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Modelagem de processos pontuais de cox log-gaussianos: uma abordagem local e global com covariáveis para análise espaço-temporal

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Resumo

Processos pontuais espaço-temporais (PPET) são modelos estocásticos usados para descrever a distribuição de eventos discretos no espaço e no tempo. O modelo mais simples é o processo de Poisson, que assume uma intensidade constante no tempo e no espaço, mas é pouco realista para dados reais, que frequentemente apresentam variações nas intensidades. Processos de Cox espaço-temporais, como os processos de Cox log-gaussianos (LGCP), permitem modelar intensidades variáveis através de campos aleatórios gaussianos, considerando dependência espaço-temporal. Contudo, a intratabilidade da função log-verossimilhança para esses modelos apresentam desafios computacionais. Métodos como Cadeias de Markov Monte Carlo (MCMC) e Aproximação Laplace Alinhada Integrada (INLA) são comumente usados, mas podem ser computacionalmente caros. Alternativamente, o método por mínimos contrastes oferece uma solução mais eficiente e de menor custo computacional. Algumas extensões do modelo LGCP consideram variações locais de intensidade, permitindo a captura de padrões de dependência espacial e temporal mais complexos. A abordagem local pode ser particularmente útil em cenários onde parâmetros como o alcance espacial variam entre diferentes regiões, como em modelos de incêndios. Contudo, ainda há limitações nessa abordagem que impossibilitam a inclusão de covariáveis. Esta tese propõe duas abordagens inéditas para a estimação do modelo LGCP que permitem a inclusão de covariáveis. Na primeira abordagem, utiliza-se modelos aditivos generalizados (GAMs) e a tratabilidade do campo aleatório gaussiano é feita a partir da estimativa dos parâmetros de segunda ordem pelo método de mínimos contrastes aproximados pela função de correlação por pares. Na segunda, também utiliza-se GAMs e a aproximação do campo aleatório gaussiano (Gaussian Random Fields-GRF) é feita por combinações lineares de funções básicas espaço-temporais. Ambas as abordagens foram aplicadas em dados de localização espaço-temporal de focos de queimadas e incêndios ocorridos no Pantanal Brasileiro e no estado do Novo México-EUA. Os resultados mostram que os novos modelos de PPET são computacionalmente viáveis e proporcionam uma melhor precisão nas estimativas, o que os tornam mais adequados para análise de dados que apresentam alta complexidade de variabilidade espaço-temporal. Palavras-chave: Processos Pontuais Espaço-Temporais; Modelos de Cox Log-Gaussianos; Modelos Aditivos Generalizados; Dependência Espaço-Temporal; Mínimos Contrastantes; Campo Aleatório Gaussiano.

Abstract

Spatio-temporal point processes (STPP) are stochastic models used to describe the distribution of discrete events in space and time. The simplest model is the Poisson process, which assumes a constant intensity over space and time; however, this assumption is often unrealistic for real data, which frequently exhibit varying intensities. Spatio-temporal Cox processes, such as Log-Gaussian Cox Processes (LGCP), allow for the modeling of varying intensities through Gaussian random fields, incorporating spatio-temporal dependence. However, the intractability of the log-likelihood function for these models poses significant computational challenges. Methods such as Markov Chain Monte Carlo (MCMC) and Integrated Nested Laplace Approximation (INLA) are commonly used, but they can be computationally expensive. Alternatively, the minimum contrast method provides a more efficient and less computationally demanding solution. Some extensions of the LGCP model consider local variations in intensity, allowing for the capture of more complex spatial and temporal dependence patterns. The local approach can be particularly useful in scenarios where parameters such as the spatial range vary across regions, as in wildfire modeling. Nevertheless, there are still limitations in these approaches that prevent the inclusion of covariates. This thesis proposes two novel approaches for LGCP model estimation that allow for the inclusion of covariates. In the first approach, generalized additive models (GAMs) are employed, and the tractability of the Gaussian random field is achieved through the estimation of second-order parameters using the minimum contrast method, approximated via the pair correlation function. In the second approach, GAMs are also used, and the Gaussian random field (GRF) is approximated through linear combinations of spatio-temporal basis functions. Both approaches were applied to spatio-temporal location data of wildfire occurrences in the Brazilian Pantanal and in the state of New Mexico, USA. The results show that the proposed STPP models are computationally feasible and provide improved estimation accuracy, making them more suitable for analyzing data with high spatio-temporal variability. Keywords: Spatio-Temporal Point Processes; Log-Gaussian Cox Models; Generalized Additive Models; Spatio-Temporal Dependence; Minimum Contrast; Gaussian Random Field.

Descrição

Área de concentração

Estatística e Experimentação Agropecuária

Linha de pesquisa

Estatística Espacial

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Citação

OLIVEIRA, Wélson Antônio de. Modelagem de processos pontuais de cox log-gaussianos : uma abordagem local e global com covariáveis para análise espaço-temporal. 2026. 100 p. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Lavras, 2026.

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