Techniques for the extraction of spatial and spectral information in the supervised classification of hyperspectral imagery for land-cover applications

The objective of this PhD thesis is the development of spatialspectral information extraction techniques for supervised classification tasks, both by means of classical models and those based on deep learning, to be used in the classification of land use or land cover (LULC) multi- and hyper-spectral images obtained by remote sensing. The main goal is the efficient application of these techniques, so that they are able to obtain satisfactory classification results with a low use of computational resources and low execution time

Non-cooperative iris recognition

The dramatic growth in practical applications for iris biometrics has been accompanied by relevant developments in the underlying algorithms and techniques. Along with the research focused on near-infrared images captured with subject cooperation, e orts are being made to minimize the trade-o between the quality of the captured data and the recognition accuracy on less constrained environments, where images are obtained at the visible wavelength, at increased distances, over simpli ed acquisition protocols and adverse lightning conditions. At a rst stage, interpolation e ects on normalization process are addressed, pointing the outcomes in the overall recognition error rates. Secondly, a couple of post-processing steps to the Daugman's approach are performed, attempting to increase its performance in the particular unconstrained environments this thesis assumes. Analysis on both frequency and spatial domains and nally pattern recognition methods are applied in such e orts. This thesis embodies the study on how subject recognition can be achieved, without his cooperation, making use of iris data captured at-a-distance, on-the-move and at visible wavelength conditions. Widely used methods designed for constrained scenarios are analyzed.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Efficient multitemporal change detection techniques for hyperspectral images on GPU

Hyperspectral images contain hundreds of reflectance values for each pixel. Detecting regions of change in multiple hyperspectral images of the same scene taken at different times is of widespread interest for a large number of applications. For remote sensing, in particular, a very common application is land-cover analysis. The high dimensionality of the hyperspectral images makes the development of computationally efficient processing schemes critical. This thesis focuses on the development of change detection approaches at object level, based on supervised direct multidate classification, for hyperspectral datasets. The proposed approaches improve the accuracy of current state of the art algorithms and their projection onto Graphics Processing Units (GPUs) allows their execution in real-time scenarios

Predicting and Mapping of Soil Organic Carbon Using Machine Learning Algorithms in Northern Iran

Estimation of the soil organic carbon content is of utmost importance in understanding the chemical, physical, and biological functions of the soil. This study proposes machine learning algorithms of support vector machines, artificial neural networks, regression tree, random forest, extreme gradient boosting, and conventional deep neural network for advancing prediction models of SOC. Models are trained with 1879 composite surface soil samples, and 105 auxiliary data as predictors. The genetic algorithm is used as a feature selection approach to identify effective variables. The results indicate that precipitation is the most important predictor driving 15 percent of SOC spatial variability followed by the normalized difference vegetation index, day temperature index of moderate resolution imaging spectroradiometer, multiresolution valley bottom flatness and land use, respectively. Based on 10 fold cross validation, the DNN model reported as a superior algorithm with the lowest prediction error and uncertainty. In terms of accuracy, DNN yielded a mean absolute error of 59 percent, a root mean squared error of 75 percent, a coefficient of determination of 0.65, and Lins concordance correlation coefficient of 0.83. The SOC content was the highest in udic soil moisture regime class with mean values of 4 percent, followed by the aquic and xeric classes, respectively. Soils in dense forestlands had the highest SOC contents, whereas soils of younger geological age and alluvial fans had lower SOC. The proposed DNN is a promising algorithm for handling large numbers of auxiliary data at a province scale, and due to its flexible structure and the ability to extract more information from the auxiliary data surrounding the sampled observations, it had high accuracy for the prediction of the SOC baseline map and minimal uncertainty.Comment: 30pages, 9 figure

Spectral-spatial classification of n-dimensional images in real-time based on segmentation and mathematical morphology on GPUs

The objective of this thesis is to develop efficient schemes for spectral-spatial n-dimensional image classification. By efficient schemes, we mean schemes that produce good classification results in terms of accuracy, as well as schemes that can be executed in real-time on low-cost computing infrastructures, such as the Graphics Processing Units (GPUs) shipped in personal computers. The n-dimensional images include images with two and three dimensions, such as images coming from the medical domain, and also images ranging from ten to hundreds of dimensions, such as the multiand hyperspectral images acquired in remote sensing. In image analysis, classification is a regularly used method for information retrieval in areas such as medical diagnosis, surveillance, manufacturing and remote sensing, among others. In addition, as the hyperspectral images have been widely available in recent years owing to the reduction in the size and cost of the sensors, the number of applications at lab scale, such as food quality control, art forgery detection, disease diagnosis and forensics has also increased. Although there are many spectral-spatial classification schemes, most are computationally inefficient in terms of execution time. In addition, the need for efficient computation on low-cost computing infrastructures is increasing in line with the incorporation of technology into everyday applications. In this thesis we have proposed two spectral-spatial classification schemes: one based on segmentation and other based on wavelets and mathematical morphology. These schemes were designed with the aim of producing good classification results and they perform better than other schemes found in the literature based on segmentation and mathematical morphology in terms of accuracy. Additionally, it was necessary to develop techniques and strategies for efficient GPU computing, for example, a block–asynchronous strategy, resulting in an efficient implementation on GPU of the aforementioned spectral-spatial classification schemes. The optimal GPU parameters were analyzed and different data partitioning and thread block arrangements were studied to exploit the GPU resources. The results show that the GPU is an adequate computing platform for on-board processing of hyperspectral information

