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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Umweltsystemtechnik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2008021920399

Titel: Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling
Autor(en): Mimler, Matthias
Schlagworte (SWD): LandnutzungUmweltinformatik
Klassifikation (DDC): 004 - Informatik (Data processing Computer science)500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)550 - Geowissenschaften (Earth sciences)
Issue Date: 19-Feb-2008
Zusammenfassung: Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------Landnutzung stellt ein entscheidendes Verbindungsglied zwischen menschlichen Aktivitäten und der natürlichen Umgebung dar und kann zudem als eine der wichtigsten treibenden Kräfte des globalen Wandels betrachtet werden. Große Teile der Erdoberfläche werden land- und forstwirtschaftlich oder als Fläche für Siedlungen oder Infrastruktur genutzt. Aufgrund der Bedeutung von Landnutzung ist es unerlässlich, die Wechselwirkungen zwischen der Vielzahl von Einflussfaktoren und der daraus resultierenden Landnutzungsmuster zu verstehen. Die Modellierung von Landnutzungsänderungen und darauf aufbauende Simulationen sind hierfür geeignete Methoden. Landnutzungsmodelle ermöglichen es, die komplexe Struktur von Wechselwirkungen und Rückkopplungen zu analysieren und die Relevanz einzelner treibender Kräfte daraus abzuleiten. Die Modellierung von Landnutzung und Landnutzungsänderungen kann auf eine mehrjährige Tradition zurückblicken. Insbesondere für die regionale Skala ist in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von Modellen für unterschiedliche Regionen und Fragestellungen erstellt worden. Mit dem Fortschritt in der Computertechnologie wachsen auch die Möglichkeiten in der Landnutzungsmodellierung, einerseits durch steigende Rechenleistung, andererseits durch neue Methoden in der Softwareentwicklung, wie etwa objekt- oder komponentenorientierte Architekturen. In dieser Arbeit wird SITE (Simulation of Terrestrial Environments), eine neuartige Plattform für integrierte regionale Landnutzungsmodellierung vorgestellt und diskutiert. SITE zeichnet sich durch erweiterte Möglichkeiten zur Modellintegration sowie durch eine strikte Trennung von Anwendung und Implementierung aus, was schnelle und effiziente Modellentwicklung, -anwendung sowie -tests ermöglicht. Dabei stellt SITE auf der Systemseite generische Datenstrukturen (Grid, Zellen, Attribute etc.) zur Verfügung und verwaltet diese. Mittels einer Skriptsprache (Python), die um spezielle Modellierungsfunktionalitäten erweitert wurde, und eines in SITE eingebetteten Interpreters können diese Datenstrukturen für Modellierungsanwendungen verwendet und manipuliert werden. Die Integration von Teilmodellen ist über diese Skriptsprache oder eine allgemeine Schnittstelle, die von SITE bereitgestellt wird, möglich. Des weiteren sind für die Landnutzungsmodellierung wichtige Funktionalitäten wie Modellkalibrierung, Modelltests und die Analyse von Simulationsergebnissen in die generische Plattform integriert. Bei der Implementierung des Systems wurde besonderer Wert auf Erweiterbarkeit, Wartbarkeit und Benutzerfreundlichkeit gelegt. Parallel zur Modellierungsplattform wurde im Kontext des Sonderforschungsbereiches 552 STORMA ein Landnutzungsmodell zur Untersuchung der Stabilität tropischer Regenwaldrandbereiche entwickelt. In einer Modellregion in Zentralsulawesi, Indonesien, wurden die Einflüsse von Landnutzungsänderungen auf die Umwelt sowie das soziale und wirtschaftliche Gefüge untersucht. Mithilfe von SITE wurden Landnutzungsänderungen in der historischen Periode von 1981 bis 2002 simuliert. Parallel wurde ein Szenario, das die Migration in der Bevölkerungsdynamik nicht berücksichtigt, analysiert. Zur Berechnung landwirtschaftlicher Erträge sowie Spurengasemissionen wurde das Ökosystemmodell DAYCENT integriert. In dieser Fallstudie konnte gezeigt werden, dass Landnutzungsänderungen im Untersuchungsgebiet hauptsächlich durch die Expansion landwirtschaftlicher Fläche auf Kosten des Regenwaldes charakterisiert sind. Ökonomische Verbesserungen können somit nicht als nachhaltig angesehen werden. Aufgrund der Bedeutung von Modellkalibrierung wurde diese in SITE explizit durch die Implementierung einer entsprechende Komponente integriert. Die Funktionalität ist für alle SITE Anwendungen nutzbar und ermöglicht eine weitgehend automatisierte Modellkalibrierung. Sie wird als ein Prozess verstanden, bei dem für einen frei wählbaren Satz von Modellparametern eine optimale oder zumindest hinreichend gute Lösung hinsichtlich einer Zielfunktion gesucht wird. Die Zielfunktion ist typischerweise ein Kartenvergleichsverfahren, in dem ein Simulationsergebnis mit einer Referenzkarte verglichen werden kann. Es stehen mehrere Optimierungsverfahren sowie Zielfunktionen zur Verfügung. Das STORMA-Landnutzungsmodell wurde mittels eines genetischen Algorithmus in Verbindung mit dem Figure of Merit-Kartenvergleichsverfahren als Zielfunktion kalibriert. Der Kalibrierungszeitraum reichte von 1981 bis 2002, wobei entsprechende historische Landnutzungskarten zur Verfügung standen. Es konnte gezeigt werden, dass eine effiziente automatisierte Kalibrierung mit SITE möglich ist. Allerdings erforderte die Parameterauswahl detailliertes Wissen über das zugrunde liegende Modell und ist nicht automatisierbar. In einer weiteren Fallstudie wurden Ertragsrückgänge und daraus resultierende Einkommensverluste aus dem Anbau von Kaffee unter vier verschiedenen Entwaldungsszenarien analysiert und quantifiziert. Dazu wurde ein empirisches Modell integriert, das den Fruchtansatz von Kaffee, der unter anderem von Bienenbestäubung abhängig ist, abhängig von der Distanz zur nächsten Regenwaldfläche beschreibt. Mit Landnutzungssimulationen konnte gezeigt werden, dass, je nach Größe und Ort fortschreitender Umwandlung von Waldflächen, eine kontinuierliche Abnahme der Bestäubungsleistung zu erwarten ist. Daraus resultieren Ertragseinbußen für Kaffee um bis zu 18% und Einkommensverluste pro Hektar von bis zu 14%. Die Studie zeigte allerdings auch, dass diese durch den Erhalt von Stellen natürlicher Vegetation innerhalb der landwirtschaftlich genutzten Fläche deutlich gemildert werden können bei gleichzeitigem Erhalt ökologischer Funktionen.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2008021920399
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Dissertationen (aus den beteiligten Instituten)

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