Image Processing and Machine Learning for Hyperspectral Unmixing: An Overview and the HySUPP Python Package

Spectral pixels are often a mixture of the pure spectra of the materials, called endmembers, due to the low spatial resolution of hyperspectral sensors, double scattering, and intimate mixtures of materials in the scenes. Unmixing estimates the fractional abundances of the endmembers within the pixel. Depending on the prior knowledge of endmembers, linear unmixing can be divided into three main groups: supervised, semi-supervised, and unsupervised (blind) linear unmixing. Advances in Image processing and machine learning substantially affected unmixing. This paper provides an overview of advanced and conventional unmixing approaches. Additionally, we draw a critical comparison between advanced and conventional techniques from the three categories. We compare the performance of the unmixing techniques on three simulated and two real datasets. The experimental results reveal the advantages of different unmixing categories for different unmixing scenarios. Moreover, we provide an open-source Python-based package available at https://github.com/BehnoodRasti/HySUPP to reproduce the results

Blind Hyperspectral Unmixing Using Autoencoders

The subject of this thesis is blind hyperspectral unmixing using deep learning based autoencoders. Two methods based on autoencoders are proposed and analyzed. Both methods seek to exploit the spatial correlations in the hyperspectral images to improve the performance. One by using multitask learning to simultaneously unmix a neighbourhood of pixels while the other by using a convolutional neural network autoencoder. This increases the consistency and robustness of the methods. In addition, a review of the various autoencoder methods in the literature is given along with a detailed discussion of different types of autoencoders. The thesis concludes by a critical comparison of eleven different autoencoder based methods. Ablation experiments are performed to answer the question of why autoencoders are so effective in blind hyperspectral unmixing, and an opinion is given on what the future in autoencoder unmixing holds.Efni þessarar ritgerðar er aðgreining fjölrásamynda (e. blind hyperspectral unmixing) með sjálfkóðurum (e. autoencoders) byggðum á djúpum lærdómi (e. deep learning). Tvær aðferðir byggðar á sjálfkóðurum eru kynntar og rannsakaðar. Báðar aðferðirnar leitast við að nýta sér rúmfræðilega fylgni rófa í fjölrásamyndum til að bæta árangur aðgreiningar. Ein aðferð með að nýta sér fjölbeitingarlærdóm (e. multitask learning) og hin með að nota sjálfkóðara útfærðan með földunartaugnaneti (e. convolutional neural network). Hvortveggja bætir samkvæmni og hæfni fjölrásagreiningarinnar. Ennfremur inniheldur ritgerðin yfirgripsmikið yfirlit yfir þær sjálfkóðaraaðferðir sem hafa verið birtar ásamt greinargóðri umræðu um mismunandi gerðir sjálfkóðara og útfærslur á þeim. í lok ritgerðarinnar er svo að finna gagnrýninn samanburð á 11 mismunandi aðferðum byggðum á sjálfkóðurum. Brottnáms (e. ablation) tilraunir eru gerðar til að svara spurningunni hvers vegna sjálfkóðarar eru svo árangursríkir í fjölrásagreiningu og stuttlega rætt um hvað framtíðin ber í skauti sér varðandi aðgreiningu fjölrásamynda með sjálfkóðurum. Megin framlag ritgerðarinnar er eftirfarandi: - Ný sjálfkóðaraaðferð, MTLAEU, sem nýtir á beinan hátt rúmfræðilega fylgni rófa í fjölrásamyndum til að bæta árangur aðgreiningar. Aðferðin notar fjölbeitingarlærdóm til að aðgreina grennd af rófum í einu. - Ný aðferð, CNNAEU, sem notar 2D földunartaugnanet fyrir bæði kóðara og afkóðara og er fyrsta birta aðferðin til að gera það. Aðferðin er þjálfuð á myndbútum (e.patches) og því er rúmfræðileg bygging myndarinnar sem greina á varðveitt í gegnum aðferðina. - Yfirgripsmikil og ítarlegt fræðilegt yfirlit yfir birtar sjálfkóðaraaðferðir fyrir fjölrásagreiningu. Gefinn er inngangur að sjálfkóðurum og elstu tegundir sjálfkóðara eru kynntar. Gefið er greinargott yfirlit yfir helstu birtar aðferðir fyrir fjölrásagreiningu sem byggja á sjálfkóðurum og gerður er gangrýninn samburður á 11 mismunandi sjálfkóðaraaðferðum.The Icelandic Research Fund under Grants 174075-05 and 207233-05