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

Regularization approaches to hyperspectral unmixing

We consider a few different approaches to hyperspectral unmixing of remotely sensed imagery which exploit and extend recent advances in sparse statistical regularization, handling of constraints and dictionary reduction. Hyperspectral unmixing methods often use a conventional least-squares based lasso which assumes that the data follows the Gaussian distribution, we use this as a starting point. In addition, we consider a robust approach to sparse spectral unmixing of remotely sensed imagery which reduces the sensitivity of the estimator to outliers. Due to water absorption and atmospheric effects that affect data collection, hyperspectral images are prone to have large outliers. The framework comprises of several well-principled penalties. A non-convex, hyper-Laplacian prior is incorporated to induce sparsity in the number of active pure spectral components, and total variation regularizer is included to exploit the spatial-contextual information of hyperspectral images. Enforcing the sum-to-one and non-negativity constraint on the models parameters is essential for obtaining realistic estimates. We consider two approaches to account for this: an iterative heuristic renormalization and projection onto the positive orthant, and a reparametrization of the coefficients which gives rise to a theoretically founded method. Since the large size of modern spectral libraries cannot only present computational challenges but also introduce collinearities between regressors, we introduce a library reduction step. This uses the multiple signal classi fication (MUSIC) array processing algorithm, which both speeds up unmixing and yields superior results in scenarios where the library size is extensive. We show that although these problems are non-convex, they can be solved by a properly de fined algorithm based on either trust region optimization or iteratively reweighted least squares. The performance of the different approaches is validated in several simulated and real hyperspectral data experiments

Hyperspectral Unmixing Based on Dual-Depth Sparse Probabilistic Latent Semantic Analysis

This paper presents a novel approach for spectral unmixing of remotely sensed hyperspectral data. It exploits probabilistic latent topics in order to take advantage of the semantics pervading the latent topic space when identifying spectral signatures and estimating fractional abundances from hyperspectral images. Despite the contrasted potential of topic models to uncover image semantics, they have been merely used in hyperspectral unmixing as a straightforward data decomposition process. This limits their actual capabilities to provide semantic representations of the spectral data. The proposed model, called dual-depth sparse probabilistic latent semantic analysis (DEpLSA), makes use of two different levels of topics to exploit the semantic patterns extracted from the initial spectral space in order to relieve the ill-posed nature of the unmixing problem. In other words, DEpLSA defines a first level of deep topics to capture the semantic representations of the spectra, and a second level of restricted topics to estimate endmembers and abundances over this semantic space. An experimental comparison in conducted using the two standard topic models and the seven state-of-the-art unmixing methods available in the literature. Our experiments, conducted using four different hyperspectral images, reveal that the proposed approach is able to provide competitive advantages over available unmixing approaches

Hyperspectral unmixing: a theoretical aspect and applications to CRISM data processing

Hyperspectral imaging has been deployed in earth and planetary remote sensing, and has contributed the development of new methods for monitoring the earth environment and new discoveries in planetary science. It has given scientists and engineers a new way to observe the surface of earth and planetary bodies by measuring the spectroscopic spectrum at a pixel scale. Hyperspectal images require complex processing before practical use. One of the important goals of hyperspectral imaging is to obtain the images of reflectance spectrum. A raw image obtained by hyperspectral remote sensing usually undergoes conversion to a physical quantity representing the intensity of light energy, called radiance. In order to obtain the reflectance spectrum of surface, the contribution of atmosphere needs to be addressed and then divided by a spectrum of ``white reference.\u27\u27 Furthermore, the obtained reflectance spectra of image pixels are likely to be the mixtures of multiple species due to limited spatial resolution from orbits around planets. Hyperspectral unmixing is an attempt to unmix those pixels - to identify substantial components and estimate their fractional abundances. Hyperspectral unmixing has been widely explored in the literature, but there are still many aspects yet to be studied. The majority of research focuses on the development of methods to retrieve correct substantial components and accurate fractional abundances. Their theoretical aspects are rarely investigated. Chapter 2 will pursue a theoretical aspect of sparse unmixing, one of the hyperspectral unmixing problems and derive its theoretical conditions that guarantee the correct identification of substantial components. Hyperspectral unmixing can also be used for other stages of hyperspectral data processing. Chapter 3 explores the application of hyperspectral unmixing to the processing of hyperspectral image acquired by the Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) onboard the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). In particular, new atmospheric correction and de-noising methods for the CRISM data that use a hyperspectral unmixing to model surface spectra, are introduced. The new methods remove most of the problematic systematic artifacts present in CRISM images and significantly improve signal quality. Chapter 4 investigates how hyperspectral images acquired from orbits can be combined with ground exploration. In the recent rush of the launch of many Martian ground rover missions, it is important to effectively integrate knowledge obtained by hyperspectral remote sensing from orbits into ground exploration for facilitating Martian exploration. In specific, this dissertation solves the problem of matching hyperspectral image pixels obtained by the CRISM with ground mega-pixel images acquired by the Mast Camera (Mastcam) installed on the Curiosity rover on Mars. A new systematic methodology to map the CRISM and Mastcam images onto high resolution surface topography is developed

