Modelling tools to predict potential distribution of forest species : using Pico Island and the Azores as study case

Tese de Doutoramento, Biologia, 16 de novembro de 2018, Universidade dos Açores.Os modelos de distribuição de espécies (SDMs) têm sido aplicados em diferentes áreas da ecologia, nomeadamente para modelar a distribuição potencial de espécies invasoras, para avaliar espécies prioritárias no âmbito da conservação e para apoiar o planeamento florestal. Um SDM é uma descrição matemática da distribuição de uma espécie no espaço ambiental, a qual pode ser utilizada para prever a distribuição da espécie no espaço geográfico. O avanço ao nível da capacidade computacional disponibilizou uma diversidade de métodos estatísticos, que anteriormente não era possível utilizar. Esta diversidade de métodos reflete-se num número crescente de publicações direcionadas ao estudo e aplicação dos SDMs e também numa variedade crescente de métodos de modelação. Nos Açores, a abundância crescente de dados corológicos, a diversidade geomorfológica do arquipélago e os diferentes padrões espaciais que é possível encontrar em diferentes ilhas e em diferentes espécies, contribuem para que o arquipélago seja um bom modelo para a comparação de diferentes abordagens de modelação, bem como para testar possíveis constrangimentos inerentes ao processo de modelação. As perguntas de investigação a que pretendemos responder nesta tese foram as seguintes: (i) As abordagens de modelação, baseadas em diferentes fundamentos teóricos, originam resultados semelhantes, ao nível da distribuição potencial das espécies florestais estudadas? (ii) Existe alguma diferença relevante, entre o cálculo de Modelos Lineares Generalizados (GLMs) usando métodos de máxima verossimilhança ou métodos bayesianos? (iii) Existe alguma vantagem, no uso de um campo aleatório relativo à estrutura espacial dos dados, em comparação com os modelos que incluem apenas os efeitos fixos das variáveis ambientais? (iv) As diferentes abordagens de modelação originam resultados consistentes, em particular quando o número de variáveis ambientais utilizadas na modelação é reduzido? (v) As diferentes técnicas de modelação são afetadas de um modo relevante pela dimensão da amostra, pelo tipo de distribuição da espécie e pelas alterações no uso do solo? Para responder a estas questões, foram desenvolvidos três exercícios de modelação: (i) Uma comparação da Análise Fatorial do Nicho Ecológico (ENFA) e da modelação baseada na Máxima Entropia (MaxEnt), utilizando dados relativos à presença de três espécies (Pittosporum undulatum, Acacia melanoxylon e Morella faya) em três ilhas (Pico, Terceira e São Miguel), e incluindo o efeito da redução da dimensão da amostra; (ii) A comparação de modelos com efeitos fixos ou mistos, utilizando a plataforma R para o cálculo de GLMs e da aproximação de Laplace (INLA), permitindo o cálculo da estrutura espacial dos dados (função de covariância de Matérn), baseada em dados de duas ilhas (Pico e São Miguel) para duas espécies (P. undulatum e M. faya), e incluindo o efeito da redução da dimensão da amostra; e (iii) A comparação de GLMs e de uma seleção de algoritmos de autoaprendizagem (Machine Learning), usados para modelar as possíveis alterações nas áreas de distribuição de P. undulatum, A. melanoxylon e M. faya nas três ilhas, resultantes das alterações climáticas previstas para 2100. Em relação ao primeiro exercício, ambas as abordagens originaram cenários semelhantes, particularmente quando a quantidade de informação explicada pela ENFA era elevada; os resultados da modelação foram afetados pela redução do tamanho da amostra; os modelos com melhor capacidade de previsão incluíam um conjunto variado de variáveis ambientais (topográficas, climáticas e de uso do solo); e os modelos eram afetados pela transferência para um novo habitat (i.e. ilha). Os resultados do segundo exercício de modelação indicaram que os GLMs, calculados através de métodos de máxima verossimilhança ou métodos bayesianos originaram resultados similares, mesmo nos casos em que a dimensão da amostra era reduzida; e que a adição de um campo aleatório aumentou o ajustamento dos modelos, particularmente para a árvore menos abundante, M. faya, embora a estrutura do campo aleatório fosse claramente afetada pela dimensão da amostra. O terceiro exercício de modelação revelou que existem várias limitações quando se modela o efeito das alterações climáticas na distribuição das espécies, uma vez que os melhores modelos incluíram variáveis topográficas, demonstrando que a modelação baseada somente no clima poderá não ser fiável; verificou-se igualmente que o ajuste dos modelos variava de forma relevante entre as diferentes abordagens de modelação, e que o algoritmo Random Forest apresentou, em geral, os melhores resultados. De uma forma geral, os resultados desta investigação poderão ser aplicados como forma de apoio à gestão da floresta açoriana. Poderão ser replicados em outros sistemas insulares e noutras regiões florestais, não somente em projetos direcionados para a ecologia das espécies florestais, mas também em questões de investigação relacionadas com a previsão do sucesso e expansão das plantas invasoras, a deteção de áreas adequadas para projetos de restauro, a modelação baseada em dados de deteção remota e a modelação do efeito potencial das alterações climáticas.ABSTRACT: Species distribution models (SDMs) have been used in different areas within ecology, namely to model the potential spread of invasive species, to evaluate and manage priority species for conservation and to support forest management. An SDM is a mathematical description of the species distribution in the environmental space that can be used to predict the distribution of the species in the geographic space. The advances in computational capabilities have provided increasingly greater and more intensive statistical algorithms than was previously possible, as reflected by the increasing number of publications addressing SDMs and also the growing variety of modelling approaches. In the Azores, the growing abundance of the species distribution data, the diversity on island size and morphology, and the different spatial patterns that are possible among islands and species, make the archipelago a good model for the comparison of different modelling approaches and to test possible modelling constraints. Overall, the results of this research can be expanded to support Azorean forestry management, and could be replicated in other island systems and forest regions, not only in projects addressing the ecology of particular forest species, but also when handling research questions related with the prediction of plant invader success and expansion, the detection of areas potentially suited for restoration projects, modelling based on remote sense data, and modelling of the potential effect of climate change

