Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lorena Alves dos Santos
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
Texto Completo: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2021/02.19.18.01
Resumo: Land use and cover changes (LUCC) have caused a major impact on tropical ecosystems, increasing global greenhouse gas emissions and reducing the planets biodiversity. Remote sensing and digital image processing are powerful tools to measure and monitor LUCC effectively. Nowadays, with many Earth observation satellite images freely available, image time series analysis brings new opportunities and challenges for LUCC mapping over large areas. The use of remote sensing image time series analysis and machine learning to produce LUCC information has greatly increased. Machine learning using supervised techniques require a training step using land use and cover samples labeled a priori. For this reason, it is necessary highquality samples to avoid negative effects in classification performance. Due to the recent availability of open Earth observation data, methods using satellite image time series still are a gap in the literature. This thesis contributes to Earth observation field proposing two methods to assess the samples quality and reduce the noise in the land use and cover reference datasets. The main idea is to identify mislabeled samples, data with low discrimination when mixed with other classes, and explore the samples spatiotemporal variability using satellite image time series. The first method is based on unsupervised neural networks, the self-organizing map (SOM), and Bayesian Inference. It provides measures to identify mislabeled samples and assess the reliability of the samples. In the second method, the hierarchical clustering is combined with SOM to generate subgroups to identify spatiotemporal patterns to explore the samples intra-class variability. Both methods use satellite image time series. It allows the Earth observation scientists to understand the samples behavior over time, contributing to noise reduction in land use and cover reference databases. These methods were applied in different case studies using samples in the Cerrado biome in Brazil.The results indicated that the methods are efficient to reduce class noise and to assess the spatio-temporal variation of satellite image time series training samples.
id INPE_babf385c84581ee8c05737335bbb2117
oai_identifier_str oai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21c/2021/02.19.18.01.53-0
network_acronym_str INPE
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisAssessing and improving land use and cover samples using satellite image time seriesAvaliação e melhoria de amostras de uso e cobertura da terra utilizando séries temporais de imagem de satélite2021-02-03Karine Reis Ferreira GomesGilberto Câmara NetoMarcos Gonçalves QuilesLaerte Guimarães FerreiraAna Carolina LorenaLorena Alves dos SantosInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação AplicadaINPEBRsatellite image time seriesspatiotemporal patternsself-organizing mapsland use and cover changesclass noiseséries temporais de imagens de satélitepadrões espaço-temporalmapas auto-organizáveismudança de uso e cobertura da terraruído de classeLand use and cover changes (LUCC) have caused a major impact on tropical ecosystems, increasing global greenhouse gas emissions and reducing the planets biodiversity. Remote sensing and digital image processing are powerful tools to measure and monitor LUCC effectively. Nowadays, with many Earth observation satellite images freely available, image time series analysis brings new opportunities and challenges for LUCC mapping over large areas. The use of remote sensing image time series analysis and machine learning to produce LUCC information has greatly increased. Machine learning using supervised techniques require a training step using land use and cover samples labeled a priori. For this reason, it is necessary highquality samples to avoid negative effects in classification performance. Due to the recent availability of open Earth observation data, methods using satellite image time series still are a gap in the literature. This thesis contributes to Earth observation field proposing two methods to assess the samples quality and reduce the noise in the land use and cover reference datasets. The main idea is to identify mislabeled samples, data with low discrimination when mixed with other classes, and explore the samples spatiotemporal variability using satellite image time series. The first method is based on unsupervised neural networks, the self-organizing map (SOM), and Bayesian Inference. It provides measures to identify mislabeled samples and assess the reliability of the samples. In the second method, the hierarchical clustering is combined with SOM to generate subgroups to identify spatiotemporal patterns to explore the samples intra-class variability. Both methods use satellite image time series. It allows the Earth observation scientists to understand the samples behavior over time, contributing to noise reduction in land use and cover reference databases. These methods were applied in different case studies using samples in the Cerrado biome in Brazil.The results indicated that the methods are efficient to reduce class noise and to assess the spatio-temporal variation of satellite image time series training samples.Mudanças no uso e cobertura da terra têm causado grande impacto nos ecossistemas tropicais, aumentando as emissões globais de gases de efeito estufa e reduzindo a biodiversidade do planeta. O sensoriamento remoto e o processamento digital de imagens são ferramentas poderosas para medir e monitorar mudanças no uso e cobertura da terra. Atualmente, com uma grande quantidade de imagens de satélite de observação da Terra disponíveis gratuitamente, a análise de séries temporais de imagens traz novas oportunidades e desafios para o mapeamento das mudanças de uso e cobertura em grandes áreas. O uso de análise de séries temporais de imagens de sensoriamento remoto para produzir informações