Use and assessment of remote sensing for the safety of maritime shipping

Αντικείμενο της εργασίας είναι η εφαρμογή της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για τον υπολογισμό και την εκτίμηση φυσικών παραμέτρων συνδεόμενων με κινδύνους για τη ναυτιλία. Ειδικότερα, μέσω της χρήσης δορυφορικών εικόνων σε διάφορες φασματικές περιοχές, θα εξαχθούν οι κατάλληλες παράμετροι, ώστε να μελετηθεί η κίνηση των θαλασσίων ρευμάτων, η μεταβλητότητα στην παγοκάλυψη σε διαύλους ναυσιπλοΐας, ο εντοπισμός πετρελαιοκηλίδων και η παρουσία επικίνδυνων φορτίων. Στο πλαίσιο της εργασίας, θα διαμορφωθεί η εργαλειοθήκη που θα συμβάλει στην ασφάλεια της ναυσιπλοΐας και θα αξιολογηθεί η εφαρμοστικότητά της και η δυνατότητα επιχειρησιακής χρήσης, βάσει των διαθέσιμων δεδομένων και μελλοντικών δορυφορικών αποστολών.The scope of this work is the implementation of satellite remote sensing for the calculation and estimation of physical parameters associated with risk for maritime shipping. In particular, through the use of satellite imagery in different spectral regions and the exploitation of the advantages of passive and active remote sensing, the appropriate parameters will be extracted, in order to study the wind speed and direction, the variability of sea ice coverage in marine channels, oil spillages and the presence of dangerous cargoes. As part of the work, Sentinel Application Platform (SNAP) and QGIS will be configured, which based on satellites observations, will contribute to marine navigation. Finally, the thesis will evaluate the applicability of the toolbox to business function depending on the available satellite data and the future satellite missions

Desarrollo de modelos para la identificación de variedades y fitopatologías mediante técnicas fotónicas

