Análise de estratégias para identificação de copas de árvores em áreas arbóreas utilizando imagens de Aeronaves Remotamente Pilotadas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Wesley Rafael Nunes da
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14701
Resumo: The monitoring of forest areas is an essential tool for environmental conservation, either by controlling the suppression of native vegetation or by monitoring the restoration processes, with constant improvements in the strategies and techniques used in their execution. Therefore, it is necessary to know the structure of these areas in order to have a better understanding of their dynamics and distribution. In this scenario, the use of geoprocessing tools, especially through the technique of segmentation of the treetops, appears as essential tool to study vegetation in detail, assisting in the study of the structure of the forest and its conservation. However, its applicability is often limited by the quality of the images available for analysis and, sometimes, by the techniques used for data interpretation. Remotely piloted aircraft (RPAs) are becoming an excellent alternative in terms of data quality, allowing the acquisition of high-resolution images at low cost. In addition, with easier access to machine learning techniques, it is possible to use neural network models to process data in an innovative and efficient way. In this work, images obtained through RPA were used to evaluate different techniques for segmentation of tree crowns, aiming to find the most suitable to identify and count tree individuals. The following segmentation methods were evaluated: mode filter, multiresolution, watershed and segmentation with neural networks for deep learning. The images were obtained in areas with different plant physiognomies (Pinus silviculture and riparian forest), in order to assess their impact on the results. The results were compared using a set of validation data (terrestrial truth) generated from independent samples of these same images, to observe the accuracy of the techniques. The results showed that the polygons from the mode filter do not correspond to the crowns of the trees, possibly due to the intense homogenization of the images, which emphasizes its use as an intermediate segmentation tool. The multiresolution and watershed segmentations, on the other hand, showed good potential to detect treetops in the Pinus area, however, its parameters must be adjusted according to the target area, which makes it difficult to use and requires the algorithm to be executed multiple times. Ultimately, the segmentation generated by the deep learning model (U-Net) had problems connecting the edges of the treetops and showed a result without individual polygons for each tree. However, with the labeling used in this project, the tool showed good potential for detect gaps within the forest. In all cases, results were better in Silviculture compared to the area of Riparian Forest, a situation that may be related to the difference in the density of the treetops between these regions. Finally, additional experiments are necessary, using other sensors (such as LiDAR) and methods, to check if there is an improvement in the quality of the segmentation.
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Therefore, it is necessary to know the structure of these areas in order to have a better understanding of their dynamics and distribution. In this scenario, the use of geoprocessing tools, especially through the technique of segmentation of the treetops, appears as essential tool to study vegetation in detail, assisting in the study of the structure of the forest and its conservation. However, its applicability is often limited by the quality of the images available for analysis and, sometimes, by the techniques used for data interpretation. Remotely piloted aircraft (RPAs) are becoming an excellent alternative in terms of data quality, allowing the acquisition of high-resolution images at low cost. In addition, with easier access to machine learning techniques, it is possible to use neural network models to process data in an innovative and efficient way. In this work, images obtained through RPA were used to evaluate different techniques for segmentation of tree crowns, aiming to find the most suitable to identify and count tree individuals. The following segmentation methods were evaluated: mode filter, multiresolution, watershed and segmentation with neural networks for deep learning. The images were obtained in areas with different plant physiognomies (Pinus silviculture and riparian forest), in order to assess their impact on the results. The results were compared using a set of validation data (terrestrial truth) generated from independent samples of these same images, to observe the accuracy of the techniques. The results showed that the polygons from the mode filter do not correspond to the crowns of the trees, possibly due to the intense homogenization of the images, which emphasizes its use as an intermediate segmentation tool. The multiresolution and watershed segmentations, on the other hand, showed good potential to detect treetops in the Pinus area, however, its parameters must be adjusted according to the target area, which makes it difficult to use and requires the algorithm to be executed multiple times. Ultimately, the segmentation generated by the deep learning model (U-Net) had problems connecting the edges of the treetops and showed a result without individual polygons for each tree. However, with the labeling used in this project, the tool showed good potential for detect gaps within the forest. In all cases, results were better in Silviculture compared to the area of Riparian Forest, a situation that may be related to the difference in the density of the treetops between these regions. Finally, additional experiments are necessary, using other sensors (such as LiDAR) and methods, to check if there is an improvement in the quality of the segmentation.O monitoramento de áreas florestais é uma ferramenta essencial para a