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

Caking kinetics of freeze-dried papaya determined by optica microscopy

O objetivo do presente trabalho foi o de estudar a cinética-de-caking em mamão (Carica papaya L.) liofilizado tomando por base seu condicionamento em diversos ambientes de umidade relativa (31, 52 e 89%) e temperatura (10 e 25 °C). A cinética-de-caking é estabelecida em fotomicrografias obtidas em microscópio ótico, a diversos intervalos de tempo. Os resultados mostra-ram a influência da temperatura e umidade relativa no grau de caking e a possibilidade da utilização de um método simples para sua análise em pós de alimentos liofilizados.The caking kinetics of freeze-dried papaya (Carica papaya L.) was estimated based on the environmental conditions of relative humidity (31, 52 and 89%) and of temperature (10 and 25 °C). The caking kinetics was established from photomicrographics obtained by an optical microscope used at different time intervals. The results showed the influence of temperature and relative humidity on the degree of caking and the possibility of utilizing a simple method for analysis of caking on freeze-dried fruit powders

MYCELIAL GROWTH AND SPORULATION OF Fusarium spp. PATHOGENIC TO Ilex paraguariensis IN DIFFERENT CULTURE MEDIA AND UNDER EXPOSURE TO DIFFERENT LIGHT LEVELS.

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de diferentes meios de cultura e níveis de luminosidade no crescimento micelial e esporulação de isolados de Fusarium spp. patogênicos a Ilex paraguariensis. Para os testes foram utilizados um isolado de F. oyxsporum e 6 isolados de F. solani. Os isolados foram transferidos para placas de Petri contendo os seguintes meios de cultura: BDA, BSA, MEA e V8, em seguida, foram submetidos a três níveis de luminosidade: 0h, 12h e 24h de luz branca. Os meios V8 e MEA beneficiaram o crescimento em diâmetro das colônias já o MEA e BSA contribuíram para a esporulação de Fusarium spp

DIAGNÓSTICO SÓCIO-ECONÔMICO E IMPLANTAÇÃO DE ARRANJO PRODUTIVO LOCAL (APL) DA BANANA ORGÂNICA NO RIO DE JANEIRO

O agronegócio do Leite desempenha um papel importante dentro do setor agropecuário; todavia, tem sofrido os efeitos das diversas políticas macroeconômicas e setoriais. De forma semelhante, o agronegócio do leite tem relevância para o estado de Rondônia. A característica da produção no Estado está centrada na monocultura familiar de baixa produtividade, donde é possível inferir que os riscos de produção são elevados. Isto posto, esse trabalho teve a finalidade mensurar o quão arriscado é a atividade de uma propriedade rural. Os resultados indicaram que os riscos são de fato bastante elevados; todavia, identificou-se que o fator gerencial é importante para os riscos permaneçam altos, ou seja, decisões gerenciais são capazes alterar esse quadro como elevar retornos e/ou reduzir riscos, através de investimentos em equipamentos ou produção de outras culturas na propriedade.--------------------------------------------The Milk agribusiness plays an important role in the agricultural sector, however, has suffered various macroeconomic and sectoral policies effects. Similarly, the milk agribusiness has relevance to the Rondonia State. The characteristic of production inside the state is focused on low productivity monoculture family, and it is possible to infer that the production risks are high. This study had the objective measure risky level in a milk farm. The results indicated that the risks are indeed high, but was identified as well that the managerial factor is important for the risks remain high. The managerial decisions are able to change that framework by raise returns and/or reduce risk through investment in equipment or production of other crops on the property.Leite, Risco, Rondônia, gestão, decisão, Milk, Risk, Rondonia, management, decision, Agribusiness, Livestock Production/Industries,

Assessment of the adherence to and costs of the prophylaxis protocol for venous thromboembolism

