A Multi-Temporal Object-Based Image Analysis to Detect Long-Lived Shrub Cover Changes in Drylands

Climate change and human actions condition the spatial distribution and structure of vegetation, especially in drylands. In this context, object-based image analysis (OBIA) has been used to monitor changes in vegetation, but only a few studies have related them to anthropic pressure. In this study, we assessed changes in cover, number, and shape of Ziziphus lotus shrub individuals in a coastal groundwater-dependent ecosystem in SE Spain over a period of 60 years and related them to human actions in the area. In particular, we evaluated how sand mining, groundwater extraction, and the protection of the area affect shrubs. To do this, we developed an object-based methodology that allowed us to create accurate maps (overall accuracy up to 98%) of the vegetation patches and compare the cover changes in the individuals identified in them. These changes in shrub size and shape were related to soil loss, seawater intrusion, and legal protection of the area measured by average minimum distance (AMD) and average random distance (ARD) analysis. It was found that both sand mining and seawater intrusion had a negative effect on individuals; on the contrary, the protection of the area had a positive effect on the size of the individuals’ coverage. Our findings support the use of OBIA as a successful methodology for monitoring scattered vegetation patches in drylands, key to any monitoring program aimed at vegetation preservation

Integrated Object-Based Image Analysis for semi-automated geological lineament detection in Southwest England

This is the final version. Available on open access from Elsevier via the DOI in this record.Regional lineament detection for mapping of geological structure can provide crucial information for mineral exploration. Manual methods of lineament detection are time consuming, subjective and unreliable. The use of semi-automated methods reduces the subjectivity through applying a standardised method of searching. Object-Based Image Analysis (OBIA) has become a mainstream technique for classification of landcover, however, the use of OBIA methods for lineament detection is still relatively under-utilised. The Southwest England region is covered by high-resolution airborne geophysics and LiDAR data that provide an excellent opportunity to demonstrate the power of OBIA methods for lineament detection. Herein, two complementary but stand-alone OBIA methods for lineament detection are presented which both enable semi-automatic regional lineament mapping. Furthermore, these methods have been developed to integrate multiple datasets to create a composite lineament network. The top-down method uses threshold segmentation and sub-levels to create objects, whereas the bottom-up method segments the whole image before merging objects and refining these through a border assessment. Overall lineament lengths are longest when using the top-down method which also provides detailed metadata on the source dataset of the lineament. The bottom-up method is more objective and computationally efficient and only requires user knowledge to classify lineaments into major and minor groups. Both OBIA methods create a similar network of lineaments indicating that semi-automatic techniques are robust and consistent. The integration of multiple datasets from different types of spatial data to create a comprehensive, composite lineament network is an important development and demonstrates the suitability of OBIA methods for enhancing lineament detection.British Geological Survey (BGS)Natural Environment Research Council (NERC

Effectiveness of DOS (Dark-Object Subtraction) method and water index techniques to map wetlands in a rapidly urbanising megacity with Landsat 8 data

The objectives of this work were to examine the applicability of the Dark-Object Subtraction (DOS) atmospheric correction method and water-based index techniques to map wetlands in Dhaka megacity using Landsat 8 data. With the use of both raw data and DOS- corrected imagery, the analysis revealed that DOS- corrected images performed better in discriminating wetland areas. Furthermore, the Modified Normalised Water Index (MNDWI) was the most superior technique whilst the Normalised Difference Water Index (NDWI) was the least suitable in identifying the spatial locations of wetlands in a rapidly urbanising environment such as Dhaka

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

Deep learning in agriculture: A survey

Deep learning constitutes a recent, modern technique for image processing and data analysis, with promising results and large potential. As deep learning has been successfully applied in various domains, it has recently entered also the domain of agriculture. In this paper, we perform a survey of 40 research efforts that employ deep learning techniques, applied to various agricultural and food production challenges. We examine the particular agricultural problems under study, the specific models and frameworks employed, the sources, nature and pre-processing of data used, and the overall performance achieved according to the metrics used at each work under study. Moreover, we study comparisons of deep learning with other existing popular techniques, in respect to differences in classification or regression performance. Our findings indicate that deep learning provides high accuracy, outperforming existing commonly used image processing techniques.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Deep learning in agriculture: A survey

