Modelle bei der Erkl

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Modellbildung im Überblick
1. Sem. Einführung Ökologie G5 (1V)
4. Sem. Modellbildung in der Geoökologie G5 (2
V)
Simulations- modelle M103 (1V 3P)
Zeitreihen-analyse (2V 2P)
Funktionen vonÖkosystemen (2S 2P)
Seminare (2S) AL, ÖS-Modelle, Nachhaltigkeit,
Zustandsmodelle, ...
Umweltinformations- (2S) Geoinformations-
(2V)Systeme (neu)
5.-7. Ökologische Modellbildung M103 (2V)
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Modellbildung im Überblick
1. Sem. Stoffkreislauf, Organismen,
Nutzungsgeschichte
4. Sem. Zustandsmodelle, Populationen, Transport
Sim.-Mod VENSIM Wirkung Parameter
ZRA. Methoden, Daten, belebt unbelebt?
Tracer-Exp. Parameter -Identifikation
Seminare Beispiele, Anwendungen,
UIS Monitoring, Bewertung GIS räumliche
Daten-analyse
ÖMod. Interaktive und algorithmische Modelle
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Kernpunkte der Veranstaltungen in G5

• Der erste Zugang (Physik und Chemie) orientierte
  sich an den Stoff und Energieflüssen
• Wie gelangt man zu einer lokalen Beschreibung?
• Der zweite Zugang orientiert sich an den
  Organismen
• Wie berücksichtigt man die Individualität und
  Geschichtlichkeit ?
• Der dritte Zugang orientiert sich an der Praxis
  der Ökosystemnutzung
• Diese Nutzungen kommen meist nicht aus der
  Wissenschaft
• Hier treten viele Umweltprobleme auf
• Geoökologie ist ein Lösungsansatz

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Motivation

• Ausgangslage
• Naturwissenschaftliche Fakten beschreiben
  Änderungen in der Umwelt.
• Sind die Folgen und deren Wirkungen absehbar?
• Auf welcher Basis lassen sich die Folgen und
  Wirkungen bewerten?
• Wie gelangt man zu einer Arbeitsteilung innerhalb
  der Wissenschaften ?
• Geoökologie (verstanden als Umweltnaturwissenschaf
  t) ist ein Ansatz der auf Ursachenforschung
  abzielt
• Ist Kausalität stets eine geeignete Kategorie ?
• Was sind die Alternativen ?
• Wie gelangt man zu einer Arbeitsteilung zwischen
  der Wissenschaften und der Praxis ?
• Welche Kategorien werden gemeinsam benutzt ?
• Schnittstellen ?

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Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS
2004

• 29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen
• 6.5. Definition von Ökosystemen, Phänomenologie
• 13.5. Zustandsmodelle, zelluläre Automaten
• 27.5. Populationsmodelle (FK)
• 3.6. Individuenbasierte Modelle (FK)
• 17.6. Transportgleichungen und -modelle
• 24.6. Konzeptionelle Modelle der Hydrologie
• 1.7. Fallbeispiel Gårdsjön Parameteridentifikat
  ion
• 8.7. Modelle zur Gewässerversauerung
• 15.7. Flussnetzwerke, Modelle in der
  Geomorphologie
• 22.7. Besprechung der Übungsaufgaben (FK)
• 1-2 weitere Termine Besprechung der
  Übungsaufgaben (FK)

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Ökologische Modellbildung

• Warum Modellbildung?
• Was ist ein Modell?
• Was ist ein Ökosystem?
• Funktionelle Aspekte (Geo z.B.
  Wassereinzugsgebiet)
• Strukturelle Aspekte (Bio z.B. Nahrungsnetze)
• Interaktive Aspekte (Nutzungs-Traditionen)
• Analogien, Methoden der Modellbildung
• Welche Probleme können mit Computermodellen
  gelöst werden ?
• Worin besteht der technische Fortschritt?

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Was ist ein Modell ?

• Modell von was ?
• Für was, Zu welchem Zweck ?
• Womit ?
• Welche Leitbilder (Paradigmen), Abstraktionen,
  Begriffe ?
• Erfolgskriterien
• Realistisch wahr oder falsch ?
• Nützlich gut oder schlecht ?
• Sicherheit ...
• Konsistent innere und äußere ?
• Welche Techniken ?
• Numerische Verfahren (Pesch)
• Zeitreihenanalyse (Lischeid/Hauhs)
• Programmiertechniken (NN. Informatik)

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Herkunft des Modell-Begriffes

