Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/8528
Tipo: Dissertação
Título: Detecção de Desmatamento no Estado de Mato Grosso do Sul utilizando Segmentação Semântica em imagens bi-temporais dos satélites Landsat 8 e Sentinel 2
Autor(es): Paulo Augusto Arantes Vilela
Primeiro orientador: Edson Takashi Matsubara
Resumo: A supressão da vegetação nativa sem autorização no Estado de Mato Grosso do Sul tem ameaçado a conservação dos biomas locais como o Cerrado e a Mata Atlântica. Neste contexto, é relevante salientar que a Constituição Brasileira de 1988 fixou como dever do Estado e da Coletividade a defesa do meio ambiente, atribuindo ao Ministério Público funções de atuação para a proteção ambiental. A exemplo, o Ministério Público do Estado de Mato Grosso do Sul, por meio do Programa DNA Ambiental, têm monitorado e identificado pontos de desmatamento sem autorização ambiental, em seu Núcleo de Geotecnologias (NUGEO), promovendo ações e providências para a punição e reparação de eventuais danos causados. Atualmente, este mapeamento tem sido realizado através da análise visual, não automatizada, de imagens de diversos satélites, especialmente dos satélites Landsat-8 e Sentinel-2, demandando consideráveis horas de trabalho e mão de obra especializada. Entretanto, com a evolução de técnicas de Deep Learning, novos algoritmos podem ser capazes de automatizar o processo de análise multitemporal de imagens de satélites, promovendo agilidade, ganho de eficiência e possibilitando a alocação de recursos humanos para outros serviços. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de automatização do processo de identificação de desmatamentos utilizando as redes neurais profundas DeepLabv3+, U-Net e Multi-Scale Attention for Semantic Segmentation, para segmentação semântica em imagens bi-temporais de satélite, disponibilizando um modelo de inteligência artificial treinado, com a capacidade de mapear áreas desmatadas em qualquer cena dos biomas Cerrado e Mata Atlântica. Para tanto, buscou-se um conjunto de dados apropriado para essa finalidade. O primeiro dataset foi gerado a partir de arquivo shapefile com polígonos de áreas desmatadas pré-determinadas, associado ao recorte manual de duas cenas do satélite Landasat-8, resultando em um conjunto de dados com poucas amostras e muito ruído. O segundo dataset foi obtido a partir de um novo arquivo shapefile de desmatamentos e cenas do satélite Sentinel-2, cujo download e recortes foram realizados de forma automatizada utilizando-se um framework desenvolvido com APIs e infraestrutura em nuvem do projeto Planetary Computer, associadas a aplicação de uma curadoria especializada, produzindo um conjunto com maior número de amostras e ruído reduzido, com o qual obteve-se os melhores resultados nos treinamentos preliminares utilizando-se a rede neural U-net, adotada como baseline, sendo então escolhido para o treinamento das demais redes neurais artificiais avaliadas neste estudo. Ainda, foi realizado experimento para mitigar o problema do balanceamento dos dados, empregando-se diferentes funções de perda. Assim sendo, as principais contribuições desta dissertação são: (1) um conjunto de dados de desmatamento público rotulado e com curadoria; (2) uma avaliação experimental usando as redes neurais U-Net, DeepLabv3+ e Multi-Scale Attention para segmentação semântica em imagens bi-temporais do satélite Sentinel 2; e (3) uma avaliação experimental das funções de perda Binary-Cross-Entropy, Weighted Binary-Cross-Entropy e Focal Loss. Os resultados mais favoráveis foram obtidos com a arquitetura Multi-Scale Attention for Semantic Segmentation, com a função de perda Weighted Binary Cross-Entropy. Por fim, esse modelo foi disponibilizado ao MPMS, que procederá a sua implantação e implementação de procedimentos para validação dos resultados, bem como aprimoramento da amostra e evolução do modelo.
Abstract: The unauthorized suppression of native vegetation in the state of Mato Grosso do Sul has threatened the conservation of local biomes such as the Cerrado and the Atlantic Forest. In this context, it is relevant to emphasize that the Brazilian Constitution of 1988 established as duty of the State and Society the defense of a balanced environment, assigning to the Public Prosecutor's Office functions of action for environmental protection. For example, the Public Prosecutor's Office of the State of Mato Grosso do Sul, through the DNA Ambiental Program, has been monitoring and identifying points of deforestation without environmental authorization in its Geotechnologies Center (NUGEO), promoting actions and measures for the punishment and reparation of any damages caused. Currently, this mapping has been carried out through visual, non-automated analysis of images from various satellites, especially Landsat-8 and Sentinel-2 satellites, requiring considerable hours of work and specialized labor. However, with the evolution of Deep Learning techniques, new algorithms may be able to automate the multitemporal analysis process of satellite images, promoting agility, efficiency gains, and enabling the allocation of human resources to other services. This work aimed to present a proposal for automating the process of identifying deforestation using the deep neural networks DeepLabv3+, U-Net, and Multi-Scale Attention, for semantic segmentation in bi-temporal images of satellite, providing a trained artificial intelligence model capable of mapping deforested areas in any scene of the Cerrado and Atlantic Forest biomes. For this purpose, an appropriate dataset was sought. The first dataset was generated from a shapefile with predefined deforested areas polygons, associated with the manual clipping of two Landsat-8 satellite scenes, resulting in a dataset with few samples and much noise. The second dataset was obtained from a new deforestation shapefile and Sentinel-2 satellite scenes, with downloads and clippings performed automatically using a framework developed with APIs and cloud infrastructure from the Planetary Computer project, associated with specialized curation, producing a dataset with a larger number of samples and reduced noise. Notably, this dataset yielded the best results in preliminary training using the U-net neural network, established as the baseline, and subsequently adopted for training other evaluated artificial neural networks in this study. Additionally, an experiment was conducted to address data imbalance issues, employing various loss functions. Therefore, the main contributions of this dissertation are: (1) a labeled and curated public deforestation dataset; (2) an experimental evaluation using the U-Net, DeepLabv3+, and Multi-Scale Attention neural networks for semantic segmentation in bi-temporal Sentinel-2 satellite images; and (3) an experimental evaluation of the loss functions Binary-Cross-Entropy, Weighted Binary-Cross-Entropy, and Focal Loss. The most favorable outcomes were achieved with the Multi-Scale Attention for Semantic Segmentation architecture, utilizing the Weighted Binary Cross-Entropy loss function. Finally, the most effective model has been made accessible to the MPMS for deployment, implementation of validation procedures, and further refinement of samples and model evolution.
Palavras-chave: Aprendizado de Máquina, Segmentação Semântica, Aprendizado Profundo
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/8528
Data do documento: 2024
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação

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