UML no desenvolvimento de sistemas interactivos

Os processos típicos de análise e modelação de sistemas numa perspectiva de engenharia de software atribuem pouca importância à modelação da camada interactiva. O Unified Process e a linguagem que o suporta (UML) não são excepção. Este artigo propõe uma abordagem, que procura integrar a modelação da camada interactiva no processo de modelação típico baseado em UML, explorando as potencialidades fornecidas pela linguagem.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT).Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) - POSC/EIA/56646/2004

Técnicas de modelação de informação geográfica : uma síntese

A modelação de dados, vista como o conjunto de actividades que conduz ao desenho de uma Base de Dados, é caracterizada por passar por três etapas. A primeira diz respeito ao modelo conceptual de dados, que determina os requisitos da base de dados na fase de análise de requisitos. A segunda etapa está associada ao modelo lógico de dados e corresponde à transformação do modelo conceptual em estruturas de dados consistentes com o Sistema Gestor de Bases de Dados seleccionado para a implementação. A terceira e última etapa prende-se com o modelo físico de dados, no qual se verifica a organização dos ficheiros e métodos de acesso aos dados, característicos do sistema gestor seleccionado. A modelação de aplicações geográficas requer a utilização de técnicas específicas, que permitam armazenar e processar dados espaciais. Estes dados representam objectos cuja posição no espaço é relevante, uma vez que esta define relações topológicas entre os mesmos. O desenho lógico de aplicações geográficas tem sido descuidado, em favor do desenho físico, permitindo a construção de aplicações sobre sistemas de ficheiros dedicados, nos quais os dados são armazenados em formatos próprios, cuja manutenção e portabilidade são difíceis de conseguir. Neste artigo são apresentadas técnicas de modelação para informação geográfica. Ao nível conceptual, é apresentado o diagrama Entidades e Relacionamentos na modelação de informação geográfica. Ao nível lógico é apresentado o modelo geo-relacional, uma extensão do modelo relacional, e ainda, uma abordagem formal à modelação de aplicações geográficas. Descreve-se, também, o Unified Modeling Language, uma linguagem que permite a modelação de dados tanto ao nível conceptual como lógico. Esta última, que não necessita de qualquer adaptação para utilização no domínio geográfico, é a linguagem utilizada pela International Standard Organisation, na definição das normas internacionais para Informação Geográfica e Geomática

Sistemas informáticos de apoio ao projecto

O objectivo do nosso trabalho é desenvolver um esquema para a modelação de normas de projecto de engenharia. Assim, com a construção de um metamodelo será possível o tratamento informático de normas técnicas (considerando a possibilidade de reutilizar os metamodelos propostos na modelação de normas de projecto, obtendo modelos orientados ao uso dual homem-computador). A linha de trabalho que se considera mais adequada neste trabalho é a aplicação de métodos modernos de modelação, abordando vários aspectos. Utilizou-se UML como linguagem de modeláção e análise ontológica no âmbito da Engenharia do Conhecimento, para explicitar a conceptualização e construir a base de conhecimento de uma forma coerente e de raciocínio lógico. É feita uma introdução, onde se destaca a importânci

