Advances in Data Mining Knowledge Discovery and Applications

Advances in Data Mining Knowledge Discovery and Applications aims to help data miners, researchers, scholars, and PhD students who wish to apply data mining techniques. The primary contribution of this book is highlighting frontier fields and implementations of the knowledge discovery and data mining. It seems to be same things are repeated again. But in general, same approach and techniques may help us in different fields and expertise areas. This book presents knowledge discovery and data mining applications in two different sections. As known that, data mining covers areas of statistics, machine learning, data management and databases, pattern recognition, artificial intelligence, and other areas. In this book, most of the areas are covered with different data mining applications. The eighteen chapters have been classified in two parts: Knowledge Discovery and Data Mining Applications

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

Multi-tier framework for the inferential measurement and data-driven modeling

A framework for the inferential measurement and data-driven modeling has been proposed and assessed in several real-world application domains. The architecture of the framework has been structured in multiple tiers to facilitate extensibility and the integration of new components. Each of the proposed four tiers has been assessed in an uncoupled way to verify their suitability. The first tier, dealing with exploratory data analysis, has been assessed with the characterization of the chemical space related to the biodegradation of organic chemicals. This analysis has established relationships between physicochemical variables and biodegradation rates that have been used for model development. At the preprocessing level, a novel method for feature selection based on dissimilarity measures between Self-Organizing maps (SOM) has been developed and assessed. The proposed method selected more features than others published in literature but leads to models with improved predictive power. Single and multiple data imputation techniques based on the SOM have also been used to recover missing data in a Waste Water Treatment Plant benchmark. A new dynamic method to adjust the centers and widths of in Radial basis Function networks has been proposed to predict water quality. The proposed method outperformed other neural networks. The proposed modeling components have also been assessed in the development of prediction and classification models for biodegradation rates in different media. The results obtained proved the suitability of this approach to develop data-driven models when the complex dynamics of the process prevents the formulation of mechanistic models. The use of rule generation algorithms and Bayesian dependency models has been preliminary screened to provide the framework with interpretation capabilities. Preliminary results obtained from the classification of Modes of Toxic Action (MOA) indicate that this could be a promising approach to use MOAs as proxy indicators of human health effects of chemicals.Finally, the complete framework has been applied to three different modeling scenarios. A virtual sensor system, capable of inferring product quality indices from primary process variables has been developed and assessed. The system was integrated with the control system in a real chemical plant outperforming multi-linear correlation models usually adopted by chemical manufacturers. A model to predict carcinogenicity from molecular structure for a set of aromatic compounds has been developed and tested. Results obtained after the application of the SOM-dissimilarity feature selection method yielded better results than models published in the literature. Finally, the framework has been used to facilitate a new approach for environmental modeling and risk management within geographical information systems (GIS). The SOM has been successfully used to characterize exposure scenarios and to provide estimations of missing data through geographic interpolation. The combination of SOM and Gaussian Mixture models facilitated the formulation of a new probabilistic risk assessment approach.Aquesta tesi proposa i avalua en diverses aplicacions reals, un marc general de treball per al desenvolupament de sistemes de mesurament inferencial i de modelat basats en dades. L'arquitectura d'aquest marc de treball s'organitza en diverses capes que faciliten la seva extensibilitat així com la integració de nous components. Cadascun dels quatre nivells en que s'estructura la proposta de marc de treball ha estat avaluat de forma independent per a verificar la seva funcionalitat. El primer que nivell s'ocupa de l'anàlisi exploratòria de dades ha esta avaluat a partir de la caracterització de l'espai químic corresponent a la biodegradació de certs compostos orgànics. Fruit d'aquest anàlisi s'han establert relacions entre diverses variables físico-químiques que han estat emprades posteriorment per al desenvolupament de models de biodegradació. A nivell del preprocés de les dades s'ha desenvolupat i avaluat una nova metodologia per a la selecció de variables basada en l'ús del Mapes Autoorganitzats (SOM). Tot i que el mètode proposat selecciona, en general, un major nombre de variables que altres mètodes proposats a la literatura, els models resultants mostren una millor capacitat predictiva. S'han avaluat també tot un conjunt de tècniques d'imputació de dades basades en el SOM amb un conjunt de dades estàndard corresponent als paràmetres d'operació d'una planta de tractament d'aigües residuals. Es proposa i avalua en un problema de predicció de qualitat en aigua un nou model dinàmic per a ajustar el centre i la dispersió en xarxes de funcions de base radial. El mètode proposat millora els resultats obtinguts amb altres arquitectures neuronals. Els components de modelat proposat s'han aplicat també al desenvolupament de models predictius i de classificació de les velocitats de biodegradació de compostos orgànics en diferents medis. Els resultats obtinguts demostren la viabilitat d'aquesta aproximació per a desenvolupar models basats en dades en aquells casos en els que la complexitat de dinàmica del procés impedeix formular models mecanicistes. S'ha dut a terme un estudi preliminar de l'ús de algorismes de generació de regles i de grafs de dependència bayesiana per a introduir una nova capa que faciliti la interpretació dels models. Els resultats preliminars obtinguts a partir de la classificació dels Modes d'acció Tòxica (MOA) apunten a que l'ús dels MOA com a indicadors intermediaris dels efectes dels compostos químics en la salut és una aproximació factible.Finalment, el marc de treball proposat s'ha aplicat en tres escenaris de modelat diferents. En primer lloc, s'ha desenvolupat i avaluat un sensor virtual capaç d'inferir índexs de qualitat a partir de variables primàries de procés. El sensor resultant ha estat implementat en una planta química real millorant els resultats de les correlacions multilineals emprades habitualment. S'ha desenvolupat i avaluat un model per a predir els efectes carcinògens d'un grup de compostos aromàtics a partir de la seva estructura molecular. Els resultats obtinguts desprès d'aplicar el mètode de selecció de variables basat en el SOM milloren els resultats prèviament publicats. Aquest marc de treball s'ha usat també per a proporcionar una nova aproximació al modelat ambiental i l'anàlisi de risc amb sistemes d'informació geogràfica (GIS). S'ha usat el SOM per a caracteritzar escenaris d'exposició i per a desenvolupar un nou mètode d'interpolació geogràfica. La combinació del SOM amb els models de mescla de gaussianes dona una nova formulació al problema de l'anàlisi de risc des d'un punt de vista probabilístic

AFRANCI : multi-layer architecture for cognitive agents

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201