A Quantitative Assessment of Forest Cover Change in the Moulouya River Watershed (Morocco) by the Integration of a Subpixel-Based and Object-Based Analysis of Landsat Data

A quantitative assessment of forest cover change in the Moulouya River watershed (Morocco) was carried out by means of an innovative approach from atmospherically corrected reflectance Landsat images corresponding to 1984 (Landsat 5 Thematic Mapper) and 2013 (Landsat 8 Operational Land Imager). An object-based image analysis (OBIA) was undertaken to classify segmented objects as forested or non-forested within the 2013 Landsat orthomosaic. A Random Forest classifier was applied to a set of training data based on a features vector composed of different types of object features such as vegetation indices, mean spectral values and pixel-based fractional cover derived from probabilistic spectral mixture analysis). The very high spatial resolution image data of Google Earth 2013 were employed to train/validate the Random Forest classifier, ranking the NDVI vegetation index and the corresponding pixel-based percentages of photosynthetic vegetation and bare soil as the most statistically significant object features to extract forested and non-forested areas. Regarding classification accuracy, an overall accuracy of 92.34% was achieved. The previously developed classification scheme was applied to the 1984 Landsat data to extract the forest cover change between 1984 and 2013, showing a slight net increase of 5.3% (ca. 8800 ha) in forested areas for the whole region

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

Semi-Supervised Normalized Embeddings for Fusion and Land-Use Classification of Multiple View Data

Land-use classification from multiple data sources is an important problem in remote sensing. Data fusion algorithms like Semi-Supervised Manifold Alignment (SSMA) and Manifold Alignment with Schroedinger Eigenmaps (SEMA) use spectral and/or spatial features from multispectral, multimodal imagery to project each data source into a common latent space in which classification can be performed. However, in order for these algorithms to be well-posed, they require an expert user to either directly identify pairwise dissimilarities in the data or to identify class labels for a subset of points from which pairwise dissimilarities can be derived. In this paper, we propose a related data fusion technique, which we refer to as Semi-Supervised Normalized Embeddings (SSNE). SSNE is defined by modifying the SSMA/SEMA objective functions to incorporate an extra normalization term that enables a latent space to be well-defined even when no pairwise-dissimilarities are provided. Using publicly available data from the 2017 IEEE GRSS Data Fusion Contest, we show that SSNE enables similar land-use classification performance to SSMA/SEMA in scenarios where pairwise dissimilarities are available, but that unlike SSMA/SEMA, it also enables land-use classification in other scenarios. We compare the effect of applying different classification algorithms including a support vector machine (SVM), a linear discriminant analysis classifier (LDA), and a random forest classifier (RF); we show that SSMA/SEMA and SSNE robust to the use of different classifiers. In addition to comparing the classification performance of SSNE to SSMA/SEMA and comparing classification algorithm, we utilize manifold alignment to classify unknown views

Mapping Chestnut Stands Using Bi-Temporal VHR Data

This study analyzes the potential of very high resolution (VHR) remote sensing images and extended morphological profiles for mapping Chestnut stands on Tenerife Island (Canary Islands, Spain). Regarding their relevance for ecosystem services in the region (cultural and provisioning services) the public sector demand up-to-date information on chestnut and a simple straight-forward approach is presented in this study. We used two VHR WorldView images (March and May 2015) to cover different phenological phases. Moreover, we included spatial information in the classification process by extended morphological profiles (EMPs). Random forest is used for the classification process and we analyzed the impact of the bi-temporal information as well as of the spatial information on the classification accuracies. The detailed accuracy assessment clearly reveals the benefit of bi-temporal VHR WorldView images and spatial information, derived by EMPs, in terms of the mapping accuracy. The bi-temporal classification outperforms or at least performs equally well when compared to the classification accuracies achieved by the mono-temporal data. The inclusion of spatial information by EMPs further increases the classification accuracy by 5% and reduces the quantity and allocation disagreements on the final map. Overall the new proposed classification strategy proves useful for mapping chestnut stands in a heterogeneous and complex landscape, such as the municipality of La Orotava, Tenerife

Forestry and Arboriculture Applications Using High-Resolution Imagery from Unmanned Aerial Vehicles (UAV)

