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Deep Learning for Subtle Volcanic Deformation Detection With InSAR Data in Central Volcanic Zone

Beker, Teo und Ansari, Homa und Montazeri, Sina und Song, Qian und Zhu, Xiao Xiang (2023) Deep Learning for Subtle Volcanic Deformation Detection With InSAR Data in Central Volcanic Zone. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 61, Seiten 1-20. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/TGRS.2023.3318469. ISSN 0196-2892.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
18MB

Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10293156

Kurzfassung

Subtle volcanic deformations point to volcanic activities, and monitoring them helps predict eruptions. Today, it is possible to remotely detect volcanic deformation in mm/year scale thanks to advances in interferometric synthetic aperture radar (InSAR). This article proposes a framework based on a deep learning model to automatically discriminate subtle volcanic deformations from other deformation types in five-year-long InSAR stacks. Models are trained on a synthetic training set. To better understand and improve the models, explainable artificial intelligence (AI) analyses are performed. In initial models, Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) linked new-found patterns of slope processes and salt lake deformations to false-positive detections. The models are then improved by fine-tuning (FT) with a hybrid synthetic-real data, and additional performance is extracted by low-pass spatial filtering (LSF) of the real test set. The t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE) latent feature visualization confirmed the similarity and shortcomings of the FT set, highlighting the problem of elevation components in residual tropospheric noise. After fine-tuning, all the volcanic deformations are detected, including the smallest one, Lazufre, deforming 5 mm/year. The first time confirmed deformation of Cerro El Condor is observed, deforming 9.9–17.5 mm/year. Finally, sensitivity analysis uncovered the model’s minimal detectable deformation of 2 mm/year.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/198763/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Deep Learning for Subtle Volcanic Deformation Detection With InSAR Data in Central Volcanic Zone
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Beker, TeoTeo.Beker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1907-4045NICHT SPEZIFIZIERT
Ansari, HomaHoma.Ansari (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4549-2497NICHT SPEZIFIZIERT
Montazeri, SinaSina.Montazeri (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6732-1381NICHT SPEZIFIZIERT
Song, QianQian.Song (at) tum.dehttps://orcid.org/0000-0003-2746-6858NICHT SPEZIFIZIERT
Zhu, Xiao XiangXiaoXiang.Zhu (at) tum.dehttps://orcid.org/0000-0001-5530-3613NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:24 Oktober 2023
Erschienen in:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:61
DOI:10.1109/TGRS.2023.3318469
Seitenbereich:Seiten 1-20
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Jia, Xiupingxp.jia (at) ieee.orgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:0196-2892
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Deep learning (DL), interferometric synthetic aperture radar (InSAR), minimal deformation analysis, volcanic deformation simulation, volcanic deformation
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 - Künstliche Intelligenz, R - AI4SAR, R - SAR-Methoden
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > EO Data Science
Hinterlegt von: Beker, Teo
Hinterlegt am:06 Nov 2023 13:56
Letzte Änderung:26 Mär 2024 13:20

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