Detection of Urban Built-Up Area Change From Sentinel-2 Images Using Multiband Temporal Texture and One-Class Random Forest
Creators
- 1. Peking University
- 2. Nanjing Agricultural University
Description
Detection of urban land expansion is important for understanding the urbanization process and improving urban planning. Spatio-temporal contextual information derived from multitemporal high-resolution imagery is useful for highlighting urban land cover changes. This article proposes a new method for detecting urban built-up area change from multitemporal high spatial resolution imagery by combining spectral and spatio-temporal features. A multiband temporal texture measured using pseudo cross multivariate variogram (PCMV) is adopted to quantify the local spatio-temporal dependence between bitemporal multispectral images. The PCMV textures at multiple scales, bitemporal spectral features, and normalized difference vegetation indices are together input to an improved one-class random forest classifier for urban built-up area change mapping. The proposed method is evaluated in urban built-up area change detection using multitemporal Sentinel-2 images of Tianjin area acquired from 2015 to 2019. It is also compared with three feature combinations and an existing postclassification comparison method based on one-class support vector machine. Experimental results demonstrate that the proposed method outperformed the traditional ones, with increases of 2.15%-7.38%, 2.07%-5.45%, 1.93%-6.76%, and 5.98%-13.11% in overall accuracy. Moreover, the proposed method also achieves the best performance using the bitemporal Sentinel-2 images over the east of Beijing area. The proposed method is promising as a simple and reliable way to detect urban built-up area change with multitemporal Sentinel-2 imagery.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يعد الكشف عن توسع الأراضي الحضرية أمرًا مهمًا لفهم عملية التحضر وتحسين التخطيط الحضري. المعلومات السياقية المكانية والزمانية المستمدة من الصور عالية الدقة متعددة الأزمنة مفيدة لتسليط الضوء على تغيرات الغطاء الأرضي في المناطق الحضرية. تقترح هذه المقالة طريقة جديدة للكشف عن تغير المنطقة الحضرية المبنية من الصور المكانية عالية الدقة متعددة الأزمنة من خلال الجمع بين السمات الطيفية والزمانية المكانية. يتم اعتماد نسيج زمني متعدد النطاقات يقاس باستخدام مخطط متغير زائف متعدد المتغيرات (pCMV) لتحديد الاعتماد المكاني والزماني المحلي بين الصور ثنائية الزمكان متعددة الأطياف. تعد قوام pCMV بمقاييس متعددة، والسمات الطيفية ثنائية الزمكان، ومؤشرات الغطاء النباتي ذات الاختلاف الطبيعي معًا مدخلات إلى مصنف غابات عشوائي محسن من فئة واحدة لرسم خرائط تغيير المناطق الحضرية المبنية. يتم تقييم الطريقة المقترحة في الكشف عن تغيير المناطق الحضرية المبنية باستخدام صور Sentinel -2 متعددة الأزمنة لمنطقة تيانجين التي تم الحصول عليها من عام 2015 إلى عام 2019. تتم مقارنته أيضًا بثلاث مجموعات من الميزات وطريقة مقارنة ما بعد التصنيف الحالية استنادًا إلى آلة ناقلات دعم من فئة واحدة. تظهر النتائج التجريبية أن الطريقة المقترحة تفوقت على الطرق التقليدية، بزيادة 2.15 ٪ -7.38 ٪، 2.07 ٪ -5.45 ٪، 1.93 ٪ -6.76 ٪، و 5.98 ٪ -13.11 ٪ في الدقة الإجمالية. علاوة على ذلك، تحقق الطريقة المقترحة أيضًا أفضل أداء باستخدام صور Sentinel -2 ثنائية الزمكان فوق شرق منطقة بكين. الطريقة المقترحة واعدة كطريقة بسيطة وموثوقة للكشف عن تغير المناطق الحضرية المبنية باستخدام صور Sentinel -2 متعددة الأزمنة.Translated Description (French)
La détection de l'expansion des terres urbaines est importante pour comprendre le processus d'urbanisation et améliorer la planification urbaine. Les informations contextuelles spatio-temporelles dérivées de l'imagerie multitemporelle à haute résolution sont utiles pour mettre en évidence les changements de la couverture terrestre urbaine. Cet article propose une nouvelle méthode pour détecter les changements de zones urbaines bâties à partir d'images multitemporelles à haute résolution spatiale en combinant des caractéristiques spectrales et spatio-temporelles. Une texture temporelle multibande mesurée à l'aide d'un pseudo variogramme multivarié croisé (PCMV) est adoptée pour quantifier la dépendance spatio-temporelle locale entre les images multispectrales bitemporales. Les textures PCMV à plusieurs échelles, les caractéristiques spectrales bitemporales et les indices de végétation de différence normalisés sont conjointement entrés dans un classificateur forestier aléatoire à classe unique amélioré pour la cartographie des changements dans les zones urbaines bâties. La méthode proposée est évaluée dans la détection de changement de zone urbaine bâtie à l'aide d'images Sentinel-2 multitemporelles de la zone de Tianjin acquises de 2015 à 2019. Il est également comparé à trois combinaisons de caractéristiques et à une méthode de comparaison post-classification existante basée sur une machine vectorielle de support à classe unique. Les résultats expérimentaux démontrent que la méthode proposée a surpassé les méthodes traditionnelles, avec des augmentations de 2,15 % à 7,38 %, 2,07 % à 5,45 %, 1,93 % à 6,76 % et 5,98 %à 13,11 % de précision globale. De plus, la méthode proposée atteint également les meilleures performances en utilisant les images bitemporales Sentinel-2 sur l'est de la région de Pékin. La méthode proposée est prometteuse en tant que moyen simple et fiable de détecter les changements dans les zones urbaines bâties avec l'imagerie Sentinel-2 multitemporelle.Translated Description (Spanish)
