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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2007.tde-10082007-171032
Document
Author
Full name
Rodrigo Affonso de Albuquerque Nóbrega
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2007
Supervisor
Committee
Quintanilha, José Alberto (President)
Antunes, Alzir Felippe Buffara
Kim, Hae Yong
O'Hara, Charles Galton
Silva, Erivaldo Antonio da
Title in Portuguese
Detecção da malha viária na periferia urbana de São Paulo utilizando imagens de alta resolução espacial e classificação orientada a objetos.
Keywords in Portuguese
Classificação de imagens orientada a objetos
Detecção de vias
Sensoriamento remoto
Urbanização
Abstract in Portuguese
O crescimento descontrolado ocorrido nas atuais metrópoles de países em desenvolvimento requer intensos mapeamentos para a atualização da base de dados geográfica. O intenso processo de urbanização vivido na cidade de São Paulo desde os anos 70 ilustra bem esse cenário. Apesar de existirem levantamentos aéreos e, mais recentemente, imagens de satélite com alta resolução espacial, a necessidade de informações geográficas precisas, rápidas e menos onerosas é, mais do que nunca, um fato. Nesse sentido, a classificação automatizada de imagens de alta resolução espacial tem demonstrado resultados insatisfatórios ao utilizar classificadores pixel a pixel, em especial para áreas urbanas. O crescente sucesso da classificação de imagens baseada em objetos tem estimulado pesquisadores a criar novos meios de superar a limitação das tradicionais técnicas de classificação de imagens. A idéia central da classificação de imagens orientada a objetos é extrair objetos primitivos a partir das imagens e utilizar suas informações para a composição de regras e estratégias a serem aplicadas no processo classificatório. Além da análise espectral, a classificação de imagens baseada em objetos permite envolver análises geométricas e contextuais. Este trabalho reporta o uso da classificação baseada em objetos para detecção da malha viária, aplicado na periferia urbana da cidade de São Paulo. Áreas de ocupação irregular compõem a maior parte da área selecionada para o estudo, sendo que a malha viária reflete bem o padrão de ocupação não planejada dessa região. As ruas são em geral geometricamente irregulares e com diferentes tipos de pavimentação. Detectar a malha viária com base nessas características foi o desafio maior deste trabalho, que teve, como hipótese, a viabilidade do emprego da classificação orientada a objetos para essa finalidade. A metodologia apresentada utiliza uma imagem multiespectral do satélite IKONOS II. Como primeiros passos, processou-se a segmentação e calcularam-se as componentes principais. Classes auxiliares como áreas impermeabilizadas e áreas de solo exposto foram computadas utilizando funções apropriadas. Em suma, a partir das informações geométricas dos objetos, como largura, comprimento, coeficiente de assimetria, área, entre outros, alguns objetos foram selecionados como representantes da malha viária, e então analisados perante a informação contextual, para que fossem classificados como vias pavimentadas e vias não pavimentadas. Os resultados foram analisados mediante três diferentes métodos: 1) inspeção visual, na qual foi analisada qualitativamente a aderência entre as vias extraídas e as vias reais; 2) acurácia da classificação, através de comparações entre a malha viária detectada e a de referência, que forneceu parâmetros estatísticos de qualidade da classificação, como os erros de comissão e omissão ; 3) análise linear comparativa, a qual forneceu parâmetros como integridade (ou completeza) e precisão da malha viária detectada utilizando linhas referenciais e linhas extraídas dos polígonos das vias detectadas, obtidos por morfologia matemática. Considerando o alto grau de heterogeneidade das feições presentes na área de estudo, a acurácia geral alcançada foi boa. Embora a metodologia não tenha produzido um mapa viário, no sentido próprio da palavra, o uso combinado de imagens multispectrais de alta resolução espacial e da classificação baseada em objetos mostrou que a metodologia pode ser utilizada para minerar dados relativos a malha viária e produzir informações significantes para auxiliar a tomada de decisões.
Title in English
Road detection over informal settlements in a suburban area of Sao Paulo city by using high resolution satellite image and a object-based classification approach.
Keywords in English
Object-based image classification
Remote sensing
Road detection
Urbanization
Abstract in English
Uncontrolled sprawl occurring in large cities of developing countries requires intensive mapping efforts to update geodatabases. The intense urbanization process experienced since the 70's in Sao Paulo city illustrates very well the reported scenario. Despite aerial data and, more recent, high spatial resolution satellite data which have been employed as basis for mapping, the need for precise, faster and cheaper mapping efforts is real. In this sense, automated classification of high resolution imagery has demonstrated unsatisfactory results when traditional per-pixel classifiers are used, especially for urban areas. The increasing success of object-based classification has stimulated researchers to create new methodologies to overcome this shortcoming of traditional approaches. The object-based image classification's idea is extract object-primitives from images and then use their information to compose rules and strategies to be applied on the classification process. Beyond the spectral analysis, geometric, and contextual analysis are also addressed on object-based classification. This work reports the use of object-based image classification applied on road detection over the suburban area of Sao Paulo city. Informal settlements compose the most part of the study area and the transportation network reflects the unplanned occupation. Roads are geometrically irregular and with different kind of pavements. Detecting roads based on these characteristics was the biggest challenge faced here, and this work hypothesizes object-based classification can be used to. The methodology presented employs an IKONOS II data. At first, principal components and segmentation were computed and then auxiliary data for impervious surface and bare soil areas were previously calculated from customized features. In short, based on geometric information as width, length, asymmetry, area, and more, objects were elected as road and then analyzed through contextual information as paved road or unpaved road. Results were analyzed under three different ways: 1) visual inspection, where the adherence between extracted road and real ones provided a good indicator for qualitative analysis ; 2) classification accuracy, by comparing detected road areas and referential ones, which provided statistical parameters for quality as omission and commission error ; 3) linear comparative analysis, which provided parameters as correctness and completeness using referential lines and lines arose from extracted areas based on mathematical morphology tools. Regarding the high degree of heterogeneity of features present on study area, the overall accuracy reached is good. Despite the methodology did not produce a road map, the results shown the combined use of high resolution multi-spectral imagery and object-based classification can effectively mine road features, producing significant information to support decision makers.
 
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Publishing Date
2007-09-03
 
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