نمذجة تغير الغطاء الأرضي واستخدامات الأراضي

النماذج القائمة على الوكلاء

وعلى صعيد آخر، تحاول النماذج القائمة على الوكلاء (Agent-based models) محاكاة سلوك الكثير من الأفراد الذين يتخذون خيارات مستقلة، ثم ترى كيف تؤثر تلك الخيارات على المشهد الطبيعي ككل. يمكن أن تكون هذه النمذجة معقدة؛ فمثلًا، دمجت دراسة عام 2005 بين نموذج قائم على الوكلاء وبرمجة جينية حاسوبية لاستكشاف تغير الأراضي في شبه جزيرة يوكاتان في المكسيك.

تعلم الآلة والنماذج الإحصائية

وعلى صعيد آخر، يستعمل نهج تعلم الآلة بيانات الغطاء الأرضي من الماضي لمحاولة تقييم كيفية تغير الأرض في المستقبل، ويعمل بشكل أفضل مع مجموعات البيانات الكبيرة. توجد أنواع متعددة من نماذج تعلم الآلة والإحصاء؛ حيث وجدت دراسة أجريت في غرب المكسيك عام 2011 أن النتائج من نموذجين متشابهين ظاهرياً كانت مختلفة تماماً، حيث استعمل أحدهما شبكة عصبونية بينما استعمل الآخر نموذجاً بسيطاً لوزن الأدلة.

الأساليب

من جهة ثانية، الإصابات الخاطئة (Wrong hits): محاكاة التغيير المرجعي بشكل صحيح كـ "تغيير"، ولكن للفئة الخاطئة.

وعلى صعيد آخر، الإصابات (Hits): محاكاة التغيير المرجعي بشكل صحيح كـ "تغيير".

وعلى صعيد آخر، الإنذارات الكاذبة (False alarms): محاكاة الاستمرار في البيانات المرجعية بشكل غير صحيح كـ "تغيير".

كذلك، الإخفاقات (Misses): محاكاة التغيير المرجعي بشكل غير صحيح كـ "استمرار".

وفي السياق ذاته، هناك نوعان من التحقق في نمذجة تغير الأراضي: التحقق من العملية (Process validation) والتحقق من النمط (Pattern validation). يقارن التحقق من العملية التطابق بين "العملية في النموذج والعملية التي تعمل في العالم الحقيقي". أما التحقق من النمط فيقارن مخرجات النموذج (مثل التغيير المتوقع) والمخرجات المرصودة (مثل التغيير المرجعي). يعد تحليل الخرائط الثلاث أسلوباً شائع الاستخدام للتحقق من النمط، حيث تتم مقارنة ثلاث خرائط: خريطة مرجعية في الوقت 1، وخريطة مرجعية في الوقت 2، وخريطة محاكاة للوقت 2. وينتج عن ذلك مقارنة متقاطعة حيث تُصنف البكسلات إلى خمس فئات:

في هذا الإطار، الرفض الصحيح (Correct rejections): محاكاة التغيير المرجعي بشكل صحيح كـ "استمرار".

التحسينات

ومن جهة أخرى، تم تحديد الفصل بين المعايرة والتحقق كتحدٍ يجب معالجته. غالباً ما يتسبب استخدام المصممين لمعلومات من ما بعد الفترة الزمنية الأولى في جعل الخريطة تبدو بدقة أعلى بكثير من القوة التنبؤية الفعلية للنموذج. وتشمل التحسينات الأخرى تمييز الفرق بين أخطاء التخصيص وأخطاء الكمية.

الغرض

ومن ناحية أخرى، يتم تقييم نماذج تغير الأراضي لتقدير وقياس أداء القوة التنبؤية للنموذج من حيث التخصيص المكاني وكمية التغيير. يتيح تقييم النموذج للمصمم تعديل "مخرجات النموذج، وقياس البيانات، ورسم الخرائط" للتطبيقات المستقبلية. الغرض من تقييم النموذج ليس تطوير مقياس واحد لتعظيم النتيجة "الصحيحة"، بل تطوير أدوات للتعلم من مخرجات النماذج لإنتاج نماذج أفضل لتطبيقاتها المحددة.