Deep learning constitutes a recent, modern technique for image processing and data analysis, with promising results and large potential. As deep learning has been successfully applied in various domains, it has recently entered also the domain of agriculture. In this paper, we perform a survey of 40 research efforts that employ deep learning techniques, applied to various agricultural and food production challenges. We examine the particular agricultural problems under study, the specific models and frameworks employed, the sources, nature and pre-processing of data used, and the overall performance achieved according to the metrics used at each work under study. Moreover, we study comparisons of deep learning with other existing popular techniques, in respect to differences in classification or regression performance. Our findings indicate that deep learning provides high accuracy, outperforming existing commonly used image processing techniques

Integrated Object-Based Image Analysis for semi-automated geological lineament detection in southwest England

Regional lineament detection for mapping of geological structure can provide crucial information for mineral exploration. Manual methods of lineament detection are time consuming, subjective and unreliable. The use of semi-automated methods reduces the subjectivity through applying a standardised method of searching. Object-Based Image Analysis (OBIA) has become a mainstream technique for landcover classification, however, the use of OBIA methods for lineament detection is still relatively under-utilised. The Southwest England region is covered by high-resolution airborne geophysics and LiDAR data that provide an excellent opportunity to demonstrate the power of OBIA methods for lineament detection. Herein, two complementary but stand-alone OBIA methods for lineament detection are presented which both enable semi-automatic regional lineament mapping. Furthermore, these methods have been developed to integrate multiple datasets to create a composite lineament network. The top-down method uses threshold segmentation and sub-levels to create objects, whereas the bottom-up method segments the whole image before merging objects and refining these through a border assessment. Overall lineament lengths are longest when using the top-down method which also provides detailed metadata on the source dataset of the lineament. The bottom-up method is more objective and computationally efficient and only requires user knowledge to classify lineaments into major and minor groups. Both OBIA methods create a similar network of lineaments indicating that semi-automatic techniques are robust and consistent. The integration of multiple datasets from different types of spatial data to create a comprehensive, composite lineament network is an important development and demonstrates the suitability of OBIA methods for enhancing lineament detection

Abstracting GIS Layers from Hyperspectral Imagery

Modern warfare methods in the urban environment necessitates the use of multiple layers of sensors to manage the battle space. Hyperspectral imagers are one possible sensor modality to provide remotely sensed images that can be converted into Geographic Information Systems (GIS) layers. GIS layers abstract knowledge of roads, buildings, and scene content and contain shape files that outline and highlight scene features. Creating shape files is a labor-intensive and time-consuming process. The availability of shape files that reflect the current configuration of an area of interest significantly enhances Intelligence Preparation of the Battlespace (IPB). The solution presented in this thesis is a novel process to automate the creation of shape files by exploiting the spectral-spatial relationship of a hyperspectral image cube. It is assumed that “a-priori” endmember spectra, a spectral database, or specific scene knowledge is not available. The topological neighborhood of a Self Organizing Map (SOM) is segmented and used as a spectral filter to produce six initial object maps that are spatially processed with logical and morphological operations. A novel road finding algorithm connects road segments under significantly tree-occluded roadways into a contiguous road network. The manual abstraction of GIS shape files is improved into a semi-automated process. The resulting shape files are not susceptible to deviation from orthorectified imagery as they are produced directly from the hyperspectral imagery. The results are eight separate high-quality GIS layers (Vegetation, Non-Tree Vegetation, Trees, Fields, Buildings, Major Buildings, Roadways, and Parking Areas) that follow the terrain of the hyperspectral image and are separately and automatically labeled. Spatial processing improves layer accuracy from 85% to 94%. Significant layer accuracies include the “road network” at 93%, “buildings” at 97%, and “major buildings” at 98%

Generation of a Land Cover Atlas of environmental critic zones using unconventional tools

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen