Syndrome Problemfelder des Globalen Wandels? - Fuzzy-Logik Entscheidungsbäume in der
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1
Fuzzy-Logik Entscheidungsbäume
in der
GIS-gestützten Analyse
von Problemfeldern des
Globalen Wandels
Martin Cassel-Gintz
CDE - Zentrum für Entwicklung und Umwelt
Geographisches Institut
Universität Bern
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
2
Problemfelder des Globalen Wandels?
Æ Syndrome
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
3 Syndromkonzept – Grundelemente:
Symptome
Soil-
Loss of degradation
Biodiversity
Reg. & Global
Conversion of Climate Change
Ecosystems
Changing
Groundwater Table
Emancipation Intensification & Expansion
of Women of Agriculture
Impoverishment
Globalisation
Policy Failure: of Markets
Increasing Environ- Mismanagement / Corruption
mental Awareness
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
4
Syndrome des Globalen Wandels
Grundelemente: Symptome
• Grundelemente der systemanalytischen
Beschreibung der Dynamik des Globalen
Wandels.
• transdisziplinäre Zusammenschau der
wichtigsten Entwicklungen des Globalen
Wandels als qualitative Elemente.
• bezeichnen komplexe natürliche oder
anthropogene, dynamische Phänomene
ohne Auflösung der internen Vorgänge.
• unbewertet umgangssprachlich definiert.
• durch Indikatoren messbar.
• beinhalten die temporalen Charakteristika
der spezifischen Trends; X = ( X , X& , X
&& ,...)
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
5 Syndromkonzept – Grundelemente:
Symptome → Wechselwirkungen
Soil-
Loss of degradation
Biodiversity
Reg. & Global
Conversion of Climate Change
Ecosystems
Changing
Groundwater Table
Emancipation Intensification & Expansion
of Women of Agriculture
Impoverishment
Globalisation
Policy Failure: of Markets
Increasing Environ- Mismanagement / Corruption ?
mental Awareness
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
Grundelemente: Wechselwirkungen
• Verknüpfungselemente der system-
analytischen Beschreibung der Dynamik
des Globalen Wandels.
• spezifizieren die Form der Kausalbeziehung
zwischen Symptomen unter bestimmten
gegebenen Bedingungen.
• zwischen einem einzelnen Symptompaar
oder synergistisch zwischen mehreren an
einer Kausalbeziehung beteiligten
Symptome.
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
7 Syndromkonzept – Grundelemente:
Symptome → Wechselwirkungen → Syndrome
Soil-
Loss of degradation
Biodiversity
Reg. & Global
Conversion of Climate Change
OVEREX- Ecosystems
PLOITATION Changing
SYNDROME Groundwater Table
Emancipation Intensification & Expansion
of Women of Agriculture
Impoverishment
Globalisation
Policy Failure: of Markets
Increasing Environ- Mismanagement / Corruption ?
mental Awareness
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
8 Syndromkonzept – Grundelemente:
Symptome → Wechselwirkungen → Syndrome
Soil-
Loss of degradation
Biodiversity
Reg. & Global
Conversion of Climate Change
Ecosystems
Changing
SAHEL
Groundwater Table
SYNDROME
Emancipation Intensification & Expansion
of Women of Agriculture
Impoverishment
Globalisation
Policy Failure: of Markets
Increasing Environ- Mismanagement / Corruption ?
mental Awareness
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
9 Syndromkonzept – Grundelemente:
Syndrome als global auftretende Muster
Syndrome A
B
A
Syndrome B
C
B
Syndrome C
A
C
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
Grundelemente: SYNDROME
• nicht-nachhaltige Entwicklungspfade in archetypischen
Mustern der Zivilisation-Natur-Wechselwirkung.
• charakteristische Konstellationen von Symptomen und
ihren Wechselwirkungen.
• nur über die Kausalbeziehungen zwischen den
einzelnen Elementen erklärbar.
• anthropogen verursachte Schädigungsmuster.
• Interaktionsmuster komplexer Phänomene.
• werden mittels interdisziplinärer und inter-sektoraler
Ursache-Wirkungskomplexe semi-formalisiert.
• über die einzelnen Sphären des Erdsystems hinweg
formuliert.
