dissertação

Modelos de regressão espacial para dados de contagem com inflação de zeros

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Resumo

Modelos de regressão espacial são utilizados para investigar a relação entre variáveis de interesse e fatores explicativos quando há dependência geográfica entre as unidades de análise. Entre as abordagens mais consolidadas nesse contexto destacam-se os modelos autorregressivos condicionais (CAR), em especial as parametrizações propostas por Besag, York e Mollié (BYM), BYM2 e Leroux, que permitem incorporar efeitos espaciais estruturados e não estruturados. Em aplicações envolvendo eventos raros, é frequente a presença de inflação de zeros na variável resposta, o que motiva o uso de modelos de Poisson Inflacionado de Zeros (ZIP). Neste trabalho, foram comparadas especificações de modelos de regressão espacial bayesianos, combinando estruturas CAR (BYM, BYM2 e Leroux) com distribuições Poisson e ZIP, por meio dos critérios de ajuste DIC, WAIC e LMPL. A metodologia foi aplicada a dois estudos de caso. O primeiro analisou o número de casos confirmados de leptospirose nos 853 municípios do estado de Minas Gerais, no período de 2022 a 2024, caracterizado por elevada inflação de zeros (80,89%) e autocorrelação espacial positiva moderada. O segundo avaliou os focos de calor nos municípios do Nordeste brasileiro em março de 2025, dados marcados por forte heterogeneidade espacial e excesso de zeros (37,01%). Os resultados indicaram a presença de dependência espacial em ambos os contextos, com desempenho superior dos modelos espaciais em relação às alternativas não estruturadas. No caso da leptospirose, o modelo CAR BYM ZIP apresentou o melhor ajuste, evidenciando a importância de acomodar simultaneamente a estrutura espacial e o processo gerador de zeros. Para os focos de queimadas, os modelos CAR BYM2 ZIP mostrou maior estabilidade e melhor desempenho, destacando a adequação de parametrizações mais parcimoniosas em cenários ambientais complexos. De forma transversal, observou-se que não há uma escolha universalmente superior entre BYM, BYM2 e Leroux, sendo o desempenho dos modelos dependente da intensidade da autocorrelação espacial, da proporção de zeros estruturais e da variabilidade residual dos dados. Conclui-se que a combinação entre modelos hierárquicos espaciais e distribuições inflacionadas de zeros constitui uma estratégia robusta para a modelagem de eventos raros em diferentes contextos empíricos. Os achados contribuem metodologicamente para a comparação crítica de parametrizações CAR e, do ponto de vista aplicado, oferecem subsídios para análises epidemiológicas e ambientais mais estáveis e informativas em nível territorial.

Abstract

Spatial regression models are used to investigate the relationship between variables of interest and explanatory factors when there is geographic dependence among the units of analysis. Among the most well-established approaches in this context are conditional autoregressive (CAR) models, particularly the parameterizations proposed by Besag, York and Mollié (BYM), BYM2 and Leroux, which allow the incorporation of structured and unstructured spatial effects. In applications involving rare events, the presence of zero inflation in the response variable is frequent, which motivates the use of Zero-Inflated Poisson (ZIP) models. In this study, specifications of Bayesian spatial regression models were compared, combining CAR structures (BYM, BYM2 and Leroux) with Poisson and ZIP distributions, using the goodness-of-fit criteria DIC, WAIC and LMPL. The methodology was applied to two case studies. The first analyzed the number of confirmed cases of leptospirosis in the 853 municipalities of the state of Minas Gerais, from 2022 to 2024, characterized by high zero inflation (80.89%) and moderate positive spatial autocorrelation. The second evaluated fire hotspots in municipalities of the Brazilian Northeast in March 2025, data marked by strong spatial heterogeneity and excess zeros (37.01%). The results indicated the presence of spatial dependence in both contexts, with superior performance of spatial models compared to unstructured alternatives. In the case of leptospirosis, the CAR BYM ZIP model showed the best fit, highlighting the importance of simultaneously accommodating the spatial structure and the zero-generating process. For fire hotspots, the CAR BYM2 ZIP models showed greater stability and better performance, highlighting the suitability of more parsimonious parameterizations in complex environmental scenarios. Transversally, it was observed that there is no universally superior choice among BYM, BYM2 and Leroux, with model performance depending on the intensity of spatial autocorrelation, the proportion of structural zeros and the residual variability of the data. It is concluded that the combination of hierarchical spatial models and zero-inflated distributions constitutes a robust strategy for modeling rare events in different empirical contexts. The findings contribute methodologically to the critical comparison of CAR parameterizations and, from an applied perspective, provide support for more stable and informative epidemiological and environmental analyses at the territorial level.

Descrição

Área de concentração

Estatística e Experimentação Agropecuária

Linha de pesquisa

Estatística espacial

Agência de desenvolvimento

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Citação

SOUSA, Daví Barbosa Pereira de. Modelos de regressão espacial para dados de contagem com inflação de zeros. 2026. 93 p. Dissertação (Mestrado em Estatística e Experimentação Agropecuária) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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