ecovirt:roteiro:pad_spat

Diferenças

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—ecovirt:roteiro:pad_spat [2022/09/27 15:40] (atual) – criada - edição externa 127.0.0.1
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 +====== Estrutura Espacial ======
 +
 +Nesse tutorial vamos tratar do reconhecimento de um dos padrões mais básicos de uma população de plantas: se os indivíduos estão espacialmente mais próximos ou mais afastados do que seria esperado se simplesmente fossem distribuídos ao acaso ((ou seja, a localização de um indivíduo não melhora a predição de onde outros indivíduos podem estar)). 
 +
 +===== Objetivo =====
 +
 +{{  :ecovirt:roteiro:26_fha_rshow_terra3.jpg?300|}}
 +Investigar o padrão espacial em populações de plantas e discutir quais processos subjacentes poderiam gerar os padrões observados. Antes de tudo, porém, precisamos definir alguns conceitos. 
 +
 +===== Contexto =====
 +
 +Um padrão espacial é uma estrutura previsível que pode ser detectada e quantificada. Em geral, considera-se que um padrão é uma estrutura diferente do aleatório, entretanto, no caso dos padrões espaciais (e outros também) o padrão aleatório também pode ser considerado um padrão, afinal tem {{:ecovirt:roteiro:26_fha_rshow_terra5.jpg?300  |}}alguma previsibilidade ((por exemplo, em relação ao número médio de indivíduos)) e pode ser detectado e quantificado. Existem diversas métricas utilizadas para descrever a distribuição de indivíduos que são capazes de diferenciar, com maior ou menor eficiência, os três padrões espaciais básicos: aleatório, homogêneo e agregado.
 +<WRAP center round box 60%>
 +//**__Padrões Espaciais__**//
 +  * ''aleatório'': a distribuição dos indivíduos não é diferente do que seria esperado por uma distribuição ao acaso;
 +  * ''regular'' ou ''homogêneo'': os indivíduos estão regularmente espaçados. É chamado também de padrão disperso, pois está relacionado ao maior distanciamento possível entre indivíduos;
 +  * ''agregado'': os indivíduos estão mais próximos do que esperado por um padrão aleatório, formando agrupamentos.
 +</WRAP>
 +
 +
 +
 +Detectar um padrão espacial pode ser importante tanto para entender os mecanismos que geram o padrão, como para decidir o método e a escala de amostragem e planejar o manejo de uma população. Algumas propriedades desejáveis de uma medida do padrão espacial são:
 +
 +  * diferenciar claramente o padrão;
 +  * não ser afetada por: tamanho da amostra, densidade populacional ou pela variação no tamanho e na forma da amostra;
 +  * ser estatisticamente tratável: passível de calcular a incerteza do valor e testar a diferenças entre amostras.
 +
 +Para essa prática usaremos uma estimativa de aleatoriedade de pontos chamada K-Ripley (e sua padronização chamada L-Ripley). Primeiro iremos utilizar dados de distribuição simulados com diferentes padrões e em seguida utilizar a mesma técnica para detectar o padrão espacial em uma população natural. 
 +<WRAP round box center leftalign 100% >
 +//**__Roteiro__**//
 +
 +/* [[ep1| Parte 1]]: simulando amostras dentro da parcela; 
 +
 +   * [[2019:roteiros:ep2|Padrão Multiescala]]
 +*/
 +</WRAP>
 +
 +
 +===== Padrões multiescala =====
 +
 +<WRAP center round box 40%>
 +
 +{{ :ecovirt:roteiro:pattern.jpg  |}}
 +
 +
 +</WRAP>
 +
 +/* 
 +O roteiro de [[ep1|índice de dispersão]]((podem rodá-lo em outro momento!)) demonstra como o padrão de distribuição pode ser afetado pelo tamanho da parcela usada. Isso significa que o padrão espacial pode ser **dependente de escala**.