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
Bisher wurden vom WBGU 16 globale Syndrome in 3
Gruppen identifiziert:
Syndromgruppe „Nutzung“
• unangepassten Nutzung von Naturressourcen als
Produktionsfaktoren
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
12
Syndrome des Globalen Wandels
1. Das Sahel-Syndrom:
Landwirtschaftliche Übernutzung marginaler Standorte
2. Das Raubbau-Syndrom:
Raubbau an natürlichen Ökosystemen
3. Das Landflucht-Syndrom:
Umweltdegradation durch Preisgabe traditioneller
Landnutzungsformen
4. Das Dust-Bowl-Syndrom:
Nicht-nachhaltige industrielle Bewirtschaftung von Böden, Wäldern
und Gewässern
5. Das Katanga-Syndrom:
Umweltdegradation durch Abbau nicht-erneuerbarer Ressourcen
6. Das Massentourismus-Syndrom:
Erschließung und Schädigung von Naturräumen für
Erholungszwecke
7. Das Verbrannte-Erde-Syndrom:
Umweltzerstörung durch militärische Nutzung
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
Bisher wurden vom WBGU 16 globale Syndrome in 3
Gruppen identifiziert:
Syndromgruppe „Nutzung“
• unangepassten Nutzung von Naturressourcen als
Produktionsfaktoren
Syndromgruppe „Entwicklung“
• Mensch-Umwelt-Probleme aus nicht-nachhaltigen
Entwicklungsprozessen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
8. Das Aralsee-Syndrom:
Umweltschädigung durch zielgerichtete Naturraumgestaltung
im Rahmen von Großprojekten
9. Das Grüne-Revolution-Syndrom:
Umweltdegradation durch Verbreitung standortfremder
landwirtschaftlicher Produktionsverfahren
10. Das Kleine-Tiger-Syndrom:
Vernachlässigung ökologischer Standards im Zuge
hochdynamischen Wirtschaftswachstums
11. Das Favela-Syndrom:
Umweltdegradation durch ungeregelte Urbanisierung
12. Das Suburbia-Syndrom:
Landschaftsschädigung durch geplante Expansion von Stadt-
und Infrastrukturen
13. Das Havarie-Syndrom:
Singuläre anthropogene Umweltkatastrophen mit
längerfristigen Auswirkungen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
Bisher wurden vom WBGU 16 globale Syndrome in 3
Gruppen identifiziert:
Syndromgruppe „Nutzung“
• unangepassten Nutzung von Naturressourcen als
Produktionsfaktoren
Syndromgruppe „Entwicklung“
• Mensch-Umwelt-Probleme aus nicht-nachhaltigen
Entwicklungsprozessen
Syndromgruppe „Senken“
• Umweltdegradation durch nicht angepasste
zivilisatorische Entsorgungsanforderungen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
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Syndrome des Globalen Wandels
14. Das Hoher-Schornstein-Syndrom:
Umweltdegradation durch weiträumige diffuse Verteilung
von meist langlebigen Wirkstoffen
15. Das Müllkippen-Syndrom:
Umweltverbrauch durch geregelte und ungeregelte
Deponierung zivilisatorischer Abfälle
16. Das Altlasten-Syndrom:
Lokale Kontamination von Umweltschutzgütern an
vorwiegend industriellen Produktionsstandorten
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
17 Das Syndromkonzept
Anhand von Fallstudien untersucht man die auftretenden
Probleme in den unterschiedlichen Bereichen.
Eine Liste von Trends (Symptomen), die den
verschiedenen Bereichen zugeordnet sind, dient als
Hilfsmittel, um die Probleme einzuordnen.
Durch den Aufbau von Verknüpfungen und
Kausalbeziehungen entwickelt man ein Ursache-
Wirkungs-Beziehungsgeflecht.
Vergleicht man diese Verflechtung mit anderen
Beispielen ergibt sich ein typisches Muster,
das Krankheitsbild oder Syndrom
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
18 Das Syndromkonzept
Grundthese:
Der Globale Wandel lässt sich in seiner
Dynamik auf eine überschaubare Zahl
von Kausalmustern in den Mensch-
Umwelt Beziehungen zurückführen.
Die nicht-nachhaltigen
Entwicklungsverläufe dieser
dynamischen Muster werden als
Syndrome des Globalen Wandels
bezeichnet.