de mudança da terra tem aumentado bastante. Diversas abordagens de aprendizado de máquina com o foco em técnicas supervisionadas têm sido aplicadas para gerar mapas classificados de uso e cobertura da terra. Uma vez que esses métodos exigem amostras de treinamento rotuladas, elas devem possuir alta qualidade para evitar efeitos negativos no desempenho da classificação. No cenário de Observação da Terra, os métodos que utilizam séries temporais ainda são uma lacuna na literatura devido à recente disponibilidade de dados abertos de observação da Terra, principalmente métodos para a qualidade das amostras de treinamento. Esta tese contribui para a área de observação da Terra propondo métodos para avaliar a qualidade das amostras com o intuito de reduzir o ruído nos conjuntos de dados de observação da terra. A ideia principal é identificar amostras rotuladas de forma errônea, dados que apresentam baixa discriminação quando misturados com outras classes e explorar a variabilidade espaço-temporal dentro de cada classes utilizando séries temporais de imagens de satélite. O primeiro método apresentado nesta tese é baseada em redes neurais não supervisionadas, o mapa de auto-organização combinado com inferência bayesiana. Esta abordagem fornece medidas para identificar amostras com rótulos incorretos e avaliar a confiabilidade das amostras. No segundo método, o agrupamento hierárquico é combinado com o mapa auto-organizável para gerar padrões espaço-temporais de subgrupos com o intuito de explorar e identificar a variabilidade intraclasse das amostras. Ambos os métodos utilizam séries temporais de imagens de satélite. Isto permite que os cientistas de observação da Terra entendam o comportamento da amostra ao longo do tempo, contribuindo para a redução de ruído nos conjuntos de dados de amostras de uso e cobertura da terra. Os métodos abordados nesta tese foram aplicados em diferentes estudos de caso utilizando amostras no bioma Cerrado no Brasil.http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2021/02.19.18.01info:eu-repo/semantics/openAccessengreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEinstname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)instacron:INPE2021-07-31T06:56:25Zoai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21c/2021/02.19.18.01.53-0Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bibdigital.sid.inpe.br/PUBhttp://bibdigital.sid.inpe.br/col/iconet.com.br/banon/2003/11.21.21.08/doc/oai.cgiopendoar:32772021-07-31 06:56:27.044Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)false
dc.title.en.fl_str_mv Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
dc.title.alternative.pt.fl_str_mv Avaliação e melhoria de amostras de uso e cobertura da terra utilizando séries temporais de imagem de satélite
title Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
spellingShingle Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
Lorena Alves dos Santos
title_short Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
title_full Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
title_fullStr Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
title_full_unstemmed Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
title_sort Assessing and improving land use and cover samples using satellite image time series
author Lorena Alves dos Santos
author_facet Lorena Alves dos Santos
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Karine Reis Ferreira Gomes
dc.contributor.advisor2.fl_str_mv Gilberto Câmara Neto
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Marcos Gonçalves Quiles
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Laerte Guimarães Ferreira
dc.contributor.referee3.fl_str_mv Ana Carolina Lorena
dc.contributor.author.fl_str_mv Lorena Alves dos Santos
contributor_str_mv Karine Reis Ferreira Gomes
Gilberto Câmara Neto
Marcos Gonçalves Quiles
Laerte Guimarães Ferreira
Ana Carolina Lorena
dc.description.abstract.por.fl_txt_mv Land use and cover changes (LUCC) have caused a major impact on tropical ecosystems, increasing global greenhouse gas emissions and reducing the planets biodiversity. Remote sensing and digital image processing are powerful tools to measure and monitor LUCC effectively. Nowadays, with many Earth observation satellite images freely available, image time series analysis brings new opportunities and challenges for LUCC mapping over large areas. The use of remote sensing image time series analysis and machine learning to produce LUCC information has greatly increased. Machine learning using supervised techniques require a training step using land use and cover samples labeled a priori. For this reason, it is necessary highquality samples to avoid negative effects in classification performance. Due to the recent availability of open Earth observation data, methods using satellite image time series still are a gap in the literature. This thesis contributes to Earth observation field proposing two methods to assess the samples quality and reduce the noise in the land use and cover reference datasets. The main idea is to identify mislabeled samples, data with low discrimination when mixed with other classes, and explore the samples spatiotemporal variability using satellite image time series. The first method is based on unsupervised neural networks, the self-organizing map (SOM), and Bayesian Inference. It provides measures to identify mislabeled samples and assess the reliability of the samples. In the second method, the hierarchical clustering is combined with SOM to generate subgroups to identify spatiotemporal patterns to explore the samples intra-class variability. Both methods use satellite image time series. It allows the Earth observation scientists to understand the samples behavior over time, contributing to noise reduction in land use and cover reference databases. These methods were applied in different case studies using samples in the Cerrado biome in Brazil.The results indicated that the methods are efficient to reduce class noise and to assess the spatio-temporal variation of satellite image time series training samples.
