Monitoramento dinâmico do volume hídrico em reservatórios utilizando imagens de satélite e redes neurais convolucionais
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal da Paraíba
Brasil Informática Programa de Pós-Graduação em Informática UFPB |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
|
| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31995 |
Resumo: | Image-based monitoring techniques have been applied to track water volume. The main objective of this work is to present a framework that leverages deep learning and multispectral images to monitor water volumes in reservoirs in Paraíba, Brazil. To validate the methodology, six different reservoirs throughout the state were selected: Engenheiro Ávidos, Argemiro de Figueiredo, Lagoa do Arroz, Gramame/Mamuaba, Sumé, and Marés. A Convolutional Neural Network (CNN) was employed to extract the surface area of water bodies using satellite images. The volume monitoring graph was derived from the reservoirs' water surface area data, along with their respective elevation-area-volume (EAV) curves. Multispectral satellite images covering the period from mid-2018 to 2023 were employed. Four distinct approaches were tested in creating the segmentation model, with all tests conducted using 5-fold cross-validation. The U-Net-based model, with data augmentation technique, achieved the best metrics, with results of 95.81% IoU and 96.86% Dice coefficient. The temporal series of water volumes highlighted significant variations in the segmentation model performance among the reservoirs, with some, such as Argemiro de Figueiredo and Engenheiro Ávidos, revealing MAPE results below 15% and Pearson coefficients greater than 0.92. In contrast, others, such as Marés and Gramame/Mamuaba, showed inferior metrics. The analysis allowed for evaluating the effectiveness of the model and methodology, identifying factors that may affect the accuracy of estimates, such as cloud presence, spatial resolution of satellite images, and geographical location of the reservoirs. |
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Monitoramento dinâmico do volume hídrico em reservatórios utilizando imagens de satélite e redes neurais convolucionaisSensoriamento remoto - SatélitesSimulação de reservatóriosMonitoramento de reservatóriosAprendizado profundoRemote sensing - SatellitesReservoir simulationReservoir monitoringDeep learningCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOImage-based monitoring techniques have been applied to track water volume. The main objective of this work is to present a framework that leverages deep learning and multispectral images to monitor water volumes in reservoirs in Paraíba, Brazil. To validate the methodology, six different reservoirs throughout the state were selected: Engenheiro Ávidos, Argemiro de Figueiredo, Lagoa do Arroz, Gramame/Mamuaba, Sumé, and Marés. A Convolutional Neural Network (CNN) was employed to extract the surface area of water bodies using satellite images. The volume monitoring graph was derived from the reservoirs' water surface area data, along with their respective elevation-area-volume (EAV) curves. Multispectral satellite images covering the period from mid-2018 to 2023 were employed. Four distinct approaches were tested in creating the segmentation model, with all tests conducted using 5-fold cross-validation. The U-Net-based model, with data augmentation technique, achieved the best metrics, with results of 95.81% IoU and 96.86% Dice coefficient. The temporal series of water volumes highlighted significant variations in the segmentation model performance among the reservoirs, with some, such as Argemiro de Figueiredo and Engenheiro Ávidos, revealing MAPE results below 15% and Pearson coefficients greater than 0.92. In contrast, others, such as Marés and Gramame/Mamuaba, showed inferior metrics. The analysis allowed for evaluating the effectiveness of the model and methodology, identifying factors that may affect the accuracy of estimates, such as cloud presence, spatial resolution of satellite images, and geographical location of the reservoirs.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESTécnicas de monitoramento baseadas em imagens têm sido aplicadas para realizar o acom- panhamento do volume de água. O principal objetivo deste trabalho é apresentar um fra- mework que aproveita o aprendizado profundo e imagens multiespectrais para monitorar os volumes de água de reservatórios no estado da Paraíba, Brasil. Para validar a me- todologia, foram selecionados seis reservatórios distintos ao longo do estado: Engenheiro Ávidos, Argemiro de Figueiredo, Lagoa do Arroz, Gramame/Mamuaba, Sumé e Marés. Uma Rede Neural Convolucional (CNN) foi empregada para extrair a área da superfície dos corpos d'água, utilizando imagens de satélite. O gráfico de monitoramento de volume foi derivado dos dados de área da superfície da água dos reservatórios, juntamente com o uso das respectivas curvas CAV. Foram empregadas imagens multiespectrais de satélite que abrangem o período de meados de 2018 a 2023. Quatro abordagens distintas foram testadas na criação do modelo de segmentação, com todos os testes conduzidos usando a técnica de validação cruzada com 5 folds. O modelo baseado na U-Net, com a técnica de aumento de dados, obteve as melhores métricas, com resultados de 95,81% IoU e 96,86% de coeficiente de Dice. As séries temporais dos volumes de água destacaram variações significativas no desempenho do modelo de segmentação entre os reservatórios, com al- guns, como Argemiro de Figueiredo e Engenheiro Ávidos, revelando resultados de MAPE inferiores a 15% e coeficientes de Pearson maiores que 0,92, enquanto outros, como Marés e Gramame/Mamuaba, apresentaram métricas inferiores. A análise permitiu avaliar a eficácia do modelo e da metodologia, identificando fatores que podem afetar a precisão das estimativas, como a presença de nuvens, a resolução espacial das imagens de satélite e a localização geográfica dos reservatórios.Universidade Federal da ParaíbaBrasilInformáticaPrograma de Pós-Graduação em InformáticaUFPBBatista, Leonardo Vidalhttp://lattes.cnpq.br/1047122596139990Teixeira, Ariane Marina de Albuquerque2024-09-24T17:06:03Z2024-02-292024-09-24T17:06:03Z2024-01-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31995porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2024-09-25T06:05:08Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/31995Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpb.br/oai/requestdiretoria@ufpb.br||bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:25462024-09-25T06:05:08Repositório Institucional da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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