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Entwicklung von Simulationsmodellen WS 2007/08 Dr. Falk-Juri Knauft Mittwoch 9.15 Uhr – 10.00 Uhr S25 Praktikum zur Entwicklung von Simulationsmodellen:

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1 Entwicklung von Simulationsmodellen WS 2007/08 Dr. Falk-Juri Knauft Mittwoch 9.15 Uhr – Uhr S25 Praktikum zur Entwicklung von Simulationsmodellen: Mittwoch Uhr – Uhr GEO CIP-Pool Modul: 22a

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

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

4 Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

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7 Allgemeiner Ü berblick: 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 1.Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung 2.Verweildauer in der verbissgefährdeten Zone (Bonität, Ertragstafeln) 3.Überlebenswahrscheinlichkeit (Verweildauer, Anzahl an Verbiss, Annahmen) Prof. Kennel, 2003: Überlebensprognose (AFZ 25 (2003) ) 1.Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung 2.Verweildauer in der verbissgefährdeten Zone (Bonität, Ertragstafeln) Annahmen: Verbiss führt zu einem Jahr Wachstumsverzögerung 5 x Verbiss führt zum Absterben der Pflanze 1.Entwicklung des Verbisses über Binominalverteilung

9 1.Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) 2.Wachstumsänderung über Anpassung der Höhen und Durchmesser- wachstumskurve 3.Baumsterblichkeit anhand eines Minimumwertes für Höhen und Durchmesserzuwachstums Kienast et. al, 1999: FORET/JABOWA (Forest Ecology and Management 120 (1999) 35-46) 1.Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) 2.Wachstumsänderung über Anpassung der Höhen und Durchmesser- wachstumskurve 1.Abschätzen der Verbissintensität (MBI und ABI in %) Allgemeiner Überblick: Modell 2

10 Konzeption und Umsetzung: Simulation des Waldwachstums in Tragic++ 1.Individuenbasiert, hierarchischer Aufbau 2.Prozessorientiert 3.Konkurrenz um Licht, Nährstoffe und Raum der Einzelbäume bestimmen die Gesamtstruktur und Einzelbaumwachstum 4.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 Der Ort des Verbisses ist an die Geometrie der Bäume in Tragic++ gebunden. (Einzelbaum Stammsegment Äste Nadeln) Verbissintensität durch Entnahmen von Biomasse (FoliageWeight in Kg Trockengewicht) Simulation des Verbisses über ein Populationsmodel mit Rehwild (capreolus capreolus) als Prototyp. 1.Population wird individuenbasiert dargestellt 2.Biomassenbedarf der Individuen steuert Gesamtverbiss 3.Verbiss der einzelnen Bäume wird nach Baumart über die Höhe mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten bestimmt. Methode: Konzeption und Umsetzung: Simulation des Waldwachstums in Tragic++

12 Konzeption und Umsetzung: Schematischer Ablauf des simulierten Verbisses Iteration Biomassenbedarf der Population pro Fläche Populationsmodell Biomassenbedarf des Individuums Individuum Verbiss der Bäume Seitentrieb (Needle:FoliageWeight) Terminaltrieb (Segment:FoliageWeight, Segment:Height) 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 Wahrscheinlichkeit 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 Parameters Simulated Forest User Interface Cutting() Planting() Hunting() Manipulation von: Needle::FoliageWeight Tree::Height FoliageWeight, Height FoliageWeight Photosynthesis Height Photosynthesis FoliageWeight

18 Konzeption und Umsetzung: Schlüsselposition von N:FoliageWeight

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

20 Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbisses auf das Baumwachstum Wachstumsverzögerung durch Terminaltriebverbiss (5, 10, 15 Jahre) 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)

21 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 120 Individuen Variation der Anteile an verbissenen Bäumen Verringerung der Bestandesdichte durch den Einfluss des Verbisses Durchforstungsähnlicher Effekt: Zunahme der Baumhöhen und Durchmesser Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur I

22 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 Simulationsergebnisse : Einfluss des Verbissesverhaltens auf die Bestandesstruktur II

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 Entwicklung der Artenzusammensetzung bei unterschiedlicher Verbissbelastung Verschiebung des Konkurrenzgefüges zweier Baumarten


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