Hydrocarbon quantification using neural networks and deep learning based hyperspectral unmixing

Hydrocarbon (HC) spills are a global issue, which can seriously impact human life and the environment, therefore early identification and remedial measures taken at an early stage are important. Thus, current research efforts aim at remotely quantifying incipient quantities of HC mixed with soils. The increased spectral and spatial resolution of hyperspectral sensors has opened ground-breaking perspectives in many industries including remote inspection of large areas and the environment. The use of subpixel detection algorithms, and in particular the use of the mixture models, has been identified as a future advance that needs to be incorporated in remote sensing. However, there are some challenging tasks since the spectral signatures of the targets of interest may not be immediately available. Moreover, real time processing and analysis is required to support fast decision-making. Progressing in this direction, this thesis pioneers and researches novel methodologies for HC quantification capable of exceeding the limitations of existing systems in terms of reduced cost and processing time with improved accuracy. Therefore the goal of this research is to develop, implement and test different methods for improving HC detection and quantification using spectral unmixing and machine learning. An efficient hybrid switch method employing neural networks and hyperspectral is proposed and investigated. This robust method switches between state of the art hyperspectral unmixing linear and nonlinear models, respectively. This procedure is well suited for the quantification of small quantities of substances within a pixel with high accuracy as the most appropriate model is employed. Central to the proposed approach is a novel method for extracting parameters to characterise the non-linearity of the data. These parameters are fed into a feedforward neural network which decides in a pixel by pixel fashion which model is more suitable. The quantification process is fully automated by applying further classification techniques to the acquired hyperspectral images. A deep learning neural network model is designed for the quantification of HC quantities mixed with soils. A three-term backpropagation algorithm with dropout is proposed to avoid overfitting and reduce the computational complexity of the model. The above methods have been evaluated using classical repository datasets from the literature and a laboratory controlled dataset. For that, an experimental procedure has been designed to produce a labelled dataset. The data was obtained by mixing and homogenizing different soil types with HC substances, respectively and measuring the reflectance with a hyperspectral sensor. Findings from the research study reveal that the two proposed models have high performance, they are suitable for the detection and quantification of HC mixed with soils, and surpass existing methods. Improvements in sensitivity, accuracy, computational time are achieved. Thus, the proposed approaches can be used to detect HC spills at an early stage in order to mitigate significant pollution from the spill areas

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Hyperspectral Imaging from Ground Based Mobile Platforms and Applications in Precision Agriculture

This thesis focuses on the use of line scanning hyperspectral sensors on mobile ground based platforms and applying them to agricultural applications. First this work deals with the geometric and radiometric calibration and correction of acquired hyperspectral data. When operating at low altitudes, changing lighting conditions are common and inevitable, complicating the retrieval of a surface's reflectance, which is solely a function of its physical structure and chemical composition. Therefore, this thesis contributes the evaluation of an approach to compensate for changes in illumination and obtain reflectance that is less labour intensive than traditional empirical methods. Convenient field protocols are produced that only require a representative set of illumination and reflectance spectral samples. In addition, a method for determining a line scanning camera's rigid 6 degree of freedom (DOF) offset and uncertainty with respect to a navigation system is developed, enabling accurate georegistration and sensor fusion. The thesis then applies the data captured from the platform to two different agricultural applications. The first is a self-supervised weed detection framework that allows training of a per-pixel classifier using hyperspectral data without manual labelling. The experiments support the effectiveness of the framework, rivalling classifiers trained on hand labelled training data. Then the thesis demonstrates the mapping of mango maturity using hyperspectral data on an orchard wide scale using efficient image scanning techniques, which is a world first result. A novel classification, regression and mapping pipeline is proposed to generate per tree mango maturity averages. The results confirm that maturity prediction in mango orchards is possible in natural daylight using a hyperspectral camera, despite complex micro-illumination-climates under the canopy

Low-Rank and Sparse Decomposition for Hyperspectral Image Enhancement and Clustering

