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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40731| Título: | Forest species identification using macroscopic images and convolutional neural networks |
| Título(s) alternativo(s): | Identificação de espécies florestais usando imagens macroscópicas e redes neurais convolucionais |
| Autor(es): | Spancerski, Jandrei Sartori |
| Orientador(es): | Schneider, Fábio Kurt |
| Palavras-chave: | Árvores - Identificação Visão por computador Aprendizado profundo (Aprendizado do computador) Conservação de florestas Sistemas de reconhecimento de padrões Madeira - Identificação Processamento de imagens - Técnicas digitais Redes neurais (Computação) Trees - Identification Computer vision Deep learning (Machine learning) Forest conservation Pattern recognition systems Wood - Identification Image processing - Digital techniques Neural networks (Computer science) |
| Data do documento: | 3-Jun-2026 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | SPANCERSKI, Jandrei Sartori. Forest species identification using macroscopic images and convolutional neural networks. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026. |
| Resumo: | A identificação automática de espécies florestais a partir de imagens macroscópicas de madeira é uma demanda crescente para fiscalização ambiental, controle aduaneiro e verificação comercial, no contexto do combate ao comércio ilegal de madeira e da conservação da biodiversidade florestal. Esta pesquisa desenvolve um pipeline baseado em aprendizado profundo para essa tarefa, com ênfase na construção de uma base de dados heterogênea, na seleção sistemática da arquitetura e na análise do modelo escolhido em termos de acurácia, robustez e interpretabilidade. Um corpus unificado foi montado a partir de três fontes distintas, cobrindo 73 espécies florestais, com calibração de escala entre dispositivos de captura e extração de patches a 448 × 448 pixels com sobreposição controlada. Cinco arquiteturas representativas (VGG16, ResNet50, InceptionV3, MobileNetV2 e YOLOv8) foram comparadas em condições idênticas, estabelecendo a família YOLO como base para um benchmark de quinze modelos cobrindo três gerações (YOLOv8, YOLO11 e YOLO26) e cinco tamanhos (nano a extra-large). Quatro modelos atingiram acurácia top-1 de 99,87% (MCC = 0,9987) e a votação por maioria ao nível de imagem rendeu 100% de acurácia nas 1.714 imagens de teste para o YOLO26- medium, configuração que combina a melhor relação entre acurácia e eficiência computacional, com inferência em 2,13 ms por patch. A robustez foi caracterizada por três métodos complementares de detecção de entradas fora da distribuição em dois cenários distintos, revelando uma dissociação entre acurácia em conjunto fechado e capacidade de rejeição. A interpretabilidade combinou projeções t-SNE e mapas de saliência RISE multiescala, evidenciando que os erros residuais refletem ambiguidades anatômicas inerentes ao nível macroscópico. Análises complementares de robustez avaliaram a sensibilidade a degradações de imagem típicas de campo, com o ruído de sensor como fator mais crítico, e a generalização entre dispositivos de captura, evidenciando que a exposição a dados de campo durante o treino é determinante e que poucos exemplos por espécie recuperam o desempenho por adaptação few-shot. Os resultados estabelecem uma referência para a identificação macroscópica de espécies florestais e apontam a viabilidade da implantação de modelos de tamanho intermediário em dispositivos de borda (edge devices), equipamentos portáteis de baixo poder computacional que executam a inferência localmente, como smartphones usados em campo. |
| Abstract: | Automatic identification of forest species from macroscopic wood images is a growing operational demand for environmental enforcement, customs control, and commercial verification, in the context of the fight against illegal timber trade and the conservation of forest biodiversity. This research develops a deep learning pipeline for this task, emphasizing the construction of a heterogeneous database, the systematic selection of a suitable architecture, and the in-depth analysis of the chosen model in terms of accuracy, robustness, and interpretability. A unified corpus was assembled from three distinct sources, covering 73 forest species, with scale calibration across capture devices and patch extraction at 448 × 448 pixels with controlled overlap. Five representative architectures (VGG16, ResNet50, InceptionV3, MobileNetV2, and YOLOv8) were compared under identical conditions, establishing the YOLO family as the basis for a benchmark of fifteen models spanning three generations (YOLOv8, YOLO11, and YOLO26) and five sizes (nano to extra-large). Four models achieved top-1 accuracy of 99.87% (MCC = 0.9987) and image-level majority voting yielded 100% accuracy on the 1,714 test images for YOLO26- medium, the configuration that combines the best balance between accuracy and computational efficiency, with inference in 2.13 ms per patch. Robustness was characterized by three complementary out-of-distribution detection methods on two distinct scenarios, revealing a dissociation between closed-set accuracy and rejection capability. Interpretability combined t-SNE projections and multiscale RISE saliency maps, evidencing that residual errors reflect anatomical ambiguities inherent at the macroscopic level. Complementary robustness analyses characterized the sensitivity to field image degradation, with sensor noise as the most critical factor, and the generalization across capture devices, showing that exposure to field data during training is decisive and that a few examples per species recover the performance through few-shot adaptation. The results establish a reference for macroscopic forest species identification and indicate the feasibility of deploying intermediate-sized models on edge devices, that is, portable, resourceconstrained hardware that runs inference locally, such as smartphones used in the field. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40731 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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