Extreme sparse multinomial logistic regression : a fast and robust framework for hyperspectral image classification

Although the sparse multinomial logistic regression (SMLR) has provided a useful tool for sparse classification, it suffers from inefficacy in dealing with high dimensional features and manually set initial regressor values. This has significantly constrained its applications for hyperspectral image (HSI) classification. In order to tackle these two drawbacks, an extreme sparse multinomial logistic regression (ESMLR) is proposed for effective classification of HSI. First, the HSI dataset is projected to a new feature space with randomly generated weight and bias. Second, an optimization model is established by the Lagrange multiplier method and the dual principle to automatically determine a good initial regressor for SMLR via minimizing the training error and the regressor value. Furthermore, the extended multi-attribute profiles (EMAPs) are utilized for extracting both the spectral and spatial features. A combinational linear multiple features learning (MFL) method is proposed to further enhance the features extracted by ESMLR and EMAPs. Finally, the logistic regression via the variable splitting and the augmented Lagrangian (LORSAL) is adopted in the proposed framework for reducing the computational time. Experiments are conducted on two well-known HSI datasets, namely the Indian Pines dataset and the Pavia University dataset, which have shown the fast and robust performance of the proposed ESMLR framework

A Novel Densenet-324 Densely Connected Convolution Neural Network for Medical Crop Classification using Remote Sensing Hyperspectral Satellite Images

In the past few decades, importance of the medicinal Crops is extending to a large extent due to its benefits in treating life-threatening diseases. Medicinal Crop has excellent medicinal properties on its roots, stem, and leaves to prevent human and animal health. Particularly detection and identification of the Crop classes are effectively carried out using hyperspectral images as discrimination of the target feature or objects is simple and it contains rich information containing the spatial and temporal details of underlying the land cover. However, Crop classification using machine learning architectures concerning spectral characteristics obtained on the anatomical features and morphological features. Extracted features towards classification lead to several challenges such as large spatial and temporal variability and spectral signatures similarity between different objects. A further hyperspectral image poses several difficulties with changes in illumination, environment, and atmospheric aspects. To tackle those non-trivial challenges, DenseNet-324 Densely Connected convolution neural network architecture has been designed in this work to discriminate the crop and medical Crop effectively in the interested areas.  Initially, the Hyperspectral image is pre-processed against a large number of noises through the employment of the noise removal technique and bad line replacement techniques. Pre-processed image is explored to image segmentation using the global thresholding method to segment it into various regions based on spatial pieces of information on grouping the neighboring similar pixels intensity or textures. Further regions of the image are processed using principle component analysis to extract spectral features of the image. That extracted feature is employed to ant colony optimization technique to obtain the optimal features. Computed optimal features are classified using Convolution Neural Network with a hyper parameter setup. The convolution Layer of the CNN architecture process spatial, temporal, and spectral feature and generates the feature map in various context, generated feature map is max pooled in the pooling layer and classified into crops and medicinal Crop in the SoftMax layer. Experimental analysis of the proposed architecture is carried out on the Indiana Pines dataset using cross-fold validation to analyze the representation ability to discriminate the features with large variance between the different classes. From the results, it is confirmed that the proposed architecture exhibits higher performance in classification accuracy of 98.43% in classifying the Crop species compared with conventional approaches.&nbsp

A REVIEW ON MULTIPLE-FEATURE-BASED ADAPTIVE SPARSE REPRESENTATION (MFASR) AND OTHER CLASSIFICATION TYPES

A new technique Multiple-feature-based adaptive sparse representation (MFASR) has been demonstrated for Hyperspectral Images (HSI's) classification. This method involves mainly in four steps at the various stages. The spectral and spatial information reflected from the original Hyperspectral Images with four various features. A shape adaptive (SA) spatial region is obtained in each pixel region at the second step. The algorithm namely sparse representation has applied to get the coefficients of sparse for each shape adaptive region in the form of matrix with multiple features. For each test pixel, the class label is determined with the help of obtained coefficients. The performances of MFASR have much better classification results than other classifiers in the terms of quantitative and qualitative percentage of results. This MFASR will make benefit of strong correlations that are obtained from different extracted features and this make use of effective features and effective adaptive sparse representation. Thus, the very high classification performance was achieved through this MFASR technique

Extreme sparse multinomial logistic regression: a fast and robust framework for hyperspectral image classification.

Although sparse multinomial logistic regression (SMLR) has provided a useful tool for sparse classification, it suffers from inefficacy in dealing with high dimensional features and manually set initial regressor values. This has significantly constrained its applications for hyperspectral image (HSI) classification. In order to tackle these two drawbacks, an extreme sparse multinomial logistic regression (ESMLR) is proposed for effective classification of HSI. First, the HSI dataset is projected to a new feature space with randomly generated weight and bias. Second, an optimization model is established by the Lagrange multiplier method and the dual principle to automatically determine a good initial regressor for SMLR via minimizing the training error and the regressor value. Furthermore, the extended multi-attribute profiles (EMAPs) are utilized for extracting both the spectral and spatial features. A combinational linear multiple features learning (MFL) method is proposed to further enhance the features extracted by ESMLR and EMAPs. Finally, the logistic regression via the variable splitting and the augmented Lagrangian (LORSAL) is adopted in the proposed framework for reducing the computational time. Experiments are conducted on two well-known HSI datasets, namely the Indian Pines dataset and the Pavia University dataset, which have shown the fast and robust performance of the proposed ESMLR framework

Fusion of PCA and segmented-PCA domain multiscale 2-D-SSA for effective spectral-spatial feature extraction and data classification in hyperspectral imagery.

As hyperspectral imagery (HSI) contains rich spectral and spatial information, a novel principal component analysis (PCA) and segmented-PCA (SPCA)-based multiscale 2-D-singular spectrum analysis (2-D-SSA) fusion method is proposed for joint spectral–spatial HSI feature extraction and classification. Considering the overall spectra and adjacent band correlations of objects, the PCA and SPCA methods are utilized first for spectral dimension reduction, respectively. Then, multiscale 2-D-SSA is applied onto the SPCA dimension-reduced images to extract abundant spatial features at different scales, where PCA is applied again for dimensionality reduction. The obtained multiscale spatial features are then fused with the global spectral features derived from PCA to form multiscale spectral–spatial features (MSF-PCs). The performance of the extracted MSF-PCs is evaluated using the support vector machine (SVM) classifier. Experiments on four benchmark HSI data sets have shown that the proposed method outperforms other state-of-the-art feature extraction methods, including several deep learning approaches, when only a small number of training samples are available

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