La detección de la expansión del suelo urbano es importante para comprender el proceso de urbanización y mejorar la planificación urbana. La información contextual espacio-temporal derivada de imágenes multitemporales de alta resolución es útil para resaltar los cambios en la cobertura del suelo urbano. Este artículo propone un nuevo método para detectar el cambio del área urbana construida a partir de imágenes multitemporales de alta resolución espacial mediante la combinación de características espectrales y espacio-temporales. Se adopta una textura temporal multibanda medida utilizando un variograma pseudocruzado multivariante (PCMV) para cuantificar la dependencia espacio-temporal local entre imágenes multiespectrales bitemporales. Las texturas de PCMV a múltiples escalas, las características espectrales bitemporales y los índices de vegetación de diferencia normalizados se introducen en un clasificador de bosques aleatorios de una clase mejorado para el mapeo de cambios en el área urbana construida. El método propuesto se evalúa en la detección de cambios en el área urbana construida utilizando imágenes multitemporales Sentinel-2 del área de Tianjin adquiridas de 2015 a 2019. También se compara con tres combinaciones de características y un método de comparación de posclasificación existente basado en una máquina de vectores de soporte de una clase. Los resultados experimentales demuestran que el método propuesto superó a los tradicionales, con aumentos de 2.15%-7.38%, 2.07%-5.45%, 1.93%-6.76% y 5.98% -13.11%en la precisión general. Además, el método propuesto también logra el mejor rendimiento utilizando las imágenes bitemporales Sentinel-2 en el este del área de Beijing. El método propuesto es prometedor como una forma simple y confiable de detectar el cambio en el área urbana construida con imágenes multitemporales de Sentinel-2.Files
09464729.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:dcf3d920321bd00fe4dae12d3c074e74
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الكشف عن تغيير المنطقة الحضرية المبنية من صور Sentinel -2 باستخدام نسيج زمني متعدد النطاقات وغابة عشوائية من فئة واحدة
- Translated title (French)
- Détection du changement de zone urbaine bâtie à partir d'images Sentinel-2 à l'aide d'une texture temporelle multibande et d'une forêt aléatoire à une classe
- Translated title (Spanish)
- Detección de cambio de área urbana construida a partir de imágenes de Sentinel-2 utilizando textura temporal multibanda y bosque aleatorio de una clase
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3174635444
- DOI
- 10.1109/jstars.2021.3092064
References
- https://openalex.org/W1531589178
- https://openalex.org/W1958271191
- https://openalex.org/W1980641044
- https://openalex.org/W1981078067
- https://openalex.org/W1981143068
- https://openalex.org/W1991296773
- https://openalex.org/W1994832724
- https://openalex.org/W1996118086
- https://openalex.org/W1997067280
- https://openalex.org/W1998979050
- https://openalex.org/W2013897566
- https://openalex.org/W2015968935
- https://openalex.org/W2025177977
- https://openalex.org/W2036632898
- https://openalex.org/W2061699609
- https://openalex.org/W2066131315
- https://openalex.org/W2071332742
- https://openalex.org/W2076576187
- https://openalex.org/W2079464129
- https://openalex.org/W2083809895
- https://openalex.org/W2097339676
- https://openalex.org/W2098057602
- https://openalex.org/W2104052971
- https://openalex.org/W2117276693
- https://openalex.org/W2123759405
- https://openalex.org/W2131438174
- https://openalex.org/W2132870739
- https://openalex.org/W2167008866
- https://openalex.org/W2318037162
- https://openalex.org/W2331231823
- https://openalex.org/W2331582811
- https://openalex.org/W2354544161
- https://openalex.org/W2380707673
- https://openalex.org/W2501814412
- https://openalex.org/W2593884396
- https://openalex.org/W2615880936
- https://openalex.org/W2788055254
- https://openalex.org/W2808135376
- https://openalex.org/W2809328251
- https://openalex.org/W2891598456
- https://openalex.org/W2909779496
- https://openalex.org/W2945812247
- https://openalex.org/W2949351478
- https://openalex.org/W2950473707
- https://openalex.org/W2962723135
- https://openalex.org/W2980094070
- https://openalex.org/W2984954051
- https://openalex.org/W2994924384
- https://openalex.org/W3002895607
- https://openalex.org/W3089249133
- https://openalex.org/W3134919447
- https://openalex.org/W3159129885
- https://openalex.org/W3190752170
- https://openalex.org/W4210699701
- https://openalex.org/W4256060553