Benchmark aplicado à Deteção de Objetos de Mamoas Arqueológicas a partir de dados LiDAR

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Miguel Ribeiro Vilar Brás da
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.22/23988
Resumo: Human history and its archaeological evidence are priceless and should be preserved, esteemed and respected. However, the traditional work of an archaeologist is mainly manual labour, sluggish and requires specialized knowledge as well as considerable experience, which represents quite a limitation due to the available community of archaeologists. Besides this fact, concerns about global warming, the generalized rise of sea levels or destruction due to human activities, among others, contribute to a growing fear of losing some archaeological sites as the traditional method of identification and preservation of these sites can’t keep up with the propagation speed of such problems. Because of this, a growing willingness to implement Artificial Intelligence techniques has been evidenced, which allows some help to the archaeologist in several tasks, with particular focus to archaeological sitting identification, through remote detection. Currently, there are no applications or tools that can execute such work, however, there has been a growing effort in studies and work on a scientific and academic level. This thesis aims to implement a tool that, through LiDAR data readings, gathered from some geographical area, can perform object detection to specific archaeological findings (such as mounds), testing a variety of machine learning models to, assigning a classification, determine if it’s in the presence of an archaeological mound. The input of the work done for this thesis consists of a Digital Terrain Model (DTM), a Local Relief Model (LRM) and a Slope obtained from drone flights over Viana do Castelo, with the use of LiDAR sensors. The combination of these three images was processed to achieve a single image with higher identification of certain features for future model training. For comparison reasons, two datasets were built with different margin sizes around each archaeological mound. The goal of the thesis is to perform tests on some object detection architectures, compare the efficiency of their evaluations and be able to determine which of the tested models performs a better prediction result on detecting the presence of an archaeological mound. This study was able to perform the comparison of a total of nine Deep Learning (DL) architectures, testing four two-stage detectors and five one-stage detectors. As expected, most of the two-stage detectors outperformed the one-stage detectors in terms of mean average precision for the detection of archaeological mounds, except for the one stage detector Fully Convolutional One-Stage (FCOS), which achieved the highest mean average precision from all, showing results between 68.1% to 78.6% for both size dataset.
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Because of this, a growing willingness to implement Artificial Intelligence techniques has been evidenced, which allows some help to the archaeologist in several tasks, with particular focus to archaeological sitting identification, through remote detection. Currently, there are no applications or tools that can execute such work, however, there has been a growing effort in studies and work on a scientific and academic level. This thesis aims to implement a tool that, through LiDAR data readings, gathered from some geographical area, can perform object detection to specific archaeological findings (such as mounds), testing a variety of machine learning models to, assigning a classification, determine if it’s in the presence of an archaeological mound. The input of the work done for this thesis consists of a Digital Terrain Model (DTM), a Local Relief Model (LRM) and a Slope obtained from drone flights over Viana do Castelo, with the use of LiDAR sensors. The combination of these three images was processed to achieve a single image with higher identification of certain features for future model training. For comparison reasons, two datasets were built with different margin sizes around each archaeological mound. The goal of the thesis is to perform tests on some object detection architectures, compare the efficiency of their evaluations and be able to determine which of the tested models performs a better prediction result on detecting the presence of an archaeological mound. This study was able to perform the comparison of a total of nine Deep Learning (DL) architectures, testing four two-stage detectors and five one-stage detectors. As expected, most of the two-stage detectors outperformed the one-stage detectors in terms of mean average precision for the detection of archaeological mounds, except for the one stage detector Fully Convolutional One-Stage (FCOS), which achieved the highest mean average precision from all, showing results between 68.1% to 78.6% for both size dataset.A história da humanidade e as suas evidências arqueológicas são inestimáveis e devem ser preservadas, respeitadas e valorizadas. No entanto, o trabalho tradicional de um arqueólogo é principalmente uma tarefa manual, lenta e requer conhecimento especializado, bem como considerável experiência, o que representa uma limitação significativa devido à disponibilidade limitada de arqueólogos. Além disso, preocupações com o aquecimento global, o aumento generalizado do nível do mar ou a destruição devido a atividades humanas, entre outras, contribuem para um crescente receio de