Driven by the rapid growth in population, urbanization is progressing at an unprecedented rate in many places around the world. Earth observation has become an invaluable tool to monitor urbanization on a global scale by either mapping the extent of cities or detecting newly constructed urban areas within and around cities. In particular, the Sentinel-1 (S1) Synthetic Aperture Radar (SAR) and Sentinel-2 (S2) MultiSpectral Instrument (MSI) missions offer new opportunities for urban mapping and urban Change Detection (CD) due to the capability of systematically acquiring wide-swath high-resolution images with frequent revisits globally. Current trends in both urban mapping and urban CD have shifted from employing traditional machine learning methods to Deep Learning (DL) models, specifically Convolutional Neural Networks (CNNs). Recent urban mapping efforts achieved promising results by training CNNs on available built-up data using S2 images. Likewise, DL models have been applied to urban CD problems using S2 data with promising results. However, the quality of current methods strongly depends on the availability of local reference data for supervised training, especially since CNNs applied to unseen areas often produce unsatisfactory results due to their insufficient across-region generalization ability. Since multitemporal reference data are even more difficult to obtain, unsupervised learning was suggested for urban CD. While unsupervised models may perform more consistently across different regions, they often perform considerably worse than their supervised counterparts. To alleviate these shortcomings, it is desirable to leverage Semi-Supervised Learning (SSL) that exploits unlabeled data to improve upon supervised learning, especially because satellite data is plentiful. Furthermore, the integration of SAR data into the current optical frameworks (i.e., data fusion) has the potential to produce models with better generalization ability because the representation of urban areas in SAR images is largely invariant across cities, while spectral signatures vary greatly. In this thesis, a novel Domain Adaptation (DA) approach using SSL is first presented. The DA approach jointly exploits Multi-Modal (MM) S1 SAR and S2 MSI to improve across-region generalization for built-up area mapping. Specifically, two identical sub-networks are incorporated into the proposed model to perform built-up area segmentation from SAR and optical images separately. Assuming that consistent built-up area segmentation should be obtained across data modalities, an unsupervised loss for unlabeled data that penalizes inconsistent segmentation from the two sub-networks was designed. Therefore, the use of complementary data modalities as real-world perturbations for Consistency Regularization (CR) is proposed. For the final prediction, the model takes both data modalities into account. Experiments conducted on a test set comprised of sixty representative sites across the world showed that the proposed DA approach achieves strong improvements (F1 score 0.694) upon supervised learning from S1 SAR data (F1 score 0.574), S2 MSI data (F1 score 0.580) and their input-level fusion (F1 score 0.651). The comparison with two state-of-the-art global human settlement maps, namely GHS-S2 and WSF2019, showed that our model is capable of producing built-up area maps with comparable or even better quality. For urban CD, a new network architecture for the fusion of SAR and optical data is proposed. Specifically, a dual stream concept was introduced to process different data modalities separately, before combining extracted features at a later decision stage. The individual streams are based on the U-Net architecture. The proposed strategy outperformed other U-Net-based approaches in combination with uni-modal data and MM data with feature level fusion. Furthermore, our approach achieved state-of-the-art performance on the problem posed by a popular urban CD dataset (F1 score 0.600). Furthermore, a new network architecture is proposed to adapt Multi-Modal Consistency Regularization (MMCR) for urban CD. Using bi-temporal S1 SAR and S2 MSI image pairs as input, the MM Siamese Difference (Siam-Diff) Dual-Task (DT) network not only predicts changes using a difference decoder, but also segments buildings for each image with a semantic decoder. The proposed network is trained in a semi-supervised fashion using the underlying idea of MMCR, namely that building segmentation across sensor modalities should be consistent, to learn more robust features. The proposed method was tested on an urban CD task using the 60 sites of the SpaceNet7 dataset. A domain gap was introduced by only using labels for sites located in the Western World, where geospatial data are typically less sparse than in the Global South. MMCR achieved an average F1 score of 0.444 when applied to sites located outside of the source domain, which is a considerable improvement to several supervised models (F1 scores between 0.107 and 0.424). The combined findings of this thesis contribute to the mapping and monitoring of cities on a global scale, which is crucial to support sustainable planning and urban SDG indicator monitoring. / Vår befolkningstillväxt ligger till stor grund för den omfattande urbanise-ringstakt som kan observeras runt om i världen idag. Jordobservationer harblivit ett betydelsefullt verktyg för att bevaka urbaniseringen på en globalskala genom att antingen kartlägga