Entwicklung von Simulationsmodellen

Präsentation zum Thema: "Entwicklung von Simulationsmodellen"—  Präsentation transkript:

1 Entwicklung von Simulationsmodellen
WS 2007/08 Dr. Falk-Juri Knauft Modul: 22a Mittwoch 9.15 Uhr – Uhr S25 Praktikum zur Entwicklung von Simulationsmodellen: Mittwoch Uhr – Uhr GEO CIP-Pool Es ist sinnvoll, die hier angegebenen Veranstaltungen zu kombinieren. Die Themen ergänzen sich gegenseitig.

2 Entwicklung von Simulationsmodellen WS 2007/2008 – Überblick I
Einführung, Ziele, Definition System, Model Systemanalyse vs. –simulation, Zustandsbeschreibung Diskretisierung, Auswertung der Excel-Simulation Programmierparadigmen Klassische Wachstumsmodelle Stabilität Delay, Delay-Modellanwendung Klee-Weidelgras Weltmodell nach Forrester Modell-Validierung Individuen-orientiertes Populationsmodell „Fuchs“ Agenten-Simulationsumgebung SESAM Individuenbasierte Simulation von Wildverbiss Dieser Themenkatalog ist nur eine ungefähre Auflistung. Insbesondere die Termine sind eher unverbindlich.

3 Individuenbasierte Simulation von Wildverbiss in Tragic++
– Diplomarbeit Max Daenner –

4 Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

5 Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

6 Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

7 Allgemeiner Überblick: Aufgabenstellung
Anpassung des Waldwachstumssimulator Tragic++ zur Simulation der Auswirkungen von Rehwildverbiss auf die Verjüngung. 1. Entwurf eines Konzeptes zur Simulation von Verbiss 2. Entwicklung der Programmprozeduren für die Simulation von Verbiss 3. Simulation von Verbiss-Szenarien

8 Allgemeiner Überblick: Modell 1
Prof. Kennel, 2003: Überlebensprognose (AFZ 25 (2003) ) Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung Verweildauer in der verbissgefährdeten Zone (Bonität, Ertragstafeln) Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung Verweildauer in der verbissgefährdeten Zone (Bonität, Ertragstafeln) Überlebenswahrscheinlichkeit (Verweildauer, Anzahl an Verbiss, Annahmen) Annahmen: Verbiss führt zu einem Jahr Wachstumsverzögerung 5 x Verbiss führt zum Absterben der Pflanze

9 Allgemeiner Überblick: Modell 2
Kienast et. al, 1999: FORET/JABOWA (Forest Ecology and Management 120 (1999) 35-46) Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) Wachstumsänderung über Anpassung der Höhen und Durchmesser- wachstumskurve Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) Wachstumsänderung über Anpassung der Höhen und Durchmesser- wachstumskurve Baumsterblichkeit anhand eines Minimumwertes für Höhen und Durchmesserzuwachstums

10 Konzeption und Umsetzung: Simulation des Waldwachstums in Tragic++
Individuenbasiert, hierarchischer Aufbau Prozessorientiert Konkurrenz um Licht, Nährstoffe und Raum der Einzelbäume bestimmen die Gesamtstruktur und Einzelbaumwachstum Managementstrukturen können dargestellt und durchgeführt werden Hypothesen: Direkter Beeinflussung des Wachstumsprozesses des Einzelbaumes über den Verbiss. Indirekte Beeinflussung der Gesamtstruktur des Waldes durch Beeinflussung der Konkurrenz.

11 Konzeption und Umsetzung: Simulation des Waldwachstums in Tragic++
Methode: Verbissintensität durch Entnahmen von Biomasse (FoliageWeight in Kg Trockengewicht) Der Ort des Verbisses ist an die Geometrie der Bäume in Tragic++ gebunden. (Einzelbaum  Stammsegment  Äste  Nadeln) Simulation des Verbisses über ein Populationsmodel mit Rehwild (capreolus capreolus) als Prototyp. Population wird individuenbasiert dargestellt Biomassenbedarf der Individuen steuert Gesamtverbiss Verbiss der einzelnen Bäume wird nach Baumart über die Höhe mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten bestimmt.