 +*/
 +Nesta  prática vamos quantificar o padrão espacial usando um método multiescala. Os métodos de multiescala permitem, com uma única métrica, avaliar como o padrão espacial varia com a escala. Iremos descrever o padrão espacial para o conjunto total de indivíduos em uma população em uma área delimitada e iremos avaliar o padrão desde a escala da vizinhança dos indivíduos até a escala mais ampla da população. 
 +<WRAP right round box 25%>
 +{{  :ecovirt:roteiro:mandelbrot-fractals-o.gif?|}}
 +</WRAP>
 +
 +
 +Para a prática vamos utilizar um programinha chamado [[https://www.ufz.de/index.php?en=41413|Programita]], feito pelo pesquisador Thorsten Wiegand para quantificar o padrões espaciais usando medidas multiescala baseadas em distância entre pontos. Para baixar o manual do **Programita** clique 
 +
 +{{:ecovirt:roteiro:manualprogramita2004b.pdf|aqui}}. 
 +
 +No **Programita** existem várias medidas que podem ser usadas para calcular o padrão espacial, vamos usar duas delas:  o  **K de Ripley (na verdade, vamos usar sua padronização L-Ripley)** e o **O-ring**. 
 +
 +Ambas são abordagens baseadas em pontos, que utilizam o cálculo de distâncias ponto a ponto dentro de uma área delimitada. Essas medidas podem ser usadas para análises univariadas, ou seja, identificando o padrão para uma única classe de pontos, ou para análises bivariadas, que identifica o padrão entre dois tipos de pontos. As análises bivariadas podem ser usadas no contexto de populações para verificar se indivíduos de um dado estágio estão espacialmente associados a outro, ou no contexto de estruturação de comunidades para analisar se há atração ou repulsão na ocorrência de uma espécie em relação a outra. 
 +
 +==== K de Ripley  ====
 +{{:ecovirt:roteiro:ripleys_game.jpg?100  |}} 
 +
 +O  K de Ripley é uma medida da densidade média ao redor de cada ponto. Para cada ponto na área de estudo é calculada a densidade no interior de um círculo de raio r centrado no ponto (área cinza da figura). Em seguida, calcula-se uma média desses valores obtidos para todos os pontos.
 +
 +<WRAP center round box 80%>
 +{{  :ecovirt:roteiro:lripley.jpg?200  |}}
 +Figura: Implementação da estatística L de Ripley: contagem do número de pontos distantes de ''i'' no interior do círculo de raio ''r''. Extraído de Wiegand & Moloney (2004).
 +
 +</WRAP>
 +
 +
 +A operação é repetida para diferentes valores de ''r'', que permite avaliar de maneira contínua o valor de ''K'' para diferentes escalas. 
 +
 +
 +K(r)=∑ii≠jI(dij<r)n1λ
 +
 +
 +Onde: 
 +  * dij é a distância do ponto i ao ponto j; 
 +  * I(dij<r) função indicadora, sendo 1 se o ponto j está a uma distância menor que r do ponto i e 0 se o ponto j está fora desse raio r ao redor de i;  
 +  * n é o número de pontos total; 
 +  * λ é a densidade dos pontos.
 + 
 +A interpretação visual do ''K'' não é muito intuitiva por ser uma função cumulativa associada à área do círculo relativo a ''r''. O L de Ripley, por sua vez,  é a padronização deste valor: 
 +
 +L(r)=(√K(r)π−r)
 +
 +Esta transformação faz com que o valor de ''L'' para **uma distribuição completamente aleatória seja sempre ''0''**, para **uma distribuição agregada ''L > 0''** e para **uma distribuição homogênea ''L < 0''**.
 +
 +
 +
 +  
 +==== O-ring (O(r)) ====
 +{{:ecovirt:roteiro:onion_ring.jpg?200  |Onion ring to rule them all}} 
 +
 +A estatística **O-ring** é similar ao L de Ripley, mas baseada em um **anel**, ao invés de um círculo. É medida pela contagem do número de pontos em um anel de raio //r// e largura fixa. Da mesma forma que o L-Ripley,também são calculadas as intensidades para diferentes tamanhos de anel, mantendo a largura fixa. 
