Entwicklung von Simulationsmodellen WS 2007/08 Dr. Falk-Juri Knauft Modul: 22a Mittwoch 9.15 Uhr – 10.00 Uhr S25 Praktikum zur Entwicklung von Simulationsmodellen: Mittwoch 14.00 Uhr – 17.00 Uhr GEO CIP-Pool Es ist sinnvoll, die hier angegebenen Veranstaltungen zu kombinieren. Die Themen ergänzen sich gegenseitig. http://www.bayceer.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodelle

Entwicklung von Simulationsmodellen WS 2007/2008 – Überblick I 17.10.2007 Einführung, Ziele, Definition System, Model 24.10.2007 Systemanalyse vs. –simulation, Zustandsbeschreibung 31.10.2007 Diskretisierung, Auswertung der Excel-Simulation 07.11.2007 Programmierparadigmen 14.11.2007 Klassische Wachstumsmodelle 21.11.2007 Stabilität 28.11.2007 Delay, Delay-Modellanwendung Klee-Weidelgras 05.12.2007 Weltmodell nach Forrester 12.12.2007 Modell-Validierung 09.01.2008 Individuen-orientiertes Populationsmodell „Fuchs“ 16.01.2008 Agenten-Simulationsumgebung SESAM 23.01.2008 Individuenbasierte Simulation von Wildverbiss Dieser Themenkatalog ist nur eine ungefähre Auflistung. Insbesondere die Termine sind eher unverbindlich. http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodelle http://www.bayceer.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodelle

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

Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

Individuenbasierte Waldwachstums-Simulation

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

Allgemeiner Überblick: Modell 1 Prof. Kennel, 2003: Überlebensprognose (AFZ 25 (2003) 1302-1306) 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

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

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.

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.

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

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

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

Konzeption und Umsetzung: Interaktion mit dem Benutzer

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

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

Konzeption und Umsetzung: Schlüsselposition von N:FoliageWeight

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

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)

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 120 Individuen Durchforstungsähnlicher Effekt: Zunahme der Baumhöhen und Durchmesser Variation der Anteile an verbissenen Bäumen Verringerung der Bestandesdichte durch den Einfluss des Verbisses

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

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.

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

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.

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