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Enregistrement W6978123444 · doi:10.7939/r3-nnb4-bd55

Advancing Forest Health Monitoring: Harnessing the Power of Deep Learning Computer Vision for Remote Sensing Applications

2023· dissertation· en· W6978123444 sur OpenAlexaboutno aff

Notice bibliographique

RevueUniversity of Alberta Library · 2023
Typedissertation
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueRemote Sensing and LiDAR Applications
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésDeep learningWorkflowDroneProcess (computing)RGB color modelBottleneckTask (project management)OrthophotoDiscriminative model

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Forests provide immense economic, ecological, and societal values, making forest health monitoring (FHM) a crucial task for guiding conservation and management of these essential ecosystems. Drones have seen increased popularity in this domain due to their ability to collect high-resolution, multi-modal images over a large area of interest (AOI). Naturally, different sensors (e.g., thermal) can capture more information than just RGB cameras and lead to a more comprehensive understanding of the AOI. The processing and analysis of these images has largely been done manually or using manually crafted indices, posing a severe bottleneck in terms of the size of the AOI and generalizability of results to different locations with dissimilar tree species. Computer vision techniques, particularly those relying on deep learning (DL), have the potential to overcome these issues and yield more effective FHM, especially when information from multiple sensors is combined. Therefore, the overarching goal of this thesis is successfully applying DL and computer vision techniques to process and analyze multi-modal drone images for FHM. Towards achieving this goal, first, a new workflow to generate high-quality thermal orthomosaics is proposed. Orthomosaicking removes distortions from nadir (i.e., downward-facing) images and stitches them together to produce one broader image encompassing the entire AOI. Typical thermal-only orthomosaicking workflows suffer from gaps and swirling artifacts due to the poor structure-from-motion (SfM) performance on the low-contrast and low-resolution thermal images. Instead, the proposed workflow leverages the superior SfM results from simultaneously acquired, higher-quality RGB images and performs image co-registration using a learned affine transformation to generate thermal orthomosaics that are free from the mentioned issues and precisely aligned with their RGB counterparts, without disturbing the radiometric information of the original images. Second, the focus shifts to precisely detecting individual tree crowns from the aligned RGB-thermal imagery. Shorter trees hidden in RGB images by the shadows of neighbouring larger trees become apparent in thermal images. Detecting these trees correctly is critical in many monitoring tasks, e.g., bark beetles preferentially attack smaller, younger trees during their endemic population stages. To appropriately leverage both image modalities, a novel unsupervised domain adaptation (UDA) strategy is proposed to adapt an existing state-of-the-art RGB-only detection model to thermal data and fuse the features extracted from both prior to detection. The proposed method outperforms existing UDA and image-level fusion techniques without requiring any annotations for training. Finally, the vital FHM task of bark beetle attack stage classification is considered. In sufficiently large numbers, these insects pose a devastating threat to forest ecosystems by exacerbating tree mortality. Infested trees gradually show crown discoloration in four separate `attack' stages, and effectively distinguishing between these stages over a wide area can drastically expedite the early detection of bark beetle outbreaks. Traditionally, manual identification is done by experts using helicopter surveys or collected imagery, both of which are arduous tasks. Instead, the proposed method in this thesis leverages a transfer learning technique to train a deep attack-stage classification model that distinguishes between all visible stages with a near-perfect accuracy in the presence of limited training data. Across all three objectives, the novel methods proposed in this thesis show significant improvement over previous state-of-the-art techniques. These results are derived through extensive experimentation on different datasets. For the first two objectives, a newly collected RGB-thermal drone image dataset over a forested region in central Alberta, Canada, is used. For the third, an existing bark beetle attack stage classification dataset collected from a forested region in Northern Mexico is used.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,004
Score d'incertitude au seuil0,008

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,006
Tête enseignante GPT0,227
Écart entre enseignants0,221 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2023
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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