Modelarea structurală şi funcţională -...

Modelarea structurală şi funcţională

a peisajelor

Curs sem I

2 ore curs / 2 ore lucrări practice,

forma de examinare – examen

(probă teoretică şi practică)

Prof. univ.dr. Ileana Stupariu

Universitatea din Bucureşti, Facultatea de Geografie

Departamentul de Geografie Regională şi Mediu

An univ. 2014 - 2015

Ileana Stupariu_2014_2015

Curs/Lp/Atelier: Atelier: 8 situri (arii protejate) 4 situri G1; 4 situri G2

6:11 Spatial pattern /software R

13:11 Spatial pattern /software R

20 : 11 Indicatori de evaluare a sustenabilităţii peisajelor: Ocuparea şi utilizarea a

terenurilor – Conversia peisajului (Modelul binar, Modelul Markov)

27: 11 Modelarea dinamicii peisajelor pornind de la utilizarea terenului și schimbările

climatice/software/ Smile *

4: 12 Modelarea dinamicii peisajelor pornind de la utilizarea terenului și schimbările

climatice/software/ Smile*

11:12 Modele de planificare a peisajului* *

8:01: Modele de planificare a peisajului* *

15:01: Evăluări proiecte: 14,00 - 20,00

Examen : data ..... 01 2014

* Modul realizat de drd. Ioana Stoicescu, ** dr. Alina Tudor


Forma de examinare – examen

(probă teoretică şi practică)

Cerințe:

1. Prezentarea proiectului în cadrul echipei

2. Examen oral

1. Subiect suplimentar:( sub formă de proiect)

Pan-European Biological and Landscape Diversity

Strategy

Landscape diversity http://www.eea.europa.eu


http://www.eea.europa.eu/

Bibliografie utlizată pentru acest curs.

Botequilha Leitão, A., Miller, J., Ahern, J., McGarigal, K. (2006) Measuring landscapes.

Island Press, Washington

Buttler, A., (2013), Ecologie numérique. site EPFL http://www.epfl.ch/index.en.html

Farina, A. (2006) Principles and methods in landscape ecology. Towards a science of

landscape. Springer, Dordrecht

Burel F.,Baudry J., (2012) Écologie du paysage,Paris

Pătru-Stupariu, I., Stupariu, M. S., Cuculici, R. (2009) Landscape metrics for assessment

of mountain landscape using GIS applications. Revista de Geomorfologie 11:59–62

Pătru-Stupariu, I., Stupariu, M. S., Cuculici, R., Huzui, A. (2011b) Understanding

landscape change using historical maps. Case study: Sinaia, România. Journal of Maps,

206–220

Biblioteca centrala http://www.bcub.ro/ Anelis - http://www.bcub.ro/cataloage/acces-baze-

de-date-stiintifice --- Summon _Search

Google academic

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pătru-Stupariu, I. (2011) Peisaj şi gestiunea durabilă a teritoriului, Edit. Universităţii din

Bucureşti

Pătru-Stupariu, I.(2011) Elaborarea şi implementarea unui algoritm de evaluare şi

prognoză peisagistică. Aplicaţii la sectorul montan şi subcarpatic al Văii Prahova, Edit.

Universităţii din Bucureşti

Materiale încărcate : http://www.unibuc.ro/prof/patru-stupariu_i_g/Ileana Stupariu_2014_2015

http://www.epfl.ch/index.en.html

http://www.bcub.ro/

http://www.bcub.ro/cataloage/acces-baze-de-date-stiintifice









http://www.unibuc.ro/prof/patru-stupariu_i_g/






Întelegerea obiectivelor cursului:

Modelarea structurală şi funcţională a peisajelor

1. Cum modelăm peisajele ? Prin analiza și dinamica structurii

spațiale; prin modelări climatice.

2. Cum înțelegem modelarea structurală a peisajelor? Prin

instrumente de lucru specifice pentru landscape ecology

(analiza/spațializarea datelor, modelarea statistică folosind

software R, simulări - folosind software Simile).

3. Cum înțelegem modelarea funcțională a peisajelor? Prin

integrarea conceptelor de ecologia peisajului în landscape

planning.