النماذج الخلوية

النماذج الاقتصادية القائمة على القطاعات والمفككة مكانياً

علاوةً على ذلك، يستعمل نموذج تغير الأراضي الخلوي خرائط الملاءمة لمختلف أنواع استخدام الأراضي، ويقارن المناطق المتجاورة مباشرة للتنبؤ بالتغيرات المستقبلية. ويمكن أن يكون للاختلافات في مقياس الخلايا في النموذج الخلوي تأثيرات كبيرة على مخرجات النموذج.

ومن جهة أخرى، تُبنى النماذج الاقتصادية على مبادئ العرض والطلب. وتستعمل معلمات رياضية للتنبؤ بأنواع الأراضي التي ستكون مطلوبة وتلك التي سيتم التخلي عنها. وغالباً ما تُبنى هذه النماذج للمناطق الحضرية، مثل دراسة أجريت عام 2003 لمنطقة دلتا نهر اللؤلؤ ذات الكثافة السكانية العالية في جنوب الصين.

التكامل عبر المقاييس

وعلى صعيد آخر، يمكن أن تستفيد النمذجة من التقدم المعاصر في البنية التحتية السيبرانية مثل التعهيد الجماعي، و"تنقيب" البيانات الموزعة، وتحسين الحوسبة عالية الأداء. كما يمكن للمجتمع العلمي الاستفادة من بيانات نظام تحديد المواقع العالمي والأجهزة المحمولة المتصلة بالإنترنت لتوفير بيانات مجهرية (microdata) حول سلوك الأفراد والجهات الفاعلة.

انظر كذلك

علاوةً على ذلك، من الضروري دمج البيانات عبر مقاييس مختلفة. تتأثر أنماط وعمليات النموذج بالديناميكيات والتعليقات المتبادلة بين المقاييس الزمنية والمكانية. وتتطلب عمليات مثل ، وتغير استخدام الأراضي غير المباشر، والتكيف مع تغير المناخ تمثيلاً أفضل لهذه الديناميكيات.

تخطيط استخدام الأراضي

فرص البنية التحتية البحثية ودعم البنية التحتية السيبرانية

الأهمية

كذلك، تعد نمذجة تغير الأراضي مفيدة لاستكشاف نظم استخدامات الأراضي وأغطيتها مكانياً. ويمكن لهذه النمذجة تفسير التعقيد داخل ديناميكيات استخدام الأراضي والغطاء الأرضي من خلال الربط مع النماذج المناخية، والبيئية، والجيوكيميائية الحيوية، والفيزيائية الحيوية، والاجتماعية الاقتصادية. علاوةً على ذلك، فإن هذه النماذج قادرة على إنتاج نتائج محددة مكانياً بحسب نوع وتعقيد ديناميكيات النظام داخل النطاق المكاني. كما تؤثر الكثير من المتغيرات الفيزيائية الحيوية والاجتماعية الاقتصادية وتنتج مجموعة متنوعة من النتائج في نمذجة تغير الأراضي.

وفي هذا الصدد، إن التغيرات في نظم الأراضي لها عواقب على التغير المناخي والبيئي على كافة المستويات. لذلك، تعد القرارات والسياسات المتعلقة بنظم الأراضي مهمة جدًا للاستجابة لهذه التغيرات والعمل نحو مجتمع وكوكب أكثر استدامة.

إضافةً إلى ذلك، بالنسبة للمجتمع العلمي، تعد نماذج تغير الأراضي مهمة لقدرتها على اختبار النظريات والمفاهيم الخاصة بتغير الأراضي وعلاقتها بالتفاعل بين الإنسان والبيئة، فضلًا عن استكشاف كيف ستغير هذه الديناميكيات نظم الأراضي المستقبلية دون الحاجة إلى ملاحظة واقعية مباشرة.

إضافةً إلى ذلك، وقد تمكنت مجموعة واسعة من المجتمعات العلمية والمهنية من تطوير كمية وجودة البيانات في نمذجة تغير الأراضي في العقود القليلة الماضية، مما أثر على تطوير الأساليب والتقنيات في هذا المجال. إن كثرة النماذج التي تم تطويرها تكتسب أهميتها من قدرتها على معالجة تغير نظم الأراضي وفائدتها لمختلف العلماء والممارسين.

