Metodología para la generación (detección y clasificación) de cambios de cobertura de la tierra mediante el análisis de imágenes multilaterales basada en algoritmos de deep learning

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Resumen

This research presents the results of the application of a methodological framework for the detection, classification and quantification of land cover changes due to mining and deforestation through a multitemporal analysis of multispectral satellite images based on Deep Learning algorithms. The area of interest for the estimation of areas of change due to mining corresponds to a region of the Cerrejón open pit mine (Department of La Guajira), in the period October 2017 to November 2019; while the area of interest for the detection of deforestation corresponds to a region of the Tinigua National Natural Park (PNN) and an area of the Cordilleras de los Picachos PNN (Department of Meta), in the period December 2015 to December 2019. For the formulation of this framework, a comparison of two change detection and classification schemes was carried out through the application of Deep Learning (DL) algorithms. The first scheme was based on the post-classification comparison of thematic maps of mining areas and deforested areas generated by two convolutional neural network (CNN) architectures: U-Net and FPN (Feature Pyramidal Network) over two time series (2017 to 2019 - Mining and 2015 to 2019 - Deforestation) of Planet multispectral satellite images. The second scheme is based on direct change detection between pairs of Planet multispectral satellite images using a modified UNet network. The results indicate that change detection by mining was more accurate using a direct detection scheme (kappa greater than 0.9 in each period of the time series) versus the post-classification comparison scheme (kappa between 0.7 and 0.9). While the detection of deforested areas is more accurate using a post-classification change detection scheme (kappa between 0.7 and 0.9). (average kappa 0.97) versus an average kappa of 0.94 for the direct detection scheme. The results obtained and the different processes used allowed us to propose a methodological framework for the detection, delimitation and classification of changes on this type of land cover under DL algorithms in a timely manner, analyzing large volumes of data and obtaining a high thematic accuracy in the different schemes evaluated.

Descripción

La presente investigacion presenta los resultados de la aplicación de un marco metodológico para la detección, clasificación y cuantificación de cambios de coberturas por minería y deforestación a través de un análisis multitemporal de imágenes satelitales multiespectrales basado en algoritmos de Deep Learning. El área de interés para la estimación de areas de cambio por mineria corresponde a una región de la Mina a cielo abierto del Cerrejón (Departamento de la Guajira), en el periodo Octubre de 2017 a Noviembre de 2019; mientras que en la zona de detección de deforestacion corresponde a una región del Parque Nacional Natural (PNN) Tinigua y una zona del PNN Cordilleras de los Picachos (departamento del Meta), el periodo diciembre de 2015 a diciembre de 2019. Para la formulacion de dicho marco se realizo la comparación de dos esquemas de detección y clasificacion de cambios mediante la aplicacion de algoritmos de Deep Learning (DL). El primer esquema se baso en la comparación post-clasificación de mapas temáticos de áreas de minería y áreas deforestadas generados por dos arquitecturas de redes neuronales convolucionales (CNN): U-Net y FPN (Feature Pyramidal Network) a lo largo de dos series de tiempo (2017 a 2019 – Mineria y 2015 a 2019 – Deforestacion) de imágenes satelitales multiespectrales Planet. El segundo esquema se basa en la detección directa de cambios entre pares de imágenes satelitales multiespectrales Planet mediante una red UNet modificada. Los resultados indican que la detección de cambios por minería fue mas exacta empleando un esquema de detección directa (kappa superior a 0.9 en cada periodo de la serie de tiempo) frente al esquema de comparación post-clasificacion (kappa entre 0.7 y 0.9). Mientras que la detección de areas deforestadas son mas exactas empleando un esquema de detección de cambios post-clasificacion (kapa promedio 0.97) frente a un kappa promedio de 0.94 del esquema de detección directa. Los resultados obtenidos y los diferentes procesos empleados permitieron plantear un marco metodológico para la detección, delimitación y clasificación de cambios sobre este tipo de coberturas bajo algoritmos de DL de manera oportuna, analizando grandes volumenes de datos y obteniendo una alta exactitud temática en los diferentes esquemas evaluados.

Palabras clave

Minería, Deforestación, Aprendizaje profundo, Detección de cambios, Imágenes satelitales, Series de tiempo

Materias

Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones -- Tesis y disertaciones académicas , Detección de cambios de coberturas , Análisis multitemporal de imágenes satelitales , Algoritmos de deep learning , Minería y deforestación

Citación