Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Unsupervised Change Detection Using Multi-Temporal SAR Data: A Case Study of Arctic Sea Ice
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Urban Planning and Environment, Geodesy and Geoinformatics.
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Oövervakad förändringsdetektion med multitemporell SAR data : En fallstudie över arktisk havsis (Swedish)
Abstract [en]

The extent of Arctic sea ice has decreased over the years and the importance of sea ice monitoring is expected to increase. Remote sensing change detection compares images acquired over the same geographic area at different times in order to identify changes that might have occurred in the area of interest. Change detection methods have been developed for cryospheric topics. The Kittler-Illingworth thresholding algorithm has proven to be an effective change detection tool, but has not been used for sea ice. Here it is applied to Arctic sea ice data. The objective is to investigate the unsupervised detection of changes in Arctic sea ice using multi-temporal SAR images. The well-known Kittler-Illingworth algorithm is tested using two density function models, i.e., the generalized Gaussian and the log-normal model.

The difference image is obtained using the modified ratio operator. The histogram of the change image, which approximates its probability distribution, is considered to be a combination of two classes, i.e., the changed and unchanged classes. Histogram fitting techniques are used to estimate the unknown density functions and the prior probabilities. The optimum threshold is selected using a criterion function directly related to classification error.

In this thesis three datasets were used covering parts of the Beaufort Sea from the years 1992, 2002, 2007 and 2009. The SAR and ASAR C-band data came from satellites ERS and ENVISAT respectively. All three were interpreted visually. For all three datasets, the generalized Gaussian detected a lot of change, whereas the log-normal detected less.

Only one small subset of a dataset was validated against reference data. The log-normal distribution then obtained 0% false alarm rate through all trials. The generalized Gaussian obtained false alarm rates around 4% for most of the trials. The generalized Gaussian achieved detection accuracies around 95%, whereas the log-normal achieved detection accuracies around 70%. The overall accuracies for the generalized Gaussian were about 95% in most trials. The log-normal achieved overall accuracies at around 85%. The KHAT for the generalized Gaussian was in the range of 0.66-0.93. The KHAT for log-normal was in the range of 0.68-0.77. Using one additional speckle filter iteration increased the accuracy for the log-normal distribution. Generally, the detection of positive change has been accomplished with higher level of accuracy compared with negative change detection.

A visual inspection shows that the generalized Gaussian distribution probably over-estimates the change. The log-normal distribution consistently detects less change than the generalized Gaussian.

Lack of validation data made validation of the results difficult. The performed validation might not be reliable since the available validation data was only SAR imagery and differentiating change and no-change is difficult in the area. Further due to the lack of reference data it could not be decided, with certainty, which distribution performed the best. 

Abstract [sv]

Ytan av arktisk havsis har minskat genom åren och vikten av havsisövervakning förväntas öka. Förändrigsdetection jämför bilder från samma geografiska område från olika tidpunkter föra att identifiera förändringar som kan ha skett i intresseområdet. Förändringsdekteringsmetoder har utvecklats för kryosfäriska ämnen. Tröskelvärdesbestämning med Kittler-Illingworth algoritmen har visats sig vara ett effektivt verktyg för förändringsdetektion, men har inte änvänts på havsis. Här appliceras algoritmen på arktisk havsis. Målet är att undersökra oövervakad förändringsdetektion i arktisk havsis med multitemporella SAR bilder. Den välkända Kittler-Illingworth algoritmen testas med två täthetsfunktioner, nämligen generaliserad normaldistribution och log-normal distributionen.

Differensbilden erhålls genom den modifierad ratio-operator. Histogrammet från förändringsbilden skattar dess täthetsfunktion, vilken anses vara en kombination av två klasser, förändring- och ickeförändringsklasser. Histogrampassningstekniker används för att uppskatta de okända täthetsfunktionerna och a priori sannolikheterna. Det optimala tröskelvärdet väljs genom en kriterionfunktion som är direkt relaterad till klassifikationsfel.

I detta examensarbete användes tre dataset som täcker delar av Beaufort-havet från åren 1992, 2002, 2007 och 2009. SAR C-band data kom från satelliten ERS och ASAR C-band data kom från satelliten ENVISAT. Alla tre tolkades visuellt och för alla tre detekterade generaliserad normaldistribution mycket mer förändring än lognormal distributionen.

Bara en mindre del av ett dataset validerades mot referensdata. Lognormal distributionen erhöll då 0% falska alarm i alla försök. Generalised normaldistributionen erhöll runt 4% falska alarm i de flesta försöken. Generaliserad normaldistributionen nådde detekteringsnoggrannhet runt 95% medan lognormal distributionen nådde runt 70%. Generell noggrannheten för generaliserad normaldistributionen var runt 95% i flesta försöken. För lognormal distributionen nåddes en generell noggrannhet runt 85%. KHAT koefficienten för generaliserad normaldistributionen var i intervallet 0.66-0.93. För lognormal distributionen var den i intervallet 0.68-0.77. Med en extra speckle-filtrering ökades nogranneheten för lognormal distributionen. Generellt sett, detekterades positiv förändring med högre nivå av noggrannhet än negativ förändring.

Visuell inspektion visar att generaliserad normaldistribution troligen överskattar förändringen. Lognormal distributionen detekterar konsistent mindre förändring än generaliserad normaldistributionen.

Bristen på referensdata gjorde valideringen av resultaten svårt. Den utförda valideringen är kanske inte så trovärdig, eftersom den tillgänliga referensdatan var bara SAR bilder och att särskilja förändring och ickeförändring är svårt i området. Vidare, på grund av bristen på referensdata, kunde det inte bestämmas med säkerhet vilken distribution som var bäst. 

Place, publisher, year, edition, pages
2014. , 68 p.
Series
TRITA-GIT, ISSN 1653-5227 ; EX 14-004
Keyword [en]
sea ice, the Arctic, Kittler-Illingworth, generalized Gaussian distribution, log-normal distribution, ERS, ENVISAT, SAR, ASAR
Keyword [sv]
havsis, Arktis, Kittler-Illingworth, generaliserad normaldistribution, lognormal distribtion, ERS, ENVISAT, SAR, ASAR
National Category
Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-147007ISRN: KTH/GIT/EX--14/004-SEOAI: oai:DiVA.org:kth-147007DiVA: diva2:727426
Subject / course
Geoinformatics
Educational program
Master of Science in Engineering - Urban Management
Presentation
KTH, Stockholm (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2014-06-24 Created: 2014-06-20 Last updated: 2014-06-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

MSc_Thesis_LindaFrojse(10950 kB)486 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 10950 kBChecksum SHA-512
e589b69f521dc5ff5fc70dc13de72faa9fe5f196147ba23363fc5718f85f208658faa21b3298158f407f23fedc8125d32781eff63f699df213782daaf1445954
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Geodesy and Geoinformatics
Civil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 486 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 381 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf