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Modelagem de Mudanas de Uso e Cobertura do Solo

Grupo de Modelagem LUCCIlhabela, Maio de 2004

Cobertura e Uso da Terra

Cobertura:Estado fsico, qumico e biolgico da superfcie da Terra;Exemplos: floresta, gramnea, rea construda.Interesse das cincias naturais.

Uso:Emprego da terra pelo homem (propsitos humanos);Exemplos: reserva indgena, pecuria, rea residencial.Interesse das cincias sociais.

Uma mesma cobertura pode corresponder a diferentes usos (floresta usada paraextrao de madeira e recreao). No geral, um sistema de uso corresponde a umacobertura, mas pode combinar a manuteno de mais do que um (sistema agrcolacombinando culturas e pastagens melhoradas).

Analysis of Land Use Change: Theoretical and Modeling Approaches - Helen Briassoulis, Ph.D. http://www.rri.wvu.edu/WebBook/Briassoulis/

Modelos LUCC: Uma Viso Geral

O que modelar?Fatores dinmicos de mudana do territrio

HipteseAgentes humanos realocao do uso de territrioFatores de mudana so refletidos no uso da terra

Modelos de mudana de uso e cobertura da terraUso do solo urbanoConverso de solo para agriculturaDesflorestamento

Modelos LUCC: Uma Viso Geral

DemandaEconmica

MudanasPopulao

AlocaoUso Terra

ProdutividadeTerra

tempo

Modelos LUCC: Uma Viso Geral

DemandaEconmica

MudanasPopulao

AlocaoUso Terra

ProdutividadeTerra

tempo

PolticasPblicas

AtoresSociais

Variveis de modelos LUCC

Variveis selecionadas dependem de entendimentomnimo do porqu das mudanas (mesmo em modelosestocsticos).

Deciso sobre quais variveis so exgenas e quais soendgenas depende da escala de estudo e do nvel de integrao com outros subsistemas (no caso de modelos integrados).

Em modelos multi-escala, variveis no podem ser generalizadas de uma escala para outra; diferentes fatores atuam em diferentes escalas.

Dificuldades na modelagem LUCC

Alta complexidade dos sistemas: estrutural e funcional;Modelagem do comportamento humano;Entendimento sobre relaes entre drivers; Diversidade de aspectos a serem considerados (multi-disciplinaridade);Heterogeneidade espacial;Disponibilidade de dados scio-econmicos;Dificil previsibilidade: eventos extremos e prprios resultados dos modelos podem mudar rumos;Inexistncia de uma teoria de LUCC que norteie a concepo dos modelos; necessidade de sntese de teorias.

fonte: LUCC

What Drives Tropical Deforestation?

Underlying Factorsdriving proximate causes

Causative interlinkages atproximate/underlying levels

Internal drivers

*If less than 5%of cases,not depicted here.

fonte:Geist &Lambin

5% 10% 50%

% of the cases

Limites para Modelar a Realidade

fonte: John Barrow

Relgios, Nuvens ou Formigas?

RelgiosParadigmas: lei de Newton (leis fsicas que governam o mundo)

NuvensModelos estocsticosSuporte: Teoria de sistemas caticos

FormigasModelos emergentesSuporte: teoria de sistemas complexosExemplos: automata celulares

Como parametrizar os modelos?

Data-driven (empricos)Deixar os dados falaremNo impor modelos a prioriConveniente para inferncia multi-variada

Theory-driven (funcionais)Dados so ocorrncias imperfeitas da teoriaModelos estatsticos

Parametrizao de processos estocsticosModelos determinsticos

Modelos de equaes diferenciais

Modelos hbridos

Modelos Empricos

Enfatizam os relacionamentos entre variveisUtilizam modelos matemticos simplesRequerem nmero reduzido de variveisSo eficientes em predies Apresentam limitaes na representao espacial, mas podem ser facilmente combinados com GISSo modelos essencialmente descritivos

Regresso

y=a0 + a1x1 + a2x2 + ... +aixi +E

Estabele relaes estatsticas entre foras dirigidas que atuam no fenmenoContribui para o entendimento do fenmeno, mas insuficiente para explic-loProcessos estacionriosAbordam dimenso temporalExemplo Reis e Margulis (1991)

Autmatos Celulares

Vizinhana Regras Espao & Tempo

tEstados

t1

Modelos: Uma Tipologia

CA-agentesCA-multiescala(RIKS)

Krigagemespao-temporal

Modelos Hidrolgicos

Theory-driven

CA-MarkovCA-regresso

RegressoData-driven

Emergentes (formigas)

Estocsticos (nuvens)

Funcionais (relgios)

Modelos Espaciais Dinmicos

f ( I (t) ) f ( I (t+1) ) f ( I (t+2) ) f ( I (tn ))

F F

. .

