Human civilization has an increasingly powerful influence on the earthsystem. Affected by climate change and land-use change, floods are occurringacross the globe and are expected to increase in the coming years. Currentsituations urge more focus on efficient monitoring of floods and detecting impactedareas. Earth observations are an invaluable source for monitoring theEarth’s surface at a large scale. In particular, the Sentinel-1 Synthetic ApertureRadar (SAR) and Sentinel-2 MultiSpectral Instrument (MSI) missionsoffer high-resolution data with frequent global revisits that are widely usedfor flood detection.Current solutions such as Copernicus Emergency Management Services(CEMS), MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) globalflood product, and many others use data from Sentinel and multiple othersatellites to detect floods. Although existing solutions are helpful, they alsohave several limitations. For instance, solutions like MODIS global floodproduct detect floods solely on optical images causing poor or no detection incloudy areas. In addition, these solutions are threshold-based and often requirecriteria-based adjustments. Furthermore, these solutions do not leveragerich spatial information between neighboring pixels and don’t use temporalfeatures of time series data. Therefore, advanced processing algorithms areneeded to provide a reliable method for flood detection.This thesis presents three Deep Learning (DL) models for flood detection.The first two models are supervised segmentation models proposed todetect floods on uni-temporal Sentinel-1 SAR data. The study sites containfloods from Bolivia, Ghana, India, Mekong, Nigeria, Pakistan, Paraguay,Somalia, Spain, Sri Lanka and USA. The third model is an unsupervised spatiotemporalchange detection (CD) model that detects floods on time series ofSentinel-1 SAR data. The study sites contain floods from Slovakia, Somalia,Spain, Bolivia, Mekong, Bosnia, Australia, Scotland and Germany.The two supervised segmentation models propose improving flood detectionwith the help of self-attention mechanism and fusion of Sentinel-1 SARwith more contextual information. The first network is ’Attentive U-Net’. Ittakes Sentinel-1 channels VV (vertical transmit, vertical receive), VH (verticaltransmit, horizontal receive), and the ratio VV/VH as input. The networkuses spatial and channel-wise self-attention to enhance feature maps resultingin better segmentation. The second network is a dual-stream attentive ’Fusionnetwork’, where the global low-resolution elevation data and permanent watermasks are fused with Sentinel-1 (VV, VH) data. The ’Attentive U-Net’ yields67.2% Intersection over Union (IoU), and the ’Fusion network’ gave 69.5%IoU on the Sen1Floods11 dataset. The performance gain is 3 to 5% IoUwith respect to the existing supervised models like FCNN (49.3% IoU score),U2Net (62% IoU score), and BASNet (64% IoU score). Quantitatively, thetwo proposed networks show significant improvement over benchmark methodsdemonstrating their potential. The qualitative analysis demonstrates thecontribution of low-resolution elevation and a permanent water mask in enhancingflood detection. Ablation experiments further clarify the effectiveness of ratio, self-attention, ratio and various design choices made in proposed networks.Furthermore, to improve across-region generalizability of the flood detectionmodel and to eliminate the dependency on labels, a novel unsupervisedCD model is presented that detects floods as changes on SAR time seriesdata. The proposed model is trained to learn spatiotemporal features of theSAR time series data with the help of unsupervised learning techniques, reconstruction,and contrastive learning. The change maps are generated witha novel algorithm that utilizes the learned latent feature distributions of preand post-flood data. The model achieved an average of 70% IoU score, outperformingexisting flood detection models like RaVAEn (45.03% IoU score),cGAN (51.49% IoU score) and SCCN (54.87% IoU score) with a significantminimum margin of 15% IoU score. The proposed model is tested for generalizabilityand outperformed supervised models ADS-Net and DAUSAR whentested on unseen CEMS flood sites. In addition, an automatic change monitoringand change point detection framework is proposed. The framework isbased on the proposed unsupervised CD model where time series data is processedthrough the model to identify percentage change at each time stampand the change point is detected by identifying the date on which significantchange started to reflect on SAR data. When integrated with high temporaldata i.e. daily images from ICEYE, the framework can help in continuousflood monitoring and early detection of slowly proceeding disaster events,giving more time for response.Overall, this thesis contributes supervised and unsupervised flood detectionmodels, enabling comprehensive and widely applicable flood mapping andmonitoring capabilities. These advancements facilitate near-real-time disasterresponse and resilient urban development, thus contributing to SDG 11 -Sustainable Cities and Communities.

