Die Modellierung sozial-ökologischer Systeme im Kontext der Nachhaltigkeitsforschung

Die Modellierung sozial-ökologischer Systeme im Kontext der Nachhaltigkeitsforschung

Martin Wildenberg

Martin Wildenberg Rigorosum 30.03.2012

Struktur der Präsentation

- Einleitung:- Sozial -Ökologische Systeme- Nachhaltigkeitsprobleme- Lokale Sozial -Ökologische Systeme

- Projekte und Fallstudien- LTSER- RECOVER – Kamorta ABM- SERD- Fuzzy Cognitive Modeling

- Integrierende Modellierung- Lessons learned- Ausblick

Sozial Ökologische Systeme

Komplex

Adaptiv


Wir sind ein Teil davonUnd seit gut 200 Jahren eine bestimmende Einflussgröße…


Willkommen im Anthropozän

Steffan et al 2004; IGBP Secretariat Royal Swedish Academy of Sciences


Willkommen im Anthropozän

Steffan et al 2004; IGBP Secretariat Royal Swedish Academy of Sciences


Lokale sozial-ökologische Systeme







Long-Term Socioecological Research (LTSER)

LTSER Ziel:Beitrag zur Nachhaltigkeitsforschung


Themen der Sozial-ökologischen Langzeitforschung

• Gesellschaftlicher Metabolismus• Landnutzung und Landschaft• Governance und Decision Making• Kommunikation, Wissensmanagment und

Transdisziplinarität


SERD (Simulation of Ecological Compatibility of Regional Development)

Veronika Gaube, Heidi Adensam, Julia Lutz, Tina Kaiser, Andreas Richter, Helmut Haberl

• Analyse der sozial-ökonomische Dynamiken und deren Wechselwirkung mit Material- und Energieflüssen

• Ursachen und Auswirkungen von langfristigen Veränderungen im ökonomischen und sozialen Bereich, Landnutzung und Ökosystemen.

• Beitrag zu einer nachhaltigen lokalen Entwicklung. Einbeziehung und Unterstützung lokaler Stakeholder.


Fokus:Reichraming - eine Gemeinde in der LTSER Eisenwurzen

Reichraming

Eisenwurzen



Land use 1900


Land use 2001

External conditionsSocio-economic / political

frameworkEnvironmental conditions

e.g. climate

Agent-based modulefarmstourismfirmsmunicipality

Integrated stock-flowmodule

Socio-economic stocks/flows(humans, livestock, artifacts)

Ecological stocks flows(forests, grasslands, cropland)

Land useLand cover

Model outputs

Socio-economicchange

Land-usechange

Changes in material/energy flows

Model Konzept


Verhalten der Landwirtschaftlichen Agenten

Ziel der Landwirte• Flächen unter Bewirtschaftung• Minimum Einkommen• Minimum Freizeit

Landwirte Berücksichtigen:• Räumliche Gegebenheiten• Förderungen• Produkt Preis• Produktionskosten

Mögliche Reaktionen:• Ex- oder intensivieren der Produktion• Bio-Landwirtschaft• Vergrößern od. Verkleinern der Flächen• Wechsel des Betriebtypen• Mehr / weniger Nebenerwerb• Mehr / weniger Arbeitskräfte• Aufgabe der Landwirtschaft

Interaktionen• via Grundstückmarkt

Verhalten der Landwirtschaftlichen Agenten

Benutzer Interface

Drei SzenariosTREND

GLOB

LOC

+ Base Run


Trend


Glob


Loc


Trend Szenario

Land-use today

Mehr BauernhöfeWeniger Verwaldung (-15%)Mehr Haushalte (+10%)Weniger Pendler

Höchste GHG & Stickstoff Emissionen


GLOB Szenario

Land-use today

Weniger Bauernhöfe – extensive Bewirtschaftung hohe ArbeitsbelastungMehr VerwaldungAbwanderung nimmt zuMehr Pendler +75%Niedrigsten GHG & Stickstoff Emissionen


LOC Szenario

Land-use today

Weniger Bauernhöfe als in Trend mehr als in GLOB – extensiv hohe ArbeitsbelastungWeniger VerwaldungWeniger Pendler

Mittlere GHG & Stickstoff Emissionen.


Eine andere Region, andere Themen, ähnliche Herausforderungen…

RECOVER(research on coping with vulnerability to environmental risk)Singh, Adensam, Haas, Fischer-Kowalski


2004 Tsunami

More then 4000 dead Almost all Houses destroyed & infrastructure damaged coconut plantations destroyed Reef & coast topology changed

2004 Tsunami


The Second WaveÜber 60 NGOs warten in Port Blair um millionen von US$ auszugeben. Unrepresented inflow of money & commodities.

Die Nicobaren – ein vielversprechender Entwicklungshilfe Markt?