12 Konzeption und Umsetzung: Schematischer Ablauf des simulierten Verbisses
Iteration Biomassenbedarf der Population pro Fläche Populationsmodell Verbiss der Bäume Seitentrieb (Needle:FoliageWeight) Terminaltrieb (Segment:FoliageWeight, Segment:Height) Biomassenbedarf des Individuums Individuum Regelsätze zum Verbiss Maximale Verbisshöhe Wahrscheinlichkeiten

13 Konzeption und Umsetzung: Parameter des Populationsmodells
Steuerung des Verbisses Steuerung der Populationsentwicklung

14 Konzeption und Umsetzung: Verbissintensität
Das Populationsmodell dient zur Berechnung der Verbissintensität

15 Konzeption und Umsetzung: Interaktion mit dem Benutzer

16 Konzeption und Umsetzung: Parameter der Verbissprozedur
Baumart Höhenstufe Verbiss Wahrscheinlichkeit Häufigkeit Terminaltriebverbiss 1..n

17 Konzeption und Umsetzung: Manipulation des Baum/Waldwachstums
Initial Parameters Cylcle Replanting() Regeneration() HerbivoreBrowsing() HerbivoreDying() Shadowing() CalcSigmaC() Photosynthesis() Dying() Litterfall() GeoConstraintXYZ() RootDeath() Wuseling() Partition() RootGrowth() Thinning() Decomposition() HerbivoreBreeding() HerbivoreAgeing() Conditional Simulated Forest User Interface Cutting() Planting() Hunting() Manipulation von: Needle::FoliageWeight Tree::Height FoliageWeight, Height FoliageWeight Photosynthesis Height

18 Konzeption und Umsetzung: Schlüsselposition von N:FoliageWeight

19 Konzeption und Umsetzung: UML Klassenübersicht
CTRAGICRoot ... ... 1 1 1 0..n 1 CForest ... ... CHerbivoreSpec CHerbIndiv 0..n 1 CHerbivoreSpecParams CHerbIndivParams CHerbProb CHerbHeightClass 1 0..n 1 CTreeSpeciesParams 1 CTreeSpecies ... 1 1 0..n CTreeParams 1 CTree ... 1 0..n CSegment 1 0..n CBranch 1 0..n CNeedle

20 Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbisses auf das Baumwachstum
Baum1: kein Verbiss Baum2: 4. Lebensjahr Terminal- und Seitentriebverbiss (20% Blattmassenverlust) Baum3: 5. Lebensjahr Seitentriebverbiss (22% Blattmassenverlust) Baum4: 4. Lebensjahr Terminaltrieb- und Seitentriebverbiss (23% Blattmassenverlust), 7. Und 9. Lebensjahr Seitentriebverbiss (10, 52% Blattmassenverlust) Baum5: 4. Lebensjahr durch Terminal- und Seitentriebverbiss (50% Blattmassenverlust) Wachstumsverzögerung durch Terminaltriebverbiss (5, 10, 15 Jahre)

21 Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur I
Über die Anzahl der Individuen lässt sich der Biomassenverbrauch und dadurch die Gesamtverbissintensität steuern. Simulation der Bestandesentwicklung mit 0, 20, 40, 60, 80, 100 und Individuen Durchforstungsähnlicher Effekt: Zunahme der Baumhöhen und Durchmesser Variation der Anteile an verbissenen Bäumen Verringerung der Bestandesdichte durch den Einfluss des Verbisses

22 Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur II
Die Parameter MeanBrowsingTimes und MaxDBrowsingtimes legen fest, wie viele Nadeln ein Baum pro Seitentriebverbiss verliert. Startparameter: MeanBrowsingTimes von 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 25, 50 und 100 MaxDBrowsingtimes von 0 35 und 50 Individuen Simulationszeitraum von 100 Jahre

23 Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur III
Variation von einem flächendeckenden Verbiss hin zu konzentriertem Verbiss einzelner Bäume Größter Einfluss des Verbisses auf die Bestandesstruktur bei mittleren Verbissintensitäten.

24 Simulationsergebnisse : Entmischung durch Verbiss I
Im Rahmen dieses Szenariums wurde untersucht, wie stark sich unterschiedliche Populationsdichten auf die Entmischung eines Bestandes mit zwei Baumarten auswirken. Startparameter: 500 Jahre alter Bestand mit zwei identisch parametrisierten „Baumarten“. Verbisswahrscheinlichkeiten ähnlich derer von Tanne und Fichte Variierende Anzahl an Individuen

25 Simulationsergebnisse : Entmischung durch Verbiss II
Beeinflussung der Baumarten-zusammensetzung der Bestände durch Verbiss. Veränderung der Bestandesstruktur, hin zu offeneren Beständen mit „höheren“ Bäumen mit größeren Stammdurchmessern.

26 Simulationsergebnisse: Entmischung durch Verbiss III
Verschiebung des Konkurrenzgefüges zweier Baumarten Entwicklung der Artenzusammensetzung bei unterschiedlicher Verbissbelastung