Classificação e segmentação de imagens de tomografia de solos via planos de entropia

Autor: SANTOS, Carlos Renato dos
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRPEUniversidade Federal Rural de PernambucoUFRPE.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
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Although it is one of the first concerns in the study of the characterization of images in the most diverse contexts, the segmental process, that is, of separating objects of interest from the rest of the image is not always an obvious or trivial procedure. One of the materials in geosciences that undergoes more investigation, including in the area of segmentation of images, are the soils. They play diverse and critical roles in the biosphere, regulating biogeochemical cycles, providing a habitat for microorganisms and a medium for plant roots, storing nutrients and minerals and conducting fluids (such as water and gases). The identification of the pore structure of a given soil segment is important as it provides information on soil mechanics and how it can perform its function. In this sense, this thesis proposes a method for adequate segmentation, correctly identifying the pure phases of voids and solids, as well as mixed voxels, that is, those that do not immediately fit into voids or solids, this separation being one of the challenges in the segmentation of soil tomography images, as well as many other digital images. The construction of reflective entropic planes by the penetration of images in the direction of gravity using sample entropy and Shannon information allowed from the correlation of these planes to construct a multisegmentation curve that identifies pure phases from a valley and a peak, suggesting the method Entropic Plans Correlations (EPC). This curve was compared with the Pure Voxels Extraction (PVE) histogram, which also performs pure region searches and is then calibrated to correctly allocate the mixed voxels to the empty or non-void phases through edge detection theory. The proposed method of EPC, when compared with PVE, served the purposes of good image segmentation, since it obtained a high spatial correspondence and strongly diminished the subjectivity found in some stages of the latter. The entropic plans also provided a possibility of a consistent classification of these images, evidencing low density regions, that is, pores and organic matter and regions of high density, that is, harder rocks and minerals, as two relevant regions in the separation of soils of native forest and of the cultivation of sugar cane. These results showed that comparing entropic plans obtained from soil images, either through correlation or multivariate analysis, can bring relevant findings within the segmentation and classification of these images.
Apesar de se tratar de uma das primeiras preocupações no estudo da caracterização de imagens nos mais diversos contextos, o processo segmentar, ou seja, de separar objetos de interesse do restante da imagem nem sempre é um procedimento óbvio ou trivial. Um dos materiais em geociências que mais sofre investigação, inclusive na área de segmentação de imagens, são os solos. Estes desempenham papéis diversos e críticos na biosfera, regulando ciclos biogeoquímicos, fornecendo um habitat para microorganismos e um meio para raízes de plantas, armazenando nutrientes e minerais e conduzindo fluidos (como água e gases). A identificação da estrutura dos poros de um determinado segmento do solo é importante, pois fornece informações sobre a mecânica do solo e sobre a forma como pode cumprir sua função. Neste sentido, esta tese propõe um método para uma segmentação adequada, identificando corretamente as fases puras de vazios e sólidos, como também de voxels mistos, ou seja, aqueles que de imediato não se enquadram em vazios ou de sólidos, sendo esta separação um dos grandes desafios na segmentação de imagens de tomografia de solos, como também muitas outras imagens digitais. A construção de planos de entropia refletivos pela penetração das imagens na direção da gravidade usando entropia amostral e informação de Shannon permitiram a partir da correlação destes planos construir uma curva de multisegmentação que identifica fases puras a partir de um vale e um pico, sugerindo o método Entropic Plans Correlations (EPC). Esta curva foi confrontada com o histograma do método Pure Voxels Extraction (PVE), que também realiza busca por regiões puras e adiante calibrada para alocar corretamente os voxels mistos para as fases de vazios ou não vazios por meio da teoria de detecção de bordas. O método proposto de EPC, quando comparado com PVE, atendeu aos propósitos de uma boa segmentação de imagens, visto que obteve uma elevada correspondência espacial e diminuiu fortemente a subjetividade encontrada em algumas etapas deste último. Os planos de entropia forneceram ainda possibilidade de uma consistente classificação destas imagens, evidenciando regiões de baixa densidade, ou seja, poros e matéria orgânica e regiões de alta densidade, ou seja, rochas e minerais mais duros, como duas regiões relevantes na separação de solos de mata nativa e do cultivo de cana-de-açúcar. Estes resultados mostraram que confrontar planos de entropia obtidos das imagens de solos, seja por meio da correlação ou da análise multivariada, pode trazer relevantes achados no âmbito da segmentação e classificação destas imagens.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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