OBJECTIVES: Evaluate adherence to the therapeutic prophylaxis protocol for venous thromboembolism (VTE) as well as the costs of this practice. METHODS: A descriptive and cross-sectional study was conducted at a State General Hospital in Brazil through reports of drug dispensions, prescriptions and risk stratification of patients. Adherence to the VTE prophylaxis protocol was monitored. The tests for VTE diagnosis measured the adherence to therapeutic prophylaxis treatment, and the purchase prices of the drugs went into the calculation of drug therapy costs. The level of adherence to prescriptions for VTE prophylaxis in the hospital was classified as ‘‘adherence’’, ‘‘non-adherence’’ and ‘‘justified non-adherence’’ when compared with the protocol. RESULTS: Protocol adherence was observed for 50 (30.9%) patients, and non-adherence was observed for 63 (38.9%) patients, generating an additional cost of $180.40/month. Justified non-adherence in 49 (30.2$514.71/month in savings due to a reduction in the number of daily administrations of unfractionated heparin while still providing an effective method for preventing VTE. Twenty-six patients stratified as having medium to high risk of VTE who did not receive prophylaxis were identified, generating $154.41 in savings. However, these data should be evaluated with caution since the risks and outcomes associated with not preventing VTE outweigh the economy achieved from not prescribing a drug when a patient needs it. The only case of VTE identified during the study period was related to justified non-adherence to the protocol. CONCLUSION: The protocol is based on scientific evidence that describes an effective therapy to prevent VTE. However, the protocol should be updated because the justifications for non-adherence are based on scientific evidence, and this justified non-adherence generates savings and yields effective disease prevention

ANTECEDENTES DA INTENÇÃO DE CONSUMO DE COSMÉTICOS ECOLÓGICOS

A survey, based on Theory of Planned Behavior (AJZEN, 1985), was applied to two samples – one of an environmental association members (N = 54) and another with scholars of a masters’ school (N = 40). This paper studied the behavioral antecedents of intention to use ecological cosmetics and this industry’s policies related to environmental protection. Despite the exploratory profile of this research, results seem to support TPB on comprehension of attitudinal and cognition constructs that explain the target behavior. As a result, an intervention plan was suggested in order to increase intentions to consume ecological cosmetics. However, it’s necessary to collect more data to examine theoretical aspects like relationship between beliefs and attitudes, and to evaluate more accurately if the theory needs to be extended.Duas amostras – uma de membros de uma associação de defesa ambiental (N = 54) e outra de alunos e professores de um curso de pós-graduação (N = 40) – foram submetidas a um questionário baseado na Teoria do Comportamento Planejado (AJZEN, 1985). O levantamento foi realizado pela Internet. Foram investigados os antecedentes comportamentais da intenção de usar cosméticos ecológicos e as políticas dos fabricantes desses produtos relativas à proteção ambiental. Não obstante o caráter exploratório da pesquisa, os resultados parecem sustentar empiricamente a utilidade da TCP para compreender os construtos cognitivos e atitudinais que explicam o comportamento-alvo. Como conseqüência, foi esboçado um plano de intervenção para aumentar a intenção de consumo de cosméticos ecológicos. Entretanto, é necessário coletar mais dados para examinar aspectos teóricos mais sutis, tais como o relacionamento entre crenças e atitudes, bem como avaliar mais rigorosamente se a teoria deve ser estendida

Crop response to gypsum application to subtropical soils under no-till in Brazil : a systematic review

