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title: PM2.5計畫申請書

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# PM2.5計畫申請書


## 1.
### 1.1 BACKGROUND 研究背景
  - 介紹PM2.5(不重要)
  - 目前有關PM2.5的研究有：
    - source apportionment 來源分配
      識別樣本的化學物質組成，方法有：
      - receptor model, source model 
        receptor model 透過污染物元素的數量分佈，得出運輸方式和擴散路徑；source model 通過模擬污染物來源的運輸和擴散路徑進行分配
      - tracer model
        直接從源頭收集污染物樣本並分析樣品的化學特性
    - concentration prediction 濃度預測
      預測隔天PM2.5的情況，有3個方法：
      - Statistical methods
        估計自變量（溫度風速降水）與因變量（PM2.5濃度）間的關係，或尋找PM2.5時間序列的季節性模式
      - Machine learning models(如artificial neural networks人工神經網絡, fuzzy systems模糊系統, support vector machines支持向量機器)
        能依據歷史數據找出自變量與因變量之間的關係函數
      - hybridization of multiple prediction models
        混合多個預測模型去預測，目前團隊已經開發出4個learning model
    - spatiotemporal analysis 時空分析
      目前對時空分析大多屬於統計方法，例如計算相關係數（CC）和方差係數（CV），但它們不能針對時空域中諸多變量分析，而且計算量很大。只有少數研究採用機器學習技術來研究
  - 我們認為結合典型PM2.5時空分析和其他學科領域會很有益處，並且我們發現「PM2.5濃度和分散度」與「影片場景」間有很大關係
  - 我們假設把地理圖切成n×n的格子(n×n像素)。在每個格子中央都有一個PM2.5 sencer，每小時傳輸一次濃度強度的資料。至於沒有PM2.5 sensor格子，可以通過平滑(smoothing)或機器學習技術來模擬。     (**...這裡不太懂...**)
    從上方觀看城市，監視PM2.5濃度的每小時變化動態。所以每一小時經過就會獲得一個n×n像素的圖像(影像用語叫「幀」)，網格中的PM2.5濃度被視為灰度值(濃度愈高灰度愈高)(**變成2D string??**)。30天後有30×24 = 720幀，串連在一起形成就一段影像，影像的變化代表PM2.5濃度、路徑、分散的情況。
    video spatiotemporal analysis(影像時空分析)的技術已經很成熟，所以可以用這些技術來分析PM2.5的影像
    - 2D Be-strings：用字串來表示圖片的數據結構(P.6)
    - shot boundary detection：一種辨識視頻鏡頭邊界的方法(P.7)
    - video summarization(視訊時空摘要)：去除影像中不重要的資訊，只留下重點(P.8~9)
    - gait energy image (GEI，步態能量圖)：辨識人類步態，有效描述從不同角度觀察到的人類步態特徵(P.9)
      [【计算机视觉】步态能量图GEI](https://blog.csdn.net/xiaowei_cqu/article/details/18002883)
    - Bag of Words category recognition(BoVW，詞袋模型)：圖像分類方法，一般BoVW效果好壞主要取決於從圖像中提取的「局部特徵」。在這裡會用一種新的分類方法--利用「壓縮的局部視網膜特徵（CLRF）」來進行圖像分類(P.10)
      [Image Category Recognition using Bag of Visual Words Representation](https://www.researchgate.net/publication/309601235_Image_Category_Recognition_using_Bag_of_Visual_Words_Representation)
      [Neutrino's Blog: 使用Bag of Visual Words 做圖片分類](https://tigercosmos.xyz/post/2020/06/cv/bag-of-visual-words/)
  - 舉例：
    1. 使用者可以畫出一張有標誌性的圖，來查詢PM2.5警報類別和與自然對象的空間關係
    2. 使用者上傳一張圖後，先轉成2D Be-string，再和數據庫做比對，進行更多分析
    3. 使用者上傳一張GEI，查詢數據庫中的相似鏡頭（PM2.5短片），來分析歷史上PM2.5濃度、移動和分散的模式。
  - 為了充分利用影像處理技術，將3D filter convolution(3D濾波器卷積)來自動檢測新的PM2.5濃度特徵，例如點、線和區域污染源。
    > 卷積：對圖片去做「擷取特徵」的動作，找出最好的特徵再進行分類
    > [[機器學習 ML NOTE]Convolution Neural Network 卷積神經網路](https://medium.com/%E9%9B%9E%E9%9B%9E%E8%88%87%E5%85%94%E5%85%94%E7%9A%84%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E4%B8%96%E7%95%8C/%E6%A9%9F%E5%99%A8%E5%AD%B8%E7%BF%92-ml-note-convolution-neural-network-%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-bfa8566744e9)
    > [圖像卷積與濾波的一些知識點](https://kknews.cc/zh-tw/news/862lyxq.html)
- The frequent co-occurrence activities can be identified by association-rule mining in both spatial and temporal domains simultaneously. (翻譯：藉由在空間和時間中同時進行association-rule mining，可以識別頻繁的co-occurrence)
  (**不懂**，association-rule mining是指上述的分析方法?還是另一種分析方法?)
  > co-occurrence(共現關係)：[共生分群的三種規則](https://medium.com/marketingdatascience/%E5%85%B1%E7%94%9F%E5%88%86%E7%BE%A4%E7%9A%84%E4%B8%89%E7%A8%AE%E8%A6%8F%E5%89%87-b4e10ebd4b3c)