Pla de Doctorat Industrial de Catalunya. Tesi en modalitat de compendi de publicacionsIn the cultivation of fruit trees, the most common is to work with cuttings. In this way, the grafted fruit tree variety offers specific fruit qualities and the rootstock offers certain agronomic and adaptation characteristics. The grafts that come from varieties of the same species usually present a great genetic proximity, which makes them very difficult to identify by means of agro-morphological characters. For this reason, it is necessary to implement more complex methods to be able to distinguish them. Nowadays, the most widely used methods for varietal identification are based on DNA analysis, which allow obtaining molecular profiles. However, these biomolecular techniques require sophisticated instruments and facilities, time consuming, and are expensive. These drawbacks make the implementation of molecular techniques unfeasible as methods for the routine analysis of large volumes of samples. In this context, the nursery plant sector demands a rapid, no-destructive, accurate, and economic methods. The main objective of this thesis is to develop a method that allows identifying and differentiating varieties at the nursery plant level, together with the ability to assess their physiological status. The thesis is articulated in 4 articles published in indexed journals together with essays presented in the present work. The main results are to a) Protocols have been developed for the use of near infrared spectroscopy techniques, hyperspectral camera and artificial vision coupled to deep learning in fruit cuttings and cherry rootstocks; b) Near-infrared spectroscopy proved to be a technique capable of differentiating, with a very high degree of specificity, six varieties of almond (Prunus dulcis), but it presented limitations for its implementation in a production line; c) The use of the hyperspectral camera has proven adequate for the differentiation of three rootstock varieties and the analysis of the physiological state, including the premature detection of Pseudomonas syringae; d) The use of artificial vision coupled with deep learning has proven to be effective in the differentiation of almond varieties; e) The joint analysis of the results indicates that the best solution to be implemented in a production line would go through the implementation of the spectral camera for the control of the physiological state of the plants and the artificial vision coupled to deep learning for the varietal identification.En el cultivo de árboles frutales lo más habitual es trabajar con plantas injertadas. De esta forma, la variedad de árbol frutal injertada ofrece unas cualidades de fruto específicas y el portainjerto ofrece unas características agronómicas y de adaptación determinadas. Los injertos que provienen de variedades de una misma especie suelen presentar una gran proximidad genética, lo que genera que sean muy difíciles de identificar mediante caracteres agromorfológicos. Por esta razón, es necesario la implementación de métodos más complejos para poder distinguirlos. En la actualidad, los métodos más utilizados para la identificación varietal se basan en el análisis del ADN, los cuales permiten obtener perfiles moleculares. Sin embargo, estas técnicas biomoleculares requieren de instrumentos e instalaciones sofisticadas, no son rápidas de ejecutar y presentan un coste elevado. Estos inconvenientes hacen inviable la implementación de las técnicas moleculares como métodos de análisis rutinario de grandes volúmenes de muestras. En este contexto, el sector viverístico demanda nuevos métodos que seas rápidos, no destructivos, eficaces y con un coste por análisis bajo. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar un método que permita identificar y diferenciar variedades a nivel de planta de vivero junto con la capacidad de evaluar el estado fisiológico de las mismas. La tesis se articula en 4 artículos publicados en revistas indexadas junto con otros ensayos expuestos en el presente trabajo. Los principales resultados son: a) Se han desarrollado protocolos para el uso de técnicas de espectroscopia de infrarrojo cercano, cámara hiperespectral y visión artificial acoplado a deep learning en esquejes de frutales y portainjertos de cerezo; b) La espectroscopia de infrarrojo cercano demostró ser una técnica capaz de diferenciar, con un grado muy elevado de especificidad, seis variedades de almendro (Prunus dulcis), pero presentó limitaciones para su implementación en una línea de producción; c) El uso de la cámara hiperespectrales ha demostrado adecuado para la diferenciación de tres variedades de portainjerto y el análisis del estado fisiológico, incluyendo la detección prematura de Pseudomonas syringae; d) El uso de la visión artificial acoplada a deep learning ha demostrado ser eficaz en la diferenciación de variedades de almendro; e) El análisis conjunto de los resultados indican que la mejor solución para ser implementada en una línea de producción pasaría por la implementación de la cámara espectral para el control del estado fisiológico de las plantas y la visión artificial acoplada a deep learning para la identificación varietal.Postprint (published version

Innovations in non-destructive techniques for fruit quality control applied to manipulation and inspection lines