städernas omfattning eller upptäcka ny-byggda stadsområden inom eller runtom städer. Tillföljd av satellituppdragenSentinel-1 (S1) Synthetic Aperture Radar (SAR) och Sentinel-2 (S2) MultiS-pectral Instrument (MSI) och dess förmåga att systematiskt tillhandahållabreda och högupplösta bilder, har vi fått nya möjligheter att kartlägga urbanaområden och upptäcka förändringar inom dem, även på frekvent åter besöktaplatser. Samtida trender inom både urban kartläggning och för att upptäcka ur-bana förändringar har gått från att använda traditionella maskininlärnings-metoder till djupinlärning (DL), särskilt Convolutional Neural Nets (CNNs).De nytillkomna urbana kartläggningsmetoderna har gett lovande resultat ge-nom att träna CNNs med redan tillgänglig urban data och S2-bilder. Likasåhar DL-modeller, i kombination med S2-data, tillämpats på de problem somkan uppkomma vid analyser av urbana förändringar. Kvaliteten på de nuvarande metoderna beror dock i stor utsträckning påtillgången av lokal referensdata förövervakad träning. CNNs som tillämpaspå nya områden ger ofta otillräckliga resultat på grund av deras oförmågaatt generalisera över regioner. Eftersom multitemporala referensdata kan va-ra svåra att erhålla föreslås oövervakad inlärning för upptäckter av urbanaförändringar. även om oövervakade modeller kan prestera mer konsekvent iolika regioner, generar de ofta betydligt sämre än dess övervakade motsva-righeter. För att undvika de brister som kan uppkomma är det önskvärt attanvända semi-övervakad inlärning (SSL) som nyttjar omärkta data för attförbättraövervakad inlärning eftersom tillgången på satellitdata är så stor.Dessutom har integrationen av SAR-data i de nuvarande optiska ramverken(så kallad datafusion) potential att producera modeller med bättre generali-seringsförmåga då representationen av stadsområden i SAR-bilder är i stortsett oföränderlig mellan städer, medan spektrala signaturer varierar mycket. Denna avhandling presenterar först en ny metod för domänanpassning(DA) som använder SSL. Den DA-metoden som presenteras kombinerar Multi-Modal (MM) S1 SAR och S2 MSI för att förbättra generaliseringen av re-gioner som används vid kartläggning av bebyggda områden. Två identiskaundernätverk är inkorporerade i den föreslagna modellen för att få separataurbana kartläggningar från SAR och optiska data. För att erhålla en kon-sekvent segmentering av bebyggda områden över datamodalitet utformadesen oövervakad komponent för att motverka inkonsekvent segmentering frånde två undernätverken. Således föreslås användningen av kompletterande da-tamodaliteter som använder sig av verkliga störningar för konsistensregula-riseringar (CR). För det slutgiltiga resultatet tar modellen hänsyn till bådadatamodaliteterna. Experiment utförda på en testuppsättning bestående av60 representativa platseröver världen visar att den föreslagna DA-metodenuppnår starka förbättringar (F1 score 0,694) vidövervakad inlärning från S1SAR-data (F1 score 0,574), S2 MSI-data (F1 score 0,580) och deras samman-slagning på ingångsnivå (F1 score 0,651). I jämförelse med de två främstaglobala kartorna över mänskliga bosättningar, GHS-S2 och WSF2019, visadesig vår modell kapabel till att producera bebyggelsekartor med jämförbar ellerbättre kvalitet. Gällande metoder för upptäckter av urbana förändringar i städer föreslårdenna avhandling en ny nätverksarkitektur som sammanslår SAR och op-tisk data. Mer specifikt presenteras ett dubbelströmskoncept för att bearbetaolika datamodaliteter separat, innan de extraherade funktionerna kombine-ras i ett senare beslutsstadium. De enskilda strömmarna baseras på U-Netarkitektur. Strategin överträffade andra U-Net-baserade tillvägagångssätt ikombination med uni-modala data och MM-data med funktionsnivåfusion.Dessutom uppnådde tillvägagångssättet hög prestanda på problem som or-sakas vid en frekvent använd datauppsättning för urbana förändringar (F1score 0,600). Därtill föreslås en ny nätverksarkitektur som anpassar multi-modala kon-sistensregulariseringar (MMCR) för att upptäcka urbana förändringar. Ge-nom att använda bi-temporala S1 SAR- och S2 MSI-bildpar som indata,förutsäger nätverket MM Siamese Difference (Siam-Diff) Dual-Task (DT) intebara förändringar med hjälp av en skillnadsavkodare, utan kan även segmen-tera byggnader för varje bild med en semantisk avkodare. Nätverket tränaspå ett semi-övervakat sätt med hjälp av MMCR, nämligen att byggnadsseg-mentering över sensormodaliteter ska vara konsekvent, för att lära sig merrobusta funktioner. Den föreslagna metoden testades på en CD-uppgift medanvändning av de 60 platserna i SpaceNet7-datauppsättningen. Ett domängapintroducerades genom att endast använda etiketter för platser i västvärlden,där geospatiala data vanligtvis är mindre glest än i Globala Syd. MMCRuppnådde ett genomsnittligt F1 score på 0,444 när det applicerades på plat-ser utanför källdomänen, vilket är en avsevärd förbättring för flera övervakademodeller (F1 score mellan 0,107 och 0,424).Samtliga resultat från avhandlingen bidrar till kartläggning och över-vakning av städer på en global skala, vilket är väsentligt för att kunna bedrivahållbar stadsplanering och övervakning av FN:s globala mål för hållbar ut-veckling. / <p>QC220530</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-312995 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Hafner, Sebastian |
| Publisher | KTH, Geoinformatik, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ABE-DLT ; 2231 |
Page generated in 0.0073 seconds