Lesní ekosystém vs. kácení lesů (NetLogo)

Zadání

Autor: Bc. Jonáš Navrátil

Název simulace: Lesní ekosystém vs. kácení lesů

Předmět: 4IT495 Simulace systémů (LS 2015/2016)

Typ modelu: Multiagentní

Modelovací nástroj: NetLogo 5.3.1

Definice problému

Tato simulace bude sloužit k rozvržení a odhadnutí těžby stromů v lese ve vztahu k výsadbě nových stromů. Pomocí multiagentního modelu bude simulace sledovat vliv úbytku a příbytku stromů na lesní ekosystém a to jak na faunu tak flóru. Zvířata v lese potřebují ke svému přežití určitý počet zeleně a stromů a pokud jej budou mít nedostatek, bude docházet k jejich pomalejšímu rozmnožování a následnému vymírání. Zároveň bude možné v simulaci ovlivnit počet dělníků, kteří budou pracovat na těžbě respektive na výsadbě nových stromů. Tyto 2 procesy tak budou výrazně ovlivněny podle počtu přiřazených dělníků.

Cíl

Cílem je vytvořit multiagentní model, pomocí kterého budeme moci určit, poměr těžby stromů k jejich výsadbě a to při zachování ekosystému lesa.

Metoda

Pro řešení této simulace jsem zvolil NetLogo, které se mi jevilo pro mou simulaci jako nejlepší řešení. A to hlavně z důvodů nastavení jednotlivých agentů, výstupů, či grafického znázornění. Datové podklady jsem získal ze záznamů Lesů ČR. Vlastnosti agentů jsou obecné pro dané rod či nadřazenou skupinu. Ať už se jedná o listnaté stromy nebo třeba ptáky.

Model simulace

V následující sekci jsou popsány jednotlivé části modelu od jeho inicializace, kdy jsou nastaveny základní limity agentů a jejich další nastavení.

Inicializace

Základní nastavení simulace před jejím spuštěním.

• Je inicializován rozměr lesa. Můžeme si vybrat, zda bude mít les rozměry 60 Ha nebo 135 Ha. Tyto rozměry lesa byly po odvozeny z analýzy jednotlivých rozměrů lesů v ČR jako ideální pro tuto simulaci.
• Možnosti nastavení počtu pracovníků, kteří budou v lese pracovat. Dle analýzy dostupných dat bylo po zaokrouhlení vyhodnocen počet vytěžených arů za měsíc jedním dělníkem na 2. Zároveň jsou kvůli klimatickým podmínkám dělníci schopni pracovat pouze od února do listopadu.
• Po inicializaci systému se také vyplní původní hodnoty s informacemi o stromech, podle toho, kolik je jich v poměru k velikosti nastaveného lesa listnatých, jehličnatých, kolik stromů již je možno těžit a jaká je jejich průměrná výška. Údaje o minimální velikosti stromu pro těžbu jsou opět převzaty z dat Lesů ČR.
• Poslední části nastavení systému je možnost nastavení limitu pro jednotlivá zvířata. Ačkoli jsou některé z druhů jednotlivých zvířat chráněny, pro lepší funkcionalitu této simulace je možno nasadit limit jejich výskytu pro všechny z nich.

Spuštění systému

Spuštěním tohoto kroku rozjedeme život v lese

• První měsíc se neděje nic moc zajímavého, protože jako defaultní měsíc je nastaven leden a v něm dělníci nepracují.
• Hned v dalším měsíci je však simulace rozběhnuta naplno. Dělníci nastoupí do práce a začnou kácet lesy definovanou rychlostí. Na stejném místě kde kácejí zároveň vysázejí nové stromy, aby pokračovala obnova lesa. Na místě, kde byly stromy vykáceny vzniká mýtina do té doby, než stromy dorostou do potřebné výšky, aby se daly označit alespoň řídkým lesem.
• Zasazené stromy rostou podle svého druhu každý jinou rychlostí, která odpovídá podkladům Lesů ČR.
• Vykácená mýtina se stává nebezpečným prostředím pro zvířata. Každé zvíře má v této simulaci nastavenou tzv. danger-rate. Ta značí v podstatě "životy" jednotlivých živočichů:
  • Veverky - 3
  • Zajíci - 7
  • Jeleni - 5
  • Prasata - 6
  • Ptáci - 3

Pokud se ohrožení živočichové vyskytují na mýtině, jejích danger-rate klesne o jeden bod. V chvíli, kdy je jejich danger-rate na 0, zvíře umírá a jeho smrt je připsána těžbě lesa. A to z toho důvodu, že zvíře zemřelo z důvodu nedostatku lesa.