### 1.2 LITERATURE REVIEW 回顧文獻

#### 1.2.1 Spatiotemporal Analysis of PM2.5  | PM2.5的時空分析
- PM2.5典型的分析方法主要有4種
1. 相關係數與方差 
    - coefficient variance(CV)越高代表PM2.5在城市的波動越大
    - CV值的變動和觀光有一定程度的關係
    - coefficient correlattion(CC)在都市化與PM2.5有正負相關 
    > 變異係數(CV)：形容機率分布「離散程度」的一個標準
    > 相關係數(CC)：形容兩變數X和Y之間的相關程度，其值介於-1與1之間
2. 時空回歸
   - 廣泛應用在反應變量和獨立變量之間的關係
   - 時空回歸解釋PM2.5和多個獨立變量可以減少計算模型
        - 計算模型:用於測量演算法在時間上或空間上的複雜度
3. 概率
    - 每小時用2參數的伽瑪分布(gamma ditribution)描述每個城市在季節性的probability density functions (PDFs)
    - 兩個參數分別為形狀參數(shape parameter)和比例參數(scale parameter)
        - 最佳值為參照往年資料的機率算出
        - 可用非參數預測PM2.5
        - 伽瑪分布:計算連續發生事件的等候時間
4. 機器學習
    - 觀測
        - 冬天PM2.5最高，反之夏天最低
        - 北邊PM2.5較高，反之南邊較低
- 現有的PM2.5時空分析方法存在幾個缺點：
  - 大多使用統計，很少方法使用分群技術分析(clustering techniques)，忽略了機器學習的可能性
  - 只能將時間和空間分開分析(因為運算量太大)，導致兩者相關性被忽略
  - 只能逐段一一分析，缺乏全面性觀點來闡述不同時空的關聯性

#### 1.2.2 Spatiotemporal Analysis of Video 影像的時空分析

##### A：Spatial Representation and Retrieval of Still Images(**?**) 
- 將2D string data投影到x軸y軸，按照x軸 & y軸的順序判斷2D位置，以e作為分割表示每個區塊的begin & end
  ![](https://i.imgur.com/5dEPZwG.png =300x)
  - A~E：PM2.5濃度等級(**每一個標記都代表一個測站?**)
  - (x軸相對位置, y軸相對位置)
  - "<" : (在左方, 在下方)
  - "=" : 在座標軸上相同位置
  - ":" : object的位置一樣(x軸座標=y軸座標)，將"="改成":"
- 但2D string有一些限制，就是object必須在「(正方形)網格中」才能使用，而且不能處理複雜的空間關係：“contain(包含)” “overlap(重疊)”，如Fig.2的B和E交界
- 比2D string更好的方法：2D Be-string
  移除了所有indicator(指標)(**指標有哪一些?**)，效率變好
  同樣分開看x軸和y軸，每個object產生2條投影線(beginning和ending)。如果有兩條連續的投影線不重合，則在它們之間插入虛擬物體投影線e
  ![](https://i.imgur.com/LpZiCZq.png =500x)
  - 優點：object不必限制在n*n的網格中，可以是長寬各不同的矩形，較貼近真實情況
  - 如何估計二圖像間的「相似性」：找出二圖像間x軸和y軸的LCS（longest common subsequence，最長公共子序列）
  - 相似性 = LCS÷原字串長度
- 時空分析：單單分析一張圖是「空間分析」，分析連續多張圖(shot)是「時間分析」