perder alguns sítios arqueológicos, já que o método tradicional de identificação e preservação desses sítios não consegue acompanhar a velocidade de propagação de tais problemas. Decorrente destes factos, aliado a uma tendência generalizada e com sucesso no recurso a técnicas de Inteligência Artificial em outras especialidades, também na Arqueologia tem-se vindo a verificar uma adesão significativa. A adoção de técnicas de Inteligência Artificial tem permitido alguma ajuda aos arqueólogos em várias tarefas, com especial foco na identificação de sítios arqueológicos através do recurso a métodos de deteção remota. Atualmente, não existem aplicações ou ferramentas que possam executar este trabalho, no entanto, tem-se verificado um esforço crescente de estudo e desenvolvimento de trabalho nesse sentido, quer ao nível académico quer científico. Esta tese tem como objetivo implementar uma ferramenta que, através da leitura de dados LiDAR, coletados de uma determinada área geográfica, consiga efetuar uma deteção de objetos referentes a vestígios arqueológicos específicos (mamoas), recorrendo a uma variedade de modelos de machine learning, atribuindo uma classificação para determinar se identificou ou não com sucesso a presença de uma mamoa. O ponto de partida do trabalho realizado nesta tese inicia-se com o acesso e trabalho realizado sobre três técnicas de visualização aplicada sobre dados LiDAR, nomeadamente consiste no acesso a ficheiros como Digital Terrain Model (DTM), Local Relief Model (LRM) e Slope. Estes dados LiDAR e consequente conversão nas técnicas de visualização anteriormente citadas ocorreram a partir de voos de drones, equipados com sensores LiDAR que, sobrevoando a zona de Viana do Castelo, proporcionou a obtenção de tais dados. Adicionalmente aos três ficheiros de técnicas de visualização, foi também disponibilizado um ficheiro shape que fornece informação georreferenciada da localização de mamoas na área sobrevoada pelos drones. Com recurso ao software QGIS, foi possível identificar que, as localizações das mamoas encontravam-se relativamente concentradas numa parte específica das imagens. Desta forma, e considerando o tamanho dos ficheiros em questão, efetuou-se uma seleção nas imagens, cortando áreas que já apresentassem uma distância considerável da mamoa mais próxima, de forma a tornar mais ágil o processo de trabalho e treino dos modelos escolhidos. Posteriormente, e com as imagens em tamanho mais reduzido, efetuou-se uma operação de combinação entre as três tipologias de imagens, obtendo uma única imagem onde, incorporando as características destas, permitiu realçar determinados aspetos com intuito de, posteriormente, auxiliar nas tarefas de treino e teste dos modelos de aprendizagem profunda a que foram aplicados. Seguiu-se o processo de pré-processamento de dados tendo sido definido e trabalhado um programa que executasse a mesma tarefa, fornecendo como output um dataset em formato COCO, formato escolhido dada popularidade e sucesso verificado na aplicação a métodos de deteção de objetos. A construção deste dataset foi igualmente realizada de forma a criar estrutura de ficheiros que, respeitando na mesma o formato COCO, proporcionasse a aplicação da técnica de leave-one-out cross-validation, uma vez que, foi considerado a melhor opção dada existência de apenas 77 mamoas, de forma a evitar cenários de enviesamento de dados ou até overfitting. Para diversificar e enriquecer esta análise comparativa, foram criados dois datasets diferentes, cujas bounding boxes em volta das mamoas apresentavam tamanhos diferentes, nomeadamente 15x15 metros e 30x30 metros. Como o objetivo da tese é a realização de testes em algumas arquiteturas de deteção de objeto, foi utilizada um projeto que, está precisamente preparado e desenvolvido para a realização de análises de benchmark, de várias metodologias de classificação de imagem, nas quais estão incluídas as de deteção de objeto. Esta biblioteca permitiu a realização do estudo comparativo não só entre as arquiteturas analisadas e identificadas como as mais promissoras e populares na análise de estado de arte, como ainda permitiu a comparação com outras arquiteturas dada a variedade de oferta de modelos que a mesma proporcionava. Este estudo conseguiu realizar a comparação com um total de nove arquiteturas de aprendizagem profunda, testando quatro detetores two-stage e cinco detetores one-stage. Como era esperado, a maioria dos detetores two-stage superou os detetores one-stage em termos de precisão média de deteção de mamoas, com exceção do modelo Fully Convolutional One-Stage (FCOS), que alcançou a maior precisão média de todos os modelos testados, apresentando resultados entre 68,1% e 78,6% em ambos os datasets. Igualmente esperado foi a confirmação do modelo one-stage Single Shot Detector (SSD) como sendo o modelo com mais rápido tempo de processamento de treino, apesar de, entre os restantes modelos, a diferença de tempo já ser menos significativa e não se notar uma supremacia dos modelos one-stage como seria inicialmente esperado.Marreiros, Maria Goreti CarvalhoRepositório Científico do Instituto Politécnico do PortoSilva, Miguel Ribeiro Vilar Brás da2023-11-27T12:05:47Z2023-10-252023-10-25T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.22/23988TID:203380843enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-29T01:48:10Zoai:recipp.ipp.pt:10400.22/23988Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T23:20:00.688402Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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