Análise e interpretação dos níveis de actividade física de crianças: um tutorial baseado na modelação hierárquica ou multinível

Este tutorial pretende apresentar, de modo didáctico, uma forma alternativa de análise de dados sobre os níveis de actividade física de crianças a partir da modelação hierárquica ou multinível. São mencionadas as diferentes etapas da modelação, os resultados são interpretados com base nos output's do software utilizado – o HLM 6.02. Em cada etapa do percurso são lançadas as hipóteses mais importantes em grau de complexidade crescente. A sua importância é referida a partir dos resultados disponíveis

A modelação como ferramenta de melhoria de qualidade do acústica urbana: o caso do Parque da Braguinha (Bragança)

As ferramentas de modelação acústica assumem elevada importância na procura de opções de desenho urbano, capazes de propiciarem condições de saúde humana e de bem-estar social. Com vista a avaliar as possibilidades de melhoria do ambiente acústico de um jardim público da cidade de Bragança, o Parque da Braguinha, recorreu-se ao software de modelação CADNA’A. Este estudo envolveu uma primeira fase de modelação acústica da situação existente e uma segunda de previsão dos níveis sonoros para cinco cenários distintos. Os cenários definidos vão desde a simples introdução de uma barreira acústica, ao longo do principal eixo rodoviário, passando pela introdução de uma barreira acústica, ao longo do perímetro do parque, até à introdução de alterações na própria morfologia do terreno. Os resultados obtidos mostram que qualquer um dos cenários estudados conduz a melhorias significativas do ambiente sonoro. Para alguns desses cenários, a área exposta a LAeq diurnos superiores a 55 dBA é substancialmente inferior em relação à situação actual

A modelação matemática com recurso a tecnologia: Um estudo em contexto de colaboração entre professoras de Matemática e de Física-Química

Este artigo resulta de um estudo que teve como objetivo compreender o desenvolvimento de tarefas de modelação, por parte de uma professora de Matemática e de uma professora de Física-­‐ Química, no âmbito de trabalho colaborativo. Seguiu-­‐se uma abordagem interpretativa. O estudo foi suportado por um trabalho colaborativo entre a investigadora e as duas professoras. Este grupo colaborativo reuniu-­‐se várias vezes para selecionar as tarefas de modelação, explorar o trabalho com a calculadora gráfica e sensores e também para refletir sobre o resultado das tarefas desenvolvidas em sala de aula. De entre as conclusões retiradas destacou-­‐se o facto de que o tipo de questões dos Exames Nacionais e a pressão exercida pelos mesmos são factores condicionantes à realização de tarefas de modelação, ambas as professoras seguiram o método da descoberta guiada durante o desenvolvimento das tarefas e concluíram que a utilização destes recursos tecnológicos facilita a realização das mesmas

Modelação matemática de epidemias

Faz-se a recolha dos principais modelos matemáticos utilizados para simular a evolução de epidemias provocadas por doenças contagiosas. Os modelos matemáticos epidemiológicos são criados a partir de observações do fenómeno epidémico e de hipóteses matemáticas relativas à dinâmica da transmissão de in- feções. Os modelos determinísticos utilizam equações diferenciais ordinárias para modelar o (de)crescimento das populações envolvidas em função dos seus valores iniciais. Este modelos têm origem no modelo predador-presa de Lotka-Volterra.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Extração de informação de texto formal para a modelação expedita de edifícios monumentais

A extração de informação a partir de descrições textuais para a modelação procedimental de ambientes urbanos é apresentada com solução para os edifícios antigos. No entanto, este tipo de edifício carece de maior cuidado com os detalhes de alto nível. Este artigo descreve uma plataforma para a geração expedita de modelos 3D de edifícios monumentais, cuja arquitetura é modular. O primeiro módulo permite a extração de informação a partir de textos formais, pela integração do NooJ num Web Service. No segundo módulo, toda a informação extraída é mapeada para uma ontologia que define os objetos a contemplar na modelação procedimental, processo esse realizado pelo módulo final que gera os modelos 3D em CityGML, também como um Web Service. A partir desta plataforma, desenvolveu-se um protótipo Web para o caso de estudo da modelação das igrejas da cidade do Porto. Os resultados obtidos deram indicações positivas sobre o modelo de dados definidos e a flexibilidade de representação de estruturas diversificadas, como portas, janelas e outras características de igrejas