• Latein Modus, Modulus
• Art, Weise, Form, Maß, Gefäß, Menge,...
• Seit 10. Jhd. Model
• Frühhochdeutsch Modell Lehnwort aus dem
  Lateinischen im Sinne von Form, Muster Vorbild
• Ital. Renaissance modello
• Wird gleichzeitig im Sinne von Vorbild und Abbild
  verwendet
• 19. Jhd. Wissenschaftliche Modelle
• (Ernst Mach Die Atomtheorie...ist ein
  mathematisches Modell zur Abbildung von
  Thatsachen)
• Aktuell
• Vorbild und Abbild
• Abstrakte, stoffliche, rituelle Konstruktionen

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Merkmale eines allgemeinen Modell-Begriffes (nach
Stachowiak 1973)

• Formal logisch als dreistellige Relation von
• Wirklichkeit (Original),
• Modell und
• modellbildenden Subjekt
• Hauptmerkmale
• Abbildungsmerkmal (Wahrnehmung)
• Wiederholungsmerkmal (Gedächtnis)
• Verkürzungsmerkmal
• Subjektivierungs- bzw. pragmatisches Merkmal
• Funktion oder Interaktion? (Hauptstudium)

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Was ist ein Modell ?
Ein Pfeil !
Bild-bereich
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Modell von Was?
Zustand
Verhalten
Ein Pfeil

• Physik Verhalten resultiert aus
  Zustands-Änderungen Dabei drücken einfache
  Gleichungen die Naturgesetze aus

• Informatik Zustände können auf Verhalten zurück
  geführt werden Vollständige (Verhaltens)-muster
  drücken die Reaktionsnormen aus

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Modellierung (nach Robert Rosen)
Naturgesetze
Naturgesetze stehen für eine Übertragung (engl.
entailment), die durch Kausalität (links) oder
durch Logik (rechts) hervor gebracht wir
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Regeln der wissenschaftlichen Transformation

• Intersubjektivität (Kommunikation)
• Logische Regeln (Mathematik)
• Inhaltliche Regeln (Theorie)
• Regeln der Beschreibung der Symbole
  (Systemabgrenzung, Messung)
• Prinzipien der Abstraktion (Einfachheit,
  Vollständigkeit).

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Die Rolle von Modellen in verschiedenen
Wissenschaften
Modelle
Modelle
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Reicht das ?

• Was für Annahmen haben wir bis jetzt gemacht ?
• Hätten wir auch anders anfangen können ?
• Haben andere Kulturen das gemacht?
• Wie hat sich durch das Aufkommen von Computern
  geändert?

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Historisches Beispiel Ansätze für
Bewegungsmodelle

• Newton
• Kraft zur Veränderung von Bewegung
• Bewegung als Zustand
• Anfangsbedingungen legen Entwicklung fest
• abstraktes Modell
• idealisierte Experimente

• Aristoteles
• Kraft zur Aufrechterhaltung von Bewegung
• Bewegung als Prozeß
• Ende der Bewegung bekannt
• realistisches Modell
• anschauliche Demonstration

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Metaphern als Modell

• Bildhafte, qualitative Analogien
• ohne Encoding (R.Rosen)
• typischer Vergleich (die eine Seite wird dabei
  als selbstverständlich vorausgesetzt)
• Metaphern der Ökosystemforschung
• Räderwerk, Uhrwerk (mechanische Metaphern)
• Chemische Fabrik, Ursuppe (thermodynamische M.)
• Kommunikationsnetzwerke, Agenten (Computer M.)

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Modellbildung in der Informatik

• UML (unified modeling language) ist zum Standard
  der Modellbildung in der Informatik geworden
• OMG (object management group) Vereinigung von
  Entwicklern und Anwendern objektorientierter
  Technologien, die versuchen einen Standard zu
  schaffen
• Seit 1995

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Beispiel Zeitreihen

• Ausgangspunkt ist eine Chronik von Daten
• z.B. Liste von eingeschriebenen Studenten
• Liste von Planetenpositionen
• Liste von Abflussereignissen
• ...
• Beziehung zwischen den Attributen suchen
• Beziehung zwischen aufeinander folgenden Daten
  suchen
• Kann die als (rekursive) Gleichung geschrieben
  werden ?

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Übungsaufgaben I

• Finden sie Beispiele für Verwendung des
  Modellbegriffes und versuchen Sie diese nach dem
  vorgestellten Schema zu klassifizieren als
• (Abbildungs)-Funktionen,
• Vorbild-Funktion oder
• Weitere Fälle (Interaktionen?)
• Installieren Sie FRACTINT und untersuchen Sie,
  welche Abhängigkeit die Visualisierung der
  Mandelbrotmenge vom Abbruch-Kriterium hat
• http//spanky.triumf.ca/www/fractint/fractint.html
  
• Wie leicht gelingt es Ihnen in einem
  interessanten Bereich zu bleiben, Wovon hängt das
  ab?
• Halten sie die erste Implementierung dieser Menge
  durch Mandelbrot für eine Erfindung oder eine
  Entdeckung?