES Linguagem imperativa para modelos de dinâmica Florestal; Concebido para interacção com SIG, entradas são mapas raster em diferentes formatos; Modelo composto por três ficheiros: Cenário declaração de variáveis; Modelo liga mapas a variáveis e eventos; Eventos / agentes sequências de execução; Código fechado para plataformas Microsoft.

30 MOBIDYC Ferramenta de dinâmica de populações para utilizadores pouco treinados em programação; Linguagem resumida a conjunto simples de primitivas próximas do discurso natural; É na realidade uma biblioteca de Smalltalk; Programação em ambiente amigável providenciado pelo Cincom's VisualWorks; Concebido para cenários artificiais com pouca interoperabilidade, resultados em formato tabular;

31 3.4 Comparativo e Dificuldades

32 Comparativo

33 Comparativo

34 Comparativo

35 Dificuldades Ferramentas ao nível Programação requerem conhecimentos sólidos de programação; Ao nível Modelo é reduzida a interoperabilidade e o apoio comunitário; DSL são em muitos casos brinquedos, outras requerem ainda algum tipo de programação; Não existem ainda ferramentas como Stella ou Modelica para simulação espacial;

36 4. DSL3S e ProjectIT/3S

37 DSL3S DSL for Spatial Simulation Scenarios Ontologia para Simulação Espacial no contexto dos SIG; Perfil UML que captura os conceitos do domínio; Estereótipos base: Variable, Animat, Behaviour; Ainda num estádio conceptual, seguir-se-á aplicação a modelos padrão.

38 DSL3S

39 ProjectIT/3S ProjectIT-Studio ferramenta CASE para Engenharia guiada por modelos; Desenvolvimento e aplicação de perfis UML a modelos de domínio; Infraestrutura de geração de código e documentação a partir de modelos; ProjectIT/3S integração da DSL3S e desenvolvimento de guias de geração de código dirigido a uma ferramenta do nível Programação.

40 8. Sumário

41 Sumário Simulação Espacial análise espacial em que a variável tempo entra em consideração; Grande número de ferramentas: Funcionalidade / facilidade aprendizagem; Abrangência / pouca programação; É ainda difícil desenvolver modelos sem programar; DSL3S ontologia para simulação espacial; ProjectIT/3S - Desenvolvimento e parametrização de modelos de simulação espacial com primitivas UML.