Abstract - This document presents the development of a
Cetaceaus Identification System, which goal is to improve the confiance degree in Cetaceaus species identification by the researchers in Brazil. This system is on-line and uses Artificial Intelligence technique called Case Based Reasoning to substitute the actual identification process, that is done using books research about the content or using the researches own knowledge. And because of in Brazil there isn’t a system like that, it is the first system to identify Cetaceaus, and one of the few that uses Case Based Reasoning to environmental management. This System helps the researches to gain knowledge about Cetaceous and so, preserve them animals. It was developed using the tools PHP and Oracle and can be accessed in a fast and easy way by Internet.
Resumo - Este artigo apresenta o projeto do Sistema de
Identificação de Cetáceos, onde o objetivo é facilitar e aumentar o grau de confiança na identificação das espécies de Cetáceos avistadas pelos pesquisadores de cetáceos no Brasil. Este sistema funciona on-line e utiliza a técnica de Raciocínio Baseado em Casos da Inteligência Artificial para complementar a forma de identificação atual, que é feita através de pesquisas em livros sobre o assunto ou através do conhecimento dos próprios pesquisadores e por não existir nenhum sistema conhecido no Brasil que faça a identificação de cetáceos, é o primeiro no gênero e um dos poucos sistemas em Raciocínio Baseado em Casos voltados para a área ambiental. O Sistema de Identificação de Cetáceos identifica as espécies de cetáceos avistadas pelos pesquisadores, incentivando e ajudando os pesquisadores a obter conhecimento sobre os Cetáceos. Este sistema foi desenvolvido através das ferramentas PHP e Oracle, podendo ser acessado de forma rápida e fácil via internet.
I. INTRODUÇÃO
s cetáceos são mamíferos marinhos que possuem sangue quente e respiram ar atmosférico por meio de pulmões, vindo à superfície em intervalos regulares para realizar a respiração [1]. Esses animais habitam todos os oceanos, mares e poucos habitam rios. A ordem Cetacea agrupa as baleias, botos e golfinhos, mamíferos exclusivamente aquáticos. As baleias, os botos e os golfinhos, sempre despertaram o interesse e a imaginação das pessoas, devido a sua inteligência e amabilidade. Há milhares de anos a ciência tenta desvendar os mistérios que os envolvem, porém até hoje a ciência ainda está na fase inicial do conhecimento sobre esses animais [2].
1 Professora do Curso de Ciência da Computação do CTTMar / UNIVALI
(e-mail: anita@inf.univali.br)
2 Professor do Curso de Oceanografia do CTTMar / UNIVALI (e-mail:
abarreto@cttmar.univali.br)
3 Acadêmico do Curso de Ciência da Computação do CTTMar / UNIVALI
Durante grande parte da história os cetáceos foram encarados como fonte de recursos naturais, produtos valiosos para o conforto e progresso para as pessoas [2]. No Brasil todos os botos e golfinhos estão protegidos desde 1986 e as baleias desde 1987, sendo proibida a caça destes animais em águas brasileiras. Para tornar a proteção aos cetáceos realmente efetiva é necessário incentivar a pesquisa das espécies que aqui ocorrem e levar ao conhecimento do público em geral [2].
Com o objetivo de aumentar o conhecimento sobre os cetáceos são feitas as avistagens. A avistagem consiste na observação de um cetáceo ou de um grupo de cetáceos no mar. Entre os vários fatores que devem ser observados em uma avistagem os mais importantes são: espécie, número de indivíduos, presença ou não de filhotes, condições ambientais (como tempo, estado do mar, maré, visibilidade, velocidade e direção do vento), associação com outros animais e descrição do comportamento dos cetáceos [2].
Quando o observador faz uma avistagem, ele vai comparar o animal avistado com os animais avistados que estão armazenados em sua memória. O RBC simula exatamente esta forma de raciocinar.
Raciocínio Baseado em Casos é uma técnica de Inteligência Artificial que tem origem em estudos de aspectos relacionados ao aprendizado humano. Um sistema de RBC funciona de forma similar a atividade humana de utilizar experiências armazenadas na memória para resolver novos problemas, identificando afinidades entre as mesmas [3].
