MIPing complex multi-action management planning: models, algorithms, and variants

Abstract

(English) We are living in an era where the complexity of environmental challenges is unprecedented. Biodiversity loss, habitat degradation, and climate change are interconnected issues requiring a comprehensive and multifaceted approach. Conservation planning, a critical component in addressing these challenges, has evolved into a complex task. It requires the consideration of multiple actions, criteria, and spatial dependencies. The urgency of the environmental crisis necessitates effective tools for conservation planning capable of handling this complexity and delivering optimal solutions. This thesis tackles the complexity of spatial conservation planning by developing advanced decision-making tools and addressing computational challenges. It introduces novel contributions through the integration of Mixed Integer Programming (MIP) models, tailored to the Multi-Action Management Planning (MAMP) problem. These models incorporate temporal sequencing (DMAMP), threat spread simulations, and benefit diffusion (Db-MAMP), allowing for realistic and comprehensive conservation planning. Furthermore, the thesis presents the prioriactions package, a user-friendly tool developed using the R programming language. The integration of this package adds a valuable practical component to the thesis, offering users an effective and efficient solution for spatial conservation planning. Overall, this thesis provides valuable insights, novel methodologies, practical tools, and computational advancements that enhance decision-making in complex conservation planning scenarios. The thesis acknowledges the proposed model's limitations and suggests future research directions, ensuring these tools' continued evolution and improvement. It represents a significant stride towards developing more complex decision-making tools in conservation planning. The exploration and application of MIP demonstrate the potential of mathematical modelling in aiding complex decision-making processes. This work contributes to the field of conservation planning by providing a robust and efficient tool for decision-making, paving the way for future research in this area.

(Español) Nos encontramos en una era en la que la complejidad de los desafíos ambientales es sin precedentes. La pérdida de biodiversidad, la degradación del hábitat y el cambio climático son problemas interconectados que requieren un enfoque integral y multifacético. La planificación de la conservación, un componente fundamental para abordar estos desafíos, se ha convertido en una tarea compleja. Requiere la consideración de múltiples acciones, criterios y dependencias espaciales. La urgencia de la crisis ambiental hace necesario contar con herramientas efectivas para la planificación de la conservación capaces de manejar esta complejidad y ofrecer soluciones óptimas.

Esta tesis aborda la complejidad de la planificación espacial de la conservación mediante el desarrollo de herramientas avanzadas de toma de decisiones y la superación de desafíos computacionales. Introduce contribuciones novedosas a través de la integración de modelos de Programación Entera Mixta (Mixed Integer Programming, MIP) adaptados al problema de la Planificación de la Gestión de Múltiples Acciones (Multi-Action Management Planning, MAMP). Estos modelos incorporan la secuenciación temporal (DMAMP), simulaciones de propagación de amenazas y difusión de beneficios (Db-MAMP), lo que permite una planificación de la conservación realista y completa. Además, la tesis presenta el paquete \texttt{prioriactions}, una herramienta de fácil uso desarrollada con el lenguaje de programación \texttt{R}. La integración de este paquete añade un componente práctico valioso a la tesis, ofreciendo a los usuarios una solución efectiva y eficiente para la planificación espacial de la conservación. En general, esta tesis proporciona ideas valiosas, metodologías novedosas, herramientas prácticas y avances computacionales que mejoran la toma de decisiones en escenarios complejos de planificación de la conservación.

La tesis reconoce las limitaciones del modelo propuesto y sugiere futuras direcciones de investigación, asegurando la continua evolución y mejora de estas herramientas. Representa un avance significativo hacia el desarrollo de herramientas de toma de decisiones más complejas en la planificación de la conservación. La exploración y aplicación de la Programación Entera Mixta demuestran el potencial de los modelos matemáticos en la ayuda a los procesos de toma de decisiones complejas. Este trabajo contribuye al campo de la planificación de la conservación al proporcionar una herramienta sólida y eficiente para la toma de decisiones, abriendo el camino a futuras investigaciones en esta área.