Deep learning in remote sensing: a review

Standing at the paradigm shift towards data-intensive science, machine learning techniques are becoming increasingly important. In particular, as a major breakthrough in the field, deep learning has proven as an extremely powerful tool in many fields. Shall we embrace deep learning as the key to all? Or, should we resist a 'black-box' solution? There are controversial opinions in the remote sensing community. In this article, we analyze the challenges of using deep learning for remote sensing data analysis, review the recent advances, and provide resources to make deep learning in remote sensing ridiculously simple to start with. More importantly, we advocate remote sensing scientists to bring their expertise into deep learning, and use it as an implicit general model to tackle unprecedented large-scale influential challenges, such as climate change and urbanization.Comment: Accepted for publication IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazin

Mapping Informal Settlements in Developing Countries using Machine Learning and Low Resolution Multi-spectral Data

Informal settlements are home to the most socially and economically vulnerable people on the planet. In order to deliver effective economic and social aid, non-government organizations (NGOs), such as the United Nations Children's Fund (UNICEF), require detailed maps of the locations of informal settlements. However, data regarding informal and formal settlements is primarily unavailable and if available is often incomplete. This is due, in part, to the cost and complexity of gathering data on a large scale. To address these challenges, we, in this work, provide three contributions. 1) A brand new machine learning data-set, purposely developed for informal settlement detection. 2) We show that it is possible to detect informal settlements using freely available low-resolution (LR) data, in contrast to previous studies that use very-high resolution (VHR) satellite and aerial imagery, something that is cost-prohibitive for NGOs. 3) We demonstrate two effective classification schemes on our curated data set, one that is cost-efficient for NGOs and another that is cost-prohibitive for NGOs, but has additional utility. We integrate these schemes into a semi-automated pipeline that converts either a LR or VHR satellite image into a binary map that encodes the locations of informal settlements.Comment: Published at the AAAI/ACM Conference on AI, ethics and society. Extended results from our previous workshop: arXiv:1812.0081

Sentinel-1 InSAR coherence to detect floodwater in urban areas: Houston and hurricane harvey as a test case

This paper presents an automatic algorithm for mapping floods. Its main characteristic is that it can detect not only inundated bare soils, but also floodwater in urban areas. The synthetic aperture radar (SAR) observations of the flood that hit the city of Houston (Texas) following the landfall of Hurricane Harvey in 2017 are used to apply and validate the algorithm. The latter consists of a two-step approach that first uses the SAR data to identify buildings and then takes advantage of the Interferometric SAR coherence feature to detect the presence of floodwater in urbanized areas. The preliminary detection of buildings is a pre-requisite for focusing the analysis on the most risk-prone areas. Data provided by the Sentinel-1 mission acquired in both Strip Map and Interferometric Wide Swath modes were used, with a geometric resolution of 5 m and 20 m, respectively. Furthermore, the coherence-based algorithm takes full advantage of the Sentinel-1 mission's six-day repeat cycle, thereby providing an unprecedented possibility to develop an automatic, high-frequency algorithm for detecting floodwater in urban areas. The results for the Houston case study have been qualitatively evaluated through very-high-resolution optical images acquired almost simultaneously with SAR, crowdsourcing points derived by photointerpretation from Digital Globe and Federal Emergency Management Agency's (FEMA) inundation model over the area. For the first time the comparison with independent data shows that the proposed approach can map flooded urban areas with high accuracy using SAR data from the Sentinel-1 satellite mission

Kernel-Based Framework for Multitemporal and Multisource Remote Sensing Data Classification and Change Detection

The multitemporal classification of remote sensing images is a challenging problem, in which the efficient combination of different sources of information (e.g., temporal, contextual, or multisensor) can improve the results. In this paper, we present a general framework based on kernel methods for the integration of heterogeneous sources of information. Using the theoretical principles in this framework, three main contributions are presented. First, a novel family of kernel-based methods for multitemporal classification of remote sensing images is presented. The second contribution is the development of nonlinear kernel classifiers for the well-known difference and ratioing change detection methods by formulating them in an adequate high-dimensional feature space. Finally, the presented methodology allows the integration of contextual information and multisensor images with different levels of nonlinear sophistication. The binary support vector (SV) classifier and the one-class SV domain description classifier are evaluated by using both linear and nonlinear kernel functions. Good performance on synthetic and real multitemporal classification scenarios illustrates the generalization of the framework and the capabilities of the proposed algorithms.Publicad