O ato de relembrar um episódio anterior é simulado em um sistema de RBC, comparando um novo problema com um conjunto de casos do mesmo tipo. Este conjunto é chamado de Base de Casos. A comparação é feita através da avaliação de similaridade entre o novo episódio com os já existentes na base de casos. Os casos mais similares são recuperados e uma fase de seleção determina qual o mais útil [3].
Raciocínio Baseado em Casos significa adaptar soluções antigas a problemas novos, sendo uma técnica apropriada quando existe um histórico bem documentado de casos resolvidos [4].
Algumas das vantagens de um sistema RBC são: a utilização de exemplos reais (casos), a reutilização do conhecimento e o aprendizado automático [5].
1A.M.R. Fernandes, 2Barreto A., 3Bittencourt, E.
Sistema de Raciocínio Baseado em Casos
para Identificação de Cetáceos
Outra vantagem do sistema RBC é a utilização do conhecimento cujo domínio seja considerado parcialmente incompleto, não necessitando que um modelo explícito de domínio esteja presente [6].
A forma de pesquisa na base de casos elimina a necessidade de combinações perfeitas de descrição dos casos como em bases de dados, permitindo que casos similares, possam ser recuperados da base do sistema e auxiliar como um exemplo na solução de problemas.
Devido à existência de muitas espécies de cetáceos que ocorrem no litoral brasileiro, e devida suas características serem muito similares, a identificação das espécies avistadas se torna difícil e o grau de certeza na identificação de uma espécie, principalmente se esta espécie for avistada por uma pessoa com pouca experiência no assunto, muitas vezes é pequeno. O uso de um sistema de raciocínio baseado em casos para a identificação das espécies facilita o trabalho dos pesquisadores e aumenta o grau de certeza na identificação de uma espécie avistada.
Não existe nenhum sistema conhecido que faça a identificação de cetáceos no Brasil e há poucos sistemas em RBC voltados para a área ambiental. Atualmente a identificação das espécies dos cetáceos observados pelos alunos do curso de oceanografia, é feita pelos professores e pesquisadores através de seus conhecimentos sobre as espécies e através de pesquisas em livros e por se tratar de muitas espécies similares a identificação torna-se pouco confiável e trabalhosa. Sendo assim, o uso de um sistema que auxilie na identificação as espécies de cetáceos facilita o trabalho dos professores e aumenta a confiabilidade dos resultados obtidos.
II. METODOLOGIA
Para o desenvolvimento deste trabalho, as seguintes etapas foram seguidas: Estudo das variáveis que iriam compor o sistema; Estudo da métrica de similaridade que poderia ser usada; Implementação do algoritmo de RBC, utilizando a métrica escolhida; Implementação da interface do usuário.
Através de reuniões com o co-orientador que é um professor do curso de oceanografia e pesquisa em livros sobre cetáceos foi analisado o problema e identificadas as principais variáveis que fazem parte do sistema. Para identificar a espécie mais provável que foi avistada, o sistema de RBC proposto se baseou em algumas características dos cetáceos que podem ser observadas durante uma avistagem. Essas características são campos do banco de dados, sendo utilizadas como variáveis durante a identificação da espécie. As características que foram utilizadas para o reconhecimento das espécies de cetáceos são apresentadas na Tabela I.
TABELA I
Características Utilizadas para o Reconhecimento das Espécies. Características Descrição
Tamanho Aproximado
Tamanho aproximado do cetáceo. Será informado em metros, onde serão criadas categorias com intervalos de um metro até 15m e uma categoria para animais com mais de 15m.
Cor Dorsal
Cor da parte dorsal do cetáceo, ou seja, cor da parte superior do corpo do cetáceo.
Cor Ventral
Cor da parte ventral do cetáceo, ou seja, cor da parte inferior do corpo do cetáceo.
Coloração
Será informado se o cetáceo possui manchas, pintas, riscos ou listras no corpo.
Nadadeira Dorsal
Nadadeira localizada na parte superior do corpo do animal. Será informado o tamanho, a forma e a posição no corpo do animal.
Bico
Será informado se cetáceo possui bico, tendo três alternativas: sem bico, bico curto, bico longo.
Respiradouros
Número de respiradouros que o cetáceo possui, podendo ter um ou dois respiradouros.
