A Comprehensive Survey of Deep Learning in Remote Sensing: Theories, Tools and Challenges for the Community

In recent years, deep learning (DL), a re-branding of neural networks (NNs), has risen to the top in numerous areas, namely computer vision (CV), speech recognition, natural language processing, etc. Whereas remote sensing (RS) possesses a number of unique challenges, primarily related to sensors and applications, inevitably RS draws from many of the same theories as CV; e.g., statistics, fusion, and machine learning, to name a few. This means that the RS community should be aware of, if not at the leading edge of, of advancements like DL. Herein, we provide the most comprehensive survey of state-of-the-art RS DL research. We also review recent new developments in the DL field that can be used in DL for RS. Namely, we focus on theories, tools and challenges for the RS community. Specifically, we focus on unsolved challenges and opportunities as it relates to (i) inadequate data sets, (ii) human-understandable solutions for modelling physical phenomena, (iii) Big Data, (iv) non-traditional heterogeneous data sources, (v) DL architectures and learning algorithms for spectral, spatial and temporal data, (vi) transfer learning, (vii) an improved theoretical understanding of DL systems, (viii) high barriers to entry, and (ix) training and optimizing the DL.Comment: 64 pages, 411 references. To appear in Journal of Applied Remote Sensin

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

Development of an unsupervised remote sensing methodology of detect surface leakage from terrestrial CO2 storage sites

Imperial Users onl

EXPLOITING HIGHER ORDER UNCERTAINTY IN IMAGE ANALYSIS

Soft computing is a group of methodologies that works synergistically to provide flexible information processing capability for handling real-life ambiguous situations. Its aim is to exploit the tolerance for imprecision, uncertainty, approximate reasoning, and partial truth in order to achieve tractability, robustness, and low-cost solutions. Soft computing methodologies (involving fuzzy sets, neural networks, genetic algorithms, and rough sets) have been successfully employed in various image processing tasks including image segmentation, enhancement and classification, both individually or in combination with other soft computing techniques. The reason of such success has its motivation in the fact that soft computing techniques provide a powerful tools to describe uncertainty, naturally embedded in images, which can be exploited in various image processing tasks. The main contribution of this thesis is to present tools for handling uncertainty by means of a rough-fuzzy framework for exploiting feature level uncertainty. The first contribution is the definition of a general framework based on the hybridization of rough and fuzzy sets, along with a new operator called RF-product, as an effective solution to some problems in image analysis. The second and third contributions are devoted to prove the effectiveness of the proposed framework, by presenting a compression method based on vector quantization and its compression capabilities and an HSV color image segmentation technique

Identificación no-supervisada de parcelas agrícolas en imágenes satelitales multiespectrales basado en la semejanza de pixeles homólogos en las distintas bandas

En este trabajo se presenta un algoritmo para identificar parcelas agrícolas en imágenes multiespectrales de Landsat 7. En un primer paso se analiza cada banda de la imagen con un proceso gaussiano. Luego, se ajustan los parámetros de un filtro no-lineal de acuerdo a los resultados del análisis. Al final, se aplica un algoritmo de segmentación que busca conjuntos de pixeles similares en todas las bandas. Este algoritmo tiene un parámetro que permite definir el nivel de semejanza de las parcelas agrícolas. Por lo tanto, es posible identificar parcelas poco homogéneas y después estudiar en detalle la composición de una. Los resultados del filtro propuesto son prometedores y facilitan la segmentación de la imagen satelital. El algoritmo de segmentación identifica las parcelas agrícolas en la imagen usada con un alto nivel de precisión y, además, detecta estructuras escondidas como pivotes de riego.In this work an algorithm for the identification of agricultural parcels in multispectral Landsat 7 images is presented. In a first step each band is analyzed with a Gaussian process. Afterwards the parameters of a non-lineal filter are adjusted according to the results of the analysis. Finally a segmentation algorithm which searches for pixels with similar feature vectors is executed. This algorithm has a free parameter which allows defining a similarity threshold for each field. Therefore it is possible to identify inhomogeneous fields first and then have a closer look at their compounding. The results of the filter are promising and simplify the segmentation of the satellite image. The segmentation algorithm identifies the agricultural fields in the given image with a high degree of reliability, besides that it discovers hidden structures like irrigation pivots.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Development of a Self-Learning Approach Applied to Pattern Recognition and Fuzzy Control