Using an airborne hyperspectral and LiDAR integrated sensor approach to spectrally discriminate and map savanna bush encroaching species in the Greater Kruger National Park region

Includes abstract.Includes bibliographical references (leaves 105-113).Bush encroachment is an environmental phenomenon which affects arid and semi-arid savanna rangelands across the world. Bush encroachment has numerous negative and positive impacts on these savanna ecosystems depending on the land use practices and associated rangeland management regimes

Imaging White Blood Cells using a Snapshot Hyper-Spectral Imaging System

Automated white blood cell (WBC) counting systems process an extracted whole blood sample and provide a cell count. A step that would not be ideal for onsite screening of individuals in triage or at a security gate. Snapshot Hyper-Spectral imaging systems are capable of capturing several spectral bands simultaneously, offering co-registered images of a target. With appropriate optics, these systems are potentially able to image blood cells in vivo as they flow through a vessel, eliminating the need for a blood draw and sample staining. Our group has evaluated the capability of a commercial Snapshot Hyper-Spectral imaging system, specifically the Arrow system from Rebellion Photonics, in differentiating between white and red blood cells on unstained and sealed blood smear slides. We evaluated the imaging capabilities of this hyperspectral camera as a platform to build an automated blood cell counting system. Hyperspectral data consisting of 25, 443x313 hyperspectral bands with ~3nm spacing were captured over the range of 419 to 494nm. Open-source hyperspectral datacube analysis tools, used primarily in Geographic Information Systems (GIS) applications, indicate that white blood cells\u27 features are most prominent in the 428-442nm band for blood samples viewed under 20x and 50x magnification over a varying range of illumination intensities. The system has shown to successfully segment blood cells based on their spectral-spatial information. These images could potentially be used in subsequent automated white blood cell segmentation and counting algorithms for performing in vivo white blood cell counting

Nonlinear hyperspectral unmixing: strategies for nonlinear mixture detection, endmember estimation and band-selection