The use of gypsum to improve the root environment in tropical soils in the southeastern and central-western regions of Brazil is a widespread practice with well-established recommendation criteria. However, only recently gypsum began to be used on subtropical soils in South of Brazil, so available knowledge of its effect on crop yield is incipient and mainly for soils under no-till (NT) systems. Avaiable studies span a wide range of responses, from a substantial increase to a slight reduction in crop yield. Also, the specific conditions leading to a favorable effect of gypsum application on crop yield are yet to be accurately identified. The primary objectives of this study were to examine previously reported results to assess the likelihood of a crop response to gypsum and to develop useful recommendation criteria for gypsum application to subtropical soils under NT in Brazil. For this purpose, we examined the results of a total of 73 growing seasons, reported in 20 different scientific publications that assessed grain yield as a function of gypsum rates. Four different scenarios were examined, by the occurrence or not of high subsurface acidity (viz., Al saturation >20 % and/or exchangeable Ca 3 cmolc dm-3) failed to increase crop yield, irrespective of the soil water status. Under these conditions, high gypsum rates (6-15 Mg ha-1) may even reduce grain yield, possibly by inducing K and Mg deficiency. On the other hand, applying gypsum to soils with high subsurface acidity increased yield by 16 % in corn (87 % of cases) and by 19 % in winter cereals (83 % of cases), whether or not the soil was water-deficient. By contrast, soybean yield was only increased by gypsum applied in the simultaneous presence of high soil subsurface acidity and water deficiency (average increase 27 %, 100 % of cases)

Release of phosphorus forms from cover crop residues in agroecological no-till onion production

Cover crops grown alone or in association can take up different amounts of phosphorus (P) from the soil and accumulate it in different P-forms in plant tissue. Cover crop residues with a higher content of readily decomposed forms may release P more quickly for the next onion crop. The aim of this study was to evaluate the release of P forms from residues of single and mixed cover crops in agroecological no-till onion (Allium cepa L.) production. The experiment was conducted in Ituporanga, Santa Catarina (SC), Brazil, in an Inceptisol, with the following treatments: weeds, black oat (Avena sativa L.), rye (Secale cereale L.), oilseed radish (Raphanus sativus L.), oilseed radish + black oat, and oilseed radish + rye. Cover crops were sown in April 2013. In July 2013, plant shoots were cut close to the soil surface and part of the material was placed in litterbags. The bags were placed on the soil surface and residues were collected at 0, 15, and 45 days after deposition (DAD). Residues were dried and ground and P in the plant tissue was determined through chemical fractionation. The release of P contained in the tissue of cover crops depends not only on total P content in the tissue, but also on the accumulation of P forms and the quality of the residue in decomposition. The highest accumulation of P in cover crops occurred in the soluble inorganic P fraction, which is the fraction of fastest release in plants. Black oat had the highest initial release rate of soluble inorganic P, which became equal to the release rate of other cover crop residues at 45 DAD. Weeds released only half the amount of soluble inorganic P in the same period, despite accumulating a considerable amount of P in their biomass. The mixtures of oilseed radish + rye and oilseed radish + black oat showed higher release of P associated with RNA at 45 DAD in comparison to the single treatments

Útero não gravídico encarcerado associado a carcinoma uterino: relato de caso / Incarried non-pregnancy uterus associated with uterine carcinoma: case report

Introdução: Útero encarcerado é uma rara condição que acomete principalmente mulheres gestantes, porém há casos que relatam episódios em não-gestantes. Por ser uma complicação rara, a fisiopatologia não é muito clara. Objetivo: Este trabalho tem como objetivo apresentar o caso de encarceramento uterino por neoplasia ginecológica maligna e discutir sobre o curso clínico e considerações acerca dessa condição. Relato do Caso: Paciente do sexo feminino, 75 anos, cinco gestações ao longo da vida, procurou por atendimento em vista de queixa de abaulamento doloroso em região inguinal direita, com surgimento nas últimas 24 horas. Foi realizada da hernioplastia inguinal direita e biópsia de colo uterino que constatou carcinoma epidermoide moderadamente diferenciado, ulcerado. O diagnóstico final do conteúdo herniado foi conclusivo para encarceramento uterino. Conclusão: Quadro raro, com poucas publicações acerca do encarceramento de útero não gravídico, portanto, o nosso artigo tem o objetivo de abrir possibilidades para estudos futuros, publicações e discussões no meio médico sobre essa patologia tão pouco conhecida