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
19 Bsp.: Entwaldung in Amazonia
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
20 Entwaldung in Amazonia: Ursachen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0721 Hauptmuster der Entwaldung in Amazonia
• die nicht-nachhaltige industrielle
Bewirtschaftung von Böden oder
Gewässern (Konversion von Wald
zu landwirtschaftlicher Nutzfläche)
- das DUST-BOWL-SYNDROM
• die Armutsgetriebene landwirtschaft-
liche Übernutzung marginaler
Standorte (Brandrodungswanderfeldbau /
Brennholzsammlung) - das SAHEL-SYNDROM
• die Übernutzung von biologischen Ressourcen /
Ökosystemen (globale Stammholzexploitation,
Holzkohlegewinnung) - das RAUBBAU-SYNDROM
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
22 Das RAUBBAU-SYNDROM
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0723 Das RAUBBAU-SYNDROM
Übernutzung biologischer Ressourcen
Raubbau an natürlichen Ökosystemen
• terrestrische & marine Ökosysteme
• Überschreiten der natürlichen
Regenerationsfähigkeit
• motiviert durch gesellschaftliche und
wirtschaftspolitische Entwicklungen
Globale Beispiele:
• globale Stammholzexploitation
• Holzkohleerzeugung
• Überfischung
• Rote Liste (Nashörner, Büffel, Wale,
Pelze, etc.)
Syndromfolgen:
⇒ Konversion und Degradation artspezifischer Lebensräume
⇒ regionale Reduzierung der genetischen und Artenvielfalt
⇒ Erosion, morphologische Änderungen
⇒ regionale und globale Klimaänderungen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
24 Syndromanalyse
1. Hypothesenbildung →
Inspektion
Musterhypothese
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0725
Qualitative Informationen aus Fallstudien
Beispielhafte Aussage aus einer Fallstudie:
Quelle: Verissimo A., Baretto P., Tarif R. and Uhl C. (1995)
Extraction of a high-value natural resource in Amazonia: the case of
Mahogany. Forest Ecology and Management, Vol. 72, p. 39-60.
“Damage to the vegetation was caused during the felling of
mahogany trees and in the opening of skid trails, logging roads, and
log landings (Fig. 4). For each mahogany tree harvested, 58 m of
logging road was opened, equivalent to 583 m² of scraped ground
and debris surface per harvested tree. In addition, for every
harvested tree, the skidder traversed, on average, 125 m of forest
affecting approximately 493 m² of forest understorey. “
…
“Damage indices (Table 4) reveal that 31 trees were damaged for
each mahogany tree extracted (average of Sites 1, 2, and 3). The
majority of these damaged trees (68%) were pushed over; 29%
suffered trunk breakage or significant crown loss; and the remaining
3% experienced extensive bark removal.”
Zunehmende Übernutzung Schädigung von Ökosystemen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
26 Syndromanalyse
1. Hypothesenbildung →
syndromspezifisches
Inspektion Beziehungsgeflecht
Zusammen-
hangswissen
Musterhypothese semi-formale
Beschreibung
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0727
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
28
Vieles ist heute kompliziert!
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07Vieles ist heute kompliziert!
29
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
Vieles ist heute kompliziert!
30
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0731
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
32 Syndromanalyse
“Wo kann es passieren?“
2. Syndromdiagnose → Disposition
syndromspezifisches TOOLBOX
Beziehungsgeflecht
globale
Datensätze
GIS
Fuzzy-Logik
Fallstudien
qualitative
Modellierung
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0733 Syndromanalyse
Disposition-Entscheidungsbaum
gut erreichbarer
Wald
hohe Wald-
bestandsdichte
hohe Disposition
für das
RAUBBAU-SYNDROM
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
34 Fuzzy Logik
“Herkömmliche” oder Boolsche Logik:
• Wahrheitswert (Zugehörigkeitswert) von
entweder 1 (wahr) oder 0 (falsch)
Beispiel:
• Wer gehört zur Gruppe der „alten Leute“?
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0735 Fuzzy Logik
“Herkömmliche” oder Boolsche Logik:
• Zugehörigkeit zur Menge „alte Leute“
1 • ••
0.5 ?