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016.Abstract : Mixing phenomena in hyperspectral images depend on a variety of factors such as the resolution of observation devices, the properties of materials, and how these materials interact with incident light in the scene. Different parametric and nonparametric models have been considered to address hyperspectral unmixing problems. The simplest one is the linear mixing model. Nevertheless, it has been recognized that mixing phenomena can also be nonlinear. Kernel-based nonlinear mixing models have been applied to unmix spectral information of hyperspectral images when the type of mixing occurring in the scene is too complex or unknown. However, the corresponding nonlinear analysis techniques are necessarily more challenging and complex than those employed for linear unmixing. Within this context, it makes sense to search for different strategies to produce simpler and/or more accurate results. In this thesis, we tackle three distinct parts of the complete spectral unmixing (SU) problem. First, we propose a technique for detecting nonlinearly mixed pixels. The detection approach is based on the comparison of the reconstruction errors using both a Gaussian process regression model and a linear regression model. The two errors are combined into a detection test statistics for which a probability density function can be reasonably approximated. Second, we propose an iterative endmember extraction algorithm to be employed in combination with the detection algorithm. The proposed detect-then-unmix strategy, which consists of extracting endmembers, detecting nonlinearly mixed pixels and unmixing, is tested with synthetic and real images. Finally, we propose two methods for band selection (BS) in the reproducing kernel Hilbert space (RKHS), which lead to a significant reduction of the processing time required by nonlinear unmixing techniques. The first method employs the kernel k-means (KKM) algorithm to find clusters in the RKHS. Each cluster centroid is then associated to the closest mapped spectral vector. The second method is centralized, and it is based upon the coherence criterion, which sets the largest value allowed for correlations between the basis kernel functions characterizing the unmixing model. We show that the proposed BS approach is equivalent to solving a maximum clique problem (MCP), that is, to searching for the largest complete subgraph in a graph. Furthermore, we devise a strategy for selecting the coherence threshold and the Gaussian kernel bandwidth using coherence bounds for linearly independent bases. Simulation results illustrate the efficiency of the proposed method.Imagem hiperespectral (HI) é uma imagem em que cada pixel contém centenas (ou até milhares) de bandas estreitas e contíguas amostradas num amplo domínio do espectro eletromagnético. Sensores hiperespectrais normalmente trocam resolução espacial por resolução espectral devido principalmente a fatores como a distância entre o instrumento e a cena alvo, e limitada capacidade de processamento, transmissão e armazenamento históricas, mas que se tornam cada vez menos problemáticas. Este tipo de imagem encontra ampla utilização em uma gama de aplicações em astronomia, agricultura, imagens biomédicas, geociências, física, vigilância e sensoriamento remoto. A usual baixa resolução espacial de sensores espectrais implica que o que se observa em cada pixel é normalmente uma mistura das assinaturas espectrais dos materiais presentes na cena correspondente (normalmente denominados de endmembers). Assim um pixel em uma imagem hiperespectral não pode mais ser determinado por um tom ou cor mas sim por uma assinatura espectral do material, ou materiais, que se encontram na região analisada. O modelo mais simples e amplamente utilizado em aplicações com imagens hiperespectrais é o modelo linear, no qual o pixel observado é modelado como uma combinação linear dos endmembers. No entanto, fortes evidências de múltiplas reflexões da radiação solar e/ou materiais intimamente misturados, i.e., misturados em nível microscópico, resultam em diversos modelos não-lineares dos quais destacam-se os modelos bilineares, modelos de pós não-linearidade, modelos de mistura íntima e modelos não-paramétricos. Define-se então o problema de desmistura espectral (ou em inglês spectral unmixing - SU), que consiste em determinar as assinaturas espectrais dos endmembers puros presentes em uma cena e suas proporções (denominadas de abundâncias) para cada pixel da imagem. SU é um problema inverso e por natureza cego uma vez que raramente estão disponíveis informações confiáveis sobre o número de endmembers, suas assinaturas espectrais e suas distribuições em uma dada cena. Este problema possui forte conexão com o problema de separação cega de fontes mas difere no fato de que no problema de SU a independência de fontes não pode ser considerada já que as abundâncias são de fato proporções e por isso dependentes (abundâncias são positivas e devem somar 1). A determinação dos endmembers é conhecida como extração de