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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 especÃfico. 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 depatologÃas especÃficas 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 sanguÃneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografÃacomputerizada 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 clÃnica.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 podÃa 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 contenÃa 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 mayorÃa [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 pÃxel a pÃxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los pÃxeles ruidosos pueden interferir en las estadÃsticas 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 lÃmites de clasemediante el muestreo de pÃxeles 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 paÃses, 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 paÃses 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, asà como el cÃngulo 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 sanguÃneosLa segmentación de los vasos sanguÃneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clÃnica 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 ilÃaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormÃnimo de la aorta alcanza los 3 centÃmetros [5]. La mayorÃa delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los sÃntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales caracterÃsticas clÃnicas 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 sÃntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patologÃa 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 sanguÃneos; (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 tomografÃa computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografÃacomputerizada 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
A Comprehensive Survey of Deep Learning in Remote Sensing: Theories, Tools and Challenges for the Community
In recent years, deep learning (DL), a re-branding of neural networks (NNs),
has risen to the top in numerous areas, namely computer vision (CV), speech
recognition, natural language processing, etc. Whereas remote sensing (RS)
possesses a number of unique challenges, primarily related to sensors and
applications, inevitably RS draws from many of the same theories as CV; e.g.,
statistics, fusion, and machine learning, to name a few. This means that the RS
community should be aware of, if not at the leading edge of, of advancements
like DL. Herein, we provide the most comprehensive survey of state-of-the-art
RS DL research. We also review recent new developments in the DL field that can
be used in DL for RS. Namely, we focus on theories, tools and challenges for
the RS community. Specifically, we focus on unsolved challenges and
opportunities as it relates to (i) inadequate data sets, (ii)
human-understandable solutions for modelling physical phenomena, (iii) Big
Data, (iv) non-traditional heterogeneous data sources, (v) DL architectures and
learning algorithms for spectral, spatial and temporal data, (vi) transfer
learning, (vii) an improved theoretical understanding of DL systems, (viii)
high barriers to entry, and (ix) training and optimizing the DL.Comment: 64 pages, 411 references. To appear in Journal of Applied Remote
Sensin
Leaf area index and aboveground biomass estimation of Populus and its hybrids using terrestrial LiDAR
Short rotation woody crops (SRWC) eastern cottonwood (Populus deltoides) and hybrid poplar plantations were established in 2021 in Pontotoc and Oktibbeha counties of Mississippi to study the biomass potential of SRWC for biofuel production. We used a novel backpack LiDAR system to measure forest metrics and harvested sample trees to build aboveground biomass (AGB) and leaf area index (LAI) equations. The results showed that LiDAR-derived variables accurately estimated aboveground biomass (R2 =0.81 and 29.22 % RMSE). However, the LAI estimation results showed that the LiDAR metrics moderately explained field measurements of LAI (R2 =0.31 and 18.05% RMSE) for individual-trees and poorly explained plot-level LAI measured with the LAI-2200C (R2 =0.11 and 66% RMSE). The backpack LiDAR system can be valuable for forest managers and researchers, enabling non-destructive AGB and LAI estimation. However, further research is required to overcome its limitations and achieve precise measurements of AGB and LAI
Toward a General-Purpose Heterogeneous Ensemble for Pattern Classification
We perform an extensive study of the performance of different classification approaches on twenty-five datasets (fourteen image datasets and eleven UCI data mining datasets). The aim is to find General-Purpose (GP) heterogeneous ensembles (requiring little to no parameter tuning) that perform competitively across multiple datasets. The state-of-the-art classifiers examined in this study include the support vector machine, Gaussian process classifiers, random subspace of adaboost, random subspace of rotation boosting, and deep learning classifiers. We demonstrate that a heterogeneous ensemble based on the simple fusion by sum rule of different classifiers performs consistently well across all twenty-five datasets. The most important result of our investigation is demonstrating that some very recent approaches, including the heterogeneous ensemble we propose in this paper, are capable of outperforming an SVM classifier (implemented with LibSVM), even when both kernel selection and SVM parameters are carefully tuned for each dataset
Deep learning in remote sensing: a review
Standing at the paradigm shift towards data-intensive science, machine
learning techniques are becoming increasingly important. In particular, as a
major breakthrough in the field, deep learning has proven as an extremely
powerful tool in many fields. Shall we embrace deep learning as the key to all?
Or, should we resist a 'black-box' solution? There are controversial opinions
in the remote sensing community. In this article, we analyze the challenges of
using deep learning for remote sensing data analysis, review the recent
advances, and provide resources to make deep learning in remote sensing
ridiculously simple to start with. More importantly, we advocate remote sensing
scientists to bring their expertise into deep learning, and use it as an
implicit general model to tackle unprecedented large-scale influential
challenges, such as climate change and urbanization.Comment: Accepted for publication IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazin
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