Mapping of lakes and heave mounds in the Arctic using synthetic aperture radar and interferometric synthetic aperture radar data with deep learning technologies

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

This paper deals with the process of developing and training a U-Net neural network for image segmentation of lakes and hillocks based on synthetic aperture radar and interferometric synthetic aperture radar data. The main goal of the work is to create an effective deep learning model capable of automatically identifying lakes and heave mounds based on complex radar images. To achieve this goal, several stages were carried out, including data collection and annotation, selection of the neural network architecture, training and validation of the model, as well as evaluation of its performance. At the beginning of the work, the process of creating a training dataset is described, which includes annotating images, highlighting features, and preparing data for training. Next, we consider the U-Net architecture, which was chosen because of its ability to efficiently segment objects in images. The choice of hyperparameters, such as the number of filters, the size of the convolution core and activation functions, is justified, and the Adam optimizer is used to achieve fast and stable convergence of the model. The learning and validation process of the model is described in detail with an emphasis on using the validation subset to monitor performance. Regularization methods, including early stopping, are used to prevent overfitting and improve the generalizing ability of the model. As a result, the importance of using deep learning for synthetic aperture radar and interferometric synthetic aperture radar data analysis is demonstrated, as well as confirmation of the effectiveness of the U-Net model for solving segmentation problems.

Авторлар туралы

A. Yuriev

Institute of the Earth’s Crust SB RAS

Email: antonyrevgeo@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2452-4840

I. Shelokhov

Institute of the Earth’s Crust SB RAS; Scientific Center for the Study of the Arctic

Email: sia@crust.irk.ru
ORCID iD: 0000-0003-3523-4440

I. Buddo

Institute of the Earth’s Crust SB RAS; Irkutsk National Research Technical University

Email: biv@crust.irk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5204-9530

A. Rybchenko

Institute of the Earth’s Crust SB RAS

Email: rybchenk@crust.irk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2615-8423

Әдебиет тізімі

  1. Жилина И.Ю. Потепление в Арктике: возможности и риски // Экономические и социальные проблемы России. 2021. № 1. С. 66–87. https://doi.org/10.31249/espr/2021.01.04. EDN: GSPTRV.
  2. Гудков А.Б., Попова О.Н., Небученных А.А., Богданов М.Ю. Эколого-физиологическая характеристика климатических факторов Арктики. Обзор литературы // Морская медицина. 2017. Т. 3. № 1. С. 7–13. https://doi.org/10.22328/2413-5747-2017-3-1-7-13. EDN: YHDEOH.
  3. Воронина С.А., Порфирьев Б.Н., Семикашев В.В., Терентьев Н.Е., Елисеев Д.О., Наумова Ю.В. Последствия изменений климата для экономического роста и развития отдельных секторов экономики российской Арктики // Арктика: экология и экономика. 2017. № 4. С. 4–17. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2017-4-4-17. EDN: YMRLRQ.
  4. Куделькин Н.С. Арктика и глобальное потепление: адаптация к изменению климата и охрана окружающей среды // Юридические исследования. 2022. № 1. С. 1–16. https://doi.org/10.25136/2409-7136.2022.1.37049. EDN: KNUXCH.
  5. Эдельгериев Р.С.Х., Романовская А.А. Новые подходы к адаптации к изменениям климата на примере Арктической зоны Российской Федерации // Метеорология и гидрология. 2020. № 5. С. 12–28. EDN: TRDOGS.
  6. Васильев А.А., Гравис А.Г., Губарьков А.А., Дроздов Д.С., Коростелев Ю.В., Малкова Г.В.. Деградация мерзлоты: результаты многолетнего геокриологического мониторинга в западном секторе российской Арктики // Криосфера Земли. 2020. Т. 24. № 2. С. 15–30. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2020-2(15-30). EDN: HROYGC.
  7. Павлов А.В., Малкова Г.В. Мелкомасштабное картографирование трендов современных изменений температуры грунтов на севере России // Криосфера Земли. 2009. Т. 13. № 4. C. 32–39. EDN: KYRZGR.
  8. Агарков С.А., Козьменко С.Ю., Щеголькова А.А. Эпоха глобального потепления: перспективы экономического взаимодействия в «Новой Арктике» // Север и рынок: формирование экономического порядка. 2019. № 1. С. 26–36. https://doi.org/10.25702/KSC.2220-802X.1.2019.63.26-36. EDN: ZQNNOP.
  9. Chuang K.-S., Tzeng H.-L., Chen S., Wu J., Chen T.-J. Fuzzy c-means clustering with spatial information for image segmentation // Computerized Medical Imaging and Graphics. 2006. Vol. 30. Iss. 1. P. 9–15. https://doi.org/10.1016/j.compmedimag.2005.10.001.
  10. Anantrasirichai N., Biggs J., Kelevitz K., Sadeghi Z., Wright T., Thompson J., et al. Detecting ground deformation in the built environment using sparse satellite InSAR data with a convolutional neural network // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2021. Vol. 59. Iss. 4. P. 2940–2950. https://doi.org/10.1109/TGRS.2020.3018315.
  11. Mavrovic A., Sonnentag O., Lemmetyinen J., Baltzer J.L., Kinnard C., Roy A. Reviews and syntheses: recent advances in microwave remote sensing in support of terrestrial carbon cycle science in Arctic-boreal regions // Biogeosciences. 2023. Vol. 20. Iss. 14. P. 2941–2970. https://doi.org/10.5194/bg-20-2941-2023.
  12. Merchant M., Bourgeau-Chavez L., Mahdianpari M., Brisco B., Obadia M., Devries B., et al. Arctic ice-wedge landscape mapping by CNN using a fusion of Radarsat constellation Mission and ArcticDEM // Remote Sensing of Environment. 2024. Vol. 304. P. 114052. https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114052.
  13. Li X., Zhang K., Niu J., Liu L. A machine learning-based dynamic ensemble selection algorithm for microwave retrieval of surface soil freeze/thaw: a case study across China // GIScience & Remote Sensing. 2022. Vol. 59. Iss. 1. P. 1550–1569. https://doi.org/10.1080/15481603.2022.2122117.
  14. Pan J., Zhao R., Xu Z., Cai Z., Yuan Y. Quantitative estimation of sentinel-1A interferometric decorrelation using vegetation index // Frontiers in Earth Science. 2022. Vol. 10. P. 1016491. https://doi.org/10.3389/feart.2022.1016491.
  15. Byers M., Covey N. Arctic SAR and the “security dilemma” // International Journal. 2019. Vol. 74. Iss. 4. P. 499517. https://doi.org/10.1177/0020702019890339.
  16. Sydnes A.K., Sydnes M., Antonsen Y. International cooperation on search and rescue in the Arctic // Arctic Review on Law and Politics. 2017. Vol. 8. P. 109–136. https://doi.org/10.23865/arctic.v8.705.
  17. Morris K., Jeffries M.O., Weeks W.F. Ice processes and growth history on Arctic and sub-Arctic lakes using ERS-1 SAR data // Polar Record. 1995. Vol. 31. Iss. 177. P. 115–128. https://doi.org/10.1017/S0032247400013619.
  18. Liu X., Zhang Y., Jing H., Wang L., Zhao S. Ore image segmentation method using U-Net and Res_Unet convolutional networks // RSC Advances. 2020. Vol. 10. Iss. 16. P. 9396–9406. https://doi.org/10.1039/C9RA05877J.
  19. Norouzi A., Rahim M.S.M., Altameem A., Saba T., Rad A.E., Rehman A., et al. Medical image segmentation methods, algorithms, and applications // IETE Technical Review. 2014. Vol. 31. Iss. 3. P. 199–213. https://doi.org/10.1080/02564602.2014.906861.
  20. Печкин А.Д., Кириллова Т.К. Оценка и перспективы развития глубокого обучения искусственных нейронных сетей // Молодая наука Сибири. 2021. № 1. С. 375–380. EDN: SDQIAU.
  21. Грицков И.О., Говоров А.В., Васильев А.О., Ходырева Л.А., Ширяев А.А., Пушкарь Д.Ю. Data Science ‒ глубокое обучение нейросетей и их применение в здравоохранении // Здоровье мегаполиса. 2021. Т. 2. № 2. С. 109–115. https://doi.org/10.47619/2713-2617.zm.2021.v2i2;109-115. EDN: SGWBPD.
  22. Buddo I.V., Sharlov M., Shelokhov I., Misyurkeeva, N., Seminsky I., Selyaev V., et al. Applicability of transient electromagnetic surveys to permafrost imaging in Arctic West Siberia // Energies 2022. Vol. 15. Iss. 5. P. 1816. https://doi.org/10.3390/en15051816.
  23. Buddo I., Misyurkeeva N., Shelokhov I., Shein A., Sankov V., Rybchenko A., et al. Modeling of explosive Pingo-like structures and fluid-dynamic processes in the Arctic permafrost: workflow based on integrated geophysical, geocryological, and analytical data // Remote Sensing. 2024. Vol. 16. Iss. 16. P. 2948. https://doi.org/10.3390/rs16162948.
  24. Misyurkeeva N., Buddo I., Kraev G., Smirnov A., Nezhdanov A., Shelokhov I., et al. Periglacial landforms and fluid dynamics in the permafrost domain: a case from the Taz Peninsula, West Siberia // Energies. 2022. 15. Iss. 8. P. 2794. https://doi.org/10.3390/en15082794.
  25. Misyurkeeva N., Buddo I., Shelokhov I., Smirnov A., Nezhdanov A., Agafonov Y. The structure of permafrost in northern West Siberia: geophysical evidence // Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 8. P. 2847. https://doi.org/10.3390/en15082847.
  26. Bogoyavlensky V., Bogoyavlensky I., Nikonov R., Kargina T., Chuvilin E., Bukhanov B., et al. New catastrophic gas blowout and giant crater on the Yamal Peninsula in 2020: results of the expedition and data processing // Geosciences. 2021. Vol. 11. Iss. 2. P. 71. https://doi.org/10.3390/geosciences11020071.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML


Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».