Systeme auf Basis von Fuzzy-Regeln sind in der Entwicklung der Mustererkennung und Steuersystemen weit verbreitet verwendet. Die meisten aktuellen Methoden des Designs der Fuzzy-Regel-basierte Systeme leiden unter folgenden Problemen 1. Das Verfahren der Fuzzifizierung berücksichtigt weder die statistischen Eigenschaften noch reale Verteilung der betrachteten Daten / Signale nicht. Daher sind die generierten Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen nicht wirklich in der Lage, diese Daten zu äußern. Darüber hinaus wird der Prozess der Fuzzifizierung manuell definiert. 2. Die ursprüngliche Größe der Regelbasis ist pauschal bestimmt. Diese Feststellung bedeutet, dass dieses Verfahren eine Redundanz in den verwendeten Regeln produzieren kann. Somit wird diese Redundanz zum Auftreten der Probleme von Komplexität und Dimensionalität führen. Der Prozess der Vermeidung dieser Probleme durch das Auswahlverfahren der einschlägigen Regeln kann zum Rechenaufwandsproblem führen. 3. Die Form der Fuzzy-Regel leidet unter dem Problem des Verlusts von Informationen, was wiederum zur Zuschreibung diesen betrachteten Variablen anderen unrealen Bereich führen kann. 4. Ferner wird die Anpassung der Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen mit den Problemen von Komplexität und Rechenaufwand, wegen der damit verbundenen Iteration und mehrerer Parameter, zugeordnet. Auch wird diese Anpassung im Bereich jeder einzelner Regel realisiert; das heißt, der Anpassungsprozess im Bereich der gesamten Fuzzy-Regelbasis wird nicht durchgeführt

IMAGE UNDERSTANDING OF MOLAR PREGNANCY BASED ON ANOMALIES DETECTION

Cancer occurs when normal cells grow and multiply without normal control. As the cells multiply, they form an area of abnormal cells, known as a tumour. Many tumours exhibit abnormal chromosomal segregation at cell division. These anomalies play an important role in detecting molar pregnancy cancer. Molar pregnancy, also known as hydatidiform mole, can be categorised into partial (PHM) and complete (CHM) mole, persistent gestational trophoblastic and choriocarcinoma. Hydatidiform moles are most commonly found in women under the age of 17 or over the age of 35. Hydatidiform moles can be detected by morphological and histopathological examination. Even experienced pathologists cannot easily classify between complete and partial hydatidiform moles. However, the distinction between complete and partial hydatidiform moles is important in order to recommend the appropriate treatment method. Therefore, research into molar pregnancy image analysis and understanding is critical. The hypothesis of this research project is that an anomaly detection approach to analyse molar pregnancy images can improve image analysis and classification of normal PHM and CHM villi. The primary aim of this research project is to develop a novel method, based on anomaly detection, to identify and classify anomalous villi in molar pregnancy stained images. The novel method is developed to simulate expert pathologists’ approach in diagnosis of anomalous villi. The knowledge and heuristics elicited from two expert pathologists are combined with the morphological domain knowledge of molar pregnancy, to develop a heuristic multi-neural network architecture designed to classify the villi into their appropriated anomalous types. This study confirmed that a single feature cannot give enough discriminative power for villi classification. Whereas expert pathologists consider the size and shape before textural features, this thesis demonstrated that the textural feature has a higher discriminative power than size and shape. The first heuristic-based multi-neural network, which was based on 15 elicited features, achieved an improved average accuracy of 81.2%, compared to the traditional multi-layer perceptron (80.5%); however, the recall of CHM villi class was still low (64.3%). Two further textural features, which were elicited and added to the second heuristic-based multi-neural network, have improved the average accuracy from 81.2% to 86.1% and the recall of CHM villi class from 64.3% to 73.5%. The precision of the multi-neural network II has also increased from 82.7% to 89.5% for normal villi class, from 81.3% to 84.7% for PHM villi class and from 80.8% to 86% for CHM villi class. To support pathologists to visualise the results of the segmentation, a software tool, Hydatidiform Mole Analysis Tool (HYMAT), was developed compiling the morphological and pathological data for each villus analysis