Forests cover over one-third of the planet and provide unmeasurable benefits to the ecosystem. Forest managers have collected and processed countless amounts of data for use in studying, planning, and management of these forests. Data collection has evolved from completely manual operations to the incorporation of technology that has increased the efficiency of data collection and decreased overall costs. Many technological advances have been made that can be incorporated into natural resources disciplines. Laser measuring devices, handheld data collectors and more recently, unmanned aerial vehicles, are just a few items that are playing a major role in the way data is managed and collected. Field hardware has also been aided with new and improved mobile and computer software. Over the course of this study, field technology along with computer advancements have been utilized to aid in forestry and arboricultural applications. Three-dimensional point cloud data that represent tree shape and height were extracted and examined for accuracy. Traditional fieldwork collection (tree height, tree diameter and canopy metrics) was derived from remotely sensed data by using new modeling techniques which will result in time and cost savings. Using high resolution aerial photography, individual tree species are classified to support tree inventory development. Point clouds were used to create digital elevation models (DEM) which can further be used in hydrology analysis, slope, aspect, and hillshades. Digital terrain models (DTM) are in geographic information system (GIS), and along with DEMs, used to create canopy height models (CHM). The results of this study can enhance how the data are utilized and prompt further research and new initiatives that will improve and garner new insight for the use of remotely sensed data in forest management

Estimation of leaf area index and its sunlit portion from DSCOVR EPIC data: theoretical basis

This paper presents the theoretical basis of the algorithm designed for the generation of leaf area index and diurnal course of its sunlit portion from NASA's Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) onboard NOAA's Deep Space Climate Observatory (DSCOVR). The Look-up-Table (LUT) approach implemented in the MODIS operational LAI/FPAR algorithm is adopted. The LUT, which is the heart of the approach, has been significantly modified. First, its parameterization incorporates the canopy hot spot phenomenon and recent advances in the theory of canopy spectral invariants. This allows more accurate decoupling of the structural and radiometric components of the measured Bidirectional Reflectance Factor (BRF), improves scaling properties of the LUT and consequently simplifies adjustments of the algorithm for data spatial resolution and spectral band compositions. Second, the stochastic radiative transfer equations are used to generate the LUT for all biome types. The equations naturally account for radiative effects of the three-dimensional canopy structure on the BRF and allow for an accurate discrimination between sunlit and shaded leaf areas. Third, the LUT entries are measurable, i.e., they can be independently derived from both below canopy measurements of the transmitted and above canopy measurements of reflected radiation fields. This feature makes possible direct validation of the LUT, facilitates identification of its deficiencies and development of refinements. Analyses of field data on canopy structure and leaf optics collected at 18 sites in the Hyytiälä forest in southern boreal zone in Finland and hyperspectral images acquired by the EO-1 Hyperion sensor support the theoretical basis.Shared Services Center NAS

Spectral Band Selection for Ensemble Classification of Hyperspectral Images with Applications to Agriculture and Food Safety

In this dissertation, an ensemble non-uniform spectral feature selection and a kernel density decision fusion framework are proposed for the classification of hyperspectral data using a support vector machine classifier. Hyperspectral data has more number of bands and they are always highly correlated. To utilize the complete potential, a feature selection step is necessary. In an ensemble situation, there are mainly two challenges: (1) Creating diverse set of classifiers in order to achieve a higher classification accuracy when compared to a single classifier. This can either be achieved by having different classifiers or by having different subsets of features for each classifier in the ensemble. (2) Designing a robust decision fusion stage to fully utilize the decision produced by individual classifiers. This dissertation tests the efficacy of the proposed approach to classify hyperspectral data from different applications. Since these datasets have a small number of training samples with larger number of highly correlated features, conventional feature selection approaches such as random feature selection cannot utilize the variability in the correlation level between bands to achieve diverse subsets for classification. In contrast, the approach proposed in this dissertation utilizes the variability in the correlation between bands by dividing the spectrum into groups and selecting bands from each group according to its size. The intelligent decision fusion proposed in this approach uses the probability density of training classes to produce a final class label. The experimental results demonstrate the validity of the proposed framework that results in improvements in the overall, user, and producer accuracies compared to other state-of-the-art techniques. The experiments demonstrate the ability of the proposed approach to produce more diverse feature selection over conventional approaches

Hyperspectral Imaging for Fine to Medium Scale Applications in Environmental Sciences

The aim of the Special Issue “Hyperspectral Imaging for Fine to Medium Scale Applications in Environmental Sciences” was to present a selection of innovative studies using hyperspectral imaging (HSI) in different thematic fields. This intention reflects the technical developments in the last three decades, which have brought the capacity of HSI to provide spectrally, spatially and temporally detailed data, favoured by e.g., hyperspectral snapshot technologies, miniaturized hyperspectral sensors and hyperspectral microscopy imaging. The present book comprises a suite of papers in various fields of environmental sciences—geology/mineral exploration, digital soil mapping, mapping and characterization of vegetation, and sensing of water bodies (including under-ice and underwater applications). In addition, there are two rather methodically/technically-oriented contributions dealing with the optimized processing of UAV data and on the design and test of a multi-channel optical receiver for ground-based applications. All in all, this compilation documents that HSI is a multi-faceted research topic and will remain so in the future