Dynamic coupling of multiscale land change models

Mudanças terrestres são resultados de uma complexa rede de interações entre fatores humanos e biofísicos, que atuam em diferentes escalas temporais e espaciais. Entender estes processos de mudanças terrestres de escalas locais a globais e seus impactos no sistema acoplado homem-natureza é um enorme...

Nível de Acesso:openAccess
Publication Date:2009
Main Author: Evaldinólia Gilbertoni Moreira
Orientador/a: Gilberto Câmara, Ana Paula Dutra de Aguiar
Banca: Tiago Garcia de Senna Carneiro, Britaldo Silveira Soares Filho
Format: Tese
Language:eng
Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
Programa: Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
Online Access:http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2008/11.10.16.23
Resumo Português:Mudanças terrestres são resultados de uma complexa rede de interações entre fatores humanos e biofísicos, que atuam em diferentes escalas temporais e espaciais. Entender estes processos de mudanças terrestres de escalas locais a globais e seus impactos no sistema acoplado homem-natureza é um enorme desafio científico. Modelos em uma única escala podem não ser capazes capturar tais interações e processos de mudança. Esta tese apresenta uma metodologia para a construção de modelos de mudanças terrestre multiescala e multilocalidade, incluindo interações top-down e bottom-up. Numa primeira etapa, conceituamos dois tipos de relações espaciais entre objetos geográficos em diferentes escalas. Relações hierárquicas são propostas para tratar das interações entre objetos espacialmente aninhados, e relações de "ação à distância" são propostas para tratar de interações entre redes e objetos espaciais. Então, numa segunda etapa, apresentamos uma proposta de organização modular do software dos modelos. Consideramos neste trabalho o caso onde modelos para cada escala são independentemente construídos, possivelmente com abordagens distintas, e então dinamicamente acoplados. Conceitos de acopladores de modelos são introduzidos para definir o fluxo de informação bidirecional entre escalas. Estes conceitos foram implementado no ambiente de modelagem TerraME. Como prova de conceito, apresentamos um exemplo com duas escalas hierárquicas para Amazônia Brasileira. A conclusão deste trabalho aponta que a combinação de relações espaciais hierárquicas com relações baseadas em redes provê um arcabouço conceitual abrangente para lidar com interações top-down e bottom-up em modelos multiescala de mudanças terrestres. A organização modular e o conceito de acopladores propostos são bastante genéricos para serem usados com outros tipos de aplicação, e com isso contribuir para criação de modelos ambientais integrados, considerando escalas locais a globais.
Resumo inglês:Land changes are the result of a complex web of interactions between human and biophysical factors, which act over a wide range of temporal and spatial scales. Understanding processes of change from local to global scale and their impacts on the coupled human-environmental system is a main scientific challenge. No single model or scale can fully capture such interactions and processes of land change. This thesis presents a methodology for building multiscale, multi-locality land change models that include top-down and bottom-up relations. At first, we conceptualize two types of spatial relations among geographic objects at different scales. To handle the interaction of nested spatial objects at different scales, we propose hierarchical relations. To handle the interaction between networks and spatial objects, we propose action-at-a-distance relations. Then in a second step, we propose a modular software organization to build multiscale land change models. We consider the case when single-scale models, using different modeling approaches, are independently built and then dynamically coupled. We introduce the concepts of Model Couplers to define the bi-directional flow of information between the scales. We implement these concepts using the TerraME modeling environment. As a proof of concept, we present a hierarchical two-scale example for the Brazilian Amazon. The conclusion of this work points out that combining hierarchical and network-based spatial relations provides a comprehensive conceptual framework to include top-down and bottom-up interactions and feedbacks in multi-scale land-change models. The modular software organization and concept of Model Couplers are general enough to be used for other types of applications, and to contribute to the creation of Integrated Environmental Models from local to global scales.