Entwicklung von SimulationsmodellenWS 2007/08

Dr. Falk-Juri Knauft

Mittwoch 9.15 Uhr – 10.00 Uhr S25

Praktikum zur Entwicklung von Simulationsmodellen:Mittwoch 14.00 Uhr – 17.00 Uhr GEO CIP-Pool

Modul: 22a

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

http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/mod/html/ws0708/geooekologie/simulationsmodellehttp://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

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) 1302-1306)

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

Anteil der x-mal verbissen Bäume bei 40% Verbiss

1000

600

360

216

130

400

480

432

346

160

288

346

64

154

0% 20% 40% 60% 80% 100%

1

2

3

4

5

Jah

re

kein Verbiss 1 x 2 x 3 x 4 x

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

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.

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++

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

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 Wahrscheinlichkeit

1..n

Konzeption und Umsetzung: Manipulation des Baum/Waldwachstums

Initial Parameters

CylcleReplanting()Regeneration()HerbivoreBrowsing()HerbivoreDying()Shadowing()CalcSigmaC()Photosynthesis()Dying()Litterfall()GeoConstraintXYZ()RootDeath()Wuseling()Partition()RootGrowth()Thinning()Decomposition()HerbivoreBreeding()HerbivoreAgeing()

ConditionalParameters

Simulated Forest

User InterfaceCutting()Planting()Hunting()

Manipulation von:• Needle::FoliageWeight• Tree::Height

FoliageWeight, Height

FoliageWeight, Height

FoliageWeight

Photosynthesis

Height

Photosynthesis

Photosynthesis

FoliageWeight

Konzeption und Umsetzung: Schlüsselposition von N:FoliageWeight

Konzeption und Umsetzung: UML Klassenübersicht

CForest

CTreeSpeciesCTreeSpeciesParams

CTreeCTreeParams

CSegment

CBranch

CNeedle

0..n

0..n

0..n

0..n

0..n

1

1

1

1

1

11

1

1

1

1...

...

0..n

1

CTRAGICRoot ......

...

1...

CHerbivoreSpec

CHerbIndiv

0..n

0..n1

1

CHerbivoreSpecParams

CHerbIndivParams

1

1

1

CHerbProb

CHerbHeightClass

1

0..n

1

0..n

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)

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

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

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

Entwicklung der Artenzusammensetzung

bei unterschiedlicher Verbissbelastung

Verschiebung des Konkurrenzgefüges

zweier Baumarten