• Zvířata samozřejmě lesem cestují, takže se nestane to, že ve chvíli kdy je vykácen jeden strom v okolí, zvíře do 3 měsíců umírá.
• Zároveň jsou v na mýtinách v ohrožení malá zvířata (veverky a zajíci). Ti totiž pokud nejsou kryti lesem, vystavují se nebezpečí ulovení divokým ptákem.
• Zvířata se také samozřejmě rozmnožují. Podle údajů Lesů ČR a Ministerstva zemědělství se zvířata rozmnožují několikrát do roka a mají určitý počet mláďat v závislosti na druhu zvířete.
• Na konci každého měsíce je vyhodnocen počet vytěžených lesů, počet zvířat a v případě nadbytku je jejich počet redukován.

Optimalizace těžby

Popis možností nastavení pro správnou hiearchii v lese.

• Je jasné, že s postupem času bude docházet k různým scénářům života v lese.
  • Bude potřeba více vytěženého dřeva
  • Některé zvíře bude úplně zařazeno mezi chráněné a tím pádem nebude moci být jeho počet redukován
  • Z hygienických důvodů bude potřeba některé zvíře úplně vyhubit a následně zase do lesa vysadit.
• Všechny tyto změny v systému budou mít na život v lese velký vliv. V ideálním případě by měla křivka zvířat oscilovat u maxima počtu všech zvířat.

Závěr simulace

• Tato simulace není omezena ani časově, ani nějakou podmínkou. Je možné poslat do lesa všechny dostupné pracovníky a vytěžit celý les a tím zahubit zvířata. Ale poté by celá tato simulace pro zachování ekosystému lesa ztrácela význam.

Agenti simulace

Zde je výpis jednotlivých agentů, kteří v simulaci vystupují včetně výčtu jejich vlastností.

Zvířata

• danger-rate - "Počet životů" zvířete. Čím je danger-rate u zvířete nižší, tím je zvíře ve větším nebezpečí. Pokud dosáhne 0, zvíře umírá.
• life-lenght - Délka života zvířete. Na konci každého měsíce je přidán každému zvířeti jeden tick a kontrolováno, jestli věk zvířete nedosáhl délky života zvířete. Pokud ano, zvíře umírá.
• age - Věk zvířete. Jak bylo zmíněno výše, jedná se věk jednotlivých zvířat, který je zvyšován po každém měsíci
• birth-speed - Jak často za rok rodí zvíře mláďata. U každého druhu je to jiné.
• babies - Počet dětí, které se mohou zvířeti při každém početí narodit.
• pace - Pohyb zvířete na konci tahu. Náhodný pohyb o počet polí, který se u jednotlivých zvířat liší a pohyb do náhodného směru.
• gender - Pohlaví zvířete.

Stromy

• coniferous - Jednoduchý identifikátor, zda je strom jehličnatý nebo ne.
• height-con - Výška stromu, pokud je jehličnatý.
• deciduous - Identifikátor pro ověření listnatosti stromu.
• height-dec - Opět výška stromu, tentokrát pro listnaté stromy.
• miningable - Možnost, zda strom těžitelný nebo ne.

Procedury

• growth-trees - Růst stromů. Probíhá po každém o zadanou velikost. Ta se liší podle druhu.
• working-process - Proces práce dělníků v lese. Kácení stromů, výsadba atd.
• animals-life-step - Životní cyklus zvířete. Ověření, kde se zvíře nachází, snižování dead-ratu, rozmnožování, přesun zvířete, ověření věku atd.
• animals-hunt-reduction - Kontrola počtu zvířat ve vztahu k limitu.

Základní nastavení modelu

Nastavení lesa

1. forest-size - Velikost lesa v HA.

Těžba

1. workers-number - Počet pracovníků, které chceme do lesa poslat na těžbu.
2. plain-size - Velikost mýtiny, která vznikne po těžbě.

Nastavení zvířat

1. squirels-limit - Limit veverek v lese, lze nastavit posuvníkem v intervalu <0;500>.
2. deers-limit - Limit srnek v lese, lze nastavit posuvníkem v intervalu <0;100>.
3. rabbits-limit - Limit zajíců v lese, lze nastavit posuvníkem v intervalu <0;300>.
4. hogs-limit - Limit divokých praset v lese, lze nastavit posuvníkem v intervalu <0;50>.
5. birds-limit - Limit ptáků v lese, lze nastavit posuvníkem v intervalu <0;300>.

