Unsupervised spectral sub-feature learning for hyperspectral image classification

Spectral pixel classification is one of the principal techniques used in hyperspectral image (HSI) analysis. In this article, we propose an unsupervised feature learning method for classification of hyperspectral images. The proposed method learns a dictionary of sub-feature basis representations from the spectral domain, which allows effective use of the correlated spectral data. The learned dictionary is then used in encoding convolutional samples from the hyperspectral input pixels to an expanded but sparse feature space. Expanded hyperspectral feature representations enable linear separation between object classes present in an image. To evaluate the proposed method, we performed experiments on several commonly used HSI data sets acquired at different locations and by different sensors. Our experimental results show that the proposed method outperforms other pixel-wise classification methods that make use of unsupervised feature extraction approaches. Additionally, even though our approach does not use any prior knowledge, or labelled training data to learn features, it yields either advantageous, or comparable, results in terms of classification accuracy with respect to recent semi-supervised methods

Advances in Hyperspectral Image Classification: Earth monitoring with statistical learning methods

Hyperspectral images show similar statistical properties to natural grayscale or color photographic images. However, the classification of hyperspectral images is more challenging because of the very high dimensionality of the pixels and the small number of labeled examples typically available for learning. These peculiarities lead to particular signal processing problems, mainly characterized by indetermination and complex manifolds. The framework of statistical learning has gained popularity in the last decade. New methods have been presented to account for the spatial homogeneity of images, to include user's interaction via active learning, to take advantage of the manifold structure with semisupervised learning, to extract and encode invariances, or to adapt classifiers and image representations to unseen yet similar scenes. This tutuorial reviews the main advances for hyperspectral remote sensing image classification through illustrative examples.Comment: IEEE Signal Processing Magazine, 201

Nonlinear unmixing of hyperspectral images: Models and algorithms

When considering the problem of unmixing hyperspectral images, most of the literature in the geoscience and image processing areas relies on the widely used linear mixing model (LMM). However, the LMM may be not valid, and other nonlinear models need to be considered, for instance, when there are multiscattering effects or intimate interactions. Consequently, over the last few years, several significant contributions have been proposed to overcome the limitations inherent in the LMM. In this article, we present an overview of recent advances in nonlinear unmixing modeling

Joint & Progressive Learning from High-Dimensional Data for Multi-Label Classification

Despite the fact that nonlinear subspace learning techniques (e.g. manifold learning) have successfully applied to data representation, there is still room for improvement in explainability (explicit mapping), generalization (out-of-samples), and cost-effectiveness (linearization). To this end, a novel linearized subspace learning technique is developed in a joint and progressive way, called \textbf{j}oint and \textbf{p}rogressive \textbf{l}earning str\textbf{a}teg\textbf{y} (J-Play), with its application to multi-label classification. The J-Play learns high-level and semantically meaningful feature representation from high-dimensional data by 1) jointly performing multiple subspace learning and classification to find a latent subspace where samples are expected to be better classified; 2) progressively learning multi-coupled projections to linearly approach the optimal mapping bridging the original space with the most discriminative subspace; 3) locally embedding manifold structure in each learnable latent subspace. Extensive experiments are performed to demonstrate the superiority and effectiveness of the proposed method in comparison with previous state-of-the-art methods.Comment: accepted in ECCV 201