endmembers e a literatura apresenta uma gama de algoritmos com esse propósito. Esses algoritmos normalmente exploram a geometria convexa resultante do modelo linear e da restrições sobre as abundâncias. Quando os endmembers são considerados conhecidos, ou estimados em um passo anterior, o problema de SU torna-se um problema supervisionado, com pares de entrada (endmembers) e saída (pixels), reduzindo-se a uma etapa de inversão, ou regressão, para determinar as proporções dos endmembers em cada pixel. Quando modelos não-lineares são considerados, a literatura apresenta diversas técnicas que podem ser empregadas dependendo da disponibilidade de informações sobre os endmembers e sobre os modelos que regem a interação entre a luz e os materiais numa dada cena. No entanto, informações sobre o tipo de mistura presente em cenas reais são raramente disponíveis. Nesse contexto, métodos kernelizados, que assumem modelos não-paramétricos, têm sido especialmente bem sucedidos quando aplicados ao problema de SU. Dentre esses métodos destaca-se o SK-Hype, que emprega a teoria de mínimos quadrados-máquinas de vetores de suporte (LS-SVM), numa abordagem que considera um modelo linear com uma flutuação não-linear representada por uma função pertencente a um espaço de Hilbert de kernel reprodutivos (RKHS). Nesta tese de doutoramento diferentes problemas foram abordados dentro do processo de SU de imagens hiperespectrais não-lineares como um todo. Contribuições foram dadas para a detecção de misturas não-lineares, estimação de endmembers quando uma parte considerável da imagem possui misturas não-lineares, e seleção de bandas no espaço de Hilbert de kernels reprodutivos (RKHS). Todos os métodos foram testados através de simulações com dados sintéticos e reais, e considerando unmixing supervisionado e não-supervisionado. No Capítulo 4, um método semi-paramétrico de detecção de misturas não-lineares é apresentado para imagens hiperespectrais. Esse detector compara a performance de dois modelos: um linear paramétrico, usando mínimos-quadrados (LS), e um não-linear não-paramétrico usando processos Gaussianos. A idéia da utilização de modelos não-paramétricos se conecta com o fato de que na prática pouco se sabe sobre a real natureza da não-linearidade presente na cena. Os erros de ajuste desses modelos são então comparados em uma estatística de teste para a qual é possível aproximar a distribuição na hipótese de misturas lineares e, assim, estimar um limiar de detecção para uma dada probabilidade de falso-alarme. A performance do detector proposto foi estudada considerando problemas supervisionados e não-supervisionados, sendo mostrado que a melhoria obtida no desempenho SU utilizando o detector proposto é estatisticamente consistente. Além disso, um grau de não-linearidade baseado nas energias relativas das contribuições lineares e não-lineares do processo de mistura foi definido para quantificar a importância das parcelas linear e não-linear dos modelos. Tal definição é importante para uma correta avaliação dos desempenhos relativos de diferentes estratégias de detecção de misturas não-lineares. No Capítulo 5 um algoritmo iterativo foi proposto para a estimação de endmembers como uma etapa de pré-processamento para problemas SU não supervisionados. Esse algoritmo intercala etapas de detecção de misturas não-lineares e estimação de endmembers de forma iterativa, na qual uma etapa de estimação de endmembers é seguida por uma etapa de detecção, na qual uma parcela dos pixels mais não-lineares é descartada. Esse processo é repetido por um número máximo de execuções ou até um critério de parada ser atingido. Demonstra-se que o uso combinado do detector proposto com um algoritmo de estimação de endmembers leva a melhores resultados de SU quando comparado com soluções do estado da arte. Simulações utilizando diferentes cenários corroboram as conclusões. No Capítulo 6 dois métodos para SU não-linear de imagens hiperespectrais, que empregam seleção de bandas (BS) diretamente no espaço de Hilbert de kernels reprodutivos (RKHS), são apresentados. O primeiro método utiliza o algoritmo Kernel K-Means (KKM) para encontrar clusters diretamente no RKHS onde cada centroide é então associada ao vetor espectral mais próximo. O segundo método é centralizado e baseado no critério de coerência, que incorpora uma medida da qualidade do dicionário no RKHS para a SU não-linear. Essa abordagem centralizada é equivalente a resolver um problema de máximo clique (MCP). Contrariamente a outros métodos concorrentes que não incluem uma escolha eficiente dos parâmetros do modelo, o método proposto requer apenas uma estimativa inicial do número de bandas selecionadas. Os resultados das simulações empregando dados, tanto sintéticos como reais, ilustram a qualidade dos resultados de unmixing obtidos com os métodos de BS propostos. Ao utilizar o SK-Hype, para um número reduzido de bandas, são obtidas estimativas de abundância tão precisas quanto aquelas obtidas utilizando o método SK-Hype com todo o espectro disponível, mas com uma pequena fração do custo computacional