Contributions to the analysis and segmentation of remote sensing hyperspectral images

142 p.This PhD Thesis deals with the segmentation of hyperspectral images from the point of view of Lattice Computing. We have introduced the application of Associative Morphological Memories as a tool to detect strong lattice independence, which has been proven equivalent to affine independence. Therefore, sets of strong lattice independent vectors found using our algorithms correspond to the vertices of convex sets that cover most of the data. Unmixing the data relative to these endmembers provides a collection of abundance images which can be assumed either as unsupervised segmentations of the images or as features extracted from the hyperspectral image pixels. Besides, we have applied this feature extraction to propose a content based image retrieval approach based on the image spectral characterization provided by the endmembers. Finally, we extended our ideas to the proposal of Morphological Cellular Automata whose dynamics are guided by the morphological/lattice independence properties of the image pixels. Our works have also explored the applicability of Evolution Strategies to the endmember induction from the hyperspectral image data

Improvements to algorithms for hyperspectral linear unmixing based on statistical model

Spectral mixing is one of the main problems that arise when characterizing the spectral constituents residing at a sub-pixel level in a hyperspectral scene. In this work we propose a improvement of the algorithms based on statistical model, i.e. NCM, with a novel sampling approach inspired by Genetic Algorithms. Furthermore, linearization is introduced to reduce computational complexity

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

Development of a spectral unmixing procedure using a genetic algorithm and spectral shape

xvi, 85 leaves : ill. (chiefly col.) ; 29 cmSpectral unmixing produces spatial abundance maps of endmembers or ‘pure’ materials using sub-pixel scale decomposition. It is particularly well suited to extracting a greater portion of the rich information content in hyperspectral data in support of real-world issues such as mineral exploration, resource management, agriculture and food security, pollution detection, and climate change. However, illumination or shading effects, signature variability, and the noise are problematic. The Least Square (LS) based spectral unmixing technique such as Non-Negative Sum Less or Equal to One (NNSLO) depends on “shade” endmembers to deal with the amplitude errors. Furthermore, the LS-based method does not consider amplitude errors in abundance constraint calculations, thus, often leads to abundance errors. The Spectral Angle Constraint (SAC) reduces the amplitude errors, but the abundance errors remain because of using fully constrained condition. In this study, a Genetic Algorithm (GA) was adapted to resolve these issues using a series of iterative computations based on the Darwinian strategy of ‘survival of the fittest’ to improve the accuracy of abundance estimates. The developed GA uses a Spectral Angle Mapper (SAM) based fitness function to calculate abundances by satisfying a SAC-based weakly constrained condition. This was validated using two hyperspectral data sets: (i) a simulated hyperspectral dataset with embedded noise and illumination effects and (ii) AVIRIS data acquired over Cuprite, Nevada, USA. Results showed that the new GA-based unmixing method improved the abundance estimation accuracies and was less sensitive to illumination effects and noise compared to existing spectral unmixing methods, such as the SAC and NNSLO. In case of synthetic data, the GA increased the average index of agreement between true and estimated abundances by 19.83% and 30.10% compared to the SAC and the NNSLO, respectively. Furthermore, in case of real data, GA improved the overall accuracy by 43.1% and 9.4% compared to the SAC and NNSLO, respectively

Ash Tree Identification Based on the Integration of Hyperspectral Imagery and High-density Lidar Data

Monitoring and management of ash trees has become particularly important in recent years due to the heightened risk of attack from the invasive pest, the emerald ash borer (EAB). However, distinguishing ash from other deciduous trees can be challenging. Both hyperspectral imagery and Light detection and ranging (LiDAR) data are two valuable data sources that are often used for tree species classification. Hyperspectral imagery measures detailed spectral reflectance related to the biochemical properties of vegetation, while LiDAR data measures the three-dimensional structure of tree crowns related to morphological characteristics. Thus, the accuracy of vegetation classification may be improved by combining both techniques. Therefore, the objective of this research is to integrate hyperspectral imagery and LiDAR data for improving ash tree identification. Specifically, the research aims include: 1) using LiDAR data for individual tree crowns segmentation; 2) using hyperspectral imagery for extraction of relative pure crown spectra; 3) fusing hyperspectral and LiDAR data for ash tree identification. It is expected that the classification accuracy of ash trees will be significantly improved with the integration of hyperspectral and LiDAR techniques. Analysis results suggest that, first, 3D crown structures of individual trees can be reconstructed using a set of generalized geometric models which optimally matched LiDAR-derived raster image, and crown widths can be further estimated using tree height and shape-related parameters as independent variables and ground measurement of crown widths as dependent variables. Second, with constrained linear spectral mixture analysis method, the fractions of all materials within a pixel can be extracted, and relative pure crown-scale spectra can be further calculated using illuminated-leaf fraction as weighting factors for tree species classification. Third, both crown shape index (SI) and coefficient of variation (CV) can be extracted from LiDAR data as invariant variables in tree’s life cycle, and improve ash tree identification by integrating with pixel-weighted crown spectra. Therefore, three major contributions of this research have been made in the field of tree species classification:1) the automatic estimation of individual tree crown width from LiDAR data by combining a generalized geometric model and a regression model, 2) the computation of relative pure crown-scale spectral reflectance using a pixel-weighting algorithm for tree species classification, 3) the fusion of shape-related structural features and pixel-weighted crown-scale spectral features for improving of ash tree identification