A. Introducere

La nivel european, se face remarcată nevoia de a integra peisajul în

politicile de amenajare a teritoriului, apărută încă din anii 1960.

În această direcţie, politicile şi strategiile de amenajare a teritoriului aveau nevoie

de o serie de indicatori care să redea cât mai fidel realitatea teritoriului şi să

permită conturarea unor perspective de dezvoltare sustenabilă.

În acest sens, peisajul este integrat în toate modelele europene, prin includerea de

diverşi indicatori sau indici de către diferite agenţii sau platforme de cercetare

aplicată:

EC – Consiliul Europei

EEA – Agentia Europeană de Mediu*

CEMAT - Conferinţa europeană a Miniştrilor responsabili cu Amenajarea

Teritoriului şi a peisajului

ESPON- European, Spatial, Planning, Observation, Network

EUROSTAT – se ocupă cu statistica comisiei Europene

Landscape indicators/ EEA

*Sursa :EEA http://www.eea.europa.eu/


Ce este un indicator ?

- poate fi considerat un instrument ce ofera informații (Felix Kienast,2012).

-expresie numerică cu ajutorul căreia se caracterizează cantitativ un fenomen

d.p.d.v. al structurii, schimbării în timp, al legăturilor reciproce cu alte fenomene.

(DEX,1997).

Ce este un indice?

Indicii rezultă din agregarea indicatorilor. De exemplu, JRC (2009) propune trei

tipuri de indici: de mediu, sociali şi economici, agregaţi dintr-o serie de indicatori

utilizaţi în studiile de mediu şi socio-economici.

Pe de o parte, este făcută o distincţie clară între indicatori şi indici, arătându-se că

„un indicator singur nu poate exprima complexitatea unui sistem observat”, fiind

necesară „definirea unor indici sintetici bazaţi pe o combinaţie de informaţii ce

fac referire la o multitudine de indicatori capabili sa cuantifice fenomenul studiat”

(Pătru-Stupariu, 2011).



Landscape

Transport

Utilizarea terenurilor

Scenarii de mediu

Schimbări climatice

Resurse naturale

Energie

Biodiversitate

Agricultură

Topics EEA*Landscape indicators/ EEA

*EEA http://www.eea.europa.eu Ileana Stupariu_2014_2015

Landscape

indicators

Land cover/use

diversity

Landscape fragmentation

SEBI

Green infrastracture

Irena

EEA http://www.eea.europa.eu/




Landscape indicators, 2004 (Landscape Indicator Project Final Report, EEA)

Primul raport complet al EEA pentru peisaj. Indicatorii erau:

Indicator Descrierea

indicatorului

CLC (Corine)

Land cover diversity index LCDI

Nr. land cover types (LCT) / km²

Land use diversity index (LUDI) Nr. land use types (LUT) / km²

Land cover transition index (LCTI) Number of land cover transitions/ km²

Fragmentation index (FI) Number of land use transitions and

linear elements /km²

Primary Sampling Unit (PSU) - unitatea primară de eșantionare – Nuts /regions

Secondary Sampling Units (SSU) – pe grid cell (60/60km)


Land Use Diversity Index per NUTS region, grid cell (60/60 cell) Landscape Indicator Project – Year 2 - Final Report – Contract

ESTAT-200271600005 Ileana Stupariu_2014_2015

Irena (Indicator Reporting on the Integration of Environmental Concerns into Agriculture Policy )

2005-2006 au fost dezvoltați pentru a integra politicile agricole cu aspecte legate de mediu.

Exista 35 de indicatori Irena dintre care 5 sunt focusați pe peisaj:


Irena/cod Irena/descriere Irena /Detalii

Irena 4 (R) Arii protejate Proporția de situri Natura 2000 care

depind de o continuare a practicilor

agricole extensive.

Irena 12 (D) Land use change Indică schimbarea utilizării terenurilor

din agricultură în suprafețe construite

între 1990 și 2000 ( se exprima in %).

Irena 24 (P) Land cover change Schimbarea destinației terenurilor

(Păduri/arii semi-naturale în terenuri

agricole / și invers) se exprima în ha.

