Modelos de classificação para predição do bem estar de colônias da abelha Apis mellifera

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Braga, Antonio Rafael
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
Texto Completo: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/51581
Resumo: Bees are the main pollinators of most species of wild plants pollinated by insects and are essential for the maintenance of plant ecosystems and food production. However, in the past three decades, they have suffered numerous health challenges, including changes in habitat, pollutants, toxins, pests, diseases, and competition for resources. An attempt to mitigate this problem is to estimate the health status of the colonies and indicate a state of imminent collapse for beekeepers. To estimate the health status of bee colonies, we propose three methods of data analysis that calibrate classification and regression algorithms based on supervised and unsupervised machine learning approaches. To validate the first proposed method, a real dataset from two hives obtained from the HiveTool.net portal was used with internal temperature, relative humidity and weight of Apis mellifera beehives. From Calinski-Harabasz index and the k-means algorithm, 6 colony health patterns related to transitions between seasons were found. From the found patterns, three classification algorithms were trained, validated and tested. To validate the second method, a data-set obtained from 6 apiaries was used. In this data-set, 27 Apis mellifera beehives were monitored over three years. Three classification algorithms were trained, validated and tested. In terms of attributes, the internal temperature and the weight of the hive were used, in addition to climatic data (external temperature, dew point, wind direction, wind speed, precipitation, and daylight). Also, 703 in loco apiary inspections carried out weekly were also used to put labels in sensors data. Finally, to validate the third method, the Long Short-Term Memory (LSTM) algorithm was applied to a real data-set obtained through the Arnia remote monitoring system. The data-set has data on brood temperature (internal temperature), internal humidity, average ventilation, average flight noise, hive weight and external temperature collected throughout the European autumn in 2017. The results obtained with the application of the methods suggest that the classification and regression algorithms are efficient to obtain high precision models for predicting colony health levels.
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To validate the first proposed method, a real dataset from two hives obtained from the HiveTool.net portal was used with internal temperature, relative humidity and weight of Apis mellifera beehives. From Calinski-Harabasz index and the k-means algorithm, 6 colony health patterns related to transitions between seasons were found. From the found patterns, three classification algorithms were trained, validated and tested. To validate the second method, a data-set obtained from 6 apiaries was used. In this data-set, 27 Apis mellifera beehives were monitored over three years. Three classification algorithms were trained, validated and tested. In terms of attributes, the internal temperature and the weight of the hive were used, in addition to climatic data (external temperature, dew point, wind direction, wind speed, precipitation, and daylight). Also, 703 in loco apiary inspections carried out weekly were also used to put labels in sensors data. Finally, to validate the third method, the Long Short-Term Memory (LSTM) algorithm was applied to a real data-set obtained through the Arnia remote monitoring system. The data-set has data on brood temperature (internal temperature), internal humidity, average ventilation, average flight noise, hive weight and external temperature collected throughout the European autumn in 2017. The results obtained with the application of the methods suggest that the classification and regression algorithms are efficient to obtain high precision models for predicting colony health levels.As abelhas são os principais polinizadores das espécies de plantas silvestres polinizadas por insetos e são essenciais para a manutenção dos ecossistemas vegetais e para a produção de alimentos. No entanto, nas últimas três décadas, elas sofreram inúmeros desafios com relação ao bem estar, incluindo mudanças climáticas, poluentes, toxinas, pragas e doenças, em especial a espécia Apis mellifera, uma das mais importantes espécies de abelhas para a polinizaçao. Uma tentativa de mitigar esse problema é estimar o nível de bem estar das colônias e indicar um estado de colapso iminente para os apicultores. Para estimar o nível de bem estar das colônias de abelhas, aplicamos três métodos de análise de dados que calibram algoritmos de classificação e regressão com base em abordagens de aprendizado de máquina supervisionado e não supervisionado. Para validar o primeiro método aplicado, foi utilizado um conjunto de dados reais de duas colmeias obtidas no portal HiveTool.net com temperatura da cria, umidade relativa e peso de colmeias de abelhas Apis mellifera. A partir do índice Calinski-Harabasz e do algoritmo k-means, foram encontrados 6 padrões sazonais de colônia relacionados às transições entre as estações do ano. A partir dos padrões encontrados, três algoritmos de classificação foram treinados, validados e testados. Para validar o segundo método, foi usado um conjunto de dados obtido de 6 apiários, totalizando 27 colmeias de abelhas Apis mellifera monitoradas ao longo de três anos. Três algoritmos de classificação foram treinados, validados e testados. Em termos de atributos, foi utilizada a temperatura interna e o peso da colméia, além de dados climáticos (temperatura, ponto de orvalho, direção do vento, velocidade do vento, precipitação e luz do dia). Também foram usadas 703 inspeções in loco de apiário feitas semanalmente para adicionar aos dados dos sensores o rótulo necessário na fase de treinamento dos algoritmos de classificação. Finalmente, para validar o terceiro método, o algoritmo Long Short-Term Memory (LSTM) foi aplicado um conjuntos de dados reais obtido através do sistema de monitoramento remoto de colméias Arnia. O conjunto de dados possui dados de temperatura da cria (temperatura interna), umidade interna, ventilação média, ruído médio de vôo, peso da colméia e temperatura externa coletada ao longo do outono europeu em 2017. Os resultados obtidos com a aplicação dos métodos sugerem que os algoritmos de classificação e regressão são eficientes para a obtenção de modelos de alta precisão para predição de níveis de bem estar das colônias de abelhas Apis mellifera.Gomes, Danielo GonçalvesBraga, Antonio Rafael2020-05-06T17:25:33Z2020-05-06T17:25:33Z2020-03-02info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBRAGA, A. R. Modelos de classificação para predição do bem estar de colônias da abelha Apis mellifera. 2020. 124 f. 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