A convex formulation for hyperspectral image superresolution via subspace-based regularization

Hyperspectral remote sensing images (HSIs) usually have high spectral resolution and low spatial resolution. Conversely, multispectral images (MSIs) usually have low spectral and high spatial resolutions. The problem of inferring images which combine the high spectral and high spatial resolutions of HSIs and MSIs, respectively, is a data fusion problem that has been the focus of recent active research due to the increasing availability of HSIs and MSIs retrieved from the same geographical area. We formulate this problem as the minimization of a convex objective function containing two quadratic data-fitting terms and an edge-preserving regularizer. The data-fitting terms account for blur, different resolutions, and additive noise. The regularizer, a form of vector Total Variation, promotes piecewise-smooth solutions with discontinuities aligned across the hyperspectral bands. The downsampling operator accounting for the different spatial resolutions, the non-quadratic and non-smooth nature of the regularizer, and the very large size of the HSI to be estimated lead to a hard optimization problem. We deal with these difficulties by exploiting the fact that HSIs generally "live" in a low-dimensional subspace and by tailoring the Split Augmented Lagrangian Shrinkage Algorithm (SALSA), which is an instance of the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM), to this optimization problem, by means of a convenient variable splitting. The spatial blur and the spectral linear operators linked, respectively, with the HSI and MSI acquisition processes are also estimated, and we obtain an effective algorithm that outperforms the state-of-the-art, as illustrated in a series of experiments with simulated and real-life data.Comment: IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., to be publishe

Contributions au traitement des images multivariées

Ce mémoire résume mon activité pédagogique et scientifique en vue de l’obtention de l’habilitation à diriger des recherches

LIDAR based semi-automatic pattern recognition within an archaeological landscape

LIDAR-Daten bieten einen neuartigen Ansatz zur Lokalisierung und Überwachung des kulturellen Erbes in der Landschaft, insbesondere in schwierig zu erreichenden Gebieten, wie im Wald, im unwegsamen Gelände oder in sehr abgelegenen Gebieten. Die manuelle Lokalisation und Kartierung von archäologischen Informationen einer Kulturlandschaft ist in der herkömmlichen Herangehensweise eine sehr zeitaufwändige Aufgabe des Fundstellenmanagements (Cultural Heritage Management). Um die Möglichkeiten in der Erkennung und bei der Verwaltung des kulturellem Erbes zu verbessern und zu ergänzen, können computergestützte Verfahren einige neue Lösungsansätze bieten, die darüber hinaus sogar die Identifizierung von für das menschliche Auge bei visueller Sichtung nicht erkennbaren Details ermöglichen. Aus archäologischer Sicht ist die vorliegende Dissertation dadurch motiviert, dass sie LIDAR-Geländemodelle mit archäologischen Befunden durch automatisierte und semiautomatisierte Methoden zur Identifizierung weiterer archäologischer Muster zu Bodendenkmalen als digitale „LIDAR-Landschaft“ bewertet. Dabei wird auf möglichst einfache und freie verfügbare algorithmische Ansätze (Open Source) aus der Bildmustererkennung und Computer Vision zur Segmentierung und Klassifizierung der LIDAR-Landschaften zur großflächigen Erkennung archäologischer Denkmäler zurückgegriffen. Die Dissertation gibt dabei einen umfassenden Überblick über die archäologische Nutzung und das Potential von LIDAR-Daten und definiert anhand qualitativer und quantitativer Ansätze den Entwicklungsstand der semiautomatisierten Erkennung archäologischer Strukturen im Rahmen archäologischer Prospektion und Fernerkundungen. Darüber hinaus erläutert sie Best Practice-Beispiele und den einhergehenden aktuellen Forschungsstand. Und sie veranschaulicht die Qualität der Erkennung von Bodendenkmälern durch die semiautomatisierte Segmentierung und Klassifizierung visualisierter LIDAR-Daten. Letztlich identifiziert sie das Feld für weitere Anwendungen, wobei durch eigene, algorithmische Template Matching-Verfahren großflächige Untersuchungen zum kulturellen Erbe ermöglicht werden. Resümierend vergleicht sie die analoge und computergestützte Bildmustererkennung zu Bodendenkmalen, und diskutiert abschließend das weitere Potential LIDAR-basierter Mustererkennung in archäologischen Kulturlandschaften