Irena 32 (S) Landscape state Prezintă diversitatea peisajelor agricole

în stransa legatură cu utilizarea

terenurilor.

Irena 35 (I) Impact on landscape diversity Descrie impactul utilizării terenurilor

asupra diversității peisajelor .

Modificarea numărului de clase CLC

arată schimbarea în diversitatea

peisajului.

Dupa http://archives.eionet.europa.eu/irena/library/development_irena/irena_indicatorIleana Stupariu_2014_2015


SEBI - Streamlining European Biodiversity Indicators *

Măsoară biodiversitatea în Europa ( 2005-2010) Exista 26 de indicatori SEBI,

programul vizeaza 2020.

Indicator SEBI Descriere

S 13 Fragmentation of natural and semi-

natural areas /Landscape pattern.

Indică modificări în patch din zonele

forestiere și semi-naturale. Dacă

dimensiunea patch scade/ arată o

dimensiune negativă asupra habitatelor și

speciilor.

S23 Ecological Footprint of European

countries.

Este prevăzut pentru 2020.

*http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/spread-of-artificial-and-agricultural-

surfaces-into-previously-core-natural-or-semi-natural-landscapes



GI (Green infrastructure)*

GI INDICATOR

Definire

1.Se definesc la scara urbană si la scara peisajului (regional,

național, transnațional) În ambele cazuri se pune accent pe

dezvoltarea și protectia ,, rețelei verzi,, și a caracteristicilor

naturale.

2. Infrastructura verde = land use + ecosystem services

(serviciile ecosistemului). Sunt întodeauna asociate cu

beneficiile suplimentare.

Maparea la scara peisajului cu

raportare la Corine și la siturile

Natura 2000.

GBLI = Green Background

Landscape (se calculează prin

raportare la vegetatie și utilizarea

terenurilor.

NLEP = Net Landscape Ecological

Potential and green infrastructure :

GBLI + Natura 2000 + Landscape

fragmentation.

* The concept of green infrastructure and its integration into policies using monitoring systems, EEA, nr. 18 2011Ileana Stupariu_2014_2015

* The concept of green infrastructure and its integration into policies using monitoring systems, EEA, nr. 18 2011

Green Background Landscape (GBLI)

179

-227NLEP Valori favorabile asociate cu abandonarea terenurilor

agricole și modificări în practicile agricole.


Landscape fragmentation (LF) *

Fragmentarea peisajului este cauzată de următorii factori: schimbările în

utilizarea terenurilor, extinderea urbană, infrastructura de transport și

intensificarea practicilor agricole sau silvice.

Această fragmentare determină o serie de efecte ecologice, afectând

funcționarea ecosistemelor/ landscape pattern.

Un set de indicatori utilizati în sistemul de monitoring al peisajului EEA

- Landscape metrics (Gustafson,1998; Leitão et al., 2006)

- Fragmentarea geometrică (mesh- size), EEA FEON, 2011

FG1:FG-A1: Major anthropogenic fragmentation

FG2: FG-A2: Major and medium anthropogenic fragmentation

FG3: FG-B2: Fragmentation of non mountainous land areas


* Landscape fragmentation in Europe, nr. 2 2011,EEA


Photo left: Rijkswaterstaat, Olanda, * Landscape fragmentation in Europe, nr. 2 2011,EEA


Stupariu, 2012, Zurich Ileana Stupariu_2014_2015

B. Aplicație = landscape diversity (diversitatea peisajelor)

Ecologia peisajului = spatial pattern.

Abordarea noastră vizează: organizarea spațială în funcție de procese ecologice și transformări în

peisaj ( implică obligatoriu baze de date cartografice ce pot fi asociate cu observații în teren).

Structura actuala a peisajelor este rezultatul activităților umane de - a lungul timpului.

___________________________________________________________________________

DEX

Pattern =

model specific reprezentând structura unui fenomen.

Trăsătură =

aspect caracteristic general al unui fenomen.

Spațializare /spatial pattern = instrument important pentru geografi pentru identificarea fenomenelor

și proceselor de la nivelul peisajului*

*În literatura occidentală apare frecvent: landscape

*În literatura românească apare frecvent: mediu, teritoriu


Un peisaj - la prima vedere - se poate ,,citi,, ca un ansamblu de tipuri de elemente

mai mult sau mai puțin fragmentate, conectate, izolate etc.

