Detecção de painéis fotovoltaicos em ortofotos utilizando redes neurais profundas
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Karla Albuquerque de Vasconcelos Borges
Jefersson Alex dos Santos
Marcos Antônio Timbó Elmiro
Jefersson Alex dos Santos
Marcos Antônio Timbó Elmiro
Resumo
O mapeamento de informações espaciais tem ganhado cada vez mais relevância em
aplicações de planejamento urbano e gerenciamento das cidades. As análises e
classificações automatizadas de imagens têm sido um problema em várias áreas do
conhecimento e a comunidade do sensoriamento remoto têm demonstrado particular
interesse nas aplicações de técnicas que utilizam redes neurais profundas nos
problemas de classificação de uso e ocupação do solo. Para o treinamento destas
redes, é necessário uma extensa rotulagem para os objetos que se pretende
identificar. A segmentação de instâncias, em especial, requer uma rotulagem ainda
mais complexa e trabalhosa. O mundo demanda energia e a “Lei de Swanson” prevê
que módulos fotovoltaicos alcançarão a paridade de custo por watt produzido com
outras formas de produção energética em poucos anos. Comparada com outras
alternativas, a geração fotovoltaica em telhados possui maior aceitação por utilizar
um espaço ocioso das construções urbanas. A compreensão do fenômeno da
expansão das instalações fotovoltaicas em áreas urbanas é um importante indicador
da evolução de segurança energética das cidades e sua detecção a partir das
imagens aéreas constitui uma importante forma de entendê-lo. Este trabalho
objetivou treinar uma rede neural profunda utilizando bases de dados de livre acesso
do Rio de Janeiro/RJ, Brasília/DF e Campinas/SP. Com o modelo treinado, foi feita
uma varredura em ortofotos cobrindo toda a extensão do município de Belo
Horizonte/MG em resolução espacial de 7 cm/pixel e foram segmentadas pixel a
pixel, todas as placas fotovoltaicas e sistemas de aquecimento solar da área. Foram
utilizados 1719 dados rotulados manualmente como amostras de treinamento e a
inferência do modelo de segmentação identificou 3655 placas fotovoltaicas e 26369
feições de aquecimento solar na área de estudo. Como métricas de validação do
modelo, foram obtidos os valores de precisão média global (AP=0,18), recall médio
global (AR=0,36), precisão média da classe de placas fotovoltaicas (APUFV=0,30),
precisão média da classe de sistemas de aquecimento solar (APSAS=0,16).
Abstract
Mapping spatial information has increasingly gained relevance in urban planning and
city management applications. The automated analysis and classification of images
have been a problem in several areas of knowledge and the remote sensing
community has shown particular interest in the application of techniques that use
deep neural networks in the land use segmentation task. To train these networks,
extensive labeling is required for the objects to be identified. Instance segmentation,
in particular, requires even more complex and laborious labeling. The world demands
energy and "Swanson’s Law" predicts that photovoltaic modules will achieve grid
parity in a few years. Compared to other alternatives, rooftop photovoltaic generation
is more widely accepted for using idle spaces in urban buildings. Studying how
photovoltaic installations evolve in urban areas is an important indicator of the
evolution of energy security in cities and its detection based on aerial images is an
important way of understanding it. This work aimed to train a deep neural network
using publicly available data from Rio de Janeiro/RJ, Brasília/DF and Campinas/SP.
Using the trained model, an orthophoto, covering the entire area of Belo
Horizonte/MG, was segmented, on a 7 cm/pixel spatial resolution, evaluating all
photovoltaic modules and solar heating systems in the study area. 1719 manually
labeled data were used as training samples and the inference step identified 3655
photovoltaic modules and 26369 solar heating systems in the area. As validation
metrics of the model, the following values were obtained: global average precision
(AP=0.18), global average recall (AR=0,36), average precision of solar panel’s class
(APUFV=0,30) and average precision of solar heating systems class (APSAS=0,16).
Assunto
Modelagem de dados – Aspectos ambientais, Energia solar, Geração de energia fotovoltaica – Belo Horizonte (MG), Geoprocessamento
Palavras-chave
energia solar fotovoltaica, aprendizado profundo, segmentação de instâncias, geoprocessamento
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