Tesis por compendioLa industria alimentaria, concretamente el sector poscosecha, necesita innovar en sus procesos productivos, optimizando los mismos para rentabilizar sus actividades, garantizando productos de calidad capaces de satisfacer las necesidades de los consumidores. La presente tesis doctoral se centra en evaluar el potencial de la espectroscopia VIS-NIR para la caracterización e inspección de la calidad de la fruta tanto fuera de línea como a tiempo real en procesos automatizados. En un primer lugar, la viabilidad de la técnica se estudió a nivel de laboratorio en estado estático (off-line), con el fin de conocer y optimizar las condiciones de medición. Posteriormente, se evaluó la calidad interna y externa de diferentes tipos de frutas como son caqui, nectarina y mango. En una segunda etapa, se llevó a cabo una automatización de los procesos de inspección mediante el desarrollo de nuevos prototipos in-line. Para este propósito, y con el objetivo de completar y corroborar los resultados obtenidos de manera estática, se estudió la integración de dos sondas VIS-NIR en una garra robótica capaz de manipular mangos. Finalmente, se estudió la integración de una sonda VIS-NIR a una cinta transportadora. Los resultados obtenidos a nivel estático han demostrado que la espectroscopia VIS-NIR es un método no destructivo muy prometedor para predecir la astringencia en caqui. Así mismo, ha demostrado ser una adecuada herramienta para clasificar al 100% entre variedades de nectarinas como "Big Top" y "Diamond Ray" con una apariencia externa e interna muy similar, pero con diferentes propiedades organolépticas. De manera similar, fue posible clasificar al 100% variedades como "Big Top" y "Magique" de apariencia externa y composición similar pero distinto color de pulpa., y además se desarrolló un índice de calidad interna (IQI) para evaluar la calidad de las nectarinas. Por lo que respecta a los trabajos off-line realizados con mangos de la variedad "Osteen", fue posible predecir su calidad interna mediante los índices de madurez (RPI) y de calidad (IQI) con un gran rendimiento. A su vez, los ensayos experimentales efectuados con estos mismos mangos bajo la manipulación no destructiva de una garra robótica, demostraron que los mejores modelos eran capaces de predecir tanto la firmeza mecánica, el contenido en sólidos solubles, la luminosidad de la pulpa, así como el índice RPI de las muestras en base a la información obtenida por los acelerómetros instalados en los dedos de la garra robótica. En cuanto a los ensayos realizados de manera in-line, el primer prototipo desarrollado se basó en la integración de dos sondas VIS-NIR en una garra robótica dispuesta con dos acelerómetros. El sistema desarrollado permitió alcanzar una buena estimación de la calidad del mango a través del índice RPI fusionando la información tanto de los espectros VIS-NIR como del impacto no destructivo de los acelerómetros. De este modo quedó demostrado que era posible obtener una predicción similar trabajando de forma in-line como trabajando de manera off-line para la predicción del mismo índice de calidad en mangos. El segundo prototipo in-line desarrollado se basa en la integración de una sonda VIS-NIR en una cinta transportadora para la identificación de distintas variedades y orígenes de manzanas. El prototipo desarrollado permitió registrar resultados de clasificación tan buenos como los efectuados de manera off-line con, por ejemplo, nectarina. De este modo, se puede concluir que la espectroscopia VIS-NIR permite monitorear la calidad y clasificar fruta poscosecha tanto en modo off-line como in-line. Los nuevos prototipos desarrollados aportan claras ventajas respecto a los procesos tradicionales realizados a mano, como son la reducción del tiempo de inspección, la disminución de la cantidad de residuos generados y la posibilidad de inspeccionar toda la producción, obteniendo así un análisis más estandarizThe food industry, concretely the post-harvest sector, needs to innovate in their production processes, optimizing them to make their activities profitable, guaranteeing quality products capable of satisfying the needs of consumers. The present doctoral thesis focuses on evaluating the potential of visible and near infrared spectroscopy (VIS-NIR) for the characterization and inspection of fruit quality both off-line and in real time in automated processes. Firstly, the viability of the technique was studied at the laboratory level in a static mode (off-line), in order to know and optimise the measurement conditions. Subsequently, the internal and external quality of different types of fruits such as persimmon, nectarine and mango were evaluated. Secondly, an automation of the inspection processes was carried out through the development of new in-line prototypes. For this purpose, and with the aim of completing and corroborating the results obtained in a static mode, the integration of two VIS-NIR probes in a robotic gripper capable of manipulating mangoes was studied. Finally, the integration of a VIS-NIR probe to a conveyor belt was studied as an in-line monitoring tool on the inspection process of different apple varieties. The results obtained in static mode have shown that VIS-NIR spectroscopy is a very promising non-destructive method to predict the astringency in persimmon. Likewise, it has demonstrated to be an adequate tool to classify 100% between nectarine varieties such as 'Big Top' and 'Diamond Ray' with very similar external and internal appearance, but with different organoleptic properties. Similarly, it was possible to classify 100% varieties such as 'Big Top' and 'Magique' with external appearance and similar composition but different pulp colour. An internal quality index (IQI) was developed to evaluate the quality of nectarines, which can be predicted through VIS-NIR spectroscopy. Regarding the off-line work carried out with mangoes of 'Osteen' variety, it was possible to predict its internal quality through the indexes of maturity (RPI) and quality (IQI) with a high performance. Moreover, the experimental tests carried out with these same mangoes under the non-destructive manipulation of a robotic gripper, showed that the best models were able to predict both the mechanical firmness, the soluble solids content, the brightness of the pulp, as well as the RPI index of the samples based on the information obtained by the accelerometers installed on the fingers of the robotic gripper. Regarding the tests carried out in an in-line mode, the first developed prototype was based on the integration of two VIS-NIR probes in a robotic gripper fitted with two accelerometers. The developed system allowed reaching a good estimation of mango quality through the RPI index. In this way, it was demonstrated that it was possible to obtain a similar prediction working in-line as off-line mode for the prediction of the same quality index in mangoes. The second developed in-line prototype is based on the integration of a VIS-NIR probe in a conveyor belt for the identification of different varieties and origins of apples, achieving a success rate of 98% with the system. The developed prototype allowed to register classification results as good as those carried out off-line with, for example, nectarine. In this way, it can be concluded that VIS-NIR spectroscopy allows monitoring the quality and classifying post-harvest fruit in both off-line and in-line mode, being a tool that allows improving and guaranteeing the correct quality and food safety. The new developed prototypes provide clear advantages over the traditional processes performed by hand, such as the reduction of inspection time, the reduction of the amount of waste generated by destructive quality analysis and the possibility of inspecting full production, obtaining a more standardised analysis of the quality of the products.La indústria alimentària, concretament el sector postcollita, necessita innovar en els seus processos productius, optimitzant els mateixos per a rendibilitzar les seues activitats, garantint productes de qualitat capaços de satisfer les necessitats dels consumidors. La present tesi doctoral es centra en avaluar el potencial de l'espectroscòpia visible i infraroig pròxim (VIS-NIR) per a la caracterització i la inspecció de la qualitat de la fruita tant fora de línia com a temps real en processos automatitzats. En un primer lloc, la viabilitat de la tècnica es va estudiar a nivell de laboratori en estat estàtic (off-line), a fi de conéixer i optimitzar les condicions de mesurament. Posteriorment, es va avaluar la qualitat interna i externa de diferents tipus de fruites com són caqui, nectarina i mango. En una segona etapa, es va dur a terme una automatització dels processos d'inspecció per mitjà del desenvolupament de nous prototips in-line. Per aquest propòsit, i amb l'objectiu de completar i corroborar els resultats obtinguts de manera estàtica, es va estudiar la integració de dos sondes VIS-NIR en una garra robòtica capaç de manipular. Finalment, es va estudiar la integració d'una sonda VIS-NIR a una cinta transportadora. Els resultats obtinguts a nivell estàtic han demostrat que l'espectroscòpia VIS-NIR és un mètode no destructiu molt prometedor per a predir l'astringència en caqui. Així mateix, ha demostrat ser una adequada ferramenta per a classificar al 100% entre varietats de nectarines com "Big Top" i "Diamond Ray" amb una aparença externa i interna molt semblant, però amb diferents propietats organolèptiques. De manera semblant, va ser possible classificar al 100% varietats com "Big Top" i "Magique" d'aparença externa i composició semblant però distint color de polpa. Es va desenvolupar un índex de qualitat interna (IQI) per avaluar la qualitat de les nectarines. Pel que fa als treballs off-line realitzats amb mangos de la varietat "Osteen" va ser possible predir la seua qualitat interna mitjançant els índexs de maduresa (RPI) i de qualitat (IQI) amb un gran rendiment. Al mateix temps, els assajos experimentals efectuats amb estos mateixos mangos baix la manipulació no destructiva d'una garra robòtica, van demostrar que els millors models eren capaços de predir tant la fermesa mecánica, el contingut en sòlids solubles, la lluminositat de la polpa, així com l'índex RPI de les mostres basant-se en l'informació obtinguda pels acceleròmetres instal¿lats en els dits de la garra robòtica. En quant als assajos realitzats de manera in-line, el primer prototip desenvolupat es va basar en la integració de dos sondes VIS-NIR en una garra robòtica disposada amb dos acceleròmetres. El sistema desenvolupat va permetre aconseguir una bona estimació de la qualitat del mango a través de l'índex RPI fusionant l'informació tant dels espectres VIS-NIR com de l'impacte no destructiu dels acceleròmetres. D'esta manera va quedar demostrat que era possible obtindre una predicció semblant treballant de forma in-line com off-line per a la predicció del mateix índex de qualitat en mangos. El segon prototip in-line desenvolupat es va basar en la integració d'una sonda VIS-NIR en una cinta transportadora per a l'identificació de distintes varietats i orígens de pomes. El prototip desenvolupat va permetre registrar resultats de classificació tan bons com els efectuats de manera off-line. D'aquesta manera, es pot concloure que l'espectroscòpia VIS-NIR permet monitorar la qualitat i classificar fruita postcollita tant en mode off-line com in-line. Els nous prototips desenvolupats aporten clars avantatges respecte als processos tradicionals realitzats a mà, com són la reducció del temps d'inspecció, la disminució de la quantitat de residus generats pels anàlisis destructives de qualitat i la possibilitat d'inspeccionar tota la producció, obtenint així un anàlisi més estandarditzCortés López, V. (2018). Innovations in non-destructive techniques for fruit quality control applied to manipulation and inspection lines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/110969TESISCompendi