Den mänskliga civilisationen har ett allt starkare inflytande på jordsystemet. Påverkad av klimatförändringar och förändringar i markanvändningen sker översvämningar över hela världen och förväntas öka under de kommande åren. Nuvarande situationer kräver mer fokus på effektiv övervakning av översvämningar och upptäckt av drabbade områden. Jordobservationer är en ovärderlig källa för att övervaka jordens yta i stor skala. Särskilt Sentinel- 1 Synthetic Aperture Radar (SAR) och Sentinel-2 MultiSpectral Instrument (MSI)-uppdrag erbjuder högupplösta data med frekventa globala återbesök som används ofta för att detektera översvämningar.

Aktuella lösningar som Copernicus Emergency Management Services (CEMS), MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) globala översvämningsprodukter och många andra använder data från Sentinel och flera andra satelliter för att upptäcka översvämningar. Även om befintliga lösningar är användbara, har de också flera begränsningar. Till exempel upptäcker lösningar som MODIS globala översvämningsprodukt översvämningar enbart på optiska bilder som orsakar dålig eller ingen detektering i molniga områden. Dessutom är dessa lösningar tröskelbaserade och kräver ofta kriteriebaserade justeringar. Dessutom utnyttjar dessa lösningar inte rik rumslig information mellan angränsande pixlar och använder inte tidsseriedata. Därför behövs avancerade bearbetningsalgoritmer för att tillhandahålla en tillförlitlig metod för översvämningsdetektering.

Denna avhandling presenterar tre modeller för djupinlärning (DL) för översvämningsdetektering. De två första modellerna är övervakade segmenteringsmodeller som föreslagits för att upptäcka översvämningar på uni-temporala Sentinel-1 SAR-data. Studieplatserna innehåller översvämningar från Bolivia, Ghana, Indien, Mekong, Nigeria, Pakistan, Paraguay, Somalia, Spanien, Sri Lanka och USA. Den tredje modellen är en oövervakad modell för upptäckt av spatiotemporal förändring (CD) som detekterar översvämningar på tidsserier av Sentinel-1 SAR-data. Studieplatserna innehåller översvämningar från Slovakien, Somalia, Spanien, Bolivia, Mekong, Bosnien, Australien, Skottland och Tyskland.

De två övervakade segmenteringsmodellerna föreslår förbättring av översvämningsdetektering med hjälp av självuppmärksamhetsmekanism och fusion av Sentinel-1 SAR med mer kontextuell information. Det första nätverket är ’Attentive U-Net’. Den tar Sentinel-1-kanalerna VV (vertikal sändning, vertikal mottagning), VH (vertikal sändning, horisontell mottagning) och förhållandet VV/VH som ingång. Nätverket använder rumslig och kanalvis självuppmärksamhet för att förbättra funktionskartor vilket resulterar i bättre segmentering. Det andra nätverket är ett dubbelströms uppmärksamt Fusion-nätverk", där globala lågupplösta höjddata och permanenta vattenmasker smälts samman med Sentinel-1-data (VV, VH). ’Attentive U-Net’ ger 67,2% Intersection Over Union (IoU), och ’Fusion-nätverket’ gav 69,5% IoU på Sen1Floods11-datauppsättningen. Prestandavinsten är 3 till 5% IoU med avseende på de befintliga övervakade modellerna som FCNN (49,3% IoUpoäng), U2Net (62% IoU-poäng) och BASNet (64% IoU) Göra). Kvantitativt visar de två föreslagna nätverken betydande förbättringar jämfört med vi benchmarkmetoder som visar deras potential. Den kvalitativa analysen visar bidraget från lågupplöst höjd och en permanent vattenmask för att förbättra översvämningsdetektering. Ablationsexperiment klargör ytterligare effektiviteten av ratio, självuppmärksamhet, ratio och olika designval som gjorts i föreslagna nätverk.

