Detection and prediction of urban archetypes at the pedestrian scale: computational toolsets, morphological metrics, and machine learning methods

Granular, dense, and mixed-use urban morphologies are hallmarks of walkable and vibrant streets. However, urban systems are notoriously complex and planned urban development, which grapples with varied interdependent and oft conflicting criteria, may — despite best intentions — yield aberrant morphologies fundamentally at odds with the needs of pedestrians and the resiliency of neighbourhoods. This work addresses the measurement, detection, and prediction of pedestrian-friendly urban archetypes by developing techniques for high-resolution urban analytics at the pedestrian scale. A spatial-analytic computational toolset, the cityseer-api Python package, is created to assess localised centrality, land-use, and statistical metrics using contextually sensitive workflows applied directly over the street network. cityseer-api subsequently facilitates a review of mixed-use and street network centrality methods to improve their utility concerning granular urban analysis. Unsupervised machine learning methods are applied to recover ‘signatures’ — urban archetypes — using Principal Component Analysis, Variational Autoencoders, and clustering methods from a high-resolution multi-variable and multi-scalar dataset consisting of centralities, land-uses, and population densities for Greater London. Supervised deep-learning methods applied to a similar dataset developed for 931 towns and cities in Great Britain demonstrate how, with the aid of domain knowledge, machine-learning classifiers can learn to discriminate between ‘artificial’ and ‘historical’ urban archetypes. These methods use complex systems thinking as a departure point and illustrate how high-resolution spatial-analytic quantitative methods can be combined with machine learning to extrapolate benchmarks in keeping with more qualitatively framed urban morphological conceptions. Such tools may aid urban design professionals in better anticipating the outcomes of varied design scenarios as part of iterative and scalable workflows. These techniques may likewise provide robust and demonstrable feedback as part of planning review and approvals processes

Development and Applications of Machine Learning Methods for Hyperspectral Data

Die hyperspektrale Fernerkundung der Erde stützt sich auf Daten passiver optischer Sensoren, die auf Plattformen wie Satelliten und unbemannten Luftfahrzeugen montiert sind. Hyperspektrale Daten umfassen Informationen zur Identifizierung von Materialien und zur Überwachung von Umweltvariablen wie Bodentextur, Bodenfeuchte, Chlorophyll a und Landbedeckung. Methoden zur Datenanalyse sind erforderlich, um Informationen aus hyperspektralen Daten zu erhalten. Ein leistungsstarkes Werkzeug bei der Analyse von Hyperspektraldaten ist das Maschinelle Lernen, eine Untergruppe von Künstlicher Intelligenz. Maschinelle Lernverfahren können nichtlineare Korrelationen lösen und sind bei steigenden Datenmengen skalierbar. Jeder Datensatz und jedes maschinelle Lernverfahren bringt neue Herausforderungen mit sich, die innovative Lösungen erfordern. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung von maschinellen Lernverfahren auf hyperspektrale Fernerkundungsdaten. Im Rahmen dieser Arbeit werden Studien vorgestellt, die sich mit drei wesentlichen Herausforderungen befassen: (I) Datensätze, welche nur wenige Datenpunkte mit dazugehörigen Ausgabedaten enthalten, (II) das begrenzte Potential von nicht-tiefen maschinellen Lernverfahren auf hyperspektralen Daten und (III) Unterschiede zwischen den Verteilungen der Trainings- und Testdatensätzen. Die Studien zur Herausforderung (I) führen zur Entwicklung und Veröffentlichung eines Frameworks von Selbstorganisierten Karten (SOMs) für unüberwachtes, überwachtes und teilüberwachtes Lernen. Die SOM wird auf einen hyperspektralen Datensatz in der (teil-)überwachten Regression der Bodenfeuchte angewendet und übertrifft ein Standardverfahren des maschinellen Lernens. Das SOM-Framework zeigt eine angemessene Leistung in der (teil-)überwachten Klassifikation der Landbedeckung. Es bietet zusätzliche Visualisierungsmöglichkeiten, um das Verständnis des zugrunde liegenden Datensatzes zu verbessern. In den Studien, die sich mit Herausforderung (II) befassen, werden drei innovative eindimensionale Convolutional Neural Network (CNN) Architekturen entwickelt. Die CNNs werden für eine Bodentexturklassifikation auf einen frei verfügbaren hyperspektralen Datensatz angewendet. Ihre Leistung wird mit zwei bestehenden CNN-Ansätzen und einem Random Forest verglichen. Die beiden wichtigsten Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Erstens zeigen die CNN-Ansätze eine deutlich bessere Leistung als der angewandte nicht-tiefe Random Forest-Ansatz. Zweitens verbessert das Hinzufügen von Informationen über hyperspektrale Bandnummern zur Eingabeschicht eines CNNs die Leistung im Bezug auf die einzelnen Klassen. Die Studien über die Herausforderung (III) basieren auf einem Datensatz, der auf fünf verschiedenen Messgebieten in Peru im Jahr 2019 erfasst wurde. Die Unterschiede zwischen den Messgebieten werden mit qualitativen Methoden und mit unüberwachten maschinellen Lernverfahren, wie zum Beispiel Principal Component Analysis und Autoencoder, analysiert. Basierend auf den Ergebnissen wird eine überwachte Regression der Bodenfeuchte bei verschiedenen Kombinationen von Messgebieten durchgeführt. Zusätzlich wird der Datensatz mit Monte-Carlo-Methoden ergänzt, um die Auswirkungen der Verschiebung der Verteilungen des Datensatzes auf die Regression zu untersuchen. Der angewandte SOM-Regressor ist relativ robust gegenüber dem Rauschen des Bodenfeuchtesensors und zeigt eine gute Leistung bei kleinen Datensätzen, während der angewandte Random Forest auf dem gesamten Datensatz am besten funktioniert. Die Verschiebung der Verteilungen macht diese Regressionsaufgabe schwierig; einige Kombinationen von Messgebieten bilden einen deutlich sinnvolleren Trainingsdatensatz als andere. Insgesamt zeigen die vorgestellten Studien, die sich mit den drei größten Herausforderungen befassen, vielversprechende Ergebnisse. Die Arbeit gibt schließlich Hinweise darauf, wie die entwickelten maschinellen Lernverfahren in der zukünftigen Forschung weiter verbessert werden können

WiFi-Based Human Activity Recognition Using Attention-Based BiLSTM

Recently, significant efforts have been made to explore human activity recognition (HAR) techniques that use information gathered by existing indoor wireless infrastructures through WiFi signals without demanding the monitored subject to carry a dedicated device. The key intuition is that different activities introduce different multi-paths in WiFi signals and generate different patterns in the time series of channel state information (CSI). In this paper, we propose and evaluate a full pipeline for a CSI-based human activity recognition framework for 12 activities in three different spatial environments using two deep learning models: ABiLSTM and CNN-ABiLSTM. Evaluation experiments have demonstrated that the proposed models outperform state-of-the-art models. Also, the experiments show that the proposed models can be applied to other environments with different configurations, albeit with some caveats. The proposed ABiLSTM model achieves an overall accuracy of 94.03%, 91.96%, and 92.59% across the 3 target environments. While the proposed CNN-ABiLSTM model reaches an accuracy of 98.54%, 94.25% and 95.09% across those same environments