 +
 +<WRAP center round box 80%>
 +{{ :ecovirt:roteiro:o-ring.jpeg?200 |}}
 +Figura: Implementação da estatística //O-ring//: contagem do número de pontos distantes de //i// ao longo do raio //r//. Extraído de Wiegand & Moloney (2004).
 +
 +</WRAP>
 +
 +Logo, definimos O(r) como: 
 +O(r)=L(r)−L(r−l)
 +
 +Onde:
 +  * r−l : é o raio menos a largura do anel ((igual ao raio interno do anel))
 +Na completa aleatoriedade espacial (CAE) O(r)=λ (intensidade do padrão), quando o padrão é agregado O(r)>λ e quando o padrão é homogêneo O(r)<λ.
 +
 +
 +<WRAP center round tip 60%>
 +As medidas K(r), L(r) ou O(r)  apresentam soluções analíticas teóricas para o padrão definido como processo Poisson ou Completa Aleatoriedade Espacial (CAE). Ou seja, quando a distribuições dos pontos no espaço estudado não é diferente do esperado pelo acaso. Para uma dada densidade de pontos conseguimos calcular esses valores teóricos para qualquer raio. Dessa forma, para interpretar o padrão espacial dos pontos observados precisamos:
 +
 +  * calcular os valores observados e o teóricos para CAE; 
 +  * comparar esses valores;
 +  * definir quando uma diferença é ou não aceitável para afirmar que o padrão é diferente do aleatório;
 +
 +Para os dois primeiros tópicos acima, usamos as fórmulas e calculamos os valores. Para tirar a subjetividade do terceiro, podemos calcular intervalos de confiança ou gerar envelopes((equivalente a intervalo de confiança obtido por simulação numérica )) de confiança por simulações computacionais, para definir objetivamente o que é algo diferente do esperado para a CAE.
 +
 +</WRAP>
 +
 +
 +===== Padrões de Pontos Simulados =====
 +
 +
 +<WRAP round box center centeralign 60% >
 +<WRAP round safety > 
 +**//__Atividade 1:__//**
 +</WRAP>
 +{{ :ecovirt:roteiro:escala.jpg?300 |}}
 +Qual processo gerou o padrão de pontos?
 +</WRAP>
 +
 +==== Instruções gerais ====
 +
 +  * 1. baixe os arquivos relacionados ao padrão espacial 01 **OU** 02 (você escolhe) __na mesma pasta em que o Programita esteja instalado__. Caso abra uma página mostrando os dados, clique no link com o botão direito do mouse para salvar o arquivo. Salve no formato ".dat":
 +<WRAP center round box 80%>
 +//**__ Dados para Análise Espacial__**//
 +=== Padrão 1 === 
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao01all.dat|População (todos os indivíduos, sem distinguir adultos e jovens)}}
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao01par.dat|Parentais (somente os adultos)}}
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao01prole.dat|Prole (somente os jovens)}}
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao01bi.dat|Bivariado (todos os indivíduos, distinguindo adultos e jovens)}}
 +
 +=== Padrão 2 === 
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao02all.dat|População (todos os indivíduos, sem distinguir adultos e jovens)}}
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao02par.dat|Parentais (somente os adultos)}}
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao02prole.dat|Prole (somente os jovens)}}
 +  * {{:ecovirt:roteiro:padrao02bi.dat|Bivariado (todos os indivíduos, distinguindo adultos e jovens)}}
 +
 +</WRAP>
 + 
 +  * caso não tenha o ''programita'' instalado, baixe o {{:ecovirt:roteiro:programita.zip|programita aqui}} na mesma pasta do arquivo de dados;
 +  * descompacte o arquivo //programita.zip//;
 +  * clique 2x para abrir o arquivo executável ''ProgramitaJulio2006.exe''.