Această aranjarea și citire a peisajului se face după o structură tipică modelelor din

landscape ecology.

Acest ansamblu are o structura de tip matrice.

Cum extragem datele (elementele de peisaj) din această matrice ?

1. patch ( tache, suprafață) ansambluri de patch = mosaic

2. legătura spațială dintre patch (conectivitatea) – coridoare (ca element liniar)

ansamblu de coridoare = rețea

3. edges (lisière) = margine

4. core ( intérieur) =nucleu

Literatura românească prezintă elementele de peisaj de natură descriptivă ( pentru

un peisaj montan : vale, versant... etc.



Patch

Legătura spațială între

patch-uri (conectivitate)

Edge

(margine)

Core

Caracteristici/ (pattern)

Modul de aranjare al elementelor de peisaj ( sub formă de mosaic) ne descrie

imaginea, patternurile peisajelor – eterogenitatea*.

Eterogenitatea = factor de organizare pentru spatial pattern. Eterogenitatea poate

fi analizată spațial și temporal.

Eterogenitatea este definită de :

Omogenitate/Diversitatea de patch-uri : pentru un peisaj pot fi luate în calcul

numărul de clase ( categorii) de acoperire și utilizarea a terenurilor.

Diversitate = numărul tipurilor de elemente.

Omogenitate = gradul de agregare a claselor (categoriilor) de acoperire și utilizare

a terenurilor.

Fragmentarea /Complexitatea relațiilor spațiale stabilite între patch-uri ( pot

exista patch-uri pentru fiecare clasă _categorie sau în legatură cu alte

clase_categorii).

* Burel F.,Baudry J., (2012) Écologie du paysage,Paris


Fragmentarea este o caracteristică spaţială fundamentală, ce îşi

poate avea originile în modificări radicale ale modului de

ocupare şi utilizare a terenurilor şi care poate avea efecte asupra

biodiversităţii, structurii şi funcţionalităţii peisajelor.

Complexitatea face referire la neregularitatea frontierelor dintre

diferite unităţi fundamentale ale peisajului. Gradul de

neregularitate a frontierelor poate fi pus în legatură cu

biodiversitatea. De exemplu, Forman & Godron (1986) arată că

relaţia dintre dimensiunea patchurilor şi forma lor poate influenţa

strategiile animalelor de căutare a hranei.



Ecological diversity/Landscape diversity

Biomuri, Bio-regiuni, Peisaje, Ecosisteme, Habitate, Specii, Populații, Indivizi

Cum măsurăm eterogenitatea?

Interesul pentru un fenomen (landscape diversity) ne

conduce la descrierea și stabilirea unor:

(i)întrebări de cercetare

(ii)ipoteze de lucru

iii) pași tehnici de colectare, ordonare, spațializare a

datelor

(iv) pași în prelucrarea datelor

( i) Întrebări de cercetare: e.g. în ce măsură dinamica

temporală a afectat landscape diversity?


(ii). Enunțare ipoteze de lucru* ( o ipoteză este o

afirmație, nu este o întrebare de cercetare, ipoteza

poate susține cercetarea).

Se pot enunța două tipuri de ipoteze:

- Ipoteza nulă (HO) : ipoteza pe care o putem enunța în

raport cu cauzele unui fenomen. e.g. ipotezăm că prin

schimbări generate de sistemul de management a

fost afectată diversitatea/biodiversitatea peisajului.

- Ipoteze alternative.

*Buttler, A., (2013), Ecologie numérique. site EPFL http://www.epfl.ch/index.en.html



(iii) Pași tehnici de colectare, ordonare a datelor:

- cum transformăm acest pattern ( landscape diversity) în baze de

date, de unde le extragem?

----------------------------------------------------------------------------------

- CLC (tabelul cu atribute)

- Pot fi calculate ( metrics sau / landscape metrics)

- Pot fi făcute și asociate măsurători în teren

------------------------------------------------------------------------------------

Populația statistică*: elemente statistice ( exprimate cantitativ sau

calitativ) care au cel puțin o caracteristică comună. Pentru studii

relevante populația statistică trebuie sa fie numeric reprezentativă.