##### B:shot boundary detection(SBD)
- 一段影片由一個或多個shot(鏡頭)組成，每一個shot由多張連續圖片組成
- 要自動分割一段影片，依照關鍵畫面將前後變化分別抓出來變成多個shot
- shot的過度通常分為二種：突然過渡（hard cut）和柔和過渡（soft cut），後者較難辨識出來
- SBD過程分為二階段：
  1. frame scoring phase：定義一個函數，對每張圖打分，表示該圖為「重要畫面」的可能性
  2. cut decision phase：決定一個臨界值，將所有圖片依1.的分數分為 cuts 和 non-cuts
- 分割方法:
  - 修正臨界點。如果frame的數值高於臨界點-->切
  - 適合的臨界點
  - 機器學習

##### C:影片彙整
- 應該是將之前蒐集到的shot彙整成一張GEI

##### D:gait energy image(GEI)
- 計算圖片的頻率各個地方出現的頻率

##### E:搜尋關鍵字
- 利用直方圖記錄圖形類別
- 找到全部的類別模型


### 1.3 ORIGINALITY AND IMPACT 原創性與影響


## 2. PROPOSED METHODS 建議方法

### 2.1 SYSTEM FRAMEWORK 系統框架


### 2.2 PM2.5 DATA ACQUISITION AND IMPUTATION | PM2.5數據的採集與插補
- 用高斯模糊(Gaussian smoothing)補值 : 因為會有一些資料缺漏
- 之後再將這些資料按環保署分類成10級
- 會產出兩種圖: 空屋濃度圖, 空屋警報顏色圖


### 2.3 AIR QUALITY SHOT DETECTION ENGINE 空氣品質檢測
- 將這些圖片一張一張播放變成影片
- 將影片用SAD(自動偵測鏡頭邊界)裁成片段
- 分析片段的現象
- 或是拿來做成GEI(一張圖就能表現一些動態資訊)


### 2.4 SHOT/GEI CLUSTERING ENGINE | SHOT/GEI 分群
- 將上一步驟的東西類似的集中成一組
#### 法一 : CNN
- to learn the deep features (運用機器學習提取深度特徵
#### 法二 : BoW model 
- to represent the visual features (表示重要的視覺特徵
#### 法三 : SIFT


### 2.5 2D Be-STRING GENERATION ENGINE 產生2D Be-STRING
- 有三種空間資訊地圖(用2D Be-STRING 紀錄)
- 1. PM2.5警報類別分布圖
- 2. 自然因素分布圖
- 3. 人為因素分布圖


### 2.6 SEMI-SUPERVISED SUMMARIZATION ENGINE 半監督式地彙整資料
- 用半監督學習來總結資料, 包括有分類的和沒分類的
- 這樣在瀏覽多年的資料會比較方便
- (這裡我沒有很確定)


### 2.7 QUERY AND BROWSING (Q/B) ENGINE 查詢與瀏覽
- 查詢瀏覽方式
- 1.QBE : 直接用例子找(ex. 輸入濃度或警報顏色)
- 2.QBG : 用GEI找
- 3.BBTW : 用時間範圍找(ex. 2020 3月)
- 4.BBC : 用2.4分好的群找


### 2.8 Q/B INTERFACE ENGINE 查詢與瀏覽介面
- 查詢瀏覽介面


### 2.9 ANALYTICS ENGINE 分析
- 去出資料後分析
#### 2.9.1 Spatiotemporal Feature Detection 時空特徵檢測
#### 2.9.2 Spatiotemporal Association 時空關聯
#### 2.9.3 Spatiotemporal Regression 時空回歸

