Démélange non-linéaire d'images hyperspectrales

Nonlinear unmixing of Hyperspectral images

• Auteur / Autrice : Yoann Altmann
• Direction : Jean-Yves Tourneret, Nicolas Dobigeon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Image, Information, Hypermedia
• Date : Soutenance le 07/10/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique de Toulouse / IRIT

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie hyperspectrale

Démélange spectral

Estimation bayésienne

Modèles non-linéaires

Hyperspectral imagery

Spectral unmixing

Bayesian estimation

Nonlinear models

Résumé

Le démélange spectral est un des sujets majeurs de l’analyse d’images hyperspectrales. Ce problème consiste à identifier les composants macroscopiques présents dans une image hyperspectrale et à quantifier les proportions (ou abondances) de ces matériaux dans tous les pixels de l’image. La plupart des algorithmes de démélange suppose un modèle de mélange linéaire qui est souvent considéré comme une approximation au premier ordre du mélange réel. Cependant, le modèle linéaire peut ne pas être adapté pour certaines images associées par exemple à des scènes engendrant des trajets multiples (forêts, zones urbaines) et des modèles non-linéaires plus complexes doivent alors être utilisés pour analyser de telles images. Le but de cette thèse est d’étudier de nouveaux modèles de mélange non-linéaires et de proposer des algorithmes associés pour l’analyse d’images hyperspectrales. Dans un premier temps, un modèle paramétrique post-non-linéaire est étudié et des algorithmes d’estimation basés sur ce modèle sont proposés. Les connaissances a priori disponibles sur les signatures spectrales des composants purs, sur les abondances et les paramètres de la non-linéarité sont exploitées à l’aide d’une approche bayesienne. Le second modèle étudié dans cette thèse est basé sur l’approximation de la variété non-linéaire contenant les données observées à l’aide de processus gaussiens. L’algorithme de démélange associé permet d’estimer la relation non-linéaire entre les abondances des matériaux et les pixels observés sans introduire explicitement les signatures spectrales des composants dans le modèle de mélange. Ces signatures spectrales sont estimées dans un second temps par prédiction à base de processus gaussiens. La prise en compte d’effets non-linéaires dans les images hyperspectrales nécessite souvent des stratégies de démélange plus complexes que celles basées sur un modèle linéaire. Comme le modèle linéaire est souvent suffisant pour approcher la plupart des mélanges réels, il est intéressant de pouvoir détecter les pixels ou les régions de l’image où ce modèle linéaire est approprié. On pourra alors, après cette détection, appliquer les algorithmes de démélange non-linéaires aux pixels nécessitant réellement l’utilisation de modèles de mélange non-linéaires. La dernière partie de ce manuscrit se concentre sur l’étude de détecteurs de non-linéarités basés sur des modèles linéaires et non-linéaires pour l’analyse d’images hyperspectrales. Les méthodes de démélange non-linéaires proposées permettent d’améliorer la caractérisation des images hyperspectrales par rapport au méthodes basées sur un modèle linéaire. Cette amélioration se traduit en particulier par une meilleure erreur de reconstruction des données. De plus, ces méthodes permettent de meilleures estimations des signatures spectrales et des abondances quand les pixels résultent de mélanges non-linéaires. Les résultats de simulations effectuées sur des données synthétiques et réelles montrent l’intérêt d’utiliser des méthodes de détection de non-linéarités pour l’analyse d’images hyperspectrales. En particulier, ces détecteurs peuvent permettre d’identifier des composants très peu représentés et de localiser des régions où les effets non-linéaires sont non-négligeables (ombres, reliefs,...). Enfin, la considération de corrélations spatiales dans les images hyperspectrales peut améliorer les performances des algorithmes de démélange non-linéaires et des détecteurs de non-linéarités.

Spectral unmixing is one the major issues arising when analyzing hyperspectral images. It consists of identifying the macroscopic materials present in a hyperspectral image and quantifying the proportions of these materials in the image pixels. Most unmixing techniques rely on a linear mixing model which is often considered as a first approximation of the actual mixtures. However, the linear model can be inaccurate for some specific images (for instance images of scenes involving multiple reflections) and more complex nonlinear models must then be considered to analyze such images. The aim of this thesis is to study new nonlinear mixing models and to propose associated algorithms to analyze hyperspectral images. First, a ost-nonlinear model is investigated and efficient unmixing algorithms based on this model are proposed. The prior knowledge about the components present in the observed image, their proportions and the nonlinearity parameters is considered using Bayesian inference. The second model considered in this work is based on the approximation of the nonlinear manifold which contains the observed pixels using Gaussian processes. The proposed algorithm estimates the relation between the observations and the unknown material proportions without explicit dependency on the material spectral signatures, which are estimated subsequentially. Considering nonlinear effects in hyperspectral images usually requires more complex unmixing strategies than those assuming linear mixtures. Since the linear mixing model is often sufficient to approximate accurately most actual mixtures, it is interesting to detect pixels or regions where the linear model is accurate. This nonlinearity detection can be applied as a pre-processing step and nonlinear unmixing strategies can then be applied only to pixels requiring the use of nonlinear models. The last part of this thesis focuses on new