Verrugas Identificará a presença de verrugas na cabeça do animal ou não. Nadadeira
Peitoral
Nadadeira localizada no peito do cetáceo. Será informado o tamanho da nadadeira, podendo ser grande ou pequena.
Cristas na Cabeça
Identificará a presença de cristas na cabeça do cetáceo, podendo ter uma crista, três cristas ou nenhuma crista.
Tamanho do Grupo
Número de animais encontrados no grupo durante a avistagem.
Local da Avistagem
Local onde o cetáceo foi avistado podendo ser em área costeira ou em mar aberto.
Formato da Cabeça
Formato da cabeça do animal. Podendo ser afunilado ou arredondado.
Sulcos Ventrais Indica a presença ou não de sulcos na parte ventral do animal.
Analisando as métricas de similaridade foi identificada a métrica que mais se adaptou às variáveis do sistema.
A métrica de similaridade utilizada para o desenvolvimento do algoritmo de RBC foi a métrica de contagem de características [7]. Esta métrica foi escolhida porque foi a que melhor se adaptou as variáveis identificadas no sistema.
A confirmação do funcionamento do sistema foi realizada através da retirada de informações de fotos de cetáceos, verificando se o nome da espécie fornecido pelo Sistema de Identificação de Cetáceos estava de acordo com o animal exposto na foto.
III. O SISTEMA
O Sistema de Identificação de Cetáceos é composto pelos seguintes módulos: Interface, Banco de Casos, Biblioteca de Espécies, Relatórios e o algoritmo de RBC, conforme mostra a Figura 1.
Fig. 1. Composição do Sistema
A Interface é a responsável pela interação com o usuário. Através da Interface o usuário poderá inserir novas espécies na biblioteca de cetáceos, pesquisar na biblioteca de cetáceos, calcular a similaridade de um novo caso e gerar relatórios de avistagens.
O Banco de Casos é onde estão armazenadas todas as informações obtidas através das avistagens de cetáceos feitas pelos usuários, que foram validadas. É nele que o algoritmo de RBC do sistema irá retirar as informações para calcular a similaridade e recuperar os casos mais parecidos.
Na Biblioteca de Casos estão armazenadas todas as informações referentes as espécies de cetáceos que ocorrem no Brasil, obtidas através de bibliografias sobre cetáceos, e serve para que o usuário obtenha informações das espécies de cetáceos, caso necessário, para identificar dentre as espécies recuperadas pelo sistema a que mais se parece com a espécie avistada.
O algoritmo de RBC é responsável pela indexação dos casos, pelo cálculo de similaridade e pela recuperação dos casos mais similares.
Através do relatório podem ser obtidas informações do Banco de Casos, tais como: espécies avistadas em um determinado intervalo de tempo, espécie com maior número de avistagens, localização das avistagens, etc.
A interface do sistema foi desenvolvida utilizando a ferramenta PHP, sendo composta pelas seguintes páginas: Login no Sistema, Principal, Cadastro de Pesquisadores, Exclusão de Pesquisadores, Cadastro de Espécies, Pesquisa na Biblioteca de Cetáceos, Calculo de Similaridade e Relatórios. A seguir cada uma destas páginas serão descritas.
Para ter acesso ao Sistema de identificação de Cetáceos os pesquisadores deverão estar cadastrados, este cadastro será feito pelo administrador do sistema, que controlará o uso do sistema, podendo incluir novos usuários ou excluir usuários já cadastrados. Conferido o login e senha do usuário o sistema irá para pagina principal onde estão os links com as principais funções do sistema. Nesta página, mostrada na Figura 2 o usuário terá as seguintes opções: Cadastrar Pesquisadores, Excluir Pesquisadores, Pesquisar na Biblioteca de Cetáceos, Cadastrar Espécies, Calcular Similaridade, Gerar Relatórios e Sair do Sistema.
Fig. 2. Página Principal do Sistema de Identificação de Cetáceos.
Para cadastrar um novo usuário no Sistema de Identificação de Cetáceos o administrador deverá acessar a página de cadastro de pesquisadores, através do link “Cadastro de Pesquisadores” na página principal do sistema. Será aberto uma página de cadastro de pesquisadores, nesta página existem quatro campos onde o administrador deverá informar nome do pesquisador, instituição, login e senha. Após preenchido os campos o administrador deverá clicar no botão Cadastrar Pesquisador, uma nova página abrirá informando que um novo usuário foi cadastrado.
