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[pt] ADAPTAÇÃO DE DOMINIO BASEADO EM APRENDIZADO PROFUNDO PARA DETECÇÃO DE MUDANÇAS EM FLORESTAS TROPICAIS / [en] DEEP LEARNING-BASED DOMAIN ADAPTATION FOR CHANGE DETECTION IN TROPICAL FORESTS

PEDRO JUAN SOTO VEGA 20 July 2021 (has links)
[pt] Os dados de observação da Terra são freqüentemente afetados pelo fenômeno de mudança de domínio. Mudanças nas condições ambientais, variabilidade geográfica e diferentes propriedades de sensores geralmente tornam quase impossível empregar classificadores previamente treinados para novos dados sem experimentar uma queda significativa na precisão da classificação. As técnicas de adaptação de domínio baseadas em modelos de aprendizado profundo têm se mostrado úteis para aliviar o problema da mudança de domínio. Trabalhos recentes nesta área fundamentam-se no treinamento adversárial para alinhar os atributos extraídos de imagens de diferentes domínios em um espaço latente comum. Outra forma de tratar o problema é empregar técnicas de translação de imagens e adaptá-las de um domínio para outro de forma que as imagens transformadas contenham características semelhantes às imagens do outro domínio. Neste trabalho, propõem-se abordagens de adaptação de domínio para tarefas de detecção de mudanças, baseadas em primeiro lugar numa técnica de traslação de imagens, Cycle-Consistent Generative Adversarial Network (CycleGAN), e em segundo lugar, num modelo de alinhamento de atributos: a Domain Adversarial Neural Network (DANN). Particularmente, tais técnicas foram estendidas, introduzindo-se restrições adicionais na fase de treinamento dos componentes do modelo CycleGAN, bem como um procedimento de pseudo-rotulagem não supervisionado para mitigar o impacto negativo do desequilíbrio de classes no DANN. As abordagens propostas foram avaliadas numa aplicação de detecção de desmatamento, considerando diferentes regiões na floresta amazônica e no Cerrado brasileiro (savana). Nos experimentos, cada região corresponde a um domínio, e a precisão de um classificador treinado com imagens e referências de um dos domínio (fonte) é medida na classificação de outro domínio (destino). Os resultados demonstram que as abordagens propostas foram bem sucedidas em amenizar o problema de desvio de domínio no contexto da aplicação alvo. / [en] Earth observation data are frequently affected by the domain shift phenomenon. Changes in environmental conditions, geographical variability and different sensor properties typically make it almost impossible to employ previously trained classifiers for new data without a significant drop in classification accuracy. Domain adaptation (DA) techniques based on Deep Learning models have been proven useful to alleviate domain shift. Recent improvements in DA technology rely on adversarial training to align features extracted from images of the different domains in a common latent space. Another way to face the problem is to employ image translation techniques, and adapt images from one domain in such a way that the transformed images contain characteristics that are similar to the images from the other domain. In this work two different DA approaches for change detection tasks are proposed, which are based on a particular image translation technique, the Cycle-Consistent Generative Adversarial Network (CycleGAN), and on a representation matching strategy, the Domain Adversarial Neural Network (DANN). In particular, additional constraints in the training phase of the original CycleGAN model components are proposed, as well as an unsupervised pseudo-labeling procedure, to mitigate the negative impact of class imbalance in the DANN-based approach. The proposed approaches were evaluated on a deforestation detection application, considering different sites in the Amazon rain-forest and in the Brazilian Cerrado (savanna) biomes. In the experiments each site corresponds to a domain, and the accuracy of a classifier trained with images and references from one (source) domain is measured in the classification of another (target) domain. The experimental results show that the proposed approaches are successful in alleviating the domain shift problem.

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