 +
 +
 +Bem vindo(a) ao **Programita**! Agora vamos abrir os dados que iremos trabalhar.
 +
 +
 +O **Programita** aceita arquivos de texto das extensões .dat e .asc. São arquivos em formato de texto, separados por tabulação (ou espaço). Os arquivos de dados possuem a seguinte estrutura:
 +
 +** A primeira linha contém informações gerais sobre o arquivo de dados:**
 +  * valor mínimo da coordenada x;
 +  * valor máximo da coordenada x;
 +  * valor mínimo da coordenada y;
 +  * valor máximo da coordenada y; e
 +  * número total de indivíduos
 +
 +** A partir da segunda linha, estão os dados dos pontos que serão analisados:**
 +  * primeira coluna com as coordenadas x dos indivíduos;
 +  * segunda coluna com as coordenadas y dos indivíduos;
 +  * no caso de dados univariados, a terceira coluna será sempre 1 e a quarta coluna sempre 0. 
 +  * no caso de dados bivariados a terceira coluna tem os pontos dos indivíduos tipo A (adultos, por exemplo) identificados por 1 e do tipo B (jovens, por exemplo) identificados por 0 ; 
 +  * ainda no caso de dados bivariados, a quarta coluna tem os pontos dos indivíduos do tipo A identificados por 0 e do tipo B identificados por 1 .
 +
 +
 +<WRAP center round box 80%>
 +{{ :ecovirt:roteiro:ex_dados.png |}}
 +Fig. Exemplo de arquivo .dat no formato de uso no //Programita//.
 +</WRAP>
 +
 +==== Padrão Univariado: todos os pontos ====
 +  * 1.  Verifique se na janela //Input data file// estão aparecendo os arquivos .dat. Caso não esteja, **verifique se o arquivo executável do programita está na mesma pasta dos arquivos //.dat//**. 
 +<WRAP center round box 60%>
 +<WRAP center round important 60%>
 +Dependendo da configuração do seu navegador o arquivo salvo pode aparecer com uma extensão diferente (p.ex. ".bin"). Nesse caso é preciso mudar a extensão do arquivo para ".dat". 
 +</WRAP>
 +
 +</WRAP>
 +  * 2. no menu à esquerda selecione o arquivo ** padrao"0X"all.dat**. No caso **X** vai ser 1 ou 2 dependendo da sua escolha;
 +
 +
 +<WRAP center round box 60%>
 +{{ :ecovirt:roteiro:arquivos.png?300 |}}
 +Figura. Janela de entrada de dados do //Programita//.
 +</WRAP>
 +  * 3. Em //**How your data are organized**// selecione //**List**//
 +  * 4. Vamos começar usando o L de Ripley então em //**Which method to use**// selecione //**Circle ou Ripley** (a depender da versão que foi baixada)//
 +  * 5. Em //**Select modus of data**// selecione //**List with coordinates no grid**//. Ao selecionar esta opção aparecerá uma janela com a opção //**Select a new cell size**//: 
 +<WRAP center round box 60%>
 +{{  :ecovirt:roteiro:cell_size.png?300  |}}. 
 +
 +</WRAP>
 +  * 6. Caso tenha menos de 500 pontos, altere o //**proposed cell size**// para 1. Caso contrário deixe no padrão do programa.
 +  * 7. Feito tudo isso, você deve estar assim:
 +<WRAP center round box 60%>
 +
 +
 +{{  :ecovirt:roteiro:programita.jpg?300  |}}
 +
 +</WRAP>
 +  * 8. Você pode agora respirar fundo e apertar o botão //**Calculate index**//;
 +
 +
 +A saída visual do programa é um mapa onde os indivíduos aparecem em pontos vermelhos, seguindo as coordenadas do arquivo de dados. O gráfico no canto superior direito corresponde ao valor do L-Ripley para diferentes raios. Nessa saída gráfica é possível analisar como o padrão espacial varia de acordo com a escala. Para dados univariados, ignore o gráfico inferior.