conservação ambiental, tanto pelo controle de supressão da vegetação nativa como no acompanhamento dos processos de restauração, havendo constantes aprimoramentos das estratégias e técnicas utilizadas na sua execução. Para tanto, faz-se necessário conhecer a estrutura dessas áreas visando ter um melhor entendimento de suas dinâmicas e distribuição. Nesse cenário, o uso das ferramentas de geoprocessamento, principalmente através da técnica de segmentação das copas das árvores, surge como um grande aliado para estudar a vegetação de forma detalhada, auxiliando nos estudos da estrutura da floresta e, consequentemente, na sua conservação. No entanto, sua aplicabilidade é muitas vezes limitada pela qualidade das imagens disponíveis para análise e, por vezes, pelas técnicas utilizadas para interpretação dos dados. As aeronaves remotamente pilotadas (RPAs) vêm se tornando uma excelente alternativa em termos de qualidade dos dados, permitindo a obtenção de imagens de alta resolução e com baixo investimento. Além disso, com a facilitação do acesso às técnicas de aprendizagem de máquinas, é possível utilizar modelos de redes neurais para processar dados de maneira inovadora e eficiente. Neste trabalho foram utilizadas imagens obtidas através de RPA para avaliar diferentes técnicas de segmentação de copas de árvores, a fim de encontrar a mais adequada para identificar e contar indivíduos arbóreos. Os seguintes métodos foram avaliados: segmentação de filtro de moda, segmentação multiresolution, segmentação watershed e segmentação com redes neurais para aprendizagem profunda. As imagens foram obtidas em áreas com diferentes fisionomias vegetais (silvicultura de Pinus e mata ciliar), a fim de avaliar seu impacto nos resultados. Os resultados foram comparados usando um conjunto de dados de validação (verdade terrestre) gerados a partir de amostras independentes dessas mesmas imagens, a fim de observar a precisão das técnicas. Os resultados apontaram que o filtro de moda gerou polígonos que não correspondem às copas das árvores, possivelmente devido à intensa homogeneização das imagens, o que enfatiza seu uso como ferramenta intermediária de segmentação, não como produto final. As segmentações multiresolution e watershed, por outro lado, mostraram bom potencial para detectar copas de árvores na área de Pinus, porém seus parâmetros devem ser ajustados de acordo com a área-alvo, o que dificulta o uso e exige a execução do algoritmo múltiplas vezes. Em última análise, a segmentação gerada pelo modelo de aprendizado profundo (U-Net) teve problemas para conectar as bordas das copas das árvores e mostrou um resultado sem polígonos individuais para cada árvore. No entanto, a ferramenta mostrou um bom potencial para detectar clareiras dentro da floresta, com a rotulagem utilizada neste projeto. Os produtos gerados apresentaram resultados melhores na área de Silvicultura em comparação à área de mata ciliar, situação que pode estar relacionada com a diferença de adensamento das copas das árvores entre essas regiões. Finalmente, sugere-se a condução de experimentos adicionais, utilizando ainda outros sensores (como LiDAR), para verificar se há uma melhora na qualidade da segmentação.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES: Código de Financiamento 001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciências Ambientais - PPGCAmUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCopas de árvoresGeoprocessamentoSensoriamento remotoRPAsCanopyGeoprocessingRemote sensingCIENCIAS AGRARIAS::RECURSOS FLORESTAIS E ENGENHARIA FLORESTAL::CONSERVACAO DA NATUREZAAnálise de estratégias para identificação de copas de árvores em áreas arbóreas utilizando imagens de Aeronaves Remotamente PilotadasStrategies analysis for treetops identification in arboreal areas using images from Remotely Piloted Aircraftinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600de1c9beb-f876-49e3-bfa4-4ed1b055038dreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação Mestrado - Wesley_Nunes.pdfDissertação Mestrado - Wesley_Nunes.pdfDissertaçãoapplication/pdf3954342https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20Mestrado%20-%20Wesley_Nunes.pdf1671e6f092ffa79d2029979f310aa432MD51atual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdfatual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdfCarta Comprovante assinada pelo Orientadorapplication/pdf162831https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/2/atual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf21b278ffbde8e2926f66b44d7799d453MD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTDissertação Mestrado - Wesley_Nunes.pdf.txtDissertação Mestrado - Wesley_Nunes.pdf.txtExtracted texttext/plain142768https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/4/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20Mestrado%20-%20Wesley_Nunes.pdf.txt621335cd018fa7ffce9fca2471baf218MD54atual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf.txtatual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf.txtExtracted texttext/plain1582https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/6/atual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf.txtad0f37c7508a2e914e579d74e5f336e5MD56THUMBNAILDissertação Mestrado - Wesley_Nunes.pdf.jpgDissertação Mestrado - Wesley_Nunes.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6844https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/5/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20Mestrado%20-%20Wesley_Nunes.pdf.jpgdca8de2ddf77c4ebd55acb7dce5e6fceMD55atual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf.jpgatual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6487https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14701/7/atual-Modelo_0192865_modelo_carta_comprovante_20200617_2.pdf.jpgc0771355317e592110b1f89a72ac6023MD57ufscar/147012023-09-18 18:32:14.092oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/14701Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:14Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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