Deteção e delimitação de corpos de água em imagens de satélite de alta resolução com aprendizagem profunda

Um estudo preliminar com o Detectron2

Autores/as

  • Samuel Fernandes Agência Portuguesa do Ambiente
  • Alice Fialho Agência Portuguesa do Ambiente ARH Alentejo
  • Isabel Patriarca Agência Portuguesa do Ambiente/ ARH Tejo e Oeste

DOI:

https://doi.org/10.59192/mapping.442

Palabras clave:

Segmentação de Imagem, Imagens de Satélite, Detectron2, Corpos de Água, Aprendizagem profunda, Recursos Hídricos, Visão Computacional

Resumen

A delimitação de corpos de água com recurso a imagens de satélite desempenha umpapel crucial em diversas aplicações, como monitorização ambiental, planeamento derecursos hídricos, planeamento na defesa contra a incêndios e na análise dasalteraçõesclimáticas. Neste trabalho, pretendemos explorar a aplicação daaprendizagem profunda tendo por base oFramework Detectron2, nageraçãoautomática depolígonos que representamcorpos de águacomopequenasalbufeiras,lagos,charcos e reservatórios.A caracterização eficiente das disponibilidades hídricasdos reservatórios, albufeiras e barragenspermite uma melhor e maiseficientemonitorização dos Planos de Água (PA), bem como a boa gestão desses mesmosrecursos. A área geográfica de estudo e as metodologias desenvolvidas, encontra-seenquadrada nas áreas de jurisdição da Administração da Região Hidrográfica doAlentejo, Departamentos desconcentrados da Agência portuguesa do Ambiente, I.P..Foidesenvolvidoum conjunto de dados abrangente e personalizado composto porimagens de satélite de alta resolução e rótulos anotados manualmente, identificandoas áreas correspondentes aos corpos de água, para treinar o modelo.Foi utilizada aarquiteturaResNet-50 combinada com aMask R-CNN, presentesno Detectron2, pararealizar a tarefa de deteção de objetos em gerale segmentação respetivamente. Emseguida, treinamos o modelo de aprendizagem profunda utilizando o nosso conjuntode dados na plataforma Google Colab, aproveitando o poder computacional dasunidades de processamento gráfico (GPU).A vantagem de usara FrameworkDetectron2 é a sua capacidade rápida e eficiente dedelimitação de corpos de águaem grandes volumes de dados,comparativamente aométodo tradicional, oqual envolve um processo manual de análise e marcaçãodospolígonosnas imagens de satéliteatravés de pessoal especializado,apresentandoelevados custos em termos de recursos humanos, económicose com elevadamorosidade.Na(Figura-1)é possível observar dois corpos de água corretamente segmentadosutilizando o método proposto.Esta abordagem pode impulsionar o desenvolvimento detécnicas mais precisas e eficientes para a deteção e delimitação de característicashidrológicas em imagens de satéliteuma vez que conseguimos segmentar corpos deágua com dimensões de até 121 m2.A abordagem implementada neste trabalho podeser aplicada a outras áreas temáticas como por exemplo a deteção de incêndios,blooms de algas, identificação de estruturas urbanas, delimitação de florestas e cultivos agrícolas.

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Biografía del autor/a

Samuel Fernandes, Agência Portuguesa do Ambiente

Concluiu a Licenciatura em Engenharia do Ambiente no Instituto Politécnico de Bragança, Portugal,em 2014, onde foi distinguido como o melhor aluno do curso nesse ano. Obteve o grau de Mestre emTecnologia Ambiental no Instituto Politécnico de Bragança, em2015, tendo desenvolvido um sistemade monitorização e controlo da qualidade do ar interior: construção, validação e aplicação como partedo seu projeto de mestrado. Em 2023, concluiu com sucesso o seu Programa Doutoral na Universidadede Évora, obtendo ograu de Doutor em Engenharia Mecatrónica e Energética, com especialização emMecatrónica. Durante o seu percurso de doutoramento, contribuiu significativamente para odesenvolvimento de instrumentação optoeletrónica de última geração especialmente concebida paraa avaliação da qualidade da água. Recebeu um prestigioso convite da Universidade de Évora paraintegrar o corpo docente como professor no próximo ano letivo de 2023. A Universidade solicitouespecificamente que lecionasse o curso "Energia Solar Fotovoltaica" como parte do programa delicenciatura em Engenharia de Energias Renováveis. Desde 2019, exerce a função de Técnico Séniorna Agência Portuguesa do Ambiente/Administração Regional de Recursos Hídricos do Alentejo, nodepartamento de Planeamento eInformação. Recebeu da Agência para a ModernizaçãoAdministrativa uma menção honrosa pelo Sistema de Incentivo à Inovação Pública na categoria deDesenvolvimento de Modelos de Gestão. Na vanguarda dos seus interesses de pesquisa está o avançodas técnicasde deteção remota com vista à otimização dos processos de gestão e tomada de decisão.Em particular, dedica-se ao desenvolvimento de dispositivos optoelectrónicos que permitem amonitorização em tempo real da qualidade da água. Com experiência em espectroscopia UV/Vis,sistemas embarcados, modelos numéricos e análise de grandes volumes de dados, possui umconhecimento abrangente das várias áreas que contribuem para os seus objetivos de investigação

