Detecting water under vegetation is critical to tracking the status of geological ecosystems like wetlands. Researchers use different methods to estimate water presence, avoiding costly on-site measurements. Optical satellite imagery allows the automatic delineation of water using the concept of the Normalised Difference Water Index (NDWI). Still, optical imagery is subject to visibility conditions and cannot detect water under the vegetation, a typical situation for wetlands. Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery works under all visibility conditions. It can detect water under vegetation but requires deep network algorithms to segment water presence, and manual annotation work is required to train the deep models. This project uses DEEPAQUA, a cross-modal knowledge distillation method, to eliminate the manual annotation needed to extract water presence from SAR imagery with deep neural networks. In this method, a deep student model (e.g., UNET) is trained to segment water in SAR imagery. The student model uses the NDWI algorithm as the non-parametric, cross-modal teacher. The key prerequisite is that NDWI works on the optical imagery taken from the exact location and simultaneously as the SAR. Three different deep architectures are tested in this project: UNET, SegNet, and UNET++, and the Otsu method is used as the baseline. Experiments on imagery from Swedish wetlands in 2020-2022 show that cross-modal distillation consistently achieved better segmentation performances across architectures than the baseline. Additionally, the UNET family of algorithms performed better than SegNet with a confidence of 95%. The UNET++ model achieved the highest Intersection Over Union (IOU) performance. However, no statistical evidence emerged that UNET++ performs better than UNET, with a confidence of 95%. In conclusion, this project shows that cross-modal knowledge distillation works well across architectures and removes tedious and expensive manual work hours when detecting water from SAR imagery. Further research could evaluate performances on other datasets and student architectures.

Att upptäcka vatten under vegetation är avgörande för att hålla koll på statusen på geologiska ekosystem som våtmarker. Forskare använder olika metoder för att uppskatta vattennärvaro vilket undviker kostsamma mätningar på plats. Optiska satellitbilder tillåter automatisk avgränsning av vatten med hjälp av konceptet Normalised Difference Water Index (NDWI). Optiska bilder fortfarande beroende av siktförhållanden och kan inte upptäcka vatten under vegetationen, en typisk situation för våtmarker. Synthetic Aperture Radar (SAR)-bilder fungerar under alla siktförhållanden. Den kan detektera vatten under vegetation men kräver djupa nätverksalgoritmer för att segmentera vattennärvaro, och manuellt anteckningsarbete krävs för att träna de djupa modellerna. Detta projekt använder DEEPAQUA, en cross-modal kunskapsdestillationsmetod, för att eliminera det manuella annoteringsarbete som behövs för att extrahera vattennärvaro från SAR-bilder med djupa neurala nätverk. I denna metod tränas en djup studentmodell (t.ex. UNET) att segmentera vatten i SAR-bilder semantiskt. Elevmodellen använder NDWI, som fungerar på de optiska bilderna tagna från den exakta platsen och samtidigt som SAR, som den icke-parametriska, cross-modal lärarmodellen. Tre olika djupa arkitekturer testas i detta examensarbete: UNET, SegNet och UNET++, och Otsu-metoden används som baslinje. Experiment på bilder tagna på svenska våtmarker 2020-2022 visar att cross-modal destillation konsekvent uppnådde bättre segmenteringsprestanda över olika arkitekturer jämfört med baslinjen. Dessutom presterade UNET-familjen av algoritmer bättre än SegNet med en konfidens på 95%. UNET++-modellen uppnådde högsta prestanda för Intersection Over Union (IOU). Det framkom dock inga statistiska bevis för att UNET++ presterar bättre än UNET, med en konfidens på 95%. Sammanfattningsvis visar detta projekt att cross-modal kunskapsdestillation fungerar bra över olika arkitekturer och tar bort tidskrävande och kostsamma manuella arbetstimmar vid detektering av vatten från SAR-bilder. Ytterligare forskning skulle kunna utvärdera prestanda på andra datamängder och studentarkitekturer.