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Spaceborne GNSS-R for Sea Ice Classification Using Machine Learning Classifiers

Zhu, Yongchao und Tao, Tingye und Li, Jiangyang und Yu, Kegen und Wang, Lei und Qu, Xiaochuan und Li, Shuiping und Semmling, Maximilian und Wickert, Jens (2021) Spaceborne GNSS-R for Sea Ice Classification Using Machine Learning Classifiers. Remote Sensing. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/rs13224577. ISSN 2072-4292.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
60MB

Offizielle URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/13/22/4577

Kurzfassung

The knowledge of Arctic Sea ice coverage is of particular importance in studies of climate change. This study develops a new sea ice classification approach based on machine learning (ML) classifiers through analyzing spaceborne GNSS-R features derived from the TechDemoSat-1 (TDS-1) data collected over open water (OW), first-year ice (FYI), and multi-year ice (MYI). A total of eight features extracted from GNSS-R observables collected in five months are applied to classify OW, FYI, and MYI using the ML classifiers of random forest (RF) and support vector machine (SVM) in a two-step strategy. Firstly, randomly selected 30% of samples of the whole dataset are used as a training set to build classifiers for discriminating OW from sea ice. The performance is evaluated using the remaining 70% of samples through validating with the sea ice type from the Special Sensor Microwave Imager Sounder (SSMIS) data provided by the Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility (OSISAF). The overall accuracy of RF and SVM classifiers are 98.83% and 98.60% respectively for distinguishing OW from sea ice. Then, samples of sea ice, including FYI and MYI, are randomly split into training and test dataset. The features of the training set are used as input variables to train the FYI-MYI classifiers, which achieve an overall accuracy of 84.82% and 71.71% respectively by RF and SVM classifiers. Finally, the features in every month are used as training and testing set in turn to cross-validate the performance of the proposed classifier. The results indicate the strong sensitivity of GNSS signals to sea ice types and the great potential of ML classifiers for GNSS-R applications.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/145661/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Spaceborne GNSS-R for Sea Ice Classification Using Machine Learning Classifiers
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Zhu, Yongchaoyczhu (at) hfut.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tao, Tingyetaotingye (at) hfut.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Li, Jiangyang2019110581 (at) mail.hfut.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yu, Kegenkegen.yu (at) cumt.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wang, Leilei.wang (at) whu.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Qu, Xiaochuanqqxxcc (at) hfut.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Li, Shuipinglishuiping (at) hfut.edu.cnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Semmling, MaximilianMaximilian.Semmling (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5228-8072NICHT SPEZIFIZIERT
Wickert, JensGeoForschungsZentrum Potsdamhttps://orcid.org/0000-0002-7379-5276NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:15 November 2021
Erschienen in:Remote Sensing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.3390/rs13224577
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
ISSN:2072-4292
Status:veröffentlicht
Stichwörter:GNSS-R; Delay-Doppler Map; machine learning; sea ice classification; TDS-1
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Kommunikation, Navigation, Quantentechnologien
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R KNQ - Kommunikation, Navigation, Quantentechnologie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Ionosphäre
Standort: Neustrelitz
Institute & Einrichtungen:Institut für Solar-Terrestrische Physik
Hinterlegt von: Semmling, Dr. Maximilian
Hinterlegt am:02 Dez 2021 07:13
Letzte Änderung:05 Dez 2023 09:38

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