0 • • 20• 40 60 80
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
36 Fuzzy Logik
“Herkömmliche” oder Boolsche Logik:
• Zugehörigkeit zur Menge „alte Leute“
1
nicht
“alt” “alt”
0.5
0
20 40 60 80
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0737 Fuzzy Logik
Fuzzy Logik:
• Wahrheitswert (Zugehörigkeitswert)
zwischen
1 (komplett wahr) oder
0 (komplett falsch)
Beispiel:
• Wer gehört zur Gruppe der „alten Leute“?
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
38 Fuzzy Logik
Fuzzy Logik:
• Zugehörigkeit zur Menge „alte Leute“
1 • ••
• •
nicht • • “alt”
0.5
“alt”
•? •
• •
•
• •
0 • • 20• 40 60 80
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0739 Fuzzy Logik
Boolsche Verschneidungsoperatoren:
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
40 Fuzzy Logik
Fuzzy Verschneidungsoperatoren:
UND (minimum) ODER (maximum)
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0741 Syndromanalyse
Fuzzy-Logik - Verschneidung
Kompensatorischer Fuzzy-UND-Operator:
μhoch
Dispositio n
= μ (gut erreichbarer Wald ∧
)
hohe Waldbestandsdichte)
= eK0.5 (μhoch
Walderreichbarkeit
, μhoch
Bestandsdichte
)
= {μhoch
Walderreic hbarkeit
⋅ μhoch
Bestandsdi chte
}
μhoch
Bestandsdi chte
μhoch
Walderreichbarkeit
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
42 Syndromanalyse
Disposition-Entscheidungsbaum
Biomassen-
dichte
gut erreichbarer
Wald ?
hohe Wald-
bestandsdichte
hohe Disposition
für das
RAUBBAU-SYNDROM
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0743 Fuzzy Logik
Fuzzyfizierung
Linguistische Variable „hohe Waldbestandsdichte“
μ Waldbestandsdichte μling (
.Kat. mit 0 ≤ μ ≤ 1
Variable
)
hoch 1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 4 7
-2
Biomasse [kg C m ]
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
44 Syndromanalyse
Disposition-Entscheidungsbaum
Biomassen-
dichte
gut erreichbarer
Wald
hohe Wald-
bestandsdichte
hohe Disposition
für das
RAUBBAU-SYNDROM
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0745 Syndromanalyse
Disposition-Entscheidungsbaum
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
46 RAUBBAU-SYNDROM: Disposition
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0747 RAUBBAU-SYNDROM: Intensität
μ hoch
Intensität
= μ (Übernutzung ∧ Politikversagen) = min {μ hoch
Übernutzung
, μ hoch
Politikversagen
}
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
48
Wirkungsmechanismen zwischen den Mustern
Das
„Fischgrätenmuster“
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0749
Qualitative Informationen aus Fallstudien
Beispielhafte Aussage aus einer Fallstudie:
Quelle: Verissimo A., Baretto P., Tarif R. and Uhl C. (1995)
Extraction of a high-value natural resource in Amazonia: the case of
Mahogany. Forest Ecology and Management, Vol. 72, p. 39-60.
“In addition to providing loggers with access to mahogany stocks, these
roads offer entry points for settlers seeking land. For example, from 1985
to 1992, human colonists pushed steadily northward from Tucuma in
annual increments of 25-50 km along the principal logging road, Morada
do Sol (Fig. 5). … These colonists were practicing slash-and-burn
agriculture and many (85%) had established small pastures. Forty percent
of the land in these small holdings was deforested within the 7 year period,
1985-1992.”
Raubbau Sahel
Syndrom Syndrom
Auslöser
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
50
Wirkungsmechanismen zwischen den Mustern
⇒ Die Erschließung einer
Region als Auslöser
(Exposition) anderer
Entwaldungsmuster
= Waldgefährdung über
die Kopplung aktiver
Syndrome
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07RAUBBAU-SYNDROM: Syndromverknüpfung
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Fragestellung:
Wo werden Wälder durch spezifische Prozesse des GW
(Æ Syndrome) geschädigt oder gefährdet ?
