Published November 1, 2023 | Version v1
Publication

Supervised and unsupervised machine learning approaches using Sentinel data for flood mapping and damage assessment in Mozambique

  • 1. Eduardo Mondlane University
  • 2. KTH Royal Institute of Technology

Description

Natural hazards, such as flooding, have been negatively impacting developed and emerging economies alike. The effects of floods are more prominent in countries of the Global South, where large parts of the population and infrastructure are insufficiently protected from natural hazards. From this scope, a lot of effort is required to mitigate these impacts by continuously providing new and more reliable tools to aid in mitigation and preparedness, during or after a flood event. Flood mapping followed by damage assessment plays an important role in all these stages. In this work we investigate a new dataset provided by DrivenData Labs based on Sentinel-1 (S1) imagery (VH, VV imagery and labels) to help map floods in the city of Beira in Mozambique. Exploiting Google Earth Engine (GEE), we deployed supervised and unsupervised machine learning (ML) methods on a dataset comprising imagery from 13 countries worldwide. We first mapped the floods country-by-country including Mozambique. This first part was helpful to understand the sensitivity of each method when applied to data from different regions and with different polarizations. We then trained the unsupervised model globally (in all 13 countries) and used it to predict floods in Beira. To assess the accuracy of the experiments we used the intersection over the union (IoU) metric, results of which we compared with the benchmark IoU achieved by the winner in the DrivenData competition for flood mapping in 2021. The implementation of unsupervised and supervised ML using VH and VV+VH produced satisfactory results, and showed to be better than using VV imagery; in Cambodia and Bolivia with VH polarization yielded IoUs values ranging from 0.819 to 0.856 which is above the benchmark (0.8094). The predictions in Beira using VH imagery yielded IoU of 0.568, which is a reasonable outcome. The proposed approach is a reliable alternative for flood mapping, especially in Mozambique due to its low cost and time effectiveness as even with unsupervised approaches, relatively high-quality results are yielded in near real-time. Finally, we used Sentinel-2 (S2) imagery for a land cover classification to perform damage assessment in Beira and integrated population data from Beira to enhance the quality the results. The results show that 20% of agricultural area and about 10% of built up area were flooded. Flooded built up area includes highly populated neighborhoods such as Chaimite and Ponta Gea that are located in the center of the city.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تؤثر المخاطر الطبيعية، مثل الفيضانات، سلبًا على الاقتصادات المتقدمة والناشئة على حد سواء. آثار الفيضانات أكثر بروزًا في بلدان الجنوب العالمي، حيث لا تتمتع أجزاء كبيرة من السكان والبنية التحتية بحماية كافية من المخاطر الطبيعية. من هذا النطاق، هناك حاجة إلى الكثير من الجهد للتخفيف من هذه الآثار من خلال توفير أدوات جديدة وأكثر موثوقية باستمرار للمساعدة في التخفيف والتأهب، أثناء أو بعد حدوث الفيضانات. يلعب رسم خرائط الفيضانات متبوعًا بتقييم الأضرار دورًا مهمًا في جميع هذه المراحل. في هذا العمل، نقوم بالتحقيق في مجموعة بيانات جديدة مقدمة من مختبرات DrivenData استنادًا إلى صور Sentinel -1 (S1) (صور وملصقات VH وVV) للمساعدة في رسم خريطة للفيضانات في مدينة بيرا في موزمبيق. باستخدام Google Earth Engine (GEE)، قمنا بنشر أساليب التعلم الآلي الخاضعة للإشراف وغير الخاضعة للإشراف (ML) على مجموعة بيانات تضم صورًا من 13 دولة حول العالم. قمنا أولاً برسم خرائط للفيضانات لكل بلد على حدة بما في ذلك موزمبيق. كان هذا الجزء الأول مفيدًا لفهم حساسية كل طريقة عند تطبيقها على البيانات من مناطق مختلفة ومع استقطابات مختلفة. ثم قمنا بتدريب النموذج غير الخاضع للإشراف على مستوى العالم (في جميع البلدان الثلاثة عشر) واستخدمناه للتنبؤ بالفيضانات في بيرا. لتقييم دقة التجارب، استخدمنا التقاطع عبر مقياس الاتحاد (IoU)، الذي قارناه بنتائج IoU المعيارية التي حققها الفائز في مسابقة DrivenData لرسم خرائط الفيضانات في عام 2021. أدى تنفيذ التعلم الآلي غير الخاضع للإشراف والإشراف باستخدام VH و VV+VH إلى نتائج مرضية، وأظهر أنه أفضل من استخدام صور VV ؛ في كمبوديا وبوليفيا مع استقطاب VH أسفرت عن قيم IoU تتراوح من 0.819 إلى 0.856 وهو أعلى من المعيار (0.8094). أسفرت التنبؤات في بيرا باستخدام صور VH عن IoU 0.568، وهي نتيجة معقولة. يعد النهج المقترح بديلاً موثوقًا به لرسم خرائط الفيضانات، خاصة في موزمبيق نظرًا لانخفاض التكلفة والفعالية الزمنية، فحتى مع النهج غير الخاضعة للإشراف، يتم تحقيق نتائج عالية الجودة نسبيًا في الوقت الفعلي تقريبًا. أخيرًا، استخدمنا صور Sentinel -2 (S2) لتصنيف الغطاء الأرضي لإجراء تقييم للأضرار في بيرا والبيانات السكانية المتكاملة من بيرا لتعزيز جودة النتائج. تظهر النتائج أن 20 ٪ من المساحة الزراعية وحوالي 10 ٪ من المساحة المبنية قد غمرتها المياه. تشمل المنطقة المبنية المغمورة بالمياه أحياء ذات كثافة سكانية عالية مثل تشيميت وبونتا جيا التي تقع في وسط المدينة.

Translated Description (French)

Les risques naturels, tels que les inondations, ont eu un impact négatif sur les économies développées et émergentes. Les effets des inondations sont plus importants dans les pays du Sud, où une grande partie de la population et des infrastructures sont insuffisamment protégées des risques naturels. De ce point de vue, beaucoup d'efforts sont nécessaires pour atténuer ces impacts en fournissant en permanence de nouveaux outils plus fiables pour aider à l'atténuation et à la préparation, pendant ou après une inondation. La cartographie des inondations suivie de l'évaluation des dommages joue un rôle important dans toutes ces étapes. Dans ce travail, nous étudions un nouvel ensemble de données fourni par DrivenData Labs basé sur l'imagerie Sentinel-1 (S1) (imagerie VH, VV et étiquettes) pour aider à cartographier les inondations dans la ville de Beira au Mozambique. Exploitant Google Earth Engine (GEE), nous avons déployé des méthodes d'apprentissage automatique (ML) supervisées et non supervisées sur un ensemble de données comprenant des images provenant de 13 pays du monde entier. Nous avons d'abord cartographié les inondations pays par pays, y compris au Mozambique. Cette première partie a été utile pour comprendre la sensibilité de chaque méthode lorsqu'elle est appliquée à des données provenant de différentes régions et avec différentes polarisations. Nous avons ensuite formé le modèle non supervisé à l'échelle mondiale (dans les 13 pays) et l'avons utilisé pour prédire les inondations à Beira. Pour évaluer la précision des expériences, nous avons utilisé la mesure de l'intersection sur l'union (IoU), dont nous avons comparé les résultats avec l'IoU de référence atteint par le gagnant du concours DrivenData pour la cartographie des inondations en 2021. La mise en œuvre de ML non supervisée et supervisée utilisant VH et VV+VH a donné des résultats satisfaisants et s'est révélée meilleure que l'utilisation de l'imagerie VV ; au Cambodge et en Bolivie, la polarisation VH a donné des valeurs IoU allant de 0,819 à 0,856, ce qui est supérieur à la référence (0,8094). Les prédictions de Beira utilisant l'imagerie VH ont donné une IoU de 0,568, ce qui est un résultat raisonnable. L'approche proposée est une alternative fiable pour la cartographie des inondations, en particulier au Mozambique en raison de son faible coût et de son efficacité en termes de temps, car même avec des approches non supervisées, des résultats de relativement haute qualité sont obtenus en temps quasi réel. Enfin, nous avons utilisé l'imagerie Sentinel-2 (S2) pour une classification de la couverture terrestre afin d'effectuer une évaluation des dommages à Beira et des données démographiques intégrées de Beira pour améliorer la qualité des résultats. Les résultats montrent que 20 % de la superficie agricole et environ 10 % de la superficie bâtie ont été inondés. Les zones bâties inondées comprennent des quartiers très peuplés tels que Chaimite et Ponta Gea, situés dans le centre de la ville.