Variabila* – caracteristici măsurate sau observate pentru fiecare element

din populația statistică. Variabila statistică reprezintă o trăsătură

comună tuturor unităţilor unei populaţii.*Buttler, A., (2013), Ecologie numérique. site EPFL http://www.epfl.ch/index.en.html




Bucegi /Parc natural

Raster/metrics LD_90 LD_06

V1 V2 V3 V4

CLC S % S %

Spatiu urban discontinuu si spatiu rural 10 0.0306 42 0.12

Zone de extractie a minereurilor 122 0.37 140 0.42

Zone in constructie 31 0.0951 0 0

Zone de agrement 25 0.076 0 0

Livezi 31 0.0951 31 0.0951

Pasuni secundare 155 0.475 180 0.55

Zone de culturi complexe 3 0.0092 34 0.104

Terenuri predominant agricole in amestec cu vegetatie natura 28 0.0852 28 0.085

Paduri de foioase 2095 6.42 2097 6.43

Paduri de conifere 11113 34.09 12636 38

Paduri mixte 9060 27.79 7527 23.09

Pajisti naturale 6825 20.93 6807 20.88

Vegetatie subalpina 1741 5.34 1628 4.99

Zone de tranzitie cu arbusti (in general defrisate) 615 1.88 670 2.05

Plaje, dune, renii 15 0.04 15 0.04

Stancarii 311 0.95 446 1.36

Areale cu vegetatie rara 287 0.88 186 0.57

Acumulari de apa 130 0.39 130 0.39

Ordonarea și prezentarea datelor


VARIABILE

Măsuratori/

Populație statistică V1 V2 V3 V4

1934 136.7939 1.2501 0.6893 34.3511

1954 87.9389 0.9604 0.5642 50.687

1968 131.9084 1.119 0.6415 37.5573

1985 168.5496 1.2907 0.7092 25.4972

2000 151.4504 1.318 0.7212 21.6794

VARIABILE

Măsuratori/

Populație

statistică V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8

1934 136.7939 1.2501 0.6893 34.3511 0.9375 11.9981 59.9791 92.4009

1954 87.9389 0.9604 0.5642 50.687 2.25 18.5169 67.7289 95.0418

1968 131.9084 1.119 0.6415 37.5573 1.125 11.2608 75.8134 92.4423

1985 168.5496 1.2907 0.7092 25.4972 0.9375 10.2238 62.2423 89.4211

2000 151.4504 1.318 0.7212 21.6794 0.8125 7.1546 62.8356 85.7809

NU

DA

Ordonarea și prezentarea datelor

Valori obținute din calcularea landscape metrics

Minim 4 variabile


(iv) Pași tehnici de prelucrare a datelor.

Modelări matematice pentru descrierea fenomenului . De ce această

abordare?

Datele utilizate în landscape ecology sunt eterogene și interdependente

(condiționate de alte fenome sau procese cu care se află în dependență

reciprocă).

În domeniul fenomenelor și proceselor social-economice iau naștere o serie de

legături, de interdependențe, determinate de acțiunea unor cauze și condiții diferite, care influențează mai mult sau mai puțin fenomenele existente

(Buttler, 2013).

Valorile lor numerice pot fi diferite ( e.g. pe scara numerică o valoare de 0,7 și

una de 200 nu se pot analiza d.p.d.v statistic !!!).

Se impune standardizarea ( în R se face automat)

Standardizarea ( media, mediana, abaterea standard, transformarea in valori

relative - proporții /procente, logaritmare).


Analiza Componentelor Principale / Principal Component Analysis (PCA)

/Analyse en Composantes Principales (ACP) *

1. Modelul PCA ne arată cum variază datele.

2. PCA se face doar cu date cantitative și nu calitative chiar dacă ele sunt

transformate în cantitative ( de tipul variabile binare /0/1)

3. Dacă valorile variabilelor sunt prea diferite se recomandă standardizarea lor.

4. Interpretare PCA/ACP:

i. datele din cadrul variabilelor variază / lungimea vectorului este mai mare.

ii. variabilele sunt asemenătoare/vectorii se pot suprapune.

iii. vectori coliniari /valorile se corelează puternic.

iv. există în interpretarea PCA: corelația negativă.

v. valori dispersate/ nu există corelație.

