QRNN

Implementation of a Quantile Regression Neural Network

Mission

Uncertainty estimation via neural networks: recovery of atmospheric 𝐶𝑂2 and associated uncertainties

Instruments

IASI, AMSU

U

Skills

Radiometry, algorithmic development

Date

From 2019 to 2021

The QRNN project

The extraction and analysis of geophysical parameters from remote sensing measurements plays a crucial role in the knowledge of the Earth’s physical phenomena. Indeed, greenhouse gases are responsible for important effects on our atmosphere, such as the Earth’s climate change.

In this context, methods based on machine learning algorithms have become important in the scientific community. Multi-layer perceptual neural networks (MLPs) have proven to provide good estimates of atmospheric parameters. Also, they have proven to be more efficient (in terms of computational cost and processing of non-linear systems/models) than classical inversion methods, such as the optimal estimation method (OEM).

However, classical NR techniques do not provide information on the uncertainty of the recovered parameters.
Yet this uncertainty information is essential for the exploitation of scientific products. For example, it is important for their use in systems for analysing and predicting atmospheric composition and/or dynamics.

regression quantile co2 magellium

Within this framework, the unit is in charge of understanding and estimating the potential of obtaining data on the composition of the thermal atmosphere, more precisely, on the content of 𝑪𝑶𝟐 in the troposphere. These measurements are made from infrared hyperspectral survey instruments such as IASI, IASI-NG or OCO-2. Therefore, the unit must be able to determine the uncertainty associated with them, using methods based on neural networks, in order to prepare future missions (e.g. Microcarb).

This work was conducted as part of a CNES project.

nous contacter observation terre magellium

The objectives of QRNN

 

      • Implementation of a quantile regression MLP (QRNN) for the estimation of atmospheric 𝑪𝑂2 content
      • Validation of the uncertainty associated with the inverted 𝑪𝑂2 values provided by the QRNN
      • Comparison of the inversions and associated uncertainties provided by the QRNN with those of more classical methods (OEM, Monte-Carlo Markov Chain – MCMC)
    regression quantile co2 magellium

    Key partners

    CNES, SPASCIA, L’Observatoire de Paris, Laboratoire d’Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA)

    Key words

    observation, satellite, earth, studies, uncertainty, atmospheric data, CO2, regression, quantile, neural networks, GHG, greenhouse gases, climate change, climate

    observation de la terre

    SCIENCE FOR EARTH CARE

    The Earth Observation Unit of Magellium  is an expert in optical space missions and geophysical and biophysical applications. The EO unit provides high level of expertise and full capacity on the whole processing chain, enabling it to respond to all projects from the greatest space orders such as ESA and CNES.

    Contact

    eo@magellium.fr

    +33 5 62 24 70 00

    1, rue Ariane
    31520 Ramonville Saint-Agne FRANCE

    More info

    www.magellium.com

    Follow us

    QRNN

    Mise en œuvre d’un réseau de neurones à régression quantile (Quantile Regression Neural Network)

    Mission

    Estimation des incertitudes via les réseaux neuronaux : récupération du 𝐶𝑂2 atmosphérique et des incertitudes associées

    Instruments

    IASI, AMSU

    U

    Compétences

    Radiométrie, développement algorithmique

    Date

    De 2019 à 2021

    Le projet QRNN

    L’extraction et l’analyse de paramètres géophysiques à partir de mesures de télédétection jouent un rôle crucial dans la connaissance des phénomènes physiques de la Terre. En effet, les gaz à effet de serre sont responsables d’effets importants sur notre atmosphère, comme le changement climatique de la Terre.

    Dans ce contexte, les méthodes basées sur des algorithmes d’apprentissage automatique ont pris une place importante dans la communauté scientifique. Les réseaux de neurones (RN) à percéption multicouches (MLP) ont prouvé qu’ils fournissaient de bonnes estimations des paramètres atmosphériques. Aussi, ils ont prouvé qu’ils étaient plus performants (en termes de coût de calcul et de traitement de systèmes/modèles non-linéaires) que les méthodes classiques d’inversion, comme la méthode d’estimation optimale (OEM).

    Cependant, les techniques classiques de RN ne fournissent pas d’informations sur l’incertitude des paramètres récupérés.
    Pourtant, cette information sur l’incertitude est essentielle pour l’exploitation des produits scientifiques. Par exemple, elle est importante pour leur utilisation dans les systèmes d’analyse et de prévision de la composition et/ou de la dynamique de l’atmosphère.

    regression quantile co2 magellium

    Dans ce cadre, l’unité est en charge de comprendre et d’estimer le potentiel de l’obtention de données sur la composition de l’atmosphère thermique, plus précisément, sur le contenu de 𝑪𝑶𝟐 dans la troposphère. Ces mesures sont faites à partir d’instruments de sondage d’hyperspectres infrarouges tels que IASI, IASI-NG ou OCO-2. Aussi, l’unité doit pouvoir déterminer l’incertitude qui y est associée, par le biais de méthodes basées sur les réseaux neuronaux, afin de préparer de futures missions (par exemple, Microcarb).

    Ce travail a été réalisé dans le cadre d’un projet du CNES.

    nous contacter observation terre magellium

    Les objectifs de QRNN

     

        • Mis en place d’un MLP de régression quantile (QRNN) pour l’estimation du contenu 𝑪𝑂2 atmosphérique
        • Validation de l’incertitude associée aux valeurs inversées de 𝑪𝑂2 fournies par le QRNN
        • Comparaison des inversions et des incertitudes associées fournies oar le QRNN avec celles de méthodes plus classiques (OEM, Monte-Carlo Markov Chain – MCMC)
      regression quantile co2 magellium

      Les partenaires principaux

      CNES, SPASCIA, L’Observatoire de Paris, Laboratoire d’Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA)

      Mots-clés

      observation, satellite, terre, études, incertitude, données atmosphériques, CO2, régression, quantile, réseaux neuronaux, GES, gaz à effet de serre, changement climatique, climat

      observation de la terre

      SCIENCE FOR EARTH CARE

      L'unité Observation de la Terre de Magellium est experte en missions spatiales optiques et en applications géophysiques et biophysiques. L'unité offre un haut niveau d'expertise et une complète maîtrise sur l'ensemble de la chaîne de traitement, lui permettant de répondre à tous les projets des plus grandes commandes spatiales telles que l'ESA et le CNES.

      Contact

      eo@magellium.fr

      +33 5 62 24 70 00

      1, rue Ariane
      31520 Ramonville Saint-Agne FRANCE

      Plus d'infos

      www.magellium.com

      Suivez-nous