Ableitung des Bruttoinlandprodukts von Brasilien auf Basis von Nacht- Satellitenbildern und weiteren Geodaten durch Anwendung eines Machine-Learning Modells

Abstract

Der Begriff „Machine Learning“ ist mittlerweile im Alltag der meisten Menschen präsent, aber auch in der Wissenschaft spielt die Methode eine immer größer werdende Rolle in der Datenverarbeitung. Diese Masterarbeit widmet sich der Ableitung des Bruttoinlandsprodukts von Brasilien auf Basis von Nacht- Satellitenbildern und weiteren Geodaten durch die Anwendung eines Machine Learning Modells. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines Datensatzes, mit dem ein Machine Learning Modell trainiert werden kann, um das Bruttoinlandsprodukt bestimmter Regionen in Brasilien vorherzusagen. Die Forschungsfragen, die im Zuge dieser Arbeit behandelt werden, beschäftigen sich damit, ob das Modell auf unterschiedliche Testgebiete innerhalb Brasiliens angewandt werden kann und ob ein Zusammenhang zwischen der nächtlichen Beleuchtung und der Wirtschaftskraft einer Region besteht. Der Datensatz, der zur Beantwortung der Forschungsfragen erstellt werden muss, besteht aus Referenzdaten, die in einer Auflösung von 1x1km das BIP enthalten und den Inputdaten des Modells, die in der gleichen geometrischen Auflösung akquiriert werden müssen. Die Referenzdaten des Bruttoinlandsprodukts werden durch eine einkommensbasierte Disaggregation erstellt. Die Inputdaten hingegen bestehen aus Sentinel-2- und Black Marble Satellitenbildern, sowie aus den Sentinel-2 Bandkombinationen „NDVI“, „NDBI“ und „MNDWI“. Nach der Erstellung des Datensatzes werden unterschiedlichste Parameterkombinationen für das Modell getestet, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Beim Machine Learning Modell handelt es sich um ein Fusionsmodell aus einem Convolutional Neural Network (CNN) und einem Multilayer Perceptron (MLP), welches vom DLR speziell für diesen Einsatz entwickelt und zur Verfügung gestellt wurde. Durch die Anwendung des Vorhersagemodells konnten Ergebnisse für 14 der bevölkerungsreichsten Städte Brasiliens berechnet werden. Darunter Sao Paulo, mit einem Bruttoinlandsprodukt von 687.035.890 brasilianischen Real (R$). Das BIP konnte mit einem Determinationskoeffizienten R² von 0,64 und einer Pearson Korrelation R von 0,8 nachmodelliert werden. Die Genauigkeit der Modellierung variiert jedoch stark zwischen den unterschiedlichen Testgebieten. Es stellt sich heraus, dass die Werte durch die Modellierung geglättet werden und somit Ausreißer in den BIP-Werten verloren gehen. Weiters werden Kacheln, die sich in ruralen Regionen befinden, zu hohe Werte zugewiesen. Der Einfluss der nächtlichen Beleuchtung auf das BIP zeigt sich in der Verbesserung der Performance des Modells durch die Einbindung der Black Marble Daten. Weiterführende Forschung in diesem Bereich wäre eine Disaggregation der BIP-Daten nach Wirtschaftssektoren unter Einbindung von Landbedeckungs- und OpenStreetMap Daten, sowie eine weitere Optimierung des Machine Learning Modells hinsichtlich ruraler Räume.