 +
 +
 +Porém, olharmos apenas o formato da curva não é suficiente para afirmamos em que escalas a população é agregada. Para isso precisamos comparar o resultado observado com o padrão que seria gerado pela distribuição dos pontos completamente aleatório. Esse modelo nulo é chamado de **//completa aleatoriedade espacial//**. Para gerar esse modelo por simulação é necessário recolocar o mesmo número de pontos de forma aleatória na mesma área. Se fizermos isso, muitas e muitas vezes, é possível gerar um envelope de confiança (similar ao intervalo de confiança) no qual o padrão de distribuição aleatória é encontrado. Se os valores observados estão contidos dentro do envelope podemos concluir que nosso padrão não é diferente do aleatório. 
 +
 +Para fazer isso você deve:
 +  *  9. selecionar a opção **//Calculate confidence limits//** e; 
 +  * 10. na janela **//Select a null model//** selecionar o modelo nulo //**Pattern 1 and 2 random**//;
 +  * 11. verifique se sua tela está como a figura e clique novamente no botão //**Calculate index**//.
 +
 +
 +<WRAP center round box 80%>
 +{{ :ecovirt:roteiro:null_model.png |}}
 +</WRAP>
 +
 +<WRAP center round box 60%>
 +<wrap hi>Caso a simulação esteja demorando muito </wrap>
 +  * aperte o botão de //stop// ao lado do //Calculate index//;
 +  * selecione outro //"modus of data"// e em seguida selecione novamente //list with coordenate,...//;
 +  * na janela //Select a new cell size//, altere //proposed cell size // para 2;
 +  * na janela // Select a null model// altere //# simulations// para 20;
 +  * aperte novamente o botão //Calculate index//;
 +  
 +</WRAP>
 +
 +
 +
 +<WRAP center round important 80%>
 +//**__Descreva o padrão observado__**//
 +
 +  
 +O //Programita// permite acompanhar graficamente a simulação ao longo do tempo ;-). É possível observar que a cada simulação é gerada uma distribuição aleatória dos indivíduos e recalculado os valores de L-Ripley. Ao final é gerado o gráfico com os valores observados a partir do arquivo de dados, acompanhado do envelope de confiança gerado a partir da simulação de completa aleatoriedade espacial. Valores fora do intervalo de confiança indicam a existência de um padrão espacial diferente do aleatório.
 +
 +
 +<WRAP round tip > 
 +**//__Dica:__//** 
 +Faça um **__//Print Screen//__** dos seus resultados para salvar o gráfico de cada análise que fizer ao longo da prática. 
 +</WRAP>
 +</WRAP>
 +
 +  * 12. Faça o mesmo procedimento, porém em **//Which method to use//** selecione **//Ring//**
 +  * 13. Compare os resultados entre o L-Ripley e o O-Ring. 
 +
 +<WRAP round box center 80% >
 +<WRAP round notice >
 +**//__Atividade__//**
 +</WRAP>
 +  * repita a análise com L-Ripley e O-Ring para os arquivos com: 
 +      * os pontos dos adultos (parentais): //padrao"0X"par.dat// e;
 +      * os pontos dos jovens (prole): //padrao"0X"prole.dat//; 
 +  * interprete o resultado para cada tipo de ponto;
 +</WRAP>
 +==== Padrão Bivariado: dois tipos de pontos ====
 +O //Programita// permite a análise de padrão de pontos de uma classe em relação a outra (por exemplo juvenis em relação a adultos). Para isso é necessário diferenciar os pontos no arquivo de dados, utilizando 0 ou 1 nas colunas 3 e 4, como mostra a figura abaixo, em um arquivo que distinguia indivíduos adultos de juvenis:
 +<WRAP center round box 80%>
 +{{ :ecovirt:roteiro:ex_dados2.png?700 |}}
 +</WRAP>
 +
 +
 +Vamos agora analisar o padrão dos pontos associados (PROLE) em relação aos parentais (PAR), seguindo o mesmo procedimento anterior. 
