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Title: Reconhecimento de padrões de crescimento urbano em imagens de satélite utilizando aprendizagem profunda e teoria dos valores extremos.
Other Titles: Recognition of urban growth patterns in images of satellite using deep learning and extreme value theory.
???metadata.dc.creator???: ESTEVES, Antônio Germineo Lima.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: PEREIRA, Eanes Torres.
???metadata.dc.contributor.referee1???: GOMES, Herman Martins.
???metadata.dc.contributor.referee2???: ARAÚJO, Joseana Macedo Fechine Régis de.
???metadata.dc.contributor.referee3???: VEGA, Marco Antonio Alvarez .
Keywords: Sensoriamento remoto;Teoria dos valores extremos;Aprendizagem profunda;Detecção de anomalias;Peaks Over Threshold (POT);Remote sensing;Theory of extreme values;Deep learning;Anomaly detection;Picos acima do limiar (POT);Detección remota;Teoría de los valores extremos;Aprendizaje profundo;Detección de anomalías;Picos por encima del umbral (POT);Télédétection;Théorie des valeurs extrêmes;L'apprentissage en profondeur;Détection d'une anomalie;Pics au-dessus du seuil (POT)
Issue Date: 21-Feb-2022
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: ESTEVES, A. G. L. Reconhecimento de padrões de crescimento urbano em imagens de satélite utilizando aprendizagem profunda e teoria dos valores extremos. 2022. 71 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2022.
???metadata.dc.description.resumo???: O reconhecimento de padrões de crescimento urbano em imagens de satélite apresenta aplicações que variam desde o entendimento da dinâmica da urbanização, até inferir a expansão urbana futura. Tanto a disponibilidade de inventários globais de uso da superfície terrestre, baseados em sensoriamento remoto, quanto os avanços nos métodos de aprendizado profundo, oferecem uma oportunidade para impulsionar o estado da arte dos modelos existentes para este fim. Essa tarefa tem amplas implicações para a preparação para desastres, meio ambiente, desenvolvimento de infraestrutura e prevenção de epidemias, além de desenvolver novos métodos de visão computacional para dados de séries temporais. Inspirados por modelos sequenciais, esse trabalho propõe um método para a detecção de anomalias, ou alterações, utilizando o algoritmo Peaks Over Threshold (POT), uma abordagem probabilística paramétrica com base na Teoria dos Valores Extremos que não requer limites definidos manualmente e não pressupõe a distribuição dos dados. O algoritmo foi aplicado às representações obtidas por uma rede neural convolucional (arquitetura U-Net) de modo a reconhecer e detectar possíveis alterações na geografia das regiões, tirando proveito de uma sequência temporal de imagens de sensoriamento remoto extraída do conjunto de dados SpaceNet. Os resultados mostram que, apesar da resolução moderada dos dados, foi possível rastrear identificadores de alterações na superfície terrestre temporalmente. Os resultados validam a eficácia do método proposto na detecção de novidades com resultados de 91,34% e 85% para F-score e revocação, respectivamente, bem como um F-beta de 87,42%, pontuação que representa a média harmônica ponderada de precisão e revocação. Em comparação com a literatura, os resultados reportados por três pesquisas correlatas são de 90%, 71,16% e 69% para o F-score, exclusivamente, sem registro de métricas adicionais. O uso do algoritmo POT em conjunto com uma rede convolucional de arquitetura U-Net, aplicados ao conjunto de dados SpaceNet trouxe evidências experimentais de que se trata de uma abordagem promissora para fornecer automaticamente detecções de mudanças ou alterações espaço-temporais na superfície terrestre em aplicações práticas.
Abstract: The recognition of urban growth patterns in satellite images has applications that range from understanding the dynamics of urbanization to inferring future urban expansion. Both the availability of global inventories of land use, based on remote sensing, and advances in deep learning methods, offer an opportunity to boost the state of the art of existing models for this purpose. This task has broad implications for disaster preparedness, the environment, infrastructure development, and epidemic prevention, as well as developing new computer vision methods for time series data. Inspired by sequential models, this work proposes a method for detecting novelties, or anomalies, using the Peaks Over Threshold (POT) algorithm, a parametric probabilistic approach based on the Theory of Extreme Values that does not require manually defined thresholds. and does not presuppose data distribution. The algorithm was applied to representations obtained by a convolutional neural network (U-Net architecture) in order to recognize and detect possible changes in the geography of the regions, taking advantage of a temporal sequence of remote sensing images extracted from the SpaceNet dataset. The results show that, despite the moderate resolution of the data, it was possible to track identifiers of changes in the Earth’s surface temporally. The results validate the effectiveness of the proposed method in detecting anomalies with results of 91.34% and 85% for F-score and recall respectively, as well as an F-beta of 87.42%, a score that represents the average precision weighted harmonica and recall. In comparison with the literature, the reported results are 90%, 71.16% and 69% for the F-score, exclusively, without recording additional metrics. The use of the POT algorithm in conjunction with a convolutional network of U-Net architecture, applied to the SpaceNet dataset, has brought experimental evidence that it is a promising approach to automatically provide detections of spatio-temporal changes or alterations on the Earth’s surface in practical applications.
Keywords: Sensoriamento remoto
Teoria dos valores extremos
Aprendizagem profunda
Detecção de anomalias
Peaks Over Threshold (POT)
Remote sensing
Theory of extreme values
Deep learning
Anomaly detection
Picos acima do limiar (POT)
Detección remota
Teoría de los valores extremos
Aprendizaje profundo
Detección de anomalías
Picos por encima del umbral (POT)
Télédétection
Théorie des valeurs extrêmes
L'apprentissage en profondeur
Détection d'une anomalie
Pics au-dessus du seuil (POT)
???metadata.dc.subject.cnpq???: Ciência da Computação
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/24922
Appears in Collections:Mestrado em Ciência da Computação.

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ANTÔNIO GERMINEO LIMA ESTEVES – DISSERTAÇÃO (PPGCC) 2022.pdf1.11 MBAdobe PDFView/Open


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