Development and Applications of Machine Learning Methods for Hyperspectral Data

Die hyperspektrale Fernerkundung der Erde stützt sich auf Daten passiver optischer Sensoren, die auf Plattformen wie Satelliten und unbemannten Luftfahrzeugen montiert sind. Hyperspektrale Daten umfassen Informationen zur Identifizierung von Materialien und zur Überwachung von Umweltvariablen wie Bodentextur, Bodenfeuchte, Chlorophyll a und Landbedeckung. Methoden zur Datenanalyse sind erforderlich, um Informationen aus hyperspektralen Daten zu erhalten. Ein leistungsstarkes Werkzeug bei der Analyse von Hyperspektraldaten ist das Maschinelle Lernen, eine Untergruppe von Künstlicher Intelligenz. Maschinelle Lernverfahren können nichtlineare Korrelationen lösen und sind bei steigenden Datenmengen skalierbar. Jeder Datensatz und jedes maschinelle Lernverfahren bringt neue Herausforderungen mit sich, die innovative Lösungen erfordern. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung von maschinellen Lernverfahren auf hyperspektrale Fernerkundungsdaten. Im Rahmen dieser Arbeit werden Studien vorgestellt, die sich mit drei wesentlichen Herausforderungen befassen: (I) Datensätze, welche nur wenige Datenpunkte mit dazugehörigen Ausgabedaten enthalten, (II) das begrenzte Potential von nicht-tiefen maschinellen Lernverfahren auf hyperspektralen Daten und (III) Unterschiede zwischen den Verteilungen der Trainings- und Testdatensätzen. Die Studien zur Herausforderung (I) führen zur Entwicklung und Veröffentlichung eines Frameworks von Selbstorganisierten Karten (SOMs) für unüberwachtes, überwachtes und teilüberwachtes Lernen. Die SOM wird auf einen hyperspektralen Datensatz in der (teil-)überwachten Regression der Bodenfeuchte angewendet und übertrifft ein Standardverfahren des maschinellen Lernens. Das SOM-Framework zeigt eine angemessene Leistung in der (teil-)überwachten Klassifikation der Landbedeckung. Es bietet zusätzliche Visualisierungsmöglichkeiten, um das Verständnis des zugrunde liegenden Datensatzes zu verbessern. In den Studien, die sich mit Herausforderung (II) befassen, werden drei innovative eindimensionale Convolutional Neural Network (CNN) Architekturen entwickelt. Die CNNs werden für eine Bodentexturklassifikation auf einen frei verfügbaren hyperspektralen Datensatz angewendet. Ihre Leistung wird mit zwei bestehenden CNN-Ansätzen und einem Random Forest verglichen. Die beiden wichtigsten Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Erstens zeigen die CNN-Ansätze eine deutlich bessere Leistung als der angewandte nicht-tiefe Random Forest-Ansatz. Zweitens verbessert das Hinzufügen von Informationen über hyperspektrale Bandnummern zur Eingabeschicht eines CNNs die Leistung im Bezug auf die einzelnen Klassen. Die Studien über die Herausforderung (III) basieren auf einem Datensatz, der auf fünf verschiedenen Messgebieten in Peru im Jahr 2019 erfasst wurde. Die Unterschiede zwischen den Messgebieten werden mit qualitativen Methoden und mit unüberwachten maschinellen Lernverfahren, wie zum Beispiel Principal Component Analysis und Autoencoder, analysiert. Basierend auf den Ergebnissen wird eine überwachte Regression der Bodenfeuchte bei verschiedenen Kombinationen von Messgebieten durchgeführt. Zusätzlich wird der Datensatz mit Monte-Carlo-Methoden ergänzt, um die Auswirkungen der Verschiebung der Verteilungen des Datensatzes auf die Regression zu untersuchen. Der angewandte SOM-Regressor ist relativ robust gegenüber dem Rauschen des Bodenfeuchtesensors und zeigt eine gute Leistung bei kleinen Datensätzen, während der angewandte Random Forest auf dem gesamten Datensatz am besten funktioniert. Die Verschiebung der Verteilungen macht diese Regressionsaufgabe schwierig; einige Kombinationen von Messgebieten bilden einen deutlich sinnvolleren Trainingsdatensatz als andere. Insgesamt zeigen die vorgestellten Studien, die sich mit den drei größten Herausforderungen befassen, vielversprechende Ergebnisse. Die Arbeit gibt schließlich Hinweise darauf, wie die entwickelten maschinellen Lernverfahren in der zukünftigen Forschung weiter verbessert werden können