Statistical and Machine Learning Models for Remote Sensing Data Mining - Recent Advancements

This book is a reprint of the Special Issue entitled "Statistical and Machine Learning Models for Remote Sensing Data Mining - Recent Advancements" that was published in Remote Sensing, MDPI. It provides insights into both core technical challenges and some selected critical applications of satellite remote sensing image analytics

A Comprehensive Survey of Deep Learning in Remote Sensing: Theories, Tools and Challenges for the Community

In recent years, deep learning (DL), a re-branding of neural networks (NNs), has risen to the top in numerous areas, namely computer vision (CV), speech recognition, natural language processing, etc. Whereas remote sensing (RS) possesses a number of unique challenges, primarily related to sensors and applications, inevitably RS draws from many of the same theories as CV; e.g., statistics, fusion, and machine learning, to name a few. This means that the RS community should be aware of, if not at the leading edge of, of advancements like DL. Herein, we provide the most comprehensive survey of state-of-the-art RS DL research. We also review recent new developments in the DL field that can be used in DL for RS. Namely, we focus on theories, tools and challenges for the RS community. Specifically, we focus on unsolved challenges and opportunities as it relates to (i) inadequate data sets, (ii) human-understandable solutions for modelling physical phenomena, (iii) Big Data, (iv) non-traditional heterogeneous data sources, (v) DL architectures and learning algorithms for spectral, spatial and temporal data, (vi) transfer learning, (vii) an improved theoretical understanding of DL systems, (viii) high barriers to entry, and (ix) training and optimizing the DL.Comment: 64 pages, 411 references. To appear in Journal of Applied Remote Sensin

Ocean remote sensing techniques and applications: a review (Part II)

As discussed in the first part of this review paper, Remote Sensing (RS) systems are great tools to study various oceanographic parameters. Part I of this study described different passive and active RS systems and six applications of RS in ocean studies, including Ocean Surface Wind (OSW), Ocean Surface Current (OSC), Ocean Wave Height (OWH), Sea Level (SL), Ocean Tide (OT), and Ship Detection (SD). In Part II, the remaining nine important applications of RS systems for ocean environments, including Iceberg, Sea Ice (SI), Sea Surface temperature (SST), Ocean Surface Salinity (OSS), Ocean Color (OC), Ocean Chlorophyll (OCh), Ocean Oil Spill (OOS), Underwater Ocean, and Fishery are comprehensively reviewed and discussed. For each application, the applicable RS systems, their advantages and disadvantages, various RS and Machine Learning (ML) techniques, and several case studies are discussed.Peer ReviewedPostprint (published version

Верификация разливов нефти на водных поверхностях по аэрофотоснимкам на основе методов глубокого обучения

В статье решается задача верификации разливов нефти на водных поверхностях рек, морей и океанов по оптическим аэрофотоснимкам с использованием методов глубокого обучения. Особенностью данной задачи является наличие визуально похожих на разливы нефти областей на водных поверхностях, вызванных цветением водорослей, веществ, не приносящих экологический ущерб (например, пальмовое масло), бликов при съемке или природных явлений (так называемые «двойники»). Многие исследования в данной области основаны на анализе изображений, полученных от радаров с синтезированной апертурой (Synthetic Aperture Radar (SAR) images), которые не обеспечивают точной классификации и сегментации. Последующая верификация способствует сокращению экологического и материального ущерба, а мониторинг размеров площади нефтяного пятна используется для принятия дальнейших решений по устранению последствий. Предлагается новый подход к верификации оптических снимков как задачи бинарной классификации на основе сиамской сети, когда фрагмент исходного изображения многократно сравнивается с репрезентативными примерами из класса нефтяных пятен на водных поверхностях. Основой сиамской сети служит облегченная сеть VGG16. При превышении порогового значения выходной функции принимается решение о наличии разлива нефти. Для обучения сети был собран и размечен собственный набор данных из открытых интернет-ресурсов. Существенной проблемой является несбалансированность выборки данных по классам, что потребовало применения методов аугментации, основанных не только на геометрических и цветовых манипуляциях, но и на основе генеративной состязательной сети (Generative Adversarial Network, GAN). Эксперименты показали, что точность классификации разливов нефти и «двойников» на тестовой выборке достигает значений 0,91 и 0,834 соответственно. Далее решается дополнительная задача семантической сегментации нефтяного пятна с применением сверточных нейронных сетей (СНС) типа кодировщик-декодировщик. Для сегментации исследовались три архитектуры глубоких сетей, а именно U-Net, SegNet и Poly-YOLOv3. Лучшие результаты показала сеть Poly-YOLOv3, достигнув точности 0,97 при среднем времени обработки снимка 385 с веб-сервисом Google Colab. Также была спроектирована база данных для хранения исходных и верифицированных изображений с проблемными областями

Two-Stage Convolutional Neural Network for Ship and Spill Detection Using SLAR Images

This paper presents a system for the detection of ships and oil spills using side-looking airborne radar (SLAR) images. The proposed method employs a two-stage architecture composed of three pairs of convolutional neural networks (CNNs). Each pair of networks is trained to recognize a single class (ship, oil spill, and coast) by following two steps: a first network performs a coarse detection, and then, a second specialized CNN obtains the precise localization of the pixels belonging to each class. After classification, a postprocessing stage is performed by applying a morphological opening filter in order to eliminate small look-alikes, and removing those oil spills and ships that are surrounded by a minimum amount of coast. Data augmentation is performed to increase the number of samples, owing to the difficulty involved in obtaining a sufficient number of correctly labeled SLAR images. The proposed method is evaluated and compared to a single multiclass CNN architecture and to previous state-of-the-art methods using accuracy, precision, recall, F-measure, and intersection over union. The results show that the proposed method is efficient and competitive, and outperforms the approaches previously used for this task.This work was supported in part by the Spanish Government’s Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness under Project RTC-2014-1863-8 and in part by Babcock MCS Spain under Project INAER4-14Y (IDI-20141234)