Para excluir um pesquisador, o administrador deverá acessar a página de exclusão de usuários através do link Exclusão de Pesquisador na página principal do sistema. Nesta página estão listados todos os usuários cadastrados no sistema assim como seu código e instituição a que ele pertence. Para excluir qualquer um dos pesquisadores cadastrados no sistema, basta que o administrador click sobre o nome do pesquisador e o mesmo desaparecerá da lista de pesquisadores.
Caso seja identificada oficialmente a ocorrência de uma nova espécie no Brasil, essa espécie pode ser cadastrada pelo administrador do sistema na biblioteca de cetáceos, através do link Cadastro de Espécies na página principal do sistema. Clicando neste link o administrador terá uma página de cadastro de espécies, como mostra a Figura 3.
Fig. 3. Página de Cadastro de Espécies.
Na página de cadastro de espécies o administrador deverá preencher o nome da espécie, nome científico, tamanho do grupo e selecionar de acordo com as opções informadas pelo sistema, as principais características da determinada espécie que podem ser: cor dorsal, cor ventral, coloração, tamanho da nadadeira dorsal, presença de bico, número de respiradouros, presença de verrugas na cabeça, tamanho da nadadeira peitoral, presença de cristas na cabeça, formato da nadadeira dorsal, sulcos ventrais, formato da cabeça, posição da dorsal. Clicando no botão procurar ao lado do campo foto da espécie o administrador poderá incluir uma foto da espécie que será mostrada na biblioteca de cetáceos.
Para saber maiores informações sobre as espécies de cetáceos que ocorrem no Brasil o pesquisador poderá acessar a biblioteca de cetáceos, através do link Pesquisar na Biblioteca de Cetáceos. Nesta página aparecerão as espécies que ocorrem no Brasil, estando descrito o código da espécie, o nome e o nome científico. Para obter mais informações sobre uma determinada espécie o pesquisador poderá clicar sobre o nome da espécie e uma nova página será aberta contendo as principais características e a foto da espécie selecionada, como mostra a Figura 4.
Fig. 4. Descrição de uma Espécie da Biblioteca de Cetáceos.
Para identificar uma espécie avistada, o pesquisador deverá acessar a página de cálculo de similaridade através do link Cálculo de Similaridade na página principal do sistema. Esta página é composta por vários campos que
devem ser preenchidos de acordo com as características do cetáceo, observadas durante a avistagem. Cada campo possui características pré-definidas onde o usuário deverá informar a característica mais adequada ao animal avistado e ao lado do campo informar o grau de confiança sobre a característica informada. Os campos local da avistagem, barco, longitude e latitude são informações gravadas no banco de casos, mas não interferem no cálculo de similaridade por esse motivo não são informados o grau de confiança destes campos. A Figura 5 mostra a página de calculo de similaridade.
Fig. 5. Página de Cálculo de Similaridade.
Após preenchido os campos com as informações do animal avistado o pesquisador deverá clicar no botão Calcular Similaridade. Uma nova página abrirá mostrando o nome das cinco espécies mais similares a espécie avistada e a porcentagem de similaridade entre a espécie recuperada do banco de casos e a nova espécie. Esta página pode ser visualizada na Figura 6.
Fig. 6. Espécies Recuperadas no Cálculo de Similaridade.
Dentre as espécies recuperadas o pesquisador poderá escolher através de seu conhecimento ou pesquisando na biblioteca de cetáceos a espécie que mais se assemelha com a espécie avistada e incluir no banco de casos como uma nova avistagem.
Para gerar relatórios de avistagens de cetáceos feitas em um determinado dia ou durante um determinado período de dias, meses ou anos, o pesquisador poderá acessar o link
Relatórios localizado na página principal do sistema. Preenchendo o período no qual deseja que as avistagens feitas sejam mostradas, o pesquisador terá uma nova tela contendo a data em que foi feita a avistagem, a espécie avistada, o local da avistagem, o pesquisador e a instituição a que ele pertence.
