Detección y mapeo automático de basureros intraurbanos mediante técnicas de Inteligencia Artificial
La aplicación de un modelo de aprendizaje profundo que permite cuantificar, localizar y predecir el riesgo de las áreas urbanas que presentan características que favorecen la presencia de botaderos clandestinos y llevar a cabo una caracterización acerca de los factores que influyen en dicho comportamiento.
¿Conoces las consecuencias de los Tiraderos Intraurbanos?
Los vertederos de basura son grandes contaminadores del Medio Ambiente, ya sea por aire, tierra y/o agua. El mal olor que emana de estos sitios proviene de las altas concentraciones de amoníaco y sulfuro de hidrógeno, que despide la basura acumulada. Esto provoca:
Microbios, bacterias, parásitos: La fermentación de los residuos domésticos orgánicos crea condiciones favorables para la supervivencia y el crecimiento de patógenos microbianos, que propagan enfermedades infecciosas, especialmente del tipo gastrointestinal, dermatológico y/o afecciones del sistema respiratorio y cardíaco.
Gases: La inhalación de gases tóxicos es un problema de salud pública para aquellos que residen en las proximidades de los vertederos de basura. El metano y el dióxido de carbono (CO2) producidos se pueden acumular en los edificios y casas y desplazar el oxígeno, produciendo graves problemas respiratorios.
Aguas contaminadas: La polución del agua de arroyos, ríos, lagos, capas subterráneas y del suelo se produce por el contacto directo con los contaminantes orgánicos y químicos que se liberan, lo que se traduce que el agua circundante no es apta para el consumo, además de tener mal sabor y olor y la tierra se convierte en foco de infecciones.
La basura acumulada que conforma los Tiraderos Intraurbanos en México es una problemática compleja, sabemos que no es tan sólo un tema ambiental sino también de salud pública, por ende requiere de una solución igual de compleja y de la participación de todos.
Solución Integral
DEEP LEARNING
Nuestro modelo de visión por computadora permite la detección y localización automática de potenciales tiraderos intra-urbanos por medio de tecnología en la nube y redes neuronales convolucionales.
CITIZEN SCIENCE
Acompañamiento para la participación activa de mexicanos en la comunidad de Sciudatazen's, creando un sinfín de oportunidades, como la reducción del tiempo de clasificación, taxonomía y análisis, así como escalar la toma de decisiones a grandes conjuntos de datos.
Objetivos Específicos
Identificación de puntos urbanos donde se ubican tiraderos clandestinos mediante inspección visual a través de Google Streets y técnicas de muestreo.
Predicción de zonas de alto riesgo basado en un modelo predictivo supervisado, a partir de puntos de control obtenidos de un muestreo aleatorio de tiraderos clandestinos.
Perfilamiento y comparación de las zonas urbanas de estudio con la taxonomía de resiudos sólidos.
Creación de indicadores basados en las características del entorno urbano (infraestructura, población, actividad económica, nivel de marginación, nivel socioeconómico, calidad de vida, entre otros.)
1. Segmentación de instancias y mapeo de basureros clandestinos.
2. Participación ciudadana y capacitación a la comunidad.
3. Taxonomía de datos obtenidos y categorización de residuos sólidos.
4. Creación de indicadores económicos, ambientales, sociales y geoespaciales.
Metodología
Selección de ruta personalizada para delimitar la presencia de tiraderos intraurbanos.
Procesamiento de imágenes mediante RCNN y comparación con las BD de distintas ciudades.
Detección de basureros y extracción de datos.
Mapeo y localización de la presencia de basureros.
Acceso a los mapas y a la información en tiempo real desde un servidor en la nube.
Elige una ruta personalizada (A-B) de Google Maps con potenciales tiraderos.
Compara las imágenes de la ruta que elegiste con las BD de diferentes ciudades.
Detecta y despliega la localización y los datos de tiraderos detectados sobre mapas interactivos.
Todo al alcance de una plataforma fácil de acceder y amigable para el usuario.
Redes Neuronales Convolucionales
Las predicciones basadas en algoritmos de Deep Learning y Detectron2 generan resultados robustos y precisos.
Una vez creado y automatizado el modelo, se puede realizar análisis de datos probando nuevas hipótesis o buscando nuevas variables.