Dessutom, för att förbättra översvämningsdetekteringsmodellens generaliserbarhet över regioner och för att eliminera beroendet av etiketter, presenteras en ny oövervakad CD-modell som upptäcker översvämningar som ändringar på SAR-tidsseriedata. Den föreslagna modellen är tränad för att lära sig rumsliga egenskaper hos SAR-tidsseriedata med hjälp av oövervakade inlärningstekniker, rekonstruktion och kontrastiv inlärning. Förändringskartorna genereras med en ny algoritm som använder de inlärda latenta egenskapersfördelningarna av data före och efter översvämningen. Modellen uppnådde ett genomsnitt på 70% IoU-poäng, vilket överträffade befintliga översvämningsdetekteringsmodeller som RaVAEn (45,03% IoU-poäng), cGAN (51,49% IoUpoäng) och SCCN (54,87% IoU-poäng) med en betydande minimimarginal på 15% IoU-poäng. Den föreslagna modellen är testad för generaliserbarhet och överträffade de övervakade modellerna ADS-Net och DAUSAR när den testades på osynliga CEMS-översvämningsplatser. Dessutom föreslås ett ramverk för automatisk förändringsövervakning och ändringspunktsdetektering. Ramverket är baserat på den föreslagna oövervakade CD-modellen där tidsseriedata bearbetas genom modellen för att identifiera procentuell förändring vid varje tidsstämpel och ändringspunkten detekteras genom att identifiera det datum då betydande förändringar började återspeglas i SAR-data. När det är integrerat med hög tidsdata, dvs. dagliga bilder från ICEYE, kan ramverket hjälpa till med kontinuerlig översvämningsövervakning och tidig upptäckt av långsamt pågående katastrofhändelser, vilket ger mer tid för respons.

Sammantaget bidrar denna avhandling med övervakade och oövervakade översvämningsdetekteringsmodeller, vilket möjliggör omfattande och allmänt användbar översvämningskartläggning och övervakningskapacitet. Dessa framsteg underlättar katastrofhantering i nästan realtid och en motståndskraftig stadsutveckling och bidrar på så sätt till SDG 11 - Hållbara städer och samhällen.

Driven by climate change and rapid urbanization, there is an urgent need for reliable large-scale Earth observation (EO) products that capture both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) characteristics of the Earth’s surface. Modern satellite missions, particularly Sentinel-1 Synthetic Aperture Radar (SAR) and Sentinel-2 MultiSpectral Instrument (MSI), provide freely accessible global-scale imagery with frequent revisits, offering new opportunities for large-scale mapping such as floods, urban growth, and forest dynamics. Concurrently, deep learning (DL) has become state-of-the-art for EO analysis. However, challenges remain in ensuring generalization across regions, reducing reliance on labeled data, extracting 3D features from mid-resolution imagery, and enhancing reliability through uncertainty estimation. This thesis addresses these challenges by proposing novel DL models for 2D and 3D applications, improving model generalizability, curating benchmark datasets, and integrating uncertainty estimation into EO tasks.

For 2D mapping, this thesis focuses on flood mapping as the primary application. Two supervised segmentation networks were developed for the task. The first, Attentive U-Net, enhances Sentinel-1 VV, VH, and VV/VH ratio inputs using spatial and channel-wise self-attention. The second, a dual-stream Fusion Network, integrates Sentinel-1 data with DEM and permanent water masks for improved contextual learning. Both outperformed supervised baselines on the Sen1Floods11 dataset, achieving 3–5% higher IoU. To further improve model generalizability and reduce dependency on labels, an unsupervised model (CLVAE) was developed that learns spatiotemporal features from Sentinel-1 SAR time series using reconstruction and contrastive learning. Flood maps are derived by detecting changes in latent feature distributions of pre and post-flood time series images. CLVAE achieved 70% IoU, surpassing unsupervised baselines by a minimum margin of 15% IoU and outperforming supervised models when tested on unseen flood sites, showing a higher model generalizability.