كذلك، تكمن أهمية نماذج تغير الأراضي في قدرتها على المساعدة في توجيه نظم الأراضي نحو نتائج مجتمعية وبيئية إيجابية في وقت يتزايد فيه الاهتمام بالتغيرات عبر نظم الأراضي.

تحسين استراتيجيات مراقبة الأراضي

وفي السياق ذاته، يمكن تحسين النمذجة من خلال بيانات أفضل وتكامل مع النماذج المتاحة. يمكن أن توفر البيانات ذات الدقة المكانية والزمنية العالية فهماً مفاهيمياً أفضل. ومن المهم الحفاظ على الاستمرارية الزمنية والمكانية للبيانات من خلال الأقمار الصناعية الصغيرة، وخوارزميات معالجة الصور، والبيانات الجديدة لربط المعلومات القائمة على الأقمار الصناعية بمعلومات إدارة الأراضي.

النهج الهجينة

وفي هذا السياق، لا تقتصر الكثير من النماذج على أحد النهج المذكورة أعلاه فحسب، بل قد تدمج بين عدة نهج من أجل تطوير نموذج شامل ودقيق تماماً.

التقييم

عدم اليقين في النموذج

المنهجيات

في هذا الإطار، علاوة على ذلك، فإن تصميم نماذج تغير الأراضي هو نتاج لكل من عملية صنع القرار والعمليات الفيزيائية. ومن المهم أخذ التأثير البشري على البيئة الاجتماعية الاقتصادية والبيئية في الاعتبار، لأنه يغير باستمرار الغطاء الأرضي ويزيد أحياناً من عدم اليقين في النموذج. ولتجنب ذلك وتفسير مخرجات النموذج بدقة أكبر، يتم استخدام "تشخيص النموذج" لفهم الروابط بين النماذج ونظام الأرض الفعلي. وتكمن الأهمية العامة لتشخيص النموذج في قدرته على تقييم كيفية تمثيل العمليات المتفاعلة والمناظر الطبيعية، فضلًا عن تحديد عدم اليقين داخلها.

من جهة ثانية، من الخصائص البارزة لجميع نماذج تغير الأراضي أنها تنطوي على مستوى لا يمكن اختزاله من "عدم اليقين" (Uncertainty) في هيكل النموذج، أو قيم المعلمات، أو بيانات المدخلات. مثلًا، ينجم أحد أنواع عدم اليقين في نماذج تغير الأراضي عن عدم الاستقرار الزمني الموجود في عمليات تغير الأراضي؛ فكلما زاد امتداد النموذج في المستقبل، زاد عدم اليقين فيه. وهناك نوع آخر من عدم اليقين يتعلق بالبيانات والمعلمات ضمن المبادئ الفيزيائية (مثل طبوغرافيا السطح)، مما يؤدي إلى عدم اليقين في القدرة على فهم وتوقع العمليات الفيزيائية.

فرص التنفيذ

التحسين والتطوير

إضافةً إلى ذلك، يستعمل العلماء نماذج تغير الأراضي لبناء واختبار النظريات لمجموعة متنوعة من الديناميكيات البشرية والبيئية. وتعد هذه النماذج مكوناً رئيسياً في ، الذي يقيم النتائج طويلة المدى للغطاء الأرضي والمناخ. وتستعمل التخصصات العملية هذه النماذج لتحليل اتجاهات تغير الأراضي الحالية واستكشاف النتائج المستقبلية للسياسات أو الإجراءات من أجل وضع مبادئ توجيهية مناسبة.

مواءمة خيارات النموذج مع أهدافه

إضافةً إلى ذلك، من المهم اختيار نهج النمذجة المناسب بناءً على السياق العلمي والتطبيقي. مثلًا، عند تصميم نموذج لصناع السياسات، قد يكون النموذج القائم على الوكلاء هو الأنسب. بينما عندما تكون الحاجة لفهم الأنماط والاتجاهات العلمية في المراحل الأولى لتحديد المشكلة، تكون أساليب تعلم الآلة والنهج الخلوية أكثر فائدة.