Utilizando las muestras de diferentes ciudades, cómo Monterrey y Mérida comprobamos que es viable la creación de modelos generales y grupales (segmentos de interés).
Aplicando el modelo de scores de riesgo en nuevas ciudades permitirá agilizar el proceso de muestreo y levantamiento de nuevos datos para el reforzamiento del modelo.
Consideraciones / Retos
Para la construcción de los modelos predictivos supervisados, se requieren observaciones de “control”, en este caso la ubicación de basureros clandestinos. Esta búsqueda mediante muestreo actualmente se lleva a cabo con inspección visual en Google Street, lo cual la hace una tarea muy demandante de recursos (tiempo, personal). Para mayor eficacia de este proceso, se propone la aplicación de tecnologías para la detección automática de basura a través del procesamiento de imágenes con algoritmos de Inteligencia Artificial.
Si bien los modelos han demostrado un excelente poder predictivo para las ciudades de estudio, cabe señalar que es deseable la calibración de modelos lo suficientemente robustos y característicos de un conjunto de ciudades, evitando con ello el “sobreajuste”
Para la óptima explotación de los datos y en sintonía con la estrategia planteada en este subproyecto, deberán construirse aún decenas de modelos que permitan ir generando una base de datos a nivel municipal, tal que, permita la generación de distintos perfiles de ciudades, por ejemplo:
“En las grandes urbes, los factores que están relacionados con la presencia de basureros clandestinos son los de alta afluencia de personas”
“En las ciudades pequeñas, la infraestructura urbana está más relacionada con la presencia de basureros clandestinos”
“En las ciudades con alta actividad turística, es más probable encontrar basureros clandestinos en las periferias y no necesariamente en el centro de la ciudad”
Herramienta de Anotador & Comunidad
Herramienta de etiquetado/ labelling para alimentar de información la base de datos (con fotografías de distintos tiraderos) y por ende, el desempeño de la red neuronal convolucional. Esta herramienta será pública para que la comunidad que quiera apoyar subiendo imágenes de sus ciudades y etiquetando imágenes manualmente pueda hacerlo desde la página de Sciudatazen.
Vinculaciones y Mentorías
Nuestro equipo internacional de mentores y vinculaciones fue escencial para mirar la viabilidad del proyecto, sus áreas de oportunidad y para cuantificar el alcance del mismo.
Natura Alert: Anto Subash quién es desarrollador de diversos proyectos ambientales, de ciencia ciudadana e investigación en IIASA es creador de la aplicación móvil Natura Alert. Natura Alert es una aplicación de ciencia ciudadana que permite a voluntarios de cualquier parte del mundo, registrar las amenazas que afectan a la biodiversidad, en su mayoría, para la población de aves. La vinculación con Natura Alert es importante porque ofrece un panorama de ciencia ciudadana como el que se plantea realizar para el proyecto de SciuDataZen.
Alexander Riedel: La participación y asesoría de Alexander, quien actuó cómo asesor para el sistema de visión por computadora, es de suma importancia, ya que al compartir los recursos que te se tenían de un inicio para la detección de objetos, se logró tener sesiones con el equipo y asesorar sobre las versiones y documentación de los diferentes modelos de detección de objetos: Mask R-CNN y Mobilinet SSD. El cual sirve como una red de detección de casilla múltiple de un único disparo destinado a realizar la detección de objetos de una manera más breve y rápida.
http://tacodataset.org/: Pedro Proença y Pedro Simões son fundadores y creadores del proyecto tacodataset.org. Taco es un proyecto de código abierto que contiene un conjunto de más de 1500 imágenes abiertas y más de 4700 etiquetados de desechos en diversos entornos. Desde arena, pavimentación, vegetación, agua, entre otros. Estas imágenes se etiquetan y segmentan manualmente de acuerdo con una taxonomía jerárquica para entrenar y evaluar algoritmos de detección de objetos con el formato COCO JSON.
Natura Alert
IIASA
Contact:
anto@iiasa.ac.at
Alexander Riedel
CV Specialist
Contact:
https://www.linkedin.com/in/alexander-riedel1/?originalSubdomain=de
Pedro Proença
Taco Dataset
Contact: https://pedropro.github.io/
Pedro Simões
Taco Dataset
Contact: https://seomis.cc