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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/22965
Tipo do documento: | Dissertação |
Título: | Adaptação adversarial de domínio para a detecção de desmatamento em imagens de sensoriamento remoto |
Título(s) alternativo(s): | Adversarial domain adaptation for deforestation detection in remote sensing images |
Autor: | Santos, José Matheus Fonseca dos ![]() |
Primeiro orientador: | Mota, Guilherme Lucio Abelha |
Segundo orientador: | Costa, Gilson Alexandre Ostwald Pedro da |
Primeiro membro da banca: | Mendoza, Leonardo Alfredo Forero |
Segundo membro da banca: | Feitosa, Raul Queiroz |
Terceiro membro da banca: | Vega, Pedro Soto |
Resumo: | A detecção de desmatamento de uma região florestal pode ser alcançada a partir da segmentação semântica com redes neurais convolucionais. Contudo, devido à diferença de cobertura florestal e de outros aspectos relativos à aquisição das imagens, como incidência solar, ângulo de visada, entre outros, usar uma rede treinada em uma região geográfica geralmente resulta em uma considerável perda de precisão quando a rede é usada para classificar uma região diferente. Podemos nos referir a cada região como um domínio. O domínio de treinamento, com amostras rotuladas (verdade de campo) disponíveis, é o domínio fonte e o outro, o domínio alvo. Observa-se que a produção de rótulos de treinamento para os possíveis diferentes domínios, considerando as grandes extensões dos biomas florestais, teria um custo proibitivo. Entretanto, é possível usar métodos de adaptação de domínio para amenizar as diferenças entre os domínios e obter uma melhor precisão de classificação no domínio alvo. Com esses métodos é possível adotar duas estratégias: a primeira é a adaptação visual para que imagens do domínio alvo, depois de adaptadas, se assemelhem às do domínio fonte, e então se consiga um melhor resultado de classificação sobre as imagens adaptadas com o classificador treinado para o domínio fonte; a segunda consiste de utilizar a adaptação de domínio para treinar um novo classificador para o domínio alvo, prescindindo de rótulos para este domínio. O objetivo deste trabalho é comparar as diferentes estratégias de adaptação de domínio no contexto de detecção de desmatamento, e avaliar o impacto de componentes alternativos de funções de perda. Para a avaliação foram usadas imagens pertencentes a 3 regiões diferentes de coberturas florestais brasileiras, sendo duas pertencentes à Amazônia Legal Brasileira (Rondônia e Pará) e outra na transição entre o bioma Cerrado e à floresta Amazônica (no Maranhão). Cada uma dessas regiões representando um domínio. Para adaptação de domínio visual foi usado um modelo inspirado no CyCADA, que por sua vez é baseada na arquitetura da CycleGAN. Com a CycleGAN foi realizada a adaptação de domínio visual de forma completamente não-supervisionada. Com o modelo inspirado no CyCADA, rótulos do domínio fonte foram usados durante o treinamento com a objetivo de obter um melhor resultado de classificação. Uma rede com a arquitetura DeepLabV3+ foi usada para a classificação. Nos experimentos, observou-se que quando a adaptação de domínio visual dos pares de domínios promovem bons resultados com o classificador fonte (primeira estratégia), o uso de um classificador alvo treinando de forma adaptada (segunda estratégia) geralmente está associado a piores resultados. Enquanto o comportamento inverso também pode ser observado: pares de domínio para os quais se obtém resultados ruins na primeira estratégia, geralmente promovem melhores resultados quando a segunda estratégia é usada. Como esperado, nenhum dos resultados que utilizam adaptação de domínio alcançaram o resultado obtido com um treinamento supervisionado sobre o domínio alvo. Mas os experimentos mostram que é possível alcançar bons resultados e, em quase todos os casos, melhores do que é possível sem qualquer adaptação de domínio. |
Abstract: | Deforestation detection in a specific region can be achieved from semantic segmentation with convolutional neural networks. However, given the differences in forest coverand other aspects related to image acquisition, such as solar incidence, view angle, among others, using a network trained in a geographic region usually results in a considerable loss of accuracy when the network is used to classify a different region. We can refer to each region as a domain. The training domain, with labeled samples (ground truth) available during training, is the source domain, and the other is the target domain. It is observed that the production of training labels for the possible different domains, considering the large extensions of forest biomes, would have a prohibitive cost. However, it is possible to use domain adaptation methods to minimize the differences between domains and obtain better classification accuracy in the target domain. With those methods, it is possible to adopt two strategies: the first is visual adaptation so that images from the target domain, after being adapted, resemble those from the source domain, and then a better classification result is achieved on the adapted images with the classifier trained with the source domain; the second consists of using domain adaptation to train a classifier for the target domain also. The objective of this work is to compare the different domain adaptation strategies in the context of deforestation detection, and to evaluate the impact of alternative components of loss functions. For the evaluation, images belonging to 3 different regions in Brazil were used, two belonging to the Brazilian Legal Amazon (Rondônia and Pará) and another in the transition between the Cerrado biome and the Amazon forest (in Maranhão). Each of those regions represent a domain. For visual domain adaptation, a model inspired by CyCADA was used, which in turn is based on the CycleGAN architecture. With the CycleGAN, visual domain adaptation was performed in a completely unsupervised way. With the model inspired by CyCADA, labels from the source domain are used during the training in order to obtain better results in the classification step. A network with the DeepLabV3+ architecture, with the focal loss function, was used for the classification. In the experiments, it was observed that when the visual domain adaptation of the domain pairs promotes good results with the source classifier (first strategy), the use of a specific target classifier (second strategy) is usually associated with worse results. While the reverse behavior can also be observed: domain pairs for which poor results are obtained with the first strategy generally promote better results when the second strategy is used. As expected, none of the results using domain adaptation achieved the result obtained with supervised training on the target domain. But experiments show that it is possible to achieve good and, in almost all cases, better results than is possible without any domain adaptation. |
Palavras-chave: | Sensoriamento remoto Segmentação de imagens Redes neurais - Computação Monitoramento ambiental Domain adaptation Deep learning Change detection Deforestation detection Remote sensing Semantic segmentation |
Área(s) do CNPq: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Matemática e Estatística |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Ciências Computacionais |
Citação: | SANTOS, José Matheus Fonseca dos. Adaptação adversarial de domínio para a detecção de desmatamento em imagens de sensoriamento remoto. 2021. 106 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Computacionais) - Instituto de Matemática e Estatística, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, 2021. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/22965 |
Data de defesa: | 4-Out-2021 |
Aparece nas coleções: | Mestrado em Ciências Computacionais |
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