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Nature 子刊最新发文:通过深度学习实现的全球可扩展冰川制图,其精度可与专家划分相媲美

生态遥感前沿 • 1 月前 • 36 次点击  
通过深度学习实现的全球可扩展冰川制图,其精度可与专家划分相媲美——《Nature communications》

摘要

Accurate global glacier mapping is critical for understanding climate change impacts. Despite its importance, automated glacier mapping at a global scale remains largely unexplored. Here we address this gap and propose Glacier-VisionTransformer-U-Net (GlaViTU), a convolutional-transformer deep learning model, and five strategies for multitemporal global-scale glacier mapping using open satellite imagery. Assessing the spatial, temporal and cross-sensor generalisation shows that our best strategy achieves intersection over union >0.85 on previously unobserved images in most cases, which drops to  >0.75 for debris-rich areas such as High-Mountain Asia and increases to  >0.90 for regions dominated by clean ice. A comparative validation against human expert uncertainties in terms of area and distance deviations underscores GlaViTU performance, approaching or matching expert-level delineation. Adding synthetic aperture radar data, namely, backscatter and interferometric coherence, increases the accuracy in all regions where available. The calibrated confidence for glacier extents is reported making the predictions more reliable and interpretable. We also release a benchmark dataset that covers 9% of glaciers worldwide. Our results support efforts towards automated multitemporal and global glacier mapping.

准确的全球冰川制图对理解气候变化的影响至关重要。然而,全球范围内的自动冰川制图仍鲜有探索。为填补这一空白,我们提出了一个名为 Glacier-VisionTransformer-U-Net (GlaViTU) 的卷积-Transformer深度学习模型,以及五种多时相全球冰川制图策略,利用公开的卫星影像。通过对空间、时间和跨传感器的泛化能力评估表明,我们的最佳策略在大多数情况下实现了交并比(IoU>0.85,而在诸如亚洲高山区等富含表碛覆盖区域,这一指标下降到 >0.75;在以清洁冰为主的区域则提升到>0.90。与人类专家在面积和距离偏差上的不确定性进行比较验证显示,GlaViTU 的性能接近或达到专家级划分水平。加入合成孔径雷达数据(SAR)(包括后向散射和干涉相干性)后,所有可用区域的精度均有所提高。我们还对冰川范围预测进行了置信度校准,使结果更可靠且更具解释性。同时,我们发布了一个覆盖全球9%冰川的基准数据集。我们的研究成果支持实现自动化、多时相和全球范围的冰川制图工作。

主要图表


1 基于瓦片的数据集与结果概览。地区缩写包括 ALP(阿尔卑斯山)、ANT(南极洲)、AWA(阿拉斯加和美国西部地区)、CAU(高加索山脉)、GRL(格陵兰)、HMA(亚洲高山区)、TRP(低纬度地区)、NZL(新西兰)、SAN(南安第斯山脉)、SCA(斯堪的纳维亚半岛)和 SVAL(斯瓦尔巴群岛)。冰川边界和潮汐冰川基于 RGI7.0 数据集,而表碛覆盖数据则改编自 Herreid Pellicciotti 的研究。交并比(IoU)值展示了使用光学+DEM 数据在全球范围内训练的 GlaViTU 模型的性能。中亚、西南亚和东南亚的统计数据已进行汇总。源数据作为附带的源数据文件提供。


1 独立采集测试结果。


2 独立测试数据集的语义分割结果通过 GlaViTU 模型的区域编码和偏差优化获得。a, b 瑞士阿尔卑斯山:展示了模型在这一高山区域的分割性能。c, d 挪威南部:该区域以冰川覆盖率较高且复杂的地形特征为主,模型成功处理了挑战性的分割任务。eg 阿拉斯加:包含多样的冰川类型,特别是潮汐冰川,结果体现了模型在广阔地貌下的适应性。h, i 加拿大南部:模型在该区域冰川的分割中也表现出了较高的精度。卫星图像以假彩色合成呈现(R:短波红外 SWIR 2.2μmG:近红外 NIRB:可见光红色 R)。图像来源包括美国地质调查局 (USGS) 提供的 Landsat 图像以及 2019 年的 Copernicus Sentinel 数据。


3 通过蒙特卡洛Dropout 方法生成置信度的可靠性图。a 为预测置信度校准前,b 为校准后。ECE 代表预期校准误差(Expected Calibration Error),值越低表示校准效果越好。橙色曲线和分箱图展示了验证子集中实际准确性与置信度的关系,绿色直线表示理想校准情况。在校准后,置信度与实际准确性更加接近,这使得预测置信度可以以更绝对的方式进行解释。在本案例中,可以期望置信度超过 60% 的像素中,有 X% 被正确预测。如果未进行该校准步骤,则只能比较预测置信度的相对水平。相关源数据包含在附带的源数据文件中。


2 瓦片数据集摘要。

引用方式

Maslov, K.A., Persello, C., Schellenberger, T. et al. Globally scalable glacier mapping by deep learning matches expert delineation accuracy. Nature communications 16, 43 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54956-x


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