Development and Applications of Machine Learning Methods for Hyperspectral Data
Creators: name: Riese, Felix M.
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: hyperspectral data
remote sensing
machine learning
artificial intelligence
soil moisture
crop type
land use
land cover
self-organizing maps
convolution neural networks
dataset shift
regression
classification
semi-supervised learning
unsupervised learning

description: Die hyperspektrale Fernerkundung der Erde stützt sich auf Daten passiver optischer Sensoren, die auf Plattformen wie Satelliten und unbemannten Luftfahrzeugen montiert sind. Hyperspektrale Daten umfassen Informationen zur Identiﬁzierung von Materialien und zur Überwachung von Umweltvariablen wie Bodentextur, Bodenfeuchte, Chlorophyll a und Landbedeckung. Methoden zur Datenanalyse sind erforderlich, um Informationen aus hyperspektralen Daten zu erhalten. Ein leistungsstarkes Werkzeug bei der Analyse von Hyperspektraldaten ist das Maschinelle Lernen, eine Untergruppe von Künstlicher Intelligenz. Maschinelle Lernverfahren können nichtlineare Korrelationen lösen und sind bei steigenden Datenmengen skalierbar. Jeder Datensatz und jedes maschinelle Lernverfahren bringt neue Herausforderungen mit sich, die innovative Lösungen erfordern. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung von maschinellen Lernverfahren auf hyperspektrale Fernerkundungsdaten. Im Rahmen dieser Arbeit werden Studien vorgestellt, die sich mit drei wesentlichen Herausforderungen befassen: (I) Datensätze, welche nur wenige Datenpunkte mit dazugehörigen Ausgabedaten enthalten, (II) das begrenzte Potential von nicht-tiefen maschinellen Lernverfahren auf hyperspektralen Daten und (III) Unterschiede zwischen den Verteilungen der Trainings- und Testdatensätzen. Die Studien zur Herausforderung (I) führen zur Entwicklung und Veröffentlichung eines Frameworks von Selbstorganisierten Karten (SOMs) für unüberwachtes, überwachtes und teilüberwachtes Lernen. Die SOM wird auf einen hyperspektralen Datensatz in der (teil-)überwachten Regression der Bodenfeuchte angewendet und übertrifft ein Standardverfahren des maschinellen Lernens. Das SOM-Framework zeigt eine angemessene Leistung in der (teil-)überwachten Klassiﬁkation der Landbedeckung. Es bietet zusätzliche Visualisierungsmöglichkeiten, um das Verständnis des zugrunde liegenden Datensatzes zu verbessern. In den Studien, die sich mit Herausforderung (II) befassen, werden drei innovative eindimensionale Convolutional Neural Network (CNN) Architekturen entwickelt. Die CNNs werden für eine Bodentexturklassiﬁkation auf einen frei verfügbaren hyperspektralen Datensatz angewendet. Ihre Leistung wird mit zwei bestehenden CNN-Ansätzen und einem Random Forest verglichen. Die beiden wichtigsten Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Erstens zeigen die CNN-Ansätze eine deutlich bessere Leistung als der angewandte nicht-tiefe Random Forest-Ansatz. Zweitens verbessert das Hinzufügen von Informationen über hyperspektrale Bandnummern zur Eingabeschicht eines CNNs die Leistung im Bezug auf die einzelnen Klassen. Die Studien über die Herausforderung (III) basieren auf einem Datensatz, der auf fünf verschiedenen Messgebieten in Peru im Jahr 2019 erfasst wurde. Die Unterschiede zwischen den Messgebieten werden mit qualitativen Methoden und mit unüberwachten maschinellen Lernverfahren, wie zum Beispiel Principal Component Analysis und Autoencoder, analysiert. Basierend auf den Ergebnissen wird eine überwachte Regression der Bodenfeuchte bei verschiedenen Kombinationen von Messgebieten durchgeführt. Zusätzlich wird der Datensatz mit Monte-Carlo-Methoden ergänzt, um die Auswirkungen der Verschiebung der Verteilungen des Datensatzes auf die Regression zu untersuchen. Der angewandte SOM-Regressor ist relativ robust gegenüber dem Rauschen des Bodenfeuchtesensors und zeigt eine gute Leistung bei kleinen Datensätzen, während der angewandte Random Forest auf dem gesamten Datensatz am besten funktioniert. Die Verschiebung der Verteilungen macht diese Regressionsaufgabe schwierig; einige Kombinationen von Messgebieten bilden einen deutlich sinnvolleren Trainingsdatensatz als andere. Insgesamt zeigen die vorgestellten Studien, die sich mit den drei größten Herausforderungen befassen, vielversprechende Ergebnisse. Die Arbeit gibt schließlich Hinweise darauf, wie die entwickelten maschinellen Lernverfahren in der zukünftigen Forschung weiter verbessert werden können.