IV. RESULTADOS
Como resultado temos um sistema onde o pesquisador pode identificar espécies de cetáceos avistadas no mar de forma fácil e rápida, bastando o mesmo se conectar na internet e acessar o sistema, informando as características do cetáceo avistado e o sistema informará as cinco espécies que mais se assemelham com as características descritas e o grau de similaridade de cada uma em relação as características informadas.
O Sistema de Identificação de Cetáceos oferece ao pesquisador uma biblioteca composta pelas principais espécies que ocorrem no litoral brasileiro, suas principais características e sua foto, onde o mesmo pode obter várias informações sobre os cetáceos.
Através do sistema o pesquisador pode gerar relatórios contendo as avistagens feitas durante um determinado tempo informado pelo mesmo, onde são informados o nome da espécie, o local onde foi avistada, o pesquisador que fez a avistagem e a intituição a que ele pertence.
V. CONCLUSÕES
Ao iniciar este trabalho tinha-se o objetivo de construir um sistema de identificação de cetáceos usando a técnica de RBC. Avaliando o método de identificação usado e analisando as principais características dos cetáceos, obtive-se informações para compor a tabela de informações sobre observações de cetáceos e identificamos as variáveis que compõem o sistema.
Avaliando as variáveis escolhidas foram escolhidos dois métodos de avaliação de similaridade, que após testes usando o algoritmo de RBC e informações fornecidas por um especialista da área de oceanografia, resultou em um só método.
A análise e projeto do sistema foi desenvolvida usando a ferramenta Rational Rose, sendo desenvolvidos o diagrama de UseCases, os diagramas de seqüência e o diagrama de classes.
O sistema foi desenvolvido usando as ferramentas Oracle e PHP e após sua implementação foi submetido a testes para confirmar o funcionamento do sistema, através do preenchimento da tabela de informações sobre cetáceos utilizando fotos de cetáceos e a comparação dos resultados obtidos no sistema usando as estas informações. Nestes testes foram comparadas 30 fotos, onde o nome da espécie avistada na foto apareceu entre as cinco possíveis espécies
95% das vezes, sendo 70% como a espécie com maior probabilidade.
Para futuros trabalhos poderiam ser testadas outras métricas de similaridade, como o por exemplo o método do ID3, também poderiam ser feitas melhoras na interface do sistema, como por exemplo adicionar figuras ao lado das características para que o usuário consiga visualizar as diferenças entre as características dos cetáceos, facilitando o preenchimento dos campos no cálculo de similaridade.
Este sistema poderia futuramente ser interligado a outros sistemas desta área desenvolvidos pelo LCA, trocando informações com os mesmos, principalmente com o sistema SIMMAM que faz o mapeamento das espécies identificadas durante as avistagens.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] REIS, Luciano Wagner Dórea. Projeto Mama. <www.lbm.com.br/mama>. Acesso: 10 maio 2003.
[2] HETZEL, Bia; LODI, Liliane. Baleias, Botos e Golfinhos, Editora Nova Fronteira, 1994.
[3] LEE, Rosina Weber. Pesquisa Jurisprudencial Inteligente.
1998. Tese (Doutorado em Engenharia) – Universidade Federal
de Santa Catarina, Florianópolis.
[4] CARDOSO, Amilcar. Raciocínio Baseado em Casos. http://eden.dei.uc.pt/~ec/teoricas/cbr.pdf. Acesso:02abril 2003. [5] LORENZI, Fabiana; ABEL, Mara. Aplicando Raciocínio
Baseado em Casos na Investigação de Irregularidades nas Internações Hospitalares. 2002. (II Congresso Brasileiro de
Computação) – Universidade Federal do rio Grande do Sul, Porto Alegre.
[6] SILVA, Deam James da ; COSTA, Fábio Paraguaçu da ; MEDEIROS, Jovany Luis Alves de. Sistema de RBC para o
Diagnóstico Médico de Doenças Neurológicas. 2002.
(II Workshop de Informática Aplicada à Saúde) – Universidade Federal da Paraíba.
[7] ABEL, Mara. Sistema de Conhecimento Utilizando Raciocínio
Baseado em Casos.
http://marabel.inf.ufrgs.br/Publico/Disciplinas. Acesso: 06abril 2003.
