Neural Network Methods for Detecting Fires in Forests

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

This work includes an analytical review, investigated, supplemented and tested actual neural network methods, algorithms and approaches for solving the problem of early detection of fires in forests using images and video streams from unmanned aerial vehicles. The proposed scheme for solving the problem is based on feature extraction and the use of machine learning for frame classification, selection of a rectangular region with target fire sources and accurate semantic segmentation of fires using convolutional neural networks. The performed modifications of the architectures of neural networks are described, which made it possible to improve the F1-measures achieved by them by 20%.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Vitaly Fralenko

A. K. Ailamazyan Program Systems Institute of the Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: alarmod@pereslavl.ru

Candidate of technical sciences. Leading researcher

Rússia, Veskovo, Yaroslavl region

Bibliografia

  1. Geetha S., Abhishek C.S., Akshayanat C.S. Machine Vision Based Fire Detection Techniques: A Survey. Fire Technology, 2021, Vol.57, pp.591-623.
  2. Ciprián-Sánchez J.F., Ochoa-Ruiz G., Rossi L. and etc. “Assessing the Impact of the Loss Function, Architecture and Image Type for Deep Learning-Based Wildfire Segmentation”. Appl. Sci., 2021, Vol.11(15), 7046.
  3. Cruz H., Gualotuña T., Pinillos M. and etc. “Machine Learning and Color Treatment for the Forest Fire and Smoke Detection Systems and Algorithms, a Recent Literature Review”. In: Botto-Tobar, M., Cruz, H., Díaz Cadena, A. (eds) Artificial Intelligence, Computer and Software Engineering Advances. CIT 2020. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2021, Vol.1326. Springer, Cham.
  4. Shubhangi Chaturvedi, Pritee Khanna, Aparajita Ojha “A Survey on Vision-Based Outdoor Smoke Detection Techniques for Environmental Safety”. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2022, Vol.185, pp.158-187.
  5. Favorskaya M.N. Early Smoke Detection in Outdoor Space: State-of-the-Art, Challenges and Methods. In: Virvou, M., Tsihrintzis, G.A., Jain, L.C. (eds). Advances in Selected Artificial Intelligence Areas. Learning and Analytics in Intelligent Systems, 2022, Vol.24. Springer, Cham.
  6. Cheng Y., Chen K., Bai H. and etc. “An Efficient Fire Detection Algorithm Based on Multi-Scale Convolutional Neural Network”. Fire and Materials, 2021, 12 p.
  7. Huo Y., Zhang Q., Jia Y. and etc. A Deep Separable Convolutional Neural Network for Multiscale Image-Based Smoke Detection // Fire Technology, 2022.
  8. Miao J., Zhao G., Gao Y. and etc. Fire Detection Algorithm Based on Improved YOLOv5 // International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS). 2021. Р. 776-781.
  9. Li Y., Zhang W., Liu Y. and etc. “A Visualized Fire Detection Method Based on Convolutional Neural Network Beyond Anchor”. Applied Intelligence, 2022.
  10. Wang S., Zhao J., Ta N. and etc. “A Real-Time Deep Learning Forest Fire Monitoring Algorithm Based on an Improved Pruned + Kd Model”. J Real-TimeImage Proc 18, 2021, pp.2319-2329.
  11. Wang S. and etc. “Forest Fire Detection Based on Light-weight Yolo” 2021 33rd Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 2021, pp.1560-1565.
  12. Yiheng Cai, Yajun Guo, Yuanyuan Li and etc. “Fire Detection Method Based on Improved Deep Convolution Neural Network”. In Proceedings of the 2019 8th International Conference on Computing and Pattern Recognition (ICCPR '19), 2019. Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, pp.466-470.
  13. Athanasis N., Themistocleous M., Kalabokidis K. and etc. “Big Data Analysis in UAV Surveillance for Wildfire Prevention and Management”. Themistocleous, M., Rupinoda Cunha, P. (eds) Information Systems. EMCIS 2018. Lecture Notes in Business Information Processing, 2019, Vol.341. Springer, Cham.
