Band selection in hyperspectral images using artificial neural networks

par Mateus Habermann

Thèse de doctorat en Technologies de l'Information et des Systèmes : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)

Sous la direction de Vincent Frémont et de Elcio Hideiti Shiguemori.

Soutenue le 27-09-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Sélection de bandes d’images hyperspectrales basée sur réseau de neurones


  • Résumé

    Les images hyperspectrales (HSI) fournissent des informations spectrales détaillées sur les objets analysés. Étant donné que différents matériaux ont des signatures spectrales distinctes, les objets ayant des couleurs et des formes similaires peuvent être distingués dans le domaine spectral. Toutefois, l’énorme quantité de données peut poser des problèmes en termes de stockage et de transmission des données. De plus, la haute dimensionnalité des images hyperspectrales peut entraîner un surajustement du classificateur en cas de données d'apprentissage insuffisantes. Une façon de résoudre de tels problèmes consiste à effectuer une sélection de bande (BS), car elle réduit la taille du jeu de données tout en conservant des informations utiles et originales. Dans cette thèse, nous proposons trois méthodes de sélection de bande différentes. La première est supervisée, conçu pour utiliser seulement 20% des données disponibles. Pour chaque classe du jeu de données, une classification binaire un contre tous utilisant un réseau de neurones est effectuée et les bandes liées aux poids le plus grand et le plus petit sont sélectionnées. Au cours de ce processus, les bandes les plus corrélées avec les bandes déjà sélectionnées sont rejetées. Par conséquent, la méthode proposée peut être considérée comme une approche de sélection de bande orientée par des classes. La deuxième méthode que nous proposons est une version non supervisée du premier framework. Au lieu d'utiliser les informations de classe, l'algorithme K-Means est utilisé pour effectuer une classification binaire successive de l'ensemble de données. Pour chaque paire de grappes, un réseau de neurones à une seule couche est utilisé pour rechercher l'hyperplan de séparation, puis la sélection des bandes est effectuée comme décrit précédemment. Pour la troisième méthode de BS proposée, nous tirons parti de la nature non supervisée des auto-encodeurs. Pendant la phase d'apprentissage, le vecteur d'entrée est soumis au bruit de masquage. Certaines positions de ce vecteur sont basculées de manière aléatoire sur zéro et l'erreur de reconstruction est calculée sur la base du vecteur d'entrée non corrompu. Plus l'erreur est importante, plus les fonctionnalités masquées sont importantes. Ainsi, à la fin, il est possible d'avoir un classement des bandes spectrales de l'ensemble de données.


  • Résumé

    Hyperspectral images (HSIs) are capable of providing a detailed spectral information about scenes or objects under analysis. It is possible thanks to both numerous and contiguous bands contained in such images. Given that di_erent materials have distinct spectral signatures, objects that have similar colors and shape can be distinguished in the spectral domain that goes beyond the visual range. However, in a pattern recognition system, the huge amount of data contained in HSIs may pose problems in terms of data storage and transmission. Also, the high dimensionality of hyperspectral images can cause the overfitting of the classifer in case of insufficient training data. One way to solve such problems is to perform band selection(BS) in HSIs, because it decreases the size of the dataset while keeping both useful and original information. In this thesis, we propose three different band selection frameworks. The first one is a supervised one, and it is designed to use only 20% of the available training data. For each class in the dataset, a binary one-versus-all classification using a single-layer neural network is performed, and the bands linked to the largest and smallest coefficients of the resulting hyperplane are selected. During this process, the most correlated bands with the bands already selected are automatically discarded, following a procedure also proposed in this thesis. Consequently, the proposed method may be seen as a classoriented band selection approach, allowing a BS criterion that meets the needs of each class. The second method we propose is an unsupervised version of the first framework. Instead of using the class information, the K-Means algorithm is used to perform successive binary clustering of the dataset. For each pair of clusters, a single-layer neural network is used to find the separating hyperplane, then the selection of bands is done as previously described. For the third proposed BS framework, we take advantage of the unsupervised nature of autoencoders. During the training phase, the input vector is subjected to masking Noise - some positions of this vector are randomly flipped to zero and the reconstruction error is calculated based on the uncorrupted input vector. The bigger the error, the more important the masked features are. Thus, at the end, it is possible to have a ranking of the spectral bands of the dataset.


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