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Interpretable deep learning for consistent large-scale urban population estimation using Earth observation data

Doda, Sugandha und Kahl, Matthias und Ouan, Kim und Obadic, Ivica und Wang, Yuanyuan und Taubenböck, Hannes und Zhu, Xiao Xiang (2024) Interpretable deep learning for consistent large-scale urban population estimation using Earth observation data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 128, Seiten 1-13. Elsevier. doi: 10.1016/j.jag.2024.103731. ISSN 1569-8432.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
6MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1569843224000852

Kurzfassung

Accurate and up-to-date mapping of the human population is fundamental for a wide range of disciplines, from effective governance and establishing policies to disaster management and crisis dilution. The traditional method of gathering population data through census is costly and time-consuming. Recently, with the availability of large amounts of Earth observation data sets, deep learning methods have been explored for population estimation; however, they are either limited by census data availability, inter-regional evaluations, or transparency. In this paper, we present an end-to-end interpretable deep learning framework for large-scale population estimation at a resolution of 1 km that uses only the publicly available data sets and does not rely on census data for inference. The architecture is based on a modification of the common ResNet-50 architecture tailored to analyze both image-like and vector-like data. Our best model outperforms the baseline random forest model by improving the RMSE by around 9% and also surpasses the community standard product, GHS-POP, thus yielding promising results. Furthermore, we improve the transparency of the proposed model by employing an explainable AI technique that identified land use information to be the most relevant feature for population estimation. We expect the improved interpretation of the model outcome will inspire both academic and non-academic end users, particularly those investigating urbanization or sub-urbanization trends, to have confidence in the deep learning methods for population estimation.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/203244/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Interpretable deep learning for consistent large-scale urban population estimation using Earth observation data
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Doda, SugandhaTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kahl, MatthiasTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ouan, KimTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Obadic, IvicaTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wang, YuanyuanTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Taubenböck, HannesHannes.Taubenboeck (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4360-9126NICHT SPEZIFIZIERT
Zhu, Xiao XiangTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:März 2024
Erschienen in:International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:128
DOI:10.1016/j.jag.2024.103731
Seitenbereich:Seiten 1-13
Verlag:Elsevier
ISSN:1569-8432
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Population estimation, Urbanization, Remote sensing, Deep learning, Interpretability, Explainable AI
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, R - Geowissenschaftl. Fernerkundungs- und GIS-Verfahren
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum > Georisiken und zivile Sicherheit
Hinterlegt von: Taubenböck, Prof. Dr. Hannes
Hinterlegt am:19 Mär 2024 08:18
Letzte Änderung:10 Sep 2024 14:08

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