Funkční tlačítka

• Setup - Nastavení modelu dle zvolených hodnot.
• Go - Spuštění simulace.

Ukazatelé

Ukazatelé obecní

• Month - Aktuální měsíc
• Year - Aktuální rok

Ukazatelé stromů

• all coniferous trees - Počet jehličnatých stromů v lese.
• all deciduous trees - Počet listnatých stromů v lese.
• miningable coniferous trees - Počet těžitelných jehl. stromů
• miningable deciduous trees - Počet těžitelných list. stromů
• Coniferous trees / ha - Počet jehličnanů na HA.
• Deciduous trees / ha - Počet listnáčů na HA.
• Coniferous height / tile - Průměrná výška jehličnanů.
• Deciduous height / tile - Průměrná výška listnáčů.
• Wood mined (m^3) - Počet vytěžených stromů.

Ukazatelé zvířat

• Squirels, Deers, Rabbits, Hogs, Birds - Ukazatelé počtu aktuálně živých zvířat.
• ANIMAL - Mining death - Počet zvířat, které byly zabity těžbou.

Grafy

Trees number

Grafický ukazatel počtu stromu v čase.

• Červená - Těžitelné jehličnany.
• Oranžová - Všechny jehličnany
• Modrá - Těžitelné listnáče
• Azutová - Všechny listnáče

Animals

Ukazatel počtu zvířat v čase.

• Červená - Veverky.
• Hnědá - Jelení
• Žlutá - Zajíci
• Zelená - Prasata
• Modrá - Ptáci

Uživatelské rozhraní NetLogo

Obrázek: NetLogo rozhraní

Shrnutí

Definice problému

Tato simulace bude sloužit k rozvržení a odhadnutí těžby stromů v lese ve vztahu k výsadbě nových stromů. Pomocí multiagentního modelu bude simulace sledovat vliv úbytku a příbytku stromů na lesní ekosystém a to jak na faunu tak flóru. Zvířata v lese potřebují ke svému přežití určitý počet zeleně a stromů a pokud jej budou mít nedostatek, bude docházet k jejich pomalejšímu rozmnožování a následnému vymírání. Zároveň bude možné v simulaci ovlivnit počet dělníků, kteří budou pracovat na těžbě respektive na výsadbě nových stromů. Tyto 2 procesy tak budou výrazně ovlivněny podle počtu přiřazených dělníků.

Postup

Nastavíme:

1. Požadovaný rozměr lesa
2. Počet dělníků, které chceme do lesa vypustit
3. Limity zvířat.

Simulaci spustíme s sledujeme změny v ekosystému při změnách parametrů simulace.

Možné výsledky

Zde je výčet několika možných situací, které mohou při simulaci nastat.

• 

  Obrázek 2 Kmitání kolem maxima limit u zvířat. Zřejmě nejlepší varianta pro všechny.

• 

  Obrázek 3 Maximalizace těžby, úmrtí zvířat.

• 

  Obrázek 4 Průběžná změna počtu pracovníků. Nejprve maximalizace zisku, poté obnova fauny.

Závěr

Na přiložených grafických výsledcích můžeme vidět, že ideální počet pracovníků je kolem 30. Křivka zvířat osciluje u maxima, zvířata nevymírají a stromy poměrně slušně stíhají dorůstat do těžitelné velikosti. Z posledního pozorování jde vidět, že lze i velmi dobře měnit frekvenci těžby a limity zvířat a ekosystém stejně zůstane zachován.

Zhodnocení

Cílem práce bylo zjistit, jak může ovlivňovat těžba stromů lesní ekosystém a kolik stromů je třeba vysadit, aby nedocházelo při nastavené těžbě úmrtnosti zvířat. Tyto možnosti jsou do modelu zapracovány a na jejich základě model vyhodnocuje jednotlivé scénáře. Dle grafických výstupů považuji simulaci za dostačující a cíl práce za splněný.

Prostor pro rozšíření modelu

• Druhy fauny a flóry - Detailnější rozdělení jednotlivých druhů stromů a zvířat.
• Rozdělení a plánování těžby - V současném modelu nejsou myšleny druhy těžby, či vynechání některých měsíců.
• Ochrana zvířat- Samozřejmě by mohl být do modelu zapracován způsob ochrany zvířat v případě, že jejich úmrtnost bude stoupat a případně by tak mohla být pozastavena těžba

Soubory NetLogo ke stažení

File:Xnavj simulace.nlogo | Net logo simulace