1. Die aggregierte Gesamtgefährdung – GI
(Summe der Syndromdispositionen)
2. Die aktuelle Schädigung und
Gefährdung – AGI
(Summe der Syndromintensitäten)
3. Die zukünftigen Gefährdung durch
Syndromkopplungsmechanismen - GIK
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
RAUBBAU-SYNDROM: Syndromverknüpfung
52
Die zukünftige Gefährdung Amazonias durch
Syndromkopplungsmechanismen
Indikator GIK:
⇒ Wo kommt es durch die
Aktivität von bestimmten
Prozessen zur Initiierung
anderer Mechanismen der
Waldgefährdung?
= Waldgefährdung über die
Kopplung zu bereits aktiven
Syndromen
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07RAUBBAU-SYNDROM: Syndromverknüpfung
53
Die zukünftigen Gefährdung durch
Syndromkopplungsmechanismen
Indikator GIK:
⇒ Exposition durch Syndrome
Mögliche Kopplungen:
1. Flächenerschließung durch Holzeinschlag
2. Nutzungsaufgabe durch marktorientierte Akteure
→ Nachzug landloser Kleinbauern (möglich, aber
nicht häufig)
3. Verdrängung von Kleinbauern durch politisch und
ökonomisch mächtigere Akteure
Æ gewalttätige Verdrängung, moderne Sklaverei
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
RAUBBAU-SYNDROM: Syndromverknüpfung
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Indikator GIK:
⎛ 64444444 ⎞
1.
4744444444 8
⎜ (( ∧ ∧ ¬ SI ) ∨ (RI ∧ DD ∧ ¬ DI )) ∨ ⎟
μ GIK =μ ⎜ RI SD ⎟
hoch ⎜ 644 2.
47444 8 64447444
3.
8 ⎟
⎜ ⎟
⎝ (DI ∧ SD ∧ ¬ SI ) ∨ (SI ∧ DD ∧ ¬ DI ) ⎠
1.
⎧ 6444444444447444444444448 ⎫
⎪ min( μ RI μ SD − μ SI )+ (μ RI μ DD − μ DI ) + ⎪
⎪ 1, hoch , hoch , 1 hoch min hoch , hoch , 1 hoch ⎪
= min⎨ ⎬
2.
8⎪
3.
⎪ 64444744448 64444 4744444
⎪⎩ min(μ DI , μ SD , 1 − μ SI ) + min(μ SI , μ DD , 1 − μ DI )⎪
hoch hoch hoch hoch hoch hoch ⎭
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07RAUBBAU-SYNDROM: Syndromverknüpfung
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Fuzzy-Logik
Bsp.: Das RAUBBAU-SYNDROM als
Exposition für das SAHEL-
RI SYNDROM in Amazonia
SD
=min(μhoch, μhoch, 1 −μhoch)
¬SI
μhoch
SE RI SD SI
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
RAUBBAU-SYNDROM: Syndromverknüpfung
56
Globale Gefährdung durch
Syndromkopplungsmechanismen
obere Abschätzung
untere Abschätzung
Martin Cassel-Gintz, 27.06.0757 Weitere Anwendungen des
Syndromkonzepts
• Szenarienanalyse Æ
Risikoabschätzung für GCC Einfluss
• Identifikation globaler Hotspots
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
Risikoabschätzung für GCC Einfluss
58 quantitive part qualitative part
calculation of basic indicators using fuzzy logic based evaluation of basic indicators
quantitative models
plant insufficient
productivity climatic
neural net based conditions
plant productivity
model unfavourable
growth con-
ditions
soil poor high natural
fertility soils disposition
temperature
GLOBAL high risk high
slope of erosion disposition
irradiation FAO
soil type
CLIMATE high s oc ial
water supply dis pos ition
incl. irrigation precipitation
deficit of high proportion
food import food supply of subsistance
via market farming
model to estimate
global runoff and
river discharges domestic food
production for fraction of lack of
slope market food export laborforce in alternatives
agriculture
LEGEND
basic indicators linguistic fuzzy OR operators: comparative
quantitative maximum
model variable +
quantitative data category fuzzy AND operators: minimum compensational
gridded input (0.5°x0.5°): local data global data truth value nation-wide input: data truth value
„Frühwarnsystem“
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07Analyse von mehreren Syndromintensitäten
Æ „Syndrom –Hotspots“
59
Martin Cassel-Gintz, 27.06.07
60
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