| Compartilhamento |
|
Use este identificador para citar ou linkar para este item:
http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/9856| Tipo do documento: | Tese |
| Título: | Análise topológica em imagens 3D de otólitos de peixes: explorando padrões de densidade e de morfologia |
| Autor: | SOUZA NETO, João Valério de ![]() |
| Primeiro orientador: | DUARTE NETO, Paulo José |
| Primeiro coorientador: | OLIVEIRA JUNIOR, Wilson Rosa de |
| Primeiro membro da banca: | ANTONINO, Antonio Celso Dantas |
| Segundo membro da banca: | SILVA, Francisco Marcante Santana da |
| Terceiro membro da banca: | SILVA, Antonio Samuel Alves da |
| Quarto membro da banca: | OLIVEIRA, Viviane Moraes de |
| Resumo: | Otólitos são estruturas calcificas encontradas no ouvido interno dos peixes teleósteos, fundamentais na biologia marinha em estudos de metabolismo, idade, crescimento e na identificação de estoques pesqueiros que podem resultar em práticas sustentáveis de manejo. Uma propriedade relevante dessa estrutura é a sua densidade, porque se refere às modificações na forma cristalina do carbonato de cálcio durante a vida do peixe refletindo em variações de sua forma final. Utilizando micro-tomografia computadorizada, a radiodensidade interna e externa de otólitos de espécies diferentes foram obtidas em uma perspectiva 3D. Porém, ainda não há uma metodologia apropriada que permita descrever e realizar estudos comparativos. Desta forma, buscou-se revelar variações de densidade de otólitos, a partir de imagens 3D de tomografia computadorizada, aplicando a técnica Ball Mapper (BM) da Análise Topológica de Dados (TDA). Inicialmente, preocupou-se em reduzir o custo computacional desta análise aplicando amostragem probabilística e verificando seus efeitos sobre as variações de densidade fornecida pelo grafo BM. Para decidir sobre o tamanho de amostra a própria topologia foi usada para estabelecer o que chamou-se de Validação Topológica da Amostra, que forneceu a resolução mínima com as mesmas informações de densidade que dos dados brutos. A representatividade das amostras foi verificada com testes estatísticos não paramétricos sobre a variável densidade. Com base nas características estruturais da rede, invariantes topológicos permitiram avaliar a similaridade entre grafos. A técnica BM além de revelar padrões de variações de densidade na estrutura do otólito também se mostrou válida como um algoritmo de pré-processamento de imagens tomográficas, permitindo a segmentação de características indesejáveis no objeto de interesse. Em adicional, outra técnica da TDA, Homologia Persistente (HP), foi aplicada aos dados das imagens 3D na expectativa de expor um novo classificador para a forma do otólito. A HP mostrou proeminência mesmo em uma amostra pequena ao separar as classes dos otólitos adequadamente e revelar resultados quantitativos acurados de separação, demonstrando um potencial uso para classificação de otólitos com base em sua estrutura 3D. Por fim, uma análise de regressão demonstrou a possibilidade de estimar idade, comprimento e a radiodensidade dos otólitos pelas características topológicas resultantes da classificação. Com base na análise topológica de imagens 3D de otólitos, foi possível revelar padrões de densidade, segmentar características indesejáveis, classificar otólitos pela estrutura 3D e estimar idade, comprimento e radiodensidade. Tais resultados podem contribuir para estudos de metabolismo, idade, crescimento e manejo sustentável de estoques pesqueiros. |
| Abstract: | In this thesis, we present a comparative study of otolith density variations using Topological Data Analysis (TDA). Otoliths are calcium carbonate structures found in the inner ears of fish and are commonly used to study age and growth patterns in fish populations. Traditionally, the analysis of otolith density variations has been a computationally intensive task due to the high-dimensional nature of the data. However, TDA offers a promising approach to reduce the data dimensionality and extract meaningful topological information from otolith images. We applied the Ball Mapper algorithm to a dataset of 3D otolith images from different fish species and ages. The algorithm allowed us to construct topological graphs representing the density variations in otoliths. We also explored the use of probabilistic sampling techniques to reduce the data and found that a sample size of 5% provided accurate representations of otolith density variations compared to the full dataset, after a Sample Topological Validation procedure developed here to ensure the efficiency and reliability of the sampling process. Topological invariants of the graphs, such as average clustering, node connectivity, assortativity, shortest path length, efficiency, and others, were used to comparizon between graphs. The comparizon of the topological properties of the full dataset with those of the 5% sample found a high degree of similarity, indicating that TDA with a reduced dataset can capture essential density information. Ball Mapper further allowed us to identify and eliminate dirt or anomalies present in otolith images, further enhancing the accuracy of our analysis. Overall, our study demonstrates the efficacy of TDA in studying otolith density variations with significant computational gains over traditional methods. The reduced data size using probabilistic sampling and the robustness of topological invariants provide valuable insights into the density patterns of otoliths. Another TDA technique, Persistent Homology (PH), was applied to the 3D image data with the expectation of unveiling a new classifier for otolith shape. PH demonstrated prominence even in a small sample by effectively separating otolith classes and revealing accurate quantitative separation results, showcasing potential use for otolith classification based on their 3D structure. Finally, a regression analysis demonstrated the possibility of estimating age, length, and radiodensity of otoliths based on the topological features resulting from the classification. |
| Palavras-chave: | Tomografia 3D Análise topológica de dados Densidade de otólitos Custo computacional Estoques pesqueiros |
| Área(s) do CNPq: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::PROBABILIDADE E ESTATISTICA |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Instituição: | Universidade Federal Rural de Pernambuco |
| Sigla da instituição: | UFRPE |
| Departamento: | Departamento de Estatística e Informática |
| Programa: | Programa de Pós-Graduação em Biometria e Estatística Aplicada |
| Citação: | SOUZA NETO, João Valério de. Análise topológica em imagens 3D de otólitos de peixes: explorando padrões de densidade e de morfologia. 2024. 130 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Biometria e Estatística Aplicada) - Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife. |
| Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/9856 |
| Data de defesa: | 23-Fev-2024 |
| Aparece nas coleções: | Doutorado em Biometria e Estatística Aplicada |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| Joao Valerio de Souza Neto.pdf | Documento principal | 19,34 MB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar |
Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.

