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A Cloud-Based Framework for the Quantification of the Uncertainty of a Machine Learning Produced Satellite-Derived Bathymetry

Christofilakos, Spyridon und Pertiwi, Avi Putri und Reyes, Andrea Cardenas und Carpenter, Stephen und Thomas, Nathan und Traganos, Dimosthenis und Reinartz, Peter (2025) A Cloud-Based Framework for the Quantification of the Uncertainty of a Machine Learning Produced Satellite-Derived Bathymetry. Remote Sensing, 17 (17), Seiten 1-20. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/rs17173060. ISSN 2072-4292.

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

Offizielle URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/17/17/3060

Kurzfassung

The estimation of accurate and precise Satellite-Derived Bathymetries (SDBs) is important in marine and coastal applications for a better understanding of the ecosystems and science-based decision-making. Despite the advancements in related Machine Learning (ML) studies, quantifying the anticipated bias per pixel in the SDBs remains a significant challenge. This study aims to address this knowledge gap by developing a spatially explicit uncertainty index of a ML-derived SDB, capable of providing a quantifiable anticipation for biases of 0.5, 1, and 2 m. In addition, we explore the usage of this index for model optimization via the exclusion of training points of high or moderate uncertainty via a six-fold iteration loop. The developed methodology is applied across the national coastal extent of Belize in Central America (~7017 km2) and utilizes remote sensing data from the European Space Agency’s twin satellite system Sentinel-2 and Planet’s NICFI PlanetScope. In total, 876 Sentinel-2 images, nine NICFI six-month basemaps and 28 monthly PlanetScope mosaics are processed in this study. The training dataset is based on NASA’s system Ice, Cloud and Elevation Satellite (ICESat-2), while the validation data are in situ measurements collected with scientific equipment (e.g., multibeam sonar) and were provided by the National Oceanography Centre, UK. According to our results, the presented approach is able to provide a pixel-based (i.e., spatially explicit) uncertainty index for a specific prediction bias and integrate it to refine the SDB. It should be noted that the efficiency of the optimization of the SDBs as well as the correlations of the proposed uncertainty index with the absolute prediction error and the true depth are low. Nevertheless, spatially explicit uncertainty information produced by a ML-related SDB provides substantial insight to advance coastal ecosystem monitoring thanks to its capability to showcase the difficulty of the model to provide a prediction. Such spatially explicit uncertainty products can also aid the communication of coastal aquatic products with decision makers and provide potential improvements in SDB modeling.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/216314/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A Cloud-Based Framework for the Quantification of the Uncertainty of a Machine Learning Produced Satellite-Derived Bathymetry
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Christofilakos, Spyridonspyridon.christofilakos (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0006-4163-5426191222046
Pertiwi, Avi PutriAvi.Pertiwi (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reyes, Andrea CardenasInstitute of Geography and Geology, University of WürzburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Carpenter, StephenEmirates Nature—World Wide Fund for NatureNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thomas, NathanDepartment of History, Geography and Social Sciences, Edge Hill UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Traganos, DimosthenisNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reinartz, Peterpeter.reinartz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8122-1475NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:3 September 2025
Erschienen in:Remote Sensing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:17
DOI:10.3390/rs17173060
Seitenbereich:Seiten 1-20
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Li, YaoSouthwest UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Xu, NanHohai UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ma, YiMinistry of Natural Resources, ChinaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ma, YueWuhan UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
Name der Reihe:Special Issue: Monitoring Terrestrial Water Resources Using Multipole Satellite Sensors (Second Edition)
ISSN:2072-4292
Status:veröffentlicht
Stichwörter:prediction uncertainty; machine-learning; google earth engine; satellite-derived bathymetry; Sentinel-2; PlanetScope
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 - Optische Fernerkundung
Standort: Berlin-Adlershof , Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > Abbildende Spektroskopie
Hinterlegt von: Christofilakos, Spyridon
Hinterlegt am:05 Sep 2025 09:59
Letzte Änderung:05 Sep 2025 09:59

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