Ice detection for small lakes with satellite imagery and machine learning
Notice bibliographique
Résumé
The role of satellite imagery in the continuous surface classification of the Earth has grown rapidly through the start of the 21st century. Advancements in machine learning and satellite imaging technology have facilitated the realisation of automated ice cover detection. Whilst sea ice detection has garnered great interest from researchers, the detection of lake ice has amassed considerably less focus. Specifically, few studies have evaluated ice detection methods for small lakes, which, albeit less prominent than larger water bodies, possess environmental and economic significance. This bachelor's thesis compares combinations of prevalent satellite imagery technologies and machine learning methods to find the optimal combination for small-lake ice detection. To discern the prevalent machine learning methods and imaging technologies, the trends and results of previous ice detection studies were explored. Synthetic aperture radar (SAR) and multispectral imaging (MSI) were identified as the two major imaging technologies applied to ice detection. For the machine learning methods, support vector machines (SVMs) and convolutional neural networks (CNNs) were found to be widely employed for ice detection research. The open availability and resolution of the SAR and MSI data provided by the Sentinel-1 and Sentinel-2 pairs of satellites led to their selection as the data source for an ice detection experiment detailed in this thesis. The experiment was performed by constructing several machine learning models for each combination of the chosen satellite imagery technologies and machine learning methods. The models were trained and initially assessed on data from two Canadian lakes. The global applicability of the models was then evaluated with a test set of images from lakes, which were not sources for the training set. The results of the experiment showed a significant difference in water-ice classification performance between the SAR and MSI models. Perfect validation accuracies were achieved with the MSI models, while the highest validation accuracy reached with a SAR model was 89.29%. For the test set, a CNN trained with MSI data attained the highest accuracy of 98.57%. The most accurate classification performance for SAR models was acquired with an SVM model, which managed a 73.20% accuracy. While the models trained on SAR data were only qualified for local indicative ice predictions, the test results suggest the CNN trained on MSI data to be globally applicable for small-lake ice detection.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».