  14. Ghali R., Akhloufi M.A., Mseddi W.S. Deep Learning and Transformer Approaches for UAV-Based Wildfire Detection and Segmentation. Sensors, 2022, Vol.22(5), 1977.
  15. Wu B., Xu C., Dai X. and etc. Visual Transformers: Token-based Image Representation and Processing for Computer Vision, 2020. URL: https://arxiv.org/abs/2006.03677 (last visited: 27.10.2022).
  16. Shamsoshoara A., Afghah F., Razi A. and etc. “The Flame Dataset: Aerial Imagery Pile Burn Detection Using Drones (UAVS)”, 2021. URL: https://ieee-dataport.org/open-access/flame-dataset-aerial-imagery-pile-burn-detection-using-drones-uavs (last visited: 27.10.2022).
  17. GitHub – WongKinYiu/PyTorch_YOLOv4: PyTorch implementation of YOLOv4, 2021. URL: https://github.com/WongKinYiu/PyTorch_YOLOv4 (last visited: 27.10.2022).
  18. GitHub – ultralytics/yolov5: YOLOv5 in PyTorch > ONNX CoreML > TFLite, 2022. URL:https://github.com/ultralytics/yolov5/ (last visited: 27.10.2022).
  19. GitHub – meituan/YOLOv6: YOLOv6: a single-stage object detection framework dedicated to industrial applications, 2022. URL: https://github.com/meituan/YOLOv6 (last visited: 27.10.2022).
  20. GitHub – WongKinYiu/yolov7: Implementation of paper – YOLOv7: Trainable bag-of-freebies sets new state-of-the-art for real-time object detectors, 2022. URL: https://github.com/WongKinYiu/yolov7 (last visited: 27.10.2022).
  21. Image classification from scratch, 2020. URL: https://keras.io/examples/vision/image_classification_fro m_scratch/ (last visited: 27.10.2022).
  22. Thomson W., Bhowmik N., Breckon T.P. Efficient and Compact Convolutional Neural Network Architectures for Non-temporal Real-time Fire Detection, 2020. URL: https://arxiv.org/pdf/2010.08833.pdf (last visited: 27.10.2022).
  23. Akagic A., Buza E. LW-FIRE: A Lightweight Wildfire Image Classification with a Deep Convolutional Neural Network. Appl. Sci., 2022, Vol.12(5), 2646.
  24. Public API for tf.keras.applications namespace, 2022. URL: https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/appli cations (last visited: 27.10.2022).
  25. Fralenko V.P. Experimental Investigation with «Darknet» Neural Network Capabilities on the Task of Remote Sensing Images Processing // Aerospace Instrument-Making. 2017. No.6. pp.44-52.
  26. Yaowen Hu, Jialei Zhan, Guoxiong Zhou and etc. “Fast Forest Fire Smoke Detection Using MVMNet”. Knowledge-Based Systems, 2022, Vol.241, 20 p. doi: 10.1016/j.knosys.2022.108219.
  27. Ronneberger O., Fischer P., Brox T. U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation, 2015.
  28. Vahit Bugra Yesilkaynak, Yusuf H. Sahin, Gozde Unal “EfficientSeg: An Efficient Semantic Segmentation Network”, 2020.
  29. Hu Cao, Yueyue Wang, Joy Chen and etc. “Swin-Unet: Unet-like Pure Transformer for Medical Image Segmentation”, 2021.
  30. Bhakti Baheti, Shubham Innani, Suhas Gajre and etc. “Eff-UNet: A Novel Architecture for Semantic Segmentation in Unstructured Environment”, 2020. URL: https://openaccess.thecvf.com/content_CVPRW_2020/papers/w22/Baheti_Eff-UNet_A_Novel_Architecture_for_Semantic_Segmentation_in_Unstructured_Environment_CVPRW_2020_paper.pdf (last visited: 27.10.2022).
  31. Abhishek Chaurasia, Eugenio Culurciello “LinkNet: Exploiting Encoder Representations for Efficient Semantic Segmentation”, 2017.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
2. Fig. 1. General scheme for solving the problem of detecting fire sources

Baixar (171KB)
3. Fig. 2. Example of a frame from the FLAME dataset (camera from the side)

Baixar (547KB)
4. Fig. 3. Example of a frame from the FLAME dataset (camera from above)

Baixar (376KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».