Um modelo espacial dinmico uma representao matemtica de um processo do mundo real em que uma localizao na superfcie terrestre muda em resposta a variaes nas foras dirigidas (Burrough)

Modelos Dinmicos Espaciais

Calibrao Calibrao tp + 10

ForecastForecast

tp - 20 tp - 10tp

fonte: Almeida et al (2003)

Modelos Dinmicos Espaciais

O que muda?Explicitar os diferentes processos

Uso e Cobertura do Solo, Demografia, EconomiaHidrologia, Climatologia

Onde muda?Modelo deve espacialmente explcito

Quando muda?Modelo deve possuir equaes de mudana

Porqu muda?Modelo deve indicar as foras que provocam a mudana

Modelos LUCC na Amaznia

Sistemas Humanos e Naturais

Recursos terrestres e aquticosEcossistemas e biodiversidade

reas povoadas e infra-estruturaSistemas agrcolas

Sade humana

Mudanas Climticas:

Aumento de temperaturaMudanas nos nveis de precipitao

Aumento do nvel do marVariabilidade e eventos extremos

Emisses e Concentraes

Gases do efeito estufa e aerosisprovenientes

Queima de combustveis fsseise mudanas de cobertura

Vulnerabilidade Adaptao

Caminhos de DesenvolvimentoScio-econmicoMudanas demogrficasCrescimento Econmico

TecnologiaPolticas Pblicas e Instituies

Viso de Longo Prazo : Modelos Integrados

Modelos LUCCModelagem regional multiescala

Modelos AmbientaisMudana Climtica

Modelos HidrolgicosModelos de Vegetao

Modelos Vulnerabilidadereas Urbanas

Disponibilidade AlimentosBiodiversidade

Cenrios SocioeconmicosEconomia, Tecnologia, Demografia,

Atividades em andamento

Atividades internas do Grupo de Modelagem:FOCO 1: Aplicao do CLUE para toda a Amaznia.FOCO 2: Exerccio de modelagem em Rondnia para testes de arcabouo computacional.

Atividades em em conjunto com Grupos de Uso da Terra e Dinmica Territorial:

FOCO 3: Par/Terra do Meio: combinao de modelos empricos e de processos para projeo de cenrios como apoio a polticas pblicas.

Fatores determinantes dos padres de uso na Amaznia

Anlise estatstica em mltiplas escalas Resultados preliminares

Objetivos da modelagem LUCC para toda a Amaznia

Projeo de hot spots de mudanas se considerados cenrios alternativos, como:Mudanas de demandas nacional e internacional por produtos agro-pecurios; eConfiguraes espaciais alternativas de polticas pblicas (e.g., infraestrutura, unidades de conservao, assentamentos, incentivos, etc.).

Ferramenta para explorar possveis configuraes espaciais decorrentes de polticas pblicas alternativas antes da tomada de deciso.

Laurence et al. The future of Brazilian Amazon. Science 291 (5503): 438

Existem alternativas a estes cenrios?

Exemplos de questes para modelagem

Quais as os impactos em termos de desflorestamento de obras de infra-estrutura planejadas?

Como outras polticas de proteo e zoneamento podem compensar estes impactos?

Ao antrpica em 1997

Estudos mais localizados

Sudeste do ParNordeste de Rondnia

Exemplo de modelo a ser utilizado: CLUE (Wageningen University, The Netherlands)

Arcabouo de modelagem genrico que permite relacionar os forantes aos processos de mudana em diferentes reas, atravs de anlise estatstica em mltiplas escalas.

http://gissrv.iend.wau.nl/~clue/

CLUE: mecanismo de alocao

Na escala menor (coarse):Demanda distribuda por todos as clulas cujo percentual de cobertura seja menor do que o previsto pela regresso (tendncia).

Nova porcentagens de rea so dadas pela frmula (*)

ITF ajustado iterativamente, com base na demanda.

Na escala maior, processo similar, mas so tambm considerados a mudana relativa alocada na escala menor e desenvolvimentos autnomos.

(*) cover x,y,t,c = coverx,y, t-1, c + [reg_cover x,y,t,c - cover x,y, t-1 )*ITFc]

Desflorestamento

Floresta

No-floresta (e.g., cerrado)

Mapa de Desflorestamento 1997 (INPE/PRODES t)

Clula 25 km x 25 km

Diviso municipal

Categorias de fatores candidatos(~ 90 variveis)

Demogrficos Densidade populacional e migrao.

Estrutura Agrria Indicadores de distribuio de terras entre pequenos, mdios e grandes estabelecimentos rurais (em nmero e rea).

Acessibilidade e conexo a mercados

Medidas de conexo a mercados nacionais e portos via rede viria. Distncia a estradas, rios e centros urbanos.

Polticos Assentamentos, reas de proteo e crdito.

Atividades econmicas Distncia a plos madeireiros e depsitos minerais.

Ambientais Qualidade do solo (fertilidade, textura), relevo e clima (precipitao, umidade, temperatura).

Variveis utilizadas nos modelos de regresso (tabela completa)

Category VariablesDemographic Population Density

Proportion of urban populationProportion of migrant population (before 1991, from 1991 to 1996)

Technology Number of tractors per number of farmsPercentage of farms with technical assistance

Agrarian strutucture Percentage of small, medium and large properties in terms of areaPercentage of small, mediu