Mineral identification using data-mining in hyperspectral infrared imagery

Les applications de l’imagerie infrarouge dans le domaine de la géologie sont principalement des applications hyperspectrales. Elles permettent entre autre l’identification minérale, la cartographie, ainsi que l’estimation de la portée. Le plus souvent, ces acquisitions sont réalisées in-situ soit à l’aide de capteurs aéroportés, soit à l’aide de dispositifs portatifs. La découverte de minéraux indicateurs a permis d’améliorer grandement l’exploration minérale. Ceci est en partie dû à l’utilisation d’instruments portatifs. Dans ce contexte le développement de systèmes automatisés permettrait d’augmenter à la fois la qualité de l’exploration et la précision de la détection des indicateurs. C’est dans ce cadre que s’inscrit le travail mené dans ce doctorat. Le sujet consistait en l’utilisation de méthodes d’apprentissage automatique appliquées à l’analyse (au traitement) d’images hyperspectrales prises dans les longueurs d’onde infrarouge. L’objectif recherché étant l’identification de grains minéraux de petites tailles utilisés comme indicateurs minéral -ogiques. Une application potentielle de cette recherche serait le développement d’un outil logiciel d’assistance pour l’analyse des échantillons lors de l’exploration minérale. Les expériences ont été menées en laboratoire dans la gamme relative à l’infrarouge thermique (Long Wave InfraRed, LWIR) de 7.7m à 11.8 m. Ces essais ont permis de proposer une méthode pour calculer l’annulation du continuum. La méthode utilisée lors de ces essais utilise la factorisation matricielle non négative (NMF). En utlisant une factorisation du premier ordre on peut déduire le rayonnement de pénétration, lequel peut ensuite être comparé et analysé par rapport à d’autres méthodes plus communes. L’analyse des résultats spectraux en comparaison avec plusieurs bibliothèques existantes de données a permis de mettre en évidence la suppression du continuum. Les expérience ayant menés à ce résultat ont été conduites en utilisant une plaque Infragold ainsi qu’un objectif macro LWIR. L’identification automatique de grains de différents matériaux tels que la pyrope, l’olivine et le quartz a commencé. Lors d’une phase de comparaison entre des approches supervisées et non supervisées, cette dernière s’est montrée plus approprié en raison du comportement indépendant par rapport à l’étape d’entraînement. Afin de confirmer la qualité de ces résultats quatre expériences ont été menées. Lors d’une première expérience deux algorithmes ont été évalués pour application de regroupements en utilisant l’approche FCC (False Colour Composite). Cet essai a permis d’observer une vitesse de convergence, jusqu’a vingt fois plus rapide, ainsi qu’une efficacité significativement accrue concernant l’identification en comparaison des résultats de la littérature. Cependant des essais effectués sur des données LWIR ont montré un manque de prédiction de la surface du grain lorsque les grains étaient irréguliers avec présence d’agrégats minéraux. La seconde expérience a consisté, en une analyse quantitaive comparative entre deux bases de données de Ground Truth (GT), nommée rigid-GT et observed-GT (rigide-GT: étiquet manuel de la région, observée-GT:étiquetage manuel les pixels). La précision des résultats était 1.5 fois meilleur lorsque l’on a utlisé la base de données observed-GT que rigid-GT. Pour les deux dernières epxérience, des données venant d’un MEB (Microscope Électronique à Balayage) ainsi que d’un microscopie à fluorescence (XRF) ont été ajoutées. Ces données ont permis d’introduire des informations relatives tant aux agrégats minéraux qu’à la surface des grains. Les résultats ont été comparés par des techniques d’identification automatique des minéraux, utilisant ArcGIS. Cette dernière a montré une performance prometteuse quand à l’identification automatique et à aussi été utilisée pour la GT de validation. Dans l’ensemble, les quatre méthodes de cette thèse représentent des méthodologies bénéfiques pour l’identification des minéraux. Ces méthodes présentent l’avantage d’être non-destructives, relativement précises et d’avoir un faible coût en temps calcul ce qui pourrait les qualifier pour être utilisée dans des conditions de laboratoire ou sur le terrain.The geological applications of hyperspectral infrared imagery mainly consist in mineral identification, mapping, airborne or portable instruments, and core logging. Finding the mineral indicators offer considerable benefits in terms of mineralogy and mineral exploration which usually involves application of portable instrument and core logging. Moreover, faster and more mechanized systems development increases the precision of identifying mineral indicators and avoid any possible mis-classification. Therefore, the objective of this thesis was to create a tool to using hyperspectral infrared imagery and process the data through image analysis and machine learning methods to identify small size mineral grains used as mineral indicators. This system would be applied for different circumstances to provide an assistant for geological analysis and mineralogy exploration. The experiments were conducted in laboratory conditions in the long-wave infrared (7.7μm to 11.8μm - LWIR), with a LWIR-macro lens (to improve spatial resolution), an Infragold plate, and a heating source. The process began with a method to calculate the continuum removal. The approach is the application of Non-negative Matrix Factorization (NMF) to extract Rank-1 NMF and estimate the down-welling radiance and then compare it with other conventional methods. The results indicate successful suppression of the continuum from the spectra and enable the spectra to be compared with spectral libraries. Afterwards, to have an automated system, supervised and unsupervised approaches have been tested for identification of pyrope, olivine and quartz grains. The results indicated that the unsupervised approach was more suitable due to independent behavior against training stage. Once these results obtained, two algorithms were tested to create False Color Composites (FCC) applying a clustering approach. The results of this comparison indicate significant computational efficiency (more than 20 times faster) and promising performance for mineral identification. Finally, the reliability of the automated LWIR hyperspectral infrared mineral identification has been tested and the difficulty for identification of the irregular grain’s surface along with the mineral aggregates has been verified. The results were compared to two different Ground Truth(GT) (i.e. rigid-GT and observed-GT) for quantitative calculation. Observed-GT increased the accuracy up to 1.5 times than rigid-GT. The samples were also examined by Micro X-ray Fluorescence (XRF) and Scanning Electron Microscope (SEM) in order to retrieve information for the mineral aggregates and the grain’s surface (biotite, epidote, goethite, diopside, smithsonite, tourmaline, kyanite, scheelite, pyrope, olivine, and quartz). The results of XRF imagery compared with automatic mineral identification techniques, using ArcGIS, and represented a promising performance for automatic identification and have been used for GT validation. In overall, the four methods (i.e. 1.Continuum removal methods; 2. Classification or clustering methods for mineral identification; 3. Two algorithms for clustering of mineral spectra; 4. Reliability verification) in this thesis represent beneficial methodologies to identify minerals. These methods have the advantages to be a non-destructive, relatively accurate and have low computational complexity that might be used to identify and assess mineral grains in the laboratory conditions or in the field

When Evolutionary Computing Meets Astro- and Geoinformatics

International audienceKnowledge discovery from data typically includes solving some type of an optimization problem that can be efficiently addressed using algorithms belonging to the class of evolutionary and bio-inspired computation. In this chapter, we give an overview of the various kinds of evolutionary algorithms, such as genetic algorithms, evolutionary strategy, evolutionary and genetic programming, differential evolution, and coevolutionary algorithms, as well as several other bio-inspired approaches, like swarm intelligence and artificial immune systems. After elaborating on the methodology, we provide numerous examples of applications in astronomy and geoscience and show how these algorithms can be applied within a distributed environment, by making use of parallel computing, which is essential when dealing with Big Data