Extração de edificações por Deep Learning e combinação de dados LiDAR e imagens ópticas - Henrique, Vinícius Barbosa (2023)
A extração de edificações a partir de imagens ópticas constitui um importante passo para o planejamento urbano e desenvolvimento territorial para as cidades, e os processos automáticos, como o machine learning e deep learning, beneficiam indiretamente os gestores públicos no contexto de processos decisórios. O deep learning é uma subárea do aprendizado de máquina, que se concentra no treinamento de redes neurais profundas com enfoque no aprendizado com base em dados com alta variabilidade, como luminosidade, posição, textura e outros, e difere de outras técnicas por utilizar redes neurais na aprendizagem e envolver o uso de múltiplas camadas de neurônios artificiais para realizar tarefas complexas de processamento de dados. Há diversas redes disponíveis na literatura para os mais variados fins, incluído o contexto de segmentação de edificações em área urbana, ou redes inicialmente designadas para uma finalidade que apresenta compatibilidade em aprendizado de edificações (como a U-Net desenvolvida para segmentação em imagens da área médica). Independente da rede considerada, é comum variações com implementações de módulos e novos processos, como ocorre na ResUNet-a baseada na U-Net, com o objetivo de aprimorar sua segmentação. A melhoria nos resultados dessas redes também pode ser produzida pela entrada de informações adicionais, modificando os dados usados no treinamento para melhorar a identificação de um objeto, como o uso de dados LiDAR (Light Detection And Ranging) e diferentes modelos de cores, por exemplo. A presente pesquisa se propõe a avaliar o efeito da modificação dos dados de entrada nas redes de deep learning, com uso de dados LiDAR e composição de cores, na arquitetura ResUNet-a, e testar a hipótese de aprimoramento da segmentação. Para avaliar a hipótese foi realizado um experimento prático visando testar o uso da rede ResUNet-a, sendo possível atingir 96.0% de correspondência na segmentação semântica de edificações pela métrica F1-Score com um modelo de parâmetros treinado em 60 épocas durante o período de 4 dias. A partir disso, a metodologia foi proposta para avaliar o desempenho utilizando dois datasets: HInDSM (composto por informação de matiz, intensidade e MDSn - modelo digital de superfície normalizado) e imagem RGB, usado para efeito de comparação. O resultado pelo HInDSM alcançou 96,601% de F1-Score, correspondendo a um acréscimo de 1,89% se comparado ao uso apenas da imagem RGB. Além disso, o modelo apresenta melhorias qualitativas na segmentação de edificações, e conclui-se que o uso de MDSn combinado com os componentes matiz (hue) e intensidade, do modelo de cor HSI trazem melhorias na acurácia e desempenho na identificação de edificações em meio urbano.