Alice Fialho, Agência Portuguesa do Ambiente ARH Alentejo

Licenciada em Engenhariados Recursos Hídricos (1997)—Universidade de ÉvoraMestre em Georrecursos (2008)—Instituto Superior TécnicoFormação profissional: Curso de ArcGis (9.2) AvançadoTécnica Superior na Agência Portuguesa do Ambiente, I.P.Assume as funções de Chefe deDivisão de Planeamento e Informação da Administração da RegiãoHidrográfica do Alentejo, na Agência Portuguesa do Ambiente, I.P., desde abril de 2013 até aopresente.Possui 26 anos de experiência profissional nas áreas de planeamento, gestão, monitorização elicenciamento de recursos hídricos, no âmbito da qual se destacam as seguintes tarefas:—Conceção, implementação, gestão e exploração de redes de monitorização de recursos hídricos eprodução de informação técnica;-Coordenação regional de Planos deGestão de Região Hidrográfica (PGRH) e de Planos de Gestão deRiscos de Inundações (PGRI);—Acompanhamento técnico de projetos, direção e coordenação de obras de execução depiezómetros de redes de monitorização; seleção de equipamentos de aquisição de dadosautomáticos com vista à instrumentação de redes de monitorização e elaboração de processos deconcurso para implementação de estações de monitorização.—Articulação entre atividades de monitorização e de licenciamento de utilizações de recursoshídricos, no contexto da análise de dados de autocontrolo e do estado das massas de água, bem como tarefas de apoio à definição de metodologias e procedimentos de trabalho, propostas deorientação técnica e modelos e atuação, no âmbito da análise e emissão detítulos de utilização derecursos hídricos.—Elaboração de registo de zonas protegidas de captação de recursos hídricos superficiais esubterrâneos, e de propostas para regulamentação de zonas protegidas.—Emissão de pareceres de afetação de recursos hídricos no âmbito de: ações com potenciaisimpactes de poluição difusa; avaliação de impacte ambiental; áreas estratégicas de proteção erecarga de aquíferos, entre outros.

Isabel Patriarca, Agência Portuguesa do Ambiente/ ARH Tejo e Oeste

Licenciada em Engenharia Geográfica(Pré-Bolonha, 5 anos),fez parte doorganismopertencente ao Ministério da Defesa Português, o Instituto Hidrográfico desde meados dosanos 90até 2018.Foipioneirano lançamento da cartografia náutica digital eletrónica oficial(CEN)para navegação segura, produto baseadoem Sistemas de Informação Geográfica,tendointegrado a equipa responsávelde produção e validaçãoem Portugal. Seguiu-se umperíodo em que foi responsávelno mesmo Institutopela gestão dosSistemas de Informaçãona produção de cartografia náutica oficial eletrónica e em papel e atualização destes produtoscartográficos. Atualmente encontra-se a exercer funçõesno âmbito dosSistemas deInformaçãoGeográficae Observação da Terra,dando também apoio aosSistemas deInformaçãona Agência Portuguesa do AmbienteI.P./Administração da Região Hidrográficado Tejo e Oeste, no departamento de Planeamentoe Informação.Tem conhecimentos emlinguagem de programação Phyton,Machine Learninge manipulação de imagens de satélite.Autora deartigosapresentados nas JiiDESde 2021 e 2022 e publicados na revista Mapping-Jornal Internacional de Geomática e Ciências da Terra. Autora de diversos outros artigosapresentados em conferências e jornadas e publicados nas respetivas revistas daespecialidade. Membro da Ordem dos Engenheiros.

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Publicado

2024-01-15

Cómo citar

Fernandes, S., Fialho, A., & Patriarca, I. (2024). Deteção e delimitação de corpos de água em imagens de satélite de alta resolução com aprendizagem profunda: Um estudo preliminar com o Detectron2. REVISTA INTERNACIONAL MAPPING, 32(214), 10–24. https://doi.org/10.59192/mapping.442

Número

Vol. 32 Núm. 214 (2023): Revista MAPPING 214

Sección

Artículos Científicos

Licencia

Derechos de autor 2023 Revista MAPPING

Creative Commons License

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.