In this dissertation, some new algorithms are developed for hyperspectral imaging analysis enhancement. Tensor data format is applied in hyperspectral dataset sparse and low-rank decomposition, which could enhance the classification and detection performance. And multi-view learning technique is applied in hyperspectral imaging clustering. Furthermore, kernel version of multi-view learning technique has been proposed, which could improve clustering performance. Most of low-rank and sparse decomposition algorithms are based on matrix data format for HSI analysis. As HSI contains high spectral dimensions, tensor based extended low-rank and sparse decomposition (TELRSD) is proposed in this dissertation for better performance of HSI classification with low-rank tensor part, and HSI detection with sparse tensor part. With this tensor based method, HSI is processed in 3D data format, and information between spectral bands and pixels maintain integrated during decomposition process. This proposed algorithm is compared with other state-of-art methods. And the experiment results show that TELRSD has the best performance among all those comparison algorithms. HSI clustering is an unsupervised task, which aims to group pixels into different groups without labeled information. Low-rank sparse subspace clustering (LRSSC) is the most popular algorithms for this clustering task. The spatial-spectral based multi-view low-rank sparse subspace clustering (SSMLC) algorithms is proposed in this dissertation, which extended LRSSC with multi-view learning technique. In this algorithm, spectral and spatial views are created to generate multi-view dataset of HSI, where spectral partition, morphological component analysis (MCA) and principle component analysis (PCA) are applied to create others views. Furthermore, kernel version of SSMLC (k-SSMLC) also has been investigated. The performance of SSMLC and k-SSMLC are compared with sparse subspace clustering (SSC), low-rank sparse subspace clustering (LRSSC), and spectral-spatial sparse subspace clustering (S4C). It has shown that SSMLC could improve the performance of LRSSC, and k-SSMLC has the best performance. The spectral clustering has been proved that it equivalent to non-negative matrix factorization (NMF) problem. In this case, NMF could be applied to the clustering problem. In order to include local and nonlinear features in data source, orthogonal NMF (ONMF), graph-regularized NMF (GNMF) and kernel NMF (k-NMF) has been proposed for better clustering performance. The non-linear orthogonal graph NMF combine both kernel, orthogonal and graph constraints in NMF (k-OGNMF), which push up the clustering performance further. In the HSI domain, kernel multi-view based orthogonal graph NMF (k-MOGNMF) is applied for subspace clustering, where k-OGNMF is extended with multi-view algorithm, and it has better performance and computation efficiency

Deep learning-based change detection in remote sensing images:a review

Images gathered from different satellites are vastly available these days due to the fast development of remote sensing (RS) technology. These images significantly enhance the data sources of change detection (CD). CD is a technique of recognizing the dissimilarities in the images acquired at distinct intervals and are used for numerous applications, such as urban area development, disaster management, land cover object identification, etc. In recent years, deep learning (DL) techniques have been used tremendously in change detection processes, where it has achieved great success because of their practical applications. Some researchers have even claimed that DL approaches outperform traditional approaches and enhance change detection accuracy. Therefore, this review focuses on deep learning techniques, such as supervised, unsupervised, and semi-supervised for different change detection datasets, such as SAR, multispectral, hyperspectral, VHR, and heterogeneous images, and their advantages and disadvantages will be highlighted. In the end, some significant challenges are discussed to understand the context of improvements in change detection datasets and deep learning models. Overall, this review will be beneficial for the future development of CD methods

Development of an unsupervised remote sensing methodology of detect surface leakage from terrestrial CO2 storage sites

Imperial Users onl

Estudio de la dinámica de los asentamientos periurbanos bonaerenses. El caso de estudio de los partidos de Moreno, Pilar y Tigre

Tesis (Magister en Aplicaciones Espaciales de Alerta y Respuesta Temprana a Emergencias)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, 2017.Maestría conjunta con el Instituto de Altos Estudios Espaciales "Mario Gulich"-CONAE.En este trabajo, se proponen cadenas de procesamiento que permiten extraer mapas de los usos del suelo del periurbano bonaerense y analizar su vulnerabilidad frente a amenazas ambientales locales. Los métodos empleados para la obtención de coberturas son el desmezclado espectral lineal y la clasificación supervisada de imágenes multiespectrales (EO1 Hyperion, Landsat TM y OLI, SPOT 5). Luego, se identifican los tipos de urbanización predominantes mediante la dimensión fractal (D) que describe el grado de compactación de un área. Por último, se aplica la suma lineal ponderada multicriterio para evaluar la vulnerabilidad de las urbanizaciones a eventos como las inundaciones, entre otras. El estudio se realiza en los partidos de Moreno, Pilar y Tigre, todos ellos pertenecientes al periurbano bonaerense en el período de 1985 a 2015.This study proposes processing chains that allow the extraction of land use maps of peri-urban areas and the analysis of their vulnerability to environmental threats. The methods used for the analysis include spectral linear unmixing and supervised classification of multispectral images (EO1 Hyperion, Landsat, SPOT). Subsequently, predominant urbanization types in peri-urban areas were identified based on their fractal dimension (D), that describes the compaction degree of an area. Lastly, multicriterial weighted linear addition was applied to assess the vulnerability of urbanization to environmental threats such as floods, among others. The study was carried out in three districts located in Buenos Aires peri-urban area, Moreno, Pilar and Tigre, in the period 1985-2015