Nebenwirkungen der Hilfsmaßnahmen:Veränderung der Familienstruckturen, des sozialen Zusammenhalts, Konflikte über

Land, zunehmende soziale Differenzierung, Veränderung der Konsum und Produktionsgewohnheiten.

The Second Wave


Modelling

TheoryDevelopment

Intervention

Work packages Recover


Level Focus Target group Tools

Island Ecological constraintsBiophysical constraintsMarket

Tribal CouncilAdministrationNGOs

Integrated Model

Village Cooperate societiesProduction (best mix)

SIF (NGO) Village councilCooperate societies

Planning Tool

Household What do people want?Cultural constraintsLifestyle changes Time use

Households Participative Data Collection &Participative observation

Integration verschiedener Ebenen


Model Komponenten


actual lan d cov e r

past lan d cov e r

state o f ne ighbo r

time s in ce last fire

time sin ce last land -co v e r ch ange

yie ld p ro duce dwo rking time re quire d

at coast (ye s / no )

su itab ility fo r con v e rsion in to o the r landtype

coo rd inate s

size

co lo r in map

bu rn ab ility

Vis ib le o n I s lan d s c a le :Lan d s c ap e d ev elo p m en tF r ag m en ta tio n

parame te rs fo r yie ldsde pe nd ing on ag e an d type

Calcu late d Var iab le s

Parame te rs / in itial Data

M ain Var iab le s

Vis ib le fo r Age nt

Landscape e ffe ctsv is ib le fo r u se rs

Ch ange typ e

Bu rn

Actio ns

In flue nce d byAg e n t

Landunits


Kamorta land-cover and land-use – 2005, 2015, 2025 and 2035.

Zeitbudgets und Landnutzungsveränderungen


Available, required and desired working times per adult. Required workingtime includes time for subsistence and market oriented activities.


Lets get softer…

a tool for integrated modelling of SES


Was ist eine Fuzzy Cognitive Map:

Grafische Repräsentation des Wissens über die Wechselwirkungen zwischen wichtigen Elementen eines Systems.

Eine FCM ist ein qualitatives Systemmodell, welches mathematisch berechnet werden kann

Food intake -

+ Desire to rest

Hunger

0,5

1


Fuzzy Cognitive MappingWie funktioniert es?


FCMapper auf www.FCMappers.net

Schnelle und einfache Berechnung und Visualisierung

Ca. 1000 Anmeldungen auf unserer Homepage


Erfahrungen mit FCM

Vulnerability of Indian cities towards extreme weather events

Vergleich von sechs Casestudies in LTSER Plattformen

Verwendung von FCM in der PIK Summerschool


Vulnerability to climate change

Collective fuzzy cognitive map of professionals interviewed in Delhi (Diana Reckien et al.)


Spanien:14 FCMs mit Experten aus dem Bereich Naturschutz

“Was sind die wichtigsten Einflußfaktoren (pos. und neg.) auf die Biodiversität im Donana Nationalpark?”


FinnlandVier Mappings – eines mit Experten drei mit lokalen Stakeholdern

“Beschreiben sie ihrer Wahrnehmung der aktuellen Situation des Karvianjärvi-See”.


Rumänien:Drei Gruppen-Interviews:1. Wissenschaftler und Naturpark Mitarbeiter2. Bauern und Fischer3. Manager und lokale Administraion.

“Wie wichtig sind für sie Ökosystem-Dienstleistungen, welche Faktoren beeinflussen diese und wie wirkt sich das auf ihr Leben aus?”


Eisenwurzen LTSER7 Interviews mit lokalen Experten aus den Bereichen Regionalmanagment, Naturschutz und öffentliche Verwaltung

“Welche Faktoren, Akteure oder Institutionen beeinflussen die zukünftige Entwicklung Ihrer Region?”


FCM Simulation in a nutshell

ji

N

jij

kj

ki

ki wAAA

1

)()()1(

= value of concept Ci at iteration step k+1

= value of concept Ci at iteration step k

= value of concept Cj at iteration step k

= weight of the link between Ci and Cj

)1( kiA

)(kiA

)(kjA

jiw

X =

C1

Cn

Activation Vector

Interaction Matrix

C1

Cn

C1 Cn

Vector contains values representing the state of the concept

Matrix contains weights of relations between concepts

First iteration

X

C1

Cn

C1

Cn

C1 Cn

Vector contains values representing the state of the concept after one iteration

Seconde iteration

=

C1

Cn …


Wieder die drei SzenariosTREND

GLOB

LOC

+ Base Run



Base Run

Trend


Glob


Loc


• Strukturiert partizipativen Prozess

• Social learning

• Kommunikation zwischen Beteiligten

• Darstellung komplexer Systeme so wie von Stakeholder Wahrgenommen

• Kartierung und Analyse komplexer Systeme

• Vergleichbarkeit qualitativer Daten und Information

• Modellierung und Szenarios

• Schnell und einfach anzuwenden

• Prozess orientiert

Was bietet Fuzzy Cognitive Mapping?