Translated Description (Spanish)

Los peligros naturales, como las inundaciones, han tenido un impacto negativo tanto en las economías desarrolladas como en las emergentes. Los efectos de las inundaciones son más prominentes en los países del Sur Global, donde gran parte de la población y la infraestructura no están suficientemente protegidas de los peligros naturales. Desde este alcance, se requiere un gran esfuerzo para mitigar estos impactos proporcionando continuamente herramientas nuevas y más confiables para ayudar en la mitigación y la preparación, durante o después de una inundación. El mapeo de inundaciones seguido de la evaluación de daños juega un papel importante en todas estas etapas. En este trabajo investigamos un nuevo conjunto de datos proporcionado por DrivenData Labs basado en imágenes Sentinel-1 (S1) (imágenes y etiquetas VH, VV) para ayudar a mapear las inundaciones en la ciudad de Beira en Mozambique. Aprovechando Google Earth Engine (GEE), implementamos métodos de aprendizaje automático (ML) supervisados y no supervisados en un conjunto de datos que comprende imágenes de 13 países de todo el mundo. Primero mapeamos las inundaciones país por país, incluido Mozambique. Esta primera parte fue útil para comprender la sensibilidad de cada método cuando se aplica a datos de diferentes regiones y con diferentes polarizaciones. Luego capacitamos el modelo no supervisado a nivel mundial (en los 13 países) y lo usamos para predecir las inundaciones en Beira. Para evaluar la precisión de los experimentos, utilizamos la métrica de intersección sobre la unión (IoU), cuyos resultados comparamos con el IoU de referencia alcanzado por el ganador en el concurso DrivenData para el mapeo de inundaciones en 2021. La implementación de ML no supervisado y supervisado utilizando VH y VV+VH produjo resultados satisfactorios, y demostró ser mejor que el uso de imágenes VV; en Camboya y Bolivia con polarización VH arrojó valores de IoUs que van desde 0.819 a 0.856, que está por encima del punto de referencia (0.8094). Las predicciones en Beira utilizando imágenes VH arrojaron IoU de 0.568, que es un resultado razonable. El enfoque propuesto es una alternativa confiable para el mapeo de inundaciones, especialmente en Mozambique debido a su bajo costo y efectividad en el tiempo, ya que incluso con enfoques no supervisados, se obtienen resultados de relativamente alta calidad casi en tiempo real. Finalmente, utilizamos imágenes Sentinel-2 (S2) para una clasificación de la cubierta terrestre para realizar una evaluación de daños en Beira y datos de población integrados de Beira para mejorar la calidad de los resultados. Los resultados muestran que el 20% de la superficie agrícola y alrededor del 10% de la superficie edificada se inundaron. El área edificada inundada incluye barrios muy poblados como Chaimite y Ponta Gea que se encuentran en el centro de la ciudad.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مناهج التعلم الآلي الخاضعة للإشراف وغير الخاضعة للإشراف باستخدام بيانات سنتينل لرسم خرائط الفيضانات وتقييم الأضرار في موزمبيق
Translated title (French)
Approches d'apprentissage automatique supervisées et non supervisées utilisant les données Sentinel pour la cartographie des inondations et l'évaluation des dommages au Mozambique
Translated title (Spanish)
Enfoques de aprendizaje automático supervisados y no supervisados que utilizan datos de Sentinel para el mapeo de inundaciones y la evaluación de daños en Mozambique

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4381682576
DOI
10.1016/j.rsase.2023.101015

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Mozambique

References

  • https://openalex.org/W1128809682
  • https://openalex.org/W1975914988
  • https://openalex.org/W2006108538
  • https://openalex.org/W2035222601
  • https://openalex.org/W2039388354
  • https://openalex.org/W2071075212
  • https://openalex.org/W2082390635
  • https://openalex.org/W2084668217
  • https://openalex.org/W2109106775
  • https://openalex.org/W2143325784
  • https://openalex.org/W2519236071
  • https://openalex.org/W2588739062
  • https://openalex.org/W2788419020
  • https://openalex.org/W2811389973
  • https://openalex.org/W2818566905
  • https://openalex.org/W2889338709
  • https://openalex.org/W2903237317
  • https://openalex.org/W2912707296
  • https://openalex.org/W2967092100
  • https://openalex.org/W2975562661
  • https://openalex.org/W2998385186
  • https://openalex.org/W3015046748
  • https://openalex.org/W3030073221
  • https://openalex.org/W3036059328
  • https://openalex.org/W3038030066
  • https://openalex.org/W3038496540
  • https://openalex.org/W3087579589
  • https://openalex.org/W3108857082
  • https://openalex.org/W3117999399
  • https://openalex.org/W3119678585
  • https://openalex.org/W3141043040
  • https://openalex.org/W3141947287
  • https://openalex.org/W3160673581
  • https://openalex.org/W3209754854
  • https://openalex.org/W3212177475
  • https://openalex.org/W4213418104
  • https://openalex.org/W4221025658
  • https://openalex.org/W4226182805
  • https://openalex.org/W4245555057
  • https://openalex.org/W4280556628
  • https://openalex.org/W4293226370
  • https://openalex.org/W4319596533