Algoritmos avanzados para detección del síndrome de apnea-hipopnea obstructiva del sueño

El Síndrome de Apnea-Hipopnea Obstructiva del Sueño (SAHOS) es un trastorno del sueño muy prevalente en la población general y con afectación de múltiples órganos. Se estima que esta patología afecta entre el 3% y 5% de la población adulta en todo el mundo y aumenta con la edad. Si bien el SAHOS es más frecuente en adultos, afecta también a niños con una prevalencia cercana al 3%. Los eventos respiratorios asociados al SAHOS durante el sueño ocurren como consecuencia de una alteración anatómico-funcional de la vía aérea superior que producen su estrechamiento parcial (hipopnea) o su bloqueo total (apnea). Para establecer el grado de severidad del SAHOS, se define el Índice de Apnea-Hipopnea. Éste índice representa el número de eventos de apnea-hipopnea por hora de sueño. El estudio de referencia para el correcto diagnóstico del SAHOS es la Polisomnografía nocturna. Dado que este tipo de estudio requiere no solo de la medición simultánea de una gran cantidad de señales fisiológicas, sino también de una infraestructura especial y de personal calificado, es de muy difícil acceso y muy costosa en términos de tiempo y dinero.En esta tesis se aborda el diseño, desarrollo, implementación y evaluación de tres métodos para el reconocimiento automático de los eventos de apnea-hipopnea a partir del análisis y procesamiento de las señales de saturación de oxígeno en sangre (SaO2). En particular, se presentan dos métodos de selección de características denominados MDAS y MDCS, los cuales se basan en representaciones ralas de señales de SaO2 para el reconocimiento de eventos de apnea-hipopnea. Además, en esta tesis se introduce una nueva medida de discriminabilidad binaria denotada por DCAF, la cual es capaz de detectar átomos discriminativos en un diccionario. Asimismo, esta medida permite cuantificar eficientemente sus correspondientes grados de discriminabilidad, lo cual resulta útil a los efectos de la clasificación. Los métodos MDAS y MDCS hacen uso de la media DCAF para detectar los átomos más discriminativos de un diccionario dado y, a partir de ellos, realizan la selección de características. En particular, el método MDCS utiliza la medida DCAF para seleccionar los átomos más discriminativos y, a partir de ellos, construir un sub-diccionario. En base a los experimentos desarrollados en esta tesis, el desempeño de la nueva medida DCAF fue comparada con el de varias otras medidas de información del estado del arte. Los resultados muestran que DCAF logró un muy buen desempeño. Por otro lado, el nuevo método MDCS fue comparado con otros tres métodos del estado de arte, superando significativamente el desempeño de todos ellos.Esta tesis introduce además una extensión del problema de clasificación binaria a uno multi-clase. En este contexto, se propone una generalización de la medida DCAF (la cual tiene en cuenta solo dos clases en los datos) a más de dos clases. En particular, la nueva medida de discriminabilidad combinada no solo tiene en cuenta la probabilidad condicional de activación de los átomos en un diccionario dada la clase y el valor de su correspondiente coeficiente de activación, sino que también incorpora el efecto que éste tiene sobre el error total de representación. Asimismo, se presenta un nuevo método iterativo llamado DAS-KSVD para el aprendizaje de diccionarios estructurados en el contexto de problemas de clasificación multi-clase, que utiliza ésta medida. El nuevo método permite detectar los átomos más discriminativos para cada una de las clases. Utilizando una base de datos de dígitos manuscritos ampliamente utilizada en la literatura, se realizó un análisis del desempeño del método DAS-KSVD obteniéndose tasas de reconocimiento superiores a las obtenidas por técnicas semejantes del estado del arte. También se utilizó el nuevo método DAS-KSVD en un problema de clasificación multi-clase asociado al SAHOS. Los resultados obtenidos muestran que éste método tiene un muy buen desempeño en la detección de la patología.Fil: Rolon, Roman Emanuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas. Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional; Argentin

Application of hyperspectral imaging combined with chemometrics for the non-destructive evaluation of the quality of fruit in postharvest