Mudanças no uso e cobertura da terra têm causado grande impacto nos ecossistemas tropicais, aumentando as emissões globais de gases de efeito estufa e reduzindo a biodiversidade do planeta. O sensoriamento remoto e o processamento digital de imagens são ferramentas poderosas para medir e monitorar mudanças no uso e cobertura da terra. Atualmente, com uma grande quantidade de imagens de satélite de observação da Terra disponíveis gratuitamente, a análise de séries temporais de imagens traz novas oportunidades e desafios para o mapeamento das mudanças de uso e cobertura em grandes áreas. O uso de análise de séries temporais de imagens de sensoriamento remoto para produzir informações de mudança da terra tem aumentado bastante. Diversas abordagens de aprendizado de máquina com o foco em técnicas supervisionadas têm sido aplicadas para gerar mapas classificados de uso e cobertura da terra. Uma vez que esses métodos exigem amostras de treinamento rotuladas, elas devem possuir alta qualidade para evitar efeitos negativos no desempenho da classificação. No cenário de Observação da Terra, os métodos que utilizam séries temporais ainda são uma lacuna na literatura devido à recente disponibilidade de dados abertos de observação da Terra, principalmente métodos para a qualidade das amostras de treinamento. Esta tese contribui para a área de observação da Terra propondo métodos para avaliar a qualidade das amostras com o intuito de reduzir o ruído nos conjuntos de dados de observação da terra. A ideia principal é identificar amostras rotuladas de forma errônea, dados que apresentam baixa discriminação quando misturados com outras classes e explorar a variabilidade espaço-temporal dentro de cada classes utilizando séries temporais de imagens de satélite. O primeiro método apresentado nesta tese é baseada em redes neurais não supervisionadas, o mapa de auto-organização combinado com inferência bayesiana. Esta abordagem fornece medidas para identificar amostras com rótulos incorretos e avaliar a confiabilidade das amostras. No segundo método, o agrupamento hierárquico é combinado com o mapa auto-organizável para gerar padrões espaço-temporais de subgrupos com o intuito de explorar e identificar a variabilidade intraclasse das amostras. Ambos os métodos utilizam séries temporais de imagens de satélite. Isto permite que os cientistas de observação da Terra entendam o comportamento da amostra ao longo do tempo, contribuindo para a redução de ruído nos conjuntos de dados de amostras de uso e cobertura da terra. Os métodos abordados nesta tese foram aplicados em diferentes estudos de caso utilizando amostras no bioma Cerrado no Brasil.
description Land use and cover changes (LUCC) have caused a major impact on tropical ecosystems, increasing global greenhouse gas emissions and reducing the planets biodiversity. Remote sensing and digital image processing are powerful tools to measure and monitor LUCC effectively. Nowadays, with many Earth observation satellite images freely available, image time series analysis brings new opportunities and challenges for LUCC mapping over large areas. The use of remote sensing image time series analysis and machine learning to produce LUCC information has greatly increased. Machine learning using supervised techniques require a training step using land use and cover samples labeled a priori. For this reason, it is necessary highquality samples to avoid negative effects in classification performance. Due to the recent availability of open Earth observation data, methods using satellite image time series still are a gap in the literature. This thesis contributes to Earth observation field proposing two methods to assess the samples quality and reduce the noise in the land use and cover reference datasets. The main idea is to identify mislabeled samples, data with low discrimination when mixed with other classes, and explore the samples spatiotemporal variability using satellite image time series. The first method is based on unsupervised neural networks, the self-organizing map (SOM), and Bayesian Inference. It provides measures to identify mislabeled samples and assess the reliability of the samples. In the second method, the hierarchical clustering is combined with SOM to generate subgroups to identify spatiotemporal patterns to explore the samples intra-class variability. Both methods use satellite image time series. It allows the Earth observation scientists to understand the samples behavior over time, contributing to noise reduction in land use and cover reference databases. These methods were applied in different case studies using samples in the Cerrado biome in Brazil.The results indicated that the methods are efficient to reduce class noise and to assess the spatio-temporal variation of satellite image time series training samples.
publishDate 2021
dc.date.issued.fl_str_mv 2021-02-03
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
status_str publishedVersion
format doctoralThesis
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2021/02.19.18.01
url http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2021/02.19.18.01
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
dc.publisher.initials.fl_str_mv INPE
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
publisher.none.fl_str_mv Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
instname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
instacron:INPE
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
instname_str Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
instacron_str INPE
institution INPE
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
repository.mail.fl_str_mv
publisher_program_txtF_mv Programa de Pós-Graduação do INPE em Computação Aplicada
contributor_advisor1_txtF_mv Karine Reis Ferreira Gomes
_version_ 1706809364935868416