 +  * 1. selecione o arquivo com a separação de classes de pontos parentais e associados:   //padrao"0X"bi.dat//;  
 +  * 2. em //**What do you want to do**// selecione a opção //**Point-pattern analysis**//
 +  * 3. em //**How your data are organized**// selecione //**List**//
 +  * 4. neste caso, estamos interessados na análise do padrão em escala cumulativa para entender até que distância há agregação, por isso, em //Which method to use// selecione **Circle** ou **Ripley** (a depender da versão que estiver usando)   
 +  * 5. em //**Select modus of data**// selecione //**List with coordinates no grid**// 
 +  * 6. para testarmos se existe agregação dos pontos PROLE em relação ao PAR ,  utilizaremos o envelope de confiança. Selecione a opção //**Calculate confidence limits**// e selecione o modelo nulo //**Pattern 1 fix, 2 random**//.
 +  * 7. rode a análise apertando: //**Calculate index**//
 +  * 8. interprete os resultados. **Obs.: o gráfico que mostra o padrão de associação é o inferior, denominado "Bivariate L-function(Ripley)". O gráfico superior é o mesmo que o gráfico do padrão tipo A univariado (no nosso caso, o padrão dos adultos), com pequenas diferenças nos limites do eixo Y.**
 +
 +
 +
 +<WRAP center round box 80%>
 +//**__Descubra o algoritmo__**//
 +
 +Algoritmo é uma sequência de passos para executar uma tarefa. Os pontos dos arquivos de dados foram gerados por um algoritmo muito simples em duas fases: primeiro foram gerados os pontos parentais e em seguida os pontos associados (prole). Descreva uma sequencia de tarefas ((p.ex: gerar 10 valores de x a partir de uma distribuição aleatória uniforme de 0 a 100; gerar  valores de uma sequência de 10 a 90 a cada intervalo de 5 como o y....  )) que seria capaz de gerar a distribuição de pontos (incluindo ambas classes de pontos) que você observou a partir do seu arquivo de dados. 
 +
 +</WRAP>
 +------
 +------
 +===== Distribuição Espacial de Palmitos na Restinga =====
 +
 +{{:ecovirt:roteiro:palmito00.jpg?300  |}}
 +O Palmiteiro (//Euterpe edulis// Mart.) é uma espécie muito característica das florestas atlânticas e costuma ocorrer com densidades altas em áreas mais preservadas. Vamos agora analisar os dados referentes a uma população de palmitos que ocorre em uma parcela de floresta de Restinga na Ilha do Cardoso, Cananéia -SP. Os dados foram coletados nos anos de 2009/2010 em uma área de 10,24ha (320m x 320m).
 +
 +Preparamos três arquivos no formato lido pelo //Programita//:
 +  - dados de indivíduos juvenis (diâmetro do tronco entre 1 e 5 cm): {{ :ecovirt:roteiro:juvenil.dat |}}
 +  - dados de indivíduos adultos (diâmetro do tronco > 5 cm): {{ :ecovirt:roteiro:adulto.dat |}}
 +  - juvenis e adultos (padrão 1 adulto, padrão 2 juvenil): {{:ecovirt:roteiro:juvenil_adulto.dat|}}
 +\\
 +\\
 +
 +Utilize as ferramentas disponíveis no //Programita// para descrever os padrões espaciais:
 +  * da população total de palmito;
 +  * apenas dos juvenis e;
 +  * apenas dos adultos. 
 +Investigue se a distribuição dos juvenis está associada a dos adultos. 
 +
 +<WRAP center round box 60%>
 +//**__Padrões & Processos__**//
 +Junte-se em um grupo de 2 a 4 alunos e discuta quais possíveis processos poderiam gerar os padrões descritos.
 +
 +</WRAP>
 +