For 3D mapping, multiple advances were made. A hybrid CNN-transformer architecture (T-SwinUNet) was proposed for large-scale building height estimation from 12-month Sentinel-1 and Sentinel-2 time series. Leveraging multi-modal spatio-temporal features and multitask learning, it achieved 1.89 m RMSE at 10 m resolution and generalized across diverse European cities. The model outperformed existing global height product GHSL-Built-H.To further improve building height estimation accuracy, the M4Heights benchmark dataset was released, covering sites in Estonia, Switzerland, and the Netherlands. Combining 10 m Sentinel-1&2 time series with 1 m aerial orthophotos enables multi-scale and multitask learning for super-resolution building height estimation. Baseline evaluations confirmed its benefits, and the open dataset supports fair model comparisons and encourages further innovation in the field.Extending 3D mapping from the built environment to natural ecosystems, the BioMassters benchmark dataset for above-ground forest biomass estimation was curated and released. It covers 8.5 million hectares of Finnish forests, with labels derived from high-resolution LiDAR data and inputs from Sentinel-1&2 time series. Released alongside a global challenge with over 1000 model submissions, the results demonstrated the superiority of DL methods over the coarse 100 m ESA CCI Biomass product, enabling biomass mapping at 10 m resolution and underscoring the importance of open, DL-ready datasets.

The thesis further advances 3D mapping by integrating uncertainty quantification into large-scale regression tasks for building height, canopy height, and biomass estimation at 10 m resolution. Two uncertainty quantification approaches were investigated through: (i) a Gaussian uncertainty model, which assumes symmetric error distributions, and (ii) a Quantile uncertainty model, which provides asymmetric intervals and captures the direction of uncertainty. Both methods achieved accuracy comparable to deterministic baselines while additionally providing calibrated confidence intervals. Importantly, they outperformed existing global canopy and biomass products that include uncertainty information. The Gaussian model performed best for canopy height and biomass, while the quantile model proved more robust for building height, where data follow strictly non-Gaussian and skewed distributions. Together, these advances establish uncertainty-aware regression as a critical step toward making EO-derived 3D products more trustworthy for real-world applications.

In conclusion, this thesis addresses key challenges in large-scale 2D and 3D EO tasks, spanning flood detection, building height estimation, biomass estimation, and canopy height estimation. By advancing DL models that leverage time series of Sentinel-1&2 imagery, integrating uncertainty quantification into the model and releasing benchmark datasets, this thesis makes major contributions to scalable, reliable and reproducible EO data products. These advances enhance the trustworthiness of EO-derived products for real-world applications, supporting sustainable urban planning, climate resilience, and the monitoring of Sustainable Development Goals.

Drivna av klimatförändringar och snabb urbanisering finns ett akut behovav tillförlitliga jordobservationsprodukter (EO) i stor skala som fångarbåde tvådimensionella (2D) och tredimensionella (3D) egenskaper hos jordensyta. Moderna satellitmissioner, särskilt Sentinel-1 syntetiska aperturradar(SAR) och Sentinel-2:s MultiSpectral Instrument (MSI), tillhandahållerfritt tillgänglig bilddata i global skala med frekventa återbesök, vilket erbjudernya möjligheter för storskalig kartläggning såsom översvämningar, urbantillväxt och skogsdynamik. Samtidigt har djupinlärning (DL) blivit det ledandetillvägagångssättet för EO-analys. Dock kvarstår utmaningar med attsäkerställa generalisering över olika regioner, minska beroendet av märkta data,utvinna 3D information från bilddata med medelhög upplösning samt ökatillförlitligheten genom osäkerhetsuppskattning. Denna avhandling adresserardessa utmaningar genom att föreslå nya DL-modeller för 2D och 3D applikationer,förbättra modellernas generaliserbarhet, kurera referensdataset samtintegrera osäkerhetsuppskattning i EO uppgifter.

För 2D-kartläggning fokuserar avhandlingen på översvämningskartläggningsom huvudapplikation. Två övervakade segmenteringsnätverk utveckladesför uppgiften. Det första, Attentive U-Net, utnyttjar Sentinel-1 inmatningar(VV, VH samt VV/VH kvot) och förstärker dem med rumslig ochkanalvis självuppmärksamhet. Det andra, ett tvåströms-fusionsnätverk, integrerarSentinel-1-data med digital höjdmodell (DEM) och permanenta vattenmaskerför förbättrad kontextuell inlärning. Båda överträffade övervakadebaslinjemodeller på Sen1Floods11-datasetet och uppnådde 3-5% högre IoU.För att ytterligare förbättra modellernas generaliserbarhet och minska beroendetav märkta data utvecklades en osuperviserad modell (CLVAE) somlär sig spatiotemporala egenskaper från Sentinel-1 SAR tidsserier via rekonstruktionoch kontrastiv inlärning. Översvämningskartor härleds genom attupptäcka förändringar i latenta representationsfördelningar mellan före ochefteröversvämnings-tidsserier. CLVAE uppnådde 70% IoU, överträffade osuperviseradebaslinjer med minst 15% IoU och presterade bättre än övervakademodeller vid test på tidigare osedda översvämningsområden, vilket visar påhögre modellgeneraliserbarhet.