* Buttler, A., (2013), Ecologie numérique. site EPFL http://www.epfl.ch/index.en.html



Valea Jiului/Parc national

Vector/Landscape/metrics

CLC

2006

CLC

2000

MPS Core TCAI MSI MPS Core TCAI MSI

Situri/masuratori V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8

Zone de tranzitie cu arbusti 13.2977503 79.7865 49.648684 1.5451783 22.425479 67.27644 58.1374 1.783113

Pajisti naturale 26.69178231 480.4521 52.651765 1.9289978 23.020685 483.4344 51.61894 1.852734

Paduri mixte 28.92103187 28.92103 65.589383 1.45676 28.920881 28.92088 65.5892 1.45676

Paduri de conifere 9.658277219 86.92449 53.693234 1.5725478 9.5435254 85.89173 53.64741 1.574844

Paduri de foioase 1103.726633 8829.813 91.6232 1.8538838 1103.8742 8830.993 91.04711 1.868871

Terenuri predominant agricole in

amestec 17.35409012 17.35409 56.366691 1.69098 17.353865 17.35386 56.36638 1.69099

Zone de culturi complexe 4.731348801 14.19405 31.119508 1.9747533 4.7314978 14.19449 31.11985 1.97493

Pasuni secundare 0.225185974 0.225186 5.3351868 1.27135 0.0565458 0.056546 1.111699 1.6814

Cursuri de apa 0.522057022 18.79405 6.5081378 2.2375192 0.4898916 19.10577 6.404227 2.193789

MPS (Mean Patch Size); Core; TCAI (Total core area Index); MSI (Mean Shape Index)


MPS Core TCAI MSI MPS Core TCAI MSI

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8

MPS (Mean Patch Size); Core; TCAI (Total core area Index); MSI (Mean Shape Index)

Diversitatea este dată de variabilele care se corelează

2006 2000


Spațializare date/ metoda grilei:

Identificarea diversității peisajelor la nivel de spațiu :

instrument PCA / R

Metoda grilei:

Identificarea diversității peisajelor pe tipuri de clase_categorii

de utilizare și acoperirea terenurilor:

Atelier: Reprezentare Fishnet

Date_ format vector

Identificare poligoane _Object ID

Selecție LM _Patch_Analyst

Reprezentare spațială Fishnet

Interpretare


Structură proiect : Sit de lucru _ Arii protejate

1. Landscape diversity ( landscape metrics_data) PCA (spatial pattern)

informație transferată către landscape planning .

2. Spațializare landscape diversity ( identificarea hotspot cu diversitate mare )

ce implicații și de ce trebuie să se țină cont în landscape planning.

3. Modelarea pe traiectoriile de schimbare , rata de schimbare, tendințerezultate folosite în landscape planning .

4. Modelarea dinamicii peisajelor pornind de la utilizarea terenului și schimbările

climatice ce specii pot fi mai vulnerabile la aceste schimbări

informație transferată către landscape planning .

Subiecte examen

Subiectul 1: indicatori EEA: rolul și importanța lor .

Subiectul 2: spatial pattern : definire, carcateristici.

Subiectul 3: elemente de peisaj : diferențieri, delimitare, recunoaștere.

Subiectul 4: diferența între ipoteze de lucru și întrebări de cercetare, enunțare.

Subiectul 5: prelucrarea datelor, limitări și avantaje.

Subiectul 6: PCA ( interpretare grafice).

Subiectul 7: spațializare landscape diversity ( metoda grilei).

Subiectul 8: vezi modul realizat de drd. Ioana Stoicescu

Subiectul 9 : vezi modul realizat de dr.Alina Tudor

Subiect suplimentar : ( sub formă de proiect)

Pan-European Biological and Landscape Diversity Strategy

Landscape diversity http://www.eea.europa.eu/





Modelarea structurală şi funcţională -...

Documents

Transcript of Modelarea structurală şi funcţională -...