Teil IIIntegrierte Modellierung

Also, was ist ein integriertes Model?


Und wie kann Integration erreicht werden?

Ein integriertes Modell integriert…

- Zwei (oder mehrere) Modelle - Wissen verschiedner Disziplinen- Wissenschaftler aus verschieden

Disziplinen - Wissenschaftler und “andere”

Menschen- Theorie und Praxis- Verschiedene Modelierungsmethoden

(ABM, SD, GIS)- Daten unterschiedlicher Art (qualitative

& quantitative)


Lessons learned:• Es ist wichtig die Akteure und Stakeholder von Anfang

an in den Modellierungsprozess zu involvieren.

• Iterative Entwicklung, modularer Aufbau.

• Die Akzeptanz des Modelles bei den Stakeholdern ist wichtig.

• Modelle helfen unterschiedlichen Stakeholdergruppen über ihr System zu kommunizieren.

• Der Modellierungsprozess selbst trägt wesentlich zum Verständnis des Systems bei.

• Keep it simple

Integrating people, topics and knowledge: constructing models in iterative loops

F o r m u lie r u n gd e r F ra g e s te llu n g

Hy p o th es enS am m eln

M o d e ll S tr u k tu rau s w äh len

An aly s e d esM o d e ls

M o d e llk o m u n iz ier en

I m p lem en tie r u n gd es M o d e lls

Um f o rm u lier u n gd e r F ra g e s te llu n g

S ta k eh o ld erP ar t iz ip a tio n

I s t d as M o d elb r au c h b ar ?

Ko n zep tu e lle sM o d e ll

Bean tw o r tetd as M o d e ld ie F r ag e?

An f an g s p u n k t

Ko m m u n ik atio n

Ko m m u n ik atio n

1

43

2

Ausblick IWeiterentwicklung Fuzzy Cognitive Mapper und ABM

Causale Modellierung & Mindmapping gewinnt, vor allem in der transdiziplinären Forschung, immer mehr an Bedeutung

Experten Systeme, Knowledge Brokerage, Lernende Netzwerke, Artificial Intelligence


Ausblick IILandnutzungsmodelle die:

- auf jährlich Erhobenen Daten aufbauen- Daten Eingabeinterface direkt beim Stakeholder- Ergebnisse direkt an Benutzer liefern - Einbindung in Managementsysteme ermöglichen- Großflächig Anwendbar sind- Integration verschiedener Ebenen erlauben

Ermöglichen ein Monitoring von SES und ein darauf aufbauendes adaptives Management


Ausblick III

The scientific community is part of the experiment of modern society, like it or not…

(Haberl et al. 2006)


Danke für Ihre Aufmerksamkeit!



Decision finding process of each farm

Ecological dimension

Economic dimension

Social dimension

ODD


Results Spain:

• General agreement on drivers and pressures on Doñana’s biodiversity

• Drivers are dominated by factors describing human actions, such as farming, urbanization, land management, pollution and policy (including conservation decisions).

• High relevance given to the social perception of biodiversity and associated threats, as well as the overall local biodiversity conservation

• Low importance given to the administrative policies effects on biodiversity.

• Missing links between socio-economic and natural drivers

• No conflicts connected to the Doñana National Park

• Corridors as a way of spreading alien species, diseases and pests, in addition to their main connectivity of populations and species migration roles.

Results Finland

Clear distinction of “Expert-map” to maps of other stakeholders

Expert map:“state of the lake”, is the central factoremphasises socio-economic factors and their connection to liveability of the rural area and the internal loading process.

Stakholder maps:More human centred maps – users view on the lakeRecreational use, particularly fishing in the lake, is accentuated. The internal loading process only mentioned by the agriculturalistExternal loading, on the other hand, was mentioned in all maps with a high centrality.Water level issues

The ongoing discussions and the experiences of the stakeholders regarding concrete water quality problems in the lake, as well as protection activities that have been conducted for some time are reflected in different degrees in all of the maps.

Results Romania

The experts group:characterized the study area using a large spectrum of factors related to ongoing academic discussions. social aspects, human factors and management issues. The map shows a very high density reflection of the notion that “every thing is connected to every thing”.

The group of local farmers and fishermenmore pragmatic, users view of their area. The farmers and fishermen discussed situations based on the extensive and severe structural changes in their area, which occurred during the 1960s and 1980s due to implementation of management plans.

Managers and local administrationdiscussed the changes they have noticed in the last 50 years. Most central factors: “Financial resources”, “Agro-tourism” and “Biodiversity”.

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