Deep Learning based Vehicle Detection in Aerial Imagery

Der Einsatz von luftgestützten Plattformen, die mit bildgebender Sensorik ausgestattet sind, ist ein wesentlicher Bestandteil von vielen Anwendungen im Bereich der zivilen Sicherheit. Bekannte Anwendungsgebiete umfassen unter anderem die Entdeckung verbotener oder krimineller Aktivitäten, Verkehrsüberwachung, Suche und Rettung, Katastrophenhilfe und Umweltüberwachung. Aufgrund der großen Menge zu verarbeitender Daten und der daraus resultierenden kognitiven Überbelastung ist jedoch eine Analyse der Luftbilddaten ausschließlich durch menschliche Auswerter in der Praxis nicht anwendbar. Zur Unterstützung der menschlichen Auswerter kommen daher in der Regel automatische Bild- und Videoverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz. Eine zentrale Aufgabe bildet dabei eine zuverlässige Detektion relevanter Objekte im Sichtfeld der Kamera, bevor eine Interpretation der gegebenen Szene stattfinden kann. Die geringe Bodenauflösung aufgrund der großen Distanz zwischen Kamera und Erde macht die Objektdetektion in Luftbilddaten zu einer herausfordernden Aufgabe, welche durch Bewegungsunschärfe, Verdeckungen und Schattenwurf zusätzlich erschwert wird. Obwohl in der Literatur eine Vielzahl konventioneller Ansätze zur Detektion von Objekten in Luftbilddaten existiert, ist die Detektionsgenauigkeit durch die Repräsentationsfähigkeit der verwendeten manuell entworfenen Merkmale beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Deep-Learning basierter Ansatz zur Detektion von Objekten in Luftbilddaten präsentiert. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Detektion von Fahrzeugen in Luftbilddaten, die senkrecht von oben aufgenommen wurden. Grundlage des entwickelten Ansatzes bildet der Faster R-CNN Detektor, der im Vergleich zu anderen Deep-Learning basierten Detektionsverfahren eine höhere Detektionsgenauigkeit besitzt. Da Faster R-CNN wie auch die anderen Deep-Learning basierten Detektionsverfahren auf Benchmark Datensätzen optimiert wurden, werden in einem ersten Schritt notwendige Anpassungen an die Eigenschaften der Luftbilddaten, wie die geringen Abmessungen der zu detektierenden Fahrzeuge, systematisch untersucht und daraus resultierende Probleme identifiziert. Im Hinblick auf reale Anwendungen sind hier vor allem die hohe Anzahl fehlerhafter Detektionen durch fahrzeugähnliche Strukturen und die deutlich erhöhte Laufzeit problematisch. Zur Reduktion der fehlerhaften Detektionen werden zwei neue Ansätze vorgeschlagen. Beide Ansätze verfolgen dabei das Ziel, die verwendete Merkmalsrepräsentation durch zusätzliche Kontextinformationen zu verbessern. Der erste Ansatz verfeinert die räumlichen Kontextinformationen durch eine Kombination der Merkmale von frühen und tiefen Schichten der zugrundeliegenden CNN Architektur, so dass feine und grobe Strukturen besser repräsentiert werden. Der zweite Ansatz macht Gebrauch von semantischer Segmentierung um den semantischen Informationsgehalt zu erhöhen. Hierzu werden zwei verschiedene Varianten zur Integration der semantischen Segmentierung in das Detektionsverfahren realisiert: zum einen die Verwendung der semantischen Segmentierungsergebnisse zur Filterung von unwahrscheinlichen Detektionen und zum anderen explizit durch Verschmelzung der CNN Architekturen zur Detektion und Segmentierung. Sowohl durch die Verfeinerung der räumlichen Kontextinformationen als auch durch die Integration der semantischen Kontextinformationen wird die Anzahl der fehlerhaften Detektionen deutlich reduziert und somit die Detektionsgenauigkeit erhöht. Insbesondere der starke Rückgang von fehlerhaften Detektionen in unwahrscheinlichen Bildregionen, wie zum Beispiel auf Gebäuden, zeigt die erhöhte Robustheit der gelernten Merkmalsrepräsentationen. Zur Reduktion der Laufzeit werden im Rahmen der Arbeit zwei alternative Strategien verfolgt. Die erste Strategie ist das Ersetzen der zur Merkmalsextraktion standardmäßig verwendeten CNN Architektur mit einer laufzeitoptimierten CNN Architektur unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Luftbilddaten, während die zweite Strategie ein neues Modul zur Reduktion des Suchraumes umfasst. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Strategien wird die Gesamtlaufzeit sowie die Laufzeit für jede Komponente des Detektionsverfahrens deutlich reduziert. Durch Kombination der vorgeschlagenen Ansätze kann sowohl die Detektionsgenauigkeit als auch die Laufzeit im Vergleich zur Faster R-CNN Baseline signifikant verbessert werden. Repräsentative Ansätze zur Fahrzeugdetektion in Luftbilddaten aus der Literatur werden quantitativ und qualitativ auf verschiedenen Datensätzen übertroffen. Des Weiteren wird die Generalisierbarkeit des entworfenen Ansatzes auf ungesehenen Bildern von weiteren Luftbilddatensätzen mit abweichenden Eigenschaften demonstriert