För 3D-kartläggning gjordes flera framsteg. En hybridarkitektur med CNNoch transformer (T-SwinUNet) föreslogs för storskalig skattning av byggnadshöjderfrån 12 månaders Sentinel-1 och Sentinel-2 tidsserier. Genom att utnyttjamultimodala spatiotemporala egenskaper och multitask-inlärning uppnåddesett RMSE på 1.89m vid 10m upplösning och modellen generaliseradeväl över olika europeiska städer. Den överträffade den befintliga globalabyggnadshöjdsprodukten GHSL-Built-H. För att ytterligare förbättra noggrannheteni byggnadshöjdsskattning släpptes referensdatasetet M4Heights,som täcker områden i Estland, Schweiz och Nederländerna. Kombinationenav 10m Sentinel-1&2 tidsserier med 1m flygfotobaserade ortofoton möjliggörmultiskalig och multitask-inlärning för superupplöst byggnadshöjdsskattning.Baslinjeutvärderingar bekräftade dess fördelar, och det öppna datasetet stödjerrättvisa modelljämförelser och uppmuntrar vidare innovation inom området.

Genom att utvidga 3D-kartläggning från den byggda miljön till naturligaekosystem kuraterades och släpptes referensdatasetet BioMassters för skattningav biomassa ovan mark i skogar. Den täcker 8.5 miljoner hektar finskaskogar, med etiketter härledda från högupplöst LiDAR-data och indata frånSentinel-1&2-tidsserier. Datasetet släpptes tillsammans med en global tävlingmed över 1000 modellbidrag. Resultaten visade på DL-metodernas överlägsenhetjämfört med den grova 100m ESA CCI Biomass produkten, vilketmöjliggör biomassakartläggning vid 10m upplösning och understryker viktenav öppna, djupinlärningsklara dataset.

Avhandlingen för 3D kartläggning går vidare genom att integrera osäkerhetskvantifieringi storskaliga regressionsuppgifter för byggnadshöjd, trädhöjdoch biomassa vid 10m upplösning. Två metoder för osäkerhetskvantifieringundersöktes: (i) en gaussisk osäkerhetsmodell, som antar symmetriska fel, och(ii) en kvantilmodell, som ger asymmetriska intervall och fångar riktningen påosäkerheten. Båda metoderna uppnådde noggrannhet jämförbar med deterministiskamodeller samtidigt som de tillhandahöll kalibrerade konfidensintervall.Viktigt är att de presterade bättre än befintliga globala produkter förträdhöjd och biomassa som inkluderar osäkerhetsinformation. Den gaussiskamodellen presterade bäst för trädhöjd och biomassa, medan kvantilmodellenvisade sig mer robust för byggnadshöjd, där data följer icke gaussiskaoch snedfördelade mönster. Tillsammans etablerar dessa framsteg osäkerhetsmedvetenregression som ett avgörande steg för att göra EO-härledda 3Dproduktermer tillförlitliga för verkliga applikationer.

Sammanfattningsvis adresserar denna avhandling centrala utmaningar inomstorskaliga 2D och 3D EO uppgifter, från översvämningsdetektion tillskattning av byggnadshöjd, biomassa och trädhöjd. Genom att utveckla DLmodellersom utnyttjar tidsserier av Sentinel-1&2, integrera osäkerhetskvantifieringi modellerna och släppa referensdataset bidrar avhandlingen medskalbara, tillförlitliga och reproducerbara EO-dataprodukter. Dessa framstegökar tilliten till EO-härledda produkter i praktiska tillämpningar och stödjerhållbar stadsplanering, klimatanpassning samt uppföljning av de Globalamålen för hållbar utveckling (SDG:erna).