Tesis por compendio[ES] El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar la técnica de imagen hiperespectral en el rango visible e infrarrojo cercano, en combinación con técnicas quimiométricas para la evaluación de la calidad de la fruta en poscosecha de manera eficaz y sostenible. Con este fin, se presentan diferentes estudios en los que se evalúa la calidad de algunas frutas que por su valor económico, estratégico o social, son de especial importancia en la Comunidad Valenciana como son el caqui 'Rojo Brillante', la granada 'Mollar de Elche', el níspero 'Algerie' o diferentes cultivares de nectarina. En primer lugar se llevó a cabo la monitorización de la calidad poscosecha de nectarinas 'Big Top' y 'Magique' usando imagen hiperespectral en reflectancia y transmitancia. Al mismo tiempo se evaluó la transmitancia para la detección de huesos abiertos. Se llevó a cabo también un estudio para distinguir los cultivares 'Big Top' y "Diamond Ray", los cuales poseen un aspecto muy similar pero sabor diferente. En cuanto al caqui 'Rojo Brillante', la imagen hiperespectral fue estudiada por una parte para monitorear su madurez, y por otra parte para evaluar la astringencia de esta fruta, que debe ser completamente eliminada antes de su comercialización. Las propiedades físico-químicas de la granada 'Mollar de Elche' fueron evaluadas usando imagen de color e hiperespectral durante su madurez usando la información de la fruta intacta y de los arilos. Finalmente, esta técnica se usó para caracterizar e identificar los defectos internos y externos del níspero 'Algerie'. En la predicción de los índices de calidad IQI y RPI usando imagen en reflectancia y transmitancia se obtuvieron valores de R2 alrededor de 0,90 y en la discriminación por firmeza, una precisión entorno al 95 % usando longitudes de onda seleccionadas. En cuanto a la detección de huesos abiertos, el uso de la imagen hiperespectral en transmitancia obtuvo un 93,5 % de clasificación correcta de frutas con hueso normal y 100 % con hueso abierto usando modelos PLS-DA y 7 longitudes de onda. Los resultados obtenidos en la clasificación de los cultivares 'Big Top' y 'Diamond Ray' mostraron una fiabilidad superior al 96,0 % mediante el uso de modelos PLS-DA y 14 longitudes de onda seleccionadas, superando a la imagen de color (56,9 %) y a un panel entrenado (54,5 %). Con respecto al caqui, los resultados obtenidos indicaron que es posible distinguir entre tres estados de madurez con una precisión del 96,0 % usando modelos QDA y se predijo su firmeza obteniendo un valor de R2 de 0,80 usando PLS-R. En cuanto a la astringencia, se llevaron a cabo dos estudios similares en los que en el primero se discriminó la fruta de acuerdo al tiempo de tratamiento con altas concentraciones de CO2 con una precisión entorno al 95,0 % usando QDA. En el segundo se discriminó la fruta de acuerdo a un valor de contenido en taninos (0,04 %) y se determinó qué área de la fruta era mejor para realizar esta discriminación. Así se obtuvo una precisión del 86,9 % usando la zona media y 23 longitudes de onda. Los resultados obtenidos para la granada indicaron que la imagen de color e hiperespectral poseen una precisión similar en la predicción de las propiedades fisicoquímicas usando PLS-R y la información de la fruta intacta. Sin embargo, cuando se usó la información de los arilos, la imagen hiperespectral fue más precisa. En cuanto a la discriminación del estado de madurez usando PLS-DA, la imagen hiperespectral ofreció mayor precisión, 95,0 %, usando la información de la fruta intacta y del 100 % usando la de los arilos. Finalmente, los resultados obtenidos para el níspero indicaron que la imagen hiperespectral junto con el método de clasificación XGBOOST pudo discriminar entre muestras con y sin defectos con una precisión del 97,5 % y entre muestras sin defectos o con defectos internos o externos con una precisión del 96,7 %. Además fue posible distinguir entre los dife[CA] L'objectiu de la present tesi doctoral se centra en avaluar la capacitat de la imatge hiperespectral en el rang visible i infraroig pròxim, en combinació amb mètodes quimiomètrics, per a l'avaluació de la qualitat de la fruita en post collita de manera eficaç i sostenible. A aquest efecte, es presenten diferents estudis en els quals s'avalua la qualitat d'algunes fruites que pel seu valor econòmic, estratègic o social, són d'especial importància a la Comunitat Valenciana com són el caqui 'Rojo Brillante', la magrana 'Mollar de Elche', el nispro 'Algerie' o diferents cultivares de nectarina. En primer lloc es va dur a terme la monitorització de la qualitat post collita de nectarines 'Big Top' i 'Magique' per mitjà d'imatge hiperespectral en reflectància i trasnmitancia. Així mateix es va avaluar la transmitància per a la detecció d'ossos oberts. Es va dur a terme també un estudi per distingir els cultivares 'Big Top' i 'Diamond Ray', els quals posseeixen un aspecte molt semblant però sabor diferent. Pel que fa al caqui 'Rojo Brillante', la imatge hiperespectral va ser estudiada d'una banda per a monitoritzar la seua maduresa, i per un altre costat per avaluar l'astringència, que ha de ser completament eliminada abans de la seua comercialització. Les propietats fisicoquímiques de la magrana 'Mollar de Elche' van ser avaluades per la imatge de color i hiperespectral durant la seua maduresa usant la informació de la fruita intacta i els arils. Finalment, aquesta tècnica es va fer servir per caracteritzar i identificar els defectes interns i externs del nispro 'Algerie'. En la predicció dels índexs de qualitat IQI i RPI usant imatge en reflectància com en trasnmitancia es van obtindre valors de R2 al voltant de 0,90 i en la discriminació per fermesa una precisió entorn del 95,0 % utilitzant longituds d'ona seleccionades. Pel que fa a la detecció d'ossos oberts, l'ús de la imatge hiperespectral en transmitància va obtindre un 93,5 % classificació correcta de fruites amb os normal i 100 % amb os obert usant models PLS-DA i 7 longituds d'ona. Els resultats obtinguts en la classificació dels cultivares 'Big Top' i 'Diamond Ray' van mostrar una fiabilitat superior al 96,0 % per mitjà de l'ús de models PLS-DA i 14 longituds d'ona, superant a la imatge de color (56,9 %) i a un panell sensorial entrenat (54,5 %). Quant al caqui, els resultats obtinguts van indicar que és possible distingir entre tres estats de maduresa amb una precisió del 96,0 % usant models QDA i es va predir la seua fermesa obtenint un valor de R2 de 0,80 usant PLS-R. Pel que fa a l'astringència, es van dur a terme dos estudis similars en què el primer es va discriminar la fruita d'acord al temps de tractament amb altes concentracions de CO2 amb una precisió al voltant del 95,0 % usant QDA. En el segon, es va discriminar la fruita d'acord a un valor de contingut en tanins (0,04 %) i es va determinar quina part de la fruita era millor per a realitzar aquesta discriminació. Així es va obtindre una precisió del 86,9 % usant la zona mitjana i 23 longituds d'ona. Els resultats obtinguts per la magrana van indicar que la imatge de color i hiperespectral posseïxen una precisió semblant a la predicció de les propietats fisicoquímiques usant PLS-R i la informació de la fruita intacta. No obstant això, quan es va usar la informació dels arils, la imatge hiperespectral va ser més precisa. Quant a la discriminació de l'estat de maduresa usant PLS-DA, la imatge hiperespectral va oferir major precisió (95,0 %) usant la informació de la fruita intacta i del 100 % usant la dels arils. Finalment, els resultats obtinguts pel nispro indiquen que la imatge hiperespectral juntament amb el mètode de classificació XGBOOST va poder discriminar entre mostres amb i sense defectes amb una precisió del 97,5 % i entre mostres sense defectes o amb defectes interns o externs amb una precisió del 96,7 %. A més, va ser possible distingir entre[EN] The objective of this doctoral thesis is to evaluate the potential of the hyperspectral imaging in the visible and near infrared range in combination with chemometrics for the assessment of the postharvest quality of fruit in a non-destructive, efficient and sustainable manner. To this end, different studies are presented in which the quality of some fruits is evaluated. Due to their economic, strategic or social value, the selected fruits are of special importance in the Valencian Community, such as Persimmon 'Rojo Brillante', the pomegranate 'Mollar de Elche', the loquat 'Algerie' or different nectarine cultivars. First, the quality monitoring of 'Big Top' and 'Magique' nectarines was carried out using reflectance and transmittance images. At the same time, transmittance was evaluated for the detection of split pit. In addition, a classification was performed to distinguish the 'Big Top' and 'Diamond Ray' cultivars, which look very similar but have different flavour. Whereas that for the 'Rojo Brillante' persimmon, the hyperspectral imaging was studied on the one hand to monitor its maturity, and on the other hand to evaluate the astringency of this fruit, which must be completely eliminated before its commercialization. The physicochemical properties of the 'Mollar de Elche' pomegranate were evaluated by means of hyperspectral and colour imaging during its maturity using the information from the intact fruit and arils. Finally, this technique was used to characterise and identify the internal and external defects of the 'Algerie' loquat. In the prediction of the IQI and RPI quality indexes using reflectance and transmittance images, R2 values around 0.90 were obtained and in the discrimination according to firmness, accuracy around 95.0 % using selected wavelengths was obtained. Regarding the split pit detection, the use of the hyperspectral image in transmittance mode obtained a 93.5 % of fruits with normal bone correctly classified and 100% with split pit using PLS-DA models and 7 wavelengths. The results obtained in the classification of 'Big Top' and 'Diamond Ray' fruits show accuracy higher than 96.0 % by using PLS-DA models and 14 selected wavelengths, higher than the obtained with colour image (56.9 %) and a trained panel (54.5 %). According to persimmon, the results obtained indicated that it is possible to distinguish between three states of maturity with an accuracy of 96.0 % using QDA models and its firmness was predicted obtaining a R2 value of 0.80 using PLS-R. Regarding astringency, two similar studies were carried out. In the first study, the fruit was classified according to the time of treatment with high concentrations of CO2 with a precision of around 95.0 % using QDA. In the second, the fruit was discriminated according to a threshold value of soluble tannins (0.04 %) and was determined what fruit area was better to perform this discrimination. Thus, an accuracy of 86.9 % was obtained using the middle area and 23 wavelengths. The results obtained for the pomegranate indicated that the use of colour and hyperspectral images have a similar precision in the prediction of physicochemical properties using PLS-R and the intact fruit information. However, when the information from the arils was used, the hyperspectral image was more accurate. Regarding the discrimination by the state of maturity using PLS-DA, the hyperspectral image offered greater precision, of 95.0 % using the information from the intact fruit and 100 % using that from the arils. Finally, the results obtained for the 'Algerie' loquat indicated that the hyperspectral image with the XGBOOST classification method could discriminate between sound samples and samples with defects with accuracy of 97.5 % and between sound samples or samples with internal or external defects with an accuracy of 96.7 %. It was also possible to distinguish between the different defects with an accuracy of 95.9 %.Munera Picazo, SM. (2019). Application of hyperspectral imaging combined with chemometrics for the non-destructive evaluation of the quality of fruit in postharvest [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125954TESISCompendi