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Semantic segmentation of water bodies in very high-resolution satellite and aerial images

Wieland, Marc und Martinis, Sandro und Kiefl, Ralph und Gstaiger, Veronika (2023) Semantic segmentation of water bodies in very high-resolution satellite and aerial images. Remote Sensing of Environment, 287, Seiten 1-14. Elsevier. doi: 10.1016/j.rse.2023.113452. ISSN 0034-4257.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich bis 6 Januar 2025 - Postprintversion (akzeptierte Manuskriptversion)
2MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425723000032

Kurzfassung

This study evaluates the performance of convolutional neural networks for semantic segmentation of water bodies in very high-resolution satellite and aerial images from multiple sensors with particular focus on flood emergency response applications. Different model architectures (U-Net and DeepLab-V3+) are combined with encoder backbones (MobileNet-V3, ResNet-50 and EfficientNet-B4) and tested for their ability to delineate inundated areas under varying environmental conditions and data availability scenarios. An unprecedented reference dataset of 1120 globally sampled images with quality checked binary water masks is introduced and used to train, validate and test the models for water body segmentation. Furthermore, independent test datasets are developed to test the generalization ability of the trained models across regions, sensors (IKONOS, GeoEye-1, WorldView-2, WorldView-3 and four different airborne camera systems) and tasks (normal water and flood water segmentation). Results indicate that across all tested scenarios a U-Net model with Mobilenet-V3 backbone pre-trained on ImageNet performs best. While using R-G-B image bands performs well, adding the near infrared band (if available) slightly improves prediction results. Similarly, adding slope information from an independent digital elevation model increases accuracies. Train-time augmentation and contrast enhancement could improve transferability across sensors and in particular between satellite and aerial images. Moreover, adding noisy training data from freely available online resources could further improve performance with minimal annotation effort.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/196219/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Semantic segmentation of water bodies in very high-resolution satellite and aerial images
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wieland, MarcMarc.Wieland (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1155-723XNICHT SPEZIFIZIERT
Martinis, Sandrosandro.martinis (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6400-361XNICHT SPEZIFIZIERT
Kiefl, RalphRalph.Kiefl (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7622-5458NICHT SPEZIFIZIERT
Gstaiger, VeronikaVeronika.Gstaiger (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7328-7485NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:13 Januar 2023
Erschienen in:Remote Sensing of Environment
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:287
DOI:10.1016/j.rse.2023.113452
Seitenbereich:Seiten 1-14
Verlag:Elsevier
ISSN:0034-4257
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Convolutional neural networks; Semantic segmentation; Water; Emergency response; Rapid mapping
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Fernerkundung u. Geoforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum > Georisiken und zivile Sicherheit
Institut für Methodik der Fernerkundung > Photogrammetrie und Bildanalyse
Hinterlegt von: Wieland, Dr Marc
Hinterlegt am:31 Jul 2023 11:45
Letzte Änderung:12 Mär 2024 15:16

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