We present a pipeline for geomorphological analysis that uses structure from motion (SfM) and deep learning on close-range aerial imagery to estimate spatial distributions of rock traits (diameter, size, and orientation) along a tectonic fault scarp. Unpiloted aircraft systems (UAS) have enabled acquisition of high-resolution imagery at close range, revolutionizing domains such as infrastructure inspection, precision agriculture, and disaster response. Our pipeline leverages UAS-based imagery to help scientists gain a better understanding of tectonic surface processes. We start by using SfM on aerial imagery to produce georeferenced orthomosaics and digital elevation models (DEM), then a human expert annotates rocks on a set of image tiles sampled from the orthomosaics. These annotations are used to train a deep neural network to detect and segment individual rocks in the whole site. This pipeline automatically extracts semantic information (rock boundaries) on large volumes of unlabeled, high-resolution aerial imagery, which allows subsequent structural analysis and shape descriptors to result in estimates of rock diameter, size and orientation. We present results of two experiments conducted along a fault scarp in the Volcanic Tablelands near Bishop, California. We conducted the first experiment with a hexrotor and a multispectral camera to produce a DEM and five spectral orthomosaics in red, green, blue, red edge (RE), and near infrared (NIR). We then trained deep neural networks with different input channel combinations to study the most effective learning method for inference. In the second experiment, we deployed a DJI Phantom 4 Pro equipped with an RGB camera, and focused on the spatial difference of rock-trait histograms in a larger area. Although presented in the context of geology, our pipeline can be extended to a variety of geomorphological analysis tasks in other domains.


翻译:我们展示了一个地貌分析管道,该管道利用运动(SfM)和近距离航空图像深度学习的结构,来估计构造断层断裂疤的岩石特征(直径、大小和方向)的空间分布。未经驾驶的飞机系统(UAS)使得能够在近距离获得高分辨率图像,使基础设施检查、精确农业、灾害应对等领域发生革命性变化。我们的管道利用基于UAS的图像,帮助科学家更好地了解构造表面过程。我们首先利用空中图像的SfM,以生成与地球相参照的直径和数字上升模型(DEM),然后由一位人类专家对一组从构造断层断层采集的图像的岩石进行笔记。这些说明被用来训练一个深层神经网络,以探测和分解整个地点的单个岩石。这个管道可以自动提取关于大量未标定的、高分辨率的构造图像(岩石断层)的结构性分析和描述,从而得出接近岩石直径、大小和方向的直径网络(DEM)网络网络的估计数。我们用两种实验方法在直径直径、直径、直径、直径直径、直径、直径、直径、直径、直径、直径、直径直至直径直至直径直径进行两次实验,我们进行了两次实验。

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