Land cover and crop type mapping at national scale from multitemporal high resolution satellite data

Abstract

Accurate and regularly updated land cover and crop type maps are considered essential for several scientific communities as well as for public and regional authorities. Currently, satellite Earth Observation data are considered the main input for the production of such maps thanks to the high spatial and temporal coverage, systematic monitoring and access to inaccessible areas, they can offer. The last decade, open data policies have given free access to an unprecedented volume of high spatial, temporal and spectral resolution satellite data, bringing a revolution in research and operational applications. Nonetheless the seamless exploitation of such Big Data for the production of accurate and reliable maps requires the developmental of efficient, robust and cost-effective pre-processing, classification and mapping frameworks. Towards this end, in this dissertation the subject of land cover and crop type mapping using multitemporal multispectral satellite data of high spatial resolution is thoroughly studied, assessed and discussed. The dissertation’s main contribution is the development, implementation and validation of a mapping framework exploiting Sentinel-2 data for the production of annual land cover and crop type maps at national scale for Greece. For data pre-processing, we have designed, developed and validated an efficient pipeline for the creation of radiometrically, geometrically and temporally consistent analysis-ready time series, while we have also further investigated the contribution of different applied methods and techniques. Various aspects of the mapping framework, i.e., machine learning algorithms, classification features, spatial stratification and validation approaches, have been experimentally assessed towards finalizing the proposed scheme. For map production we implemented a framework employing the Random Forest classifier, selected spectral and auxiliary features and a highly reliable training dataset, created under the scopes of this dissertation for 42, customized to the Greek Landscape, categories. Internal validation of the national classification experiments has documented a very high overall accuracy rate of over 91%. The generalization capacity of the classifier in predicting areas where it has not been trained on was validated with a high overall accuracy rate over 83%, as well. Finally, the produced country-scale land cover and crop type map at 10m with 42 classes, was externally validated by an independent rigorous accuracy assessment procedure that reported overall map accuracy at 82%. To the best of our knowledge there is no other available land cover map for Greece at 10m spatial resolution with such a thematic analysis and that high accuracy and reliability levels. Suggested ideas for the enhancement and further development of the proposed framework raised significant expectations for its expansion and use towards operational land cover and crop type map production at the country scale at regular time intervals, for supporting national and European actions, initiatives and mapping programs, such as the CORINE Land Cover inventory and the EU Common Agricultural Policy partnership.

Η τακτική παραγωγή αξιόπιστων χαρτών κάλυψης γης και καλλιεργειών θεωρείται ιδιαίτερης σημασίας για πληθώρα επιστημονικών κοινοτήτων αλλά και για δημόσιους και ιδιωτικούς φορείς, με στόχο την υποστήριξη των δράσεων για τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής, την αντιμετώπιση των επισιτιστικών κρίσεων, τη λήψη αποφάσεων, τη χάραξη περιβαλλοντικών στρατηγικών, τον αειφόρο σχεδιασμό και την ορθή διαχείριση των φυσικών πόρων. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση προσφέρει τη δυνατότητα για παρακολούθηση της γης σε πολλαπλές χρονικές και χωρικές κλίμακες ενώ την τελευταία δεκαετία οι πολιτικές ανοιχτής διάθεσης δορυφορικών δεδομένων έχουν δώσει τη δυνατότητα ελεύθερης πρόσβασης σε έναν τεράστιο όγκο δεδομένων υψηλής χωρικής, χρονικής και φασματικής ανάλυσης. Για να αξιοποιηθεί αυτός ο τεράστιος όγκος δεδομένων προς την παραγωγή αναλυτικών και αξιόπιστων χαρτών, απαιτούνται αποτελεσματικά και κατά το δυνατόν αυτόματα μεθοδολογικά πλαίσια προ-επεξεργασίας, ταξινόμησης και χαρτογράφησης. Προς την κατεύθυνση αυτή, στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται και αναλύεται διεξοδικά το αντικείμενο της χαρτογράφησης καλύψεων γης και τύπων καλλιεργειών με χρήση διαχρονικών πολυφασματικών δορυφορικών δεδομένων υψηλής χωρικής ανάλυσης. Η βασική συνεισφορά της διατριβής συνοψίζεται στη σχεδίαση, ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση ενός μεθοδολογικού πλαισίου για την παραγωγή αξιόπιστων χαρτών κάλυψης γης και καλλιεργειών με υψηλή θεματική και χωρική ανάλυση σε επίπεδο χώρας, για την Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό αξιοποιήθηκαν τα ελεύθερα διαθέσιμα πολυφασματικά δορυφορικά δεδομένα Sentinel-2. Η προ-επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων αποτελεί το πρώτο στάδιο της προτεινόμενης μεθοδολογίας και συνίσταται σε μια μεθοδολογική διαδικασία για την παραγωγή ραδιομετρικά, γεωμετρικά και χρονικά συνεκτικών πολυφασματικών χρονοσειρών δορυφορικών εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης για εκτεταμένες γεωγραφικά περιοχές. Παράλληλα μελετήθηκε η συνεισφορά διαφορετικών τεχνικών και μεθόδων προ-επεξεργασίας στην τελική ακρίβεια χαρτογράφησης. Στο δεύτερο στάδιο της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναπτύσσεται ένα πλαίσιο ταξινόμησης και χαρτογράφησης με βασικά δεδομένα εισόδου τις εναρμονισμένες χρονοσειρές εικόνων που προέκυψαν από το πρώτο στάδιο. Ποικίλες πτυχές του πλαισίου ταξινόμησης και χαρτογράφησης, δηλ. διαφορετικοί αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης, χαρακτηριστικά ταξινόμησης, προσεγγίσεις χωρικής διαστρωμάτωσης και αποτίμησης της ακρίβειας, εφαρμόστηκαν και αξιολογήθηκαν πειραματικά για την οριστικοποίηση του προτεινόμενου σχήματος. Το τελικό προτεινόμενο σχήμα αξιοποιεί τον ταξινομητή Τυχαίων Δασών με επιλεγμένα φασματικά και βοηθητικά χαρακτηριστικά ταξινόμησης, σε συνδυασμό με ένα εξαιρετικά αξιόπιστο σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης, που δημιουργήθηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής για 42 κατηγορίες, ειδικά σχεδιασμένες για το ελληνικό τοπίο. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας παρήγαγε ένα χάρτη σε χωρική ανάλυση 10 μέτρων που αποτυπώνει τις επίγειες και παράκτιες εκτάσεις όλης της Ελληνικής Επικράτειας για το έτος 2019, σε θεματική ανάλυση 42 κατηγοριών, συμπεριλαμβανομένων 25 διαφορετικών τύπων καλλιεργειών. Ο παραγόμενος χάρτης αξιολογήθηκε από μια ανεξάρτητη αυστηρή διαδικασία εκτίμησης της ακρίβειας που αποτίμησε τα επίπεδα συνολικής ακρίβειας και μέσης αξιοπιστίας στο 82%. Σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε δεν υπάρχει άλλος χάρτης που αποτυπώνει την Ελλάδα σε αντίστοιχα επίπεδα θεματικής και χωρικής ανάλυσης, με τόσο υψηλή ακρίβεια και αξιοπιστία. Συνολικά, η συνδυαστική ανάλυση των αποτελεσμάτων με τη σχετική βιβλιογραφία, η ενδελεχής αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και η ανάπτυξη προτάσεων προς την επέκταση της, γεννά υψηλές προσδοκίες για τη δημιουργία ενός επιχειρησιακού πλαισίου παραγωγής αξιόπιστων χαρτών σε υψηλή χωρική και θεματική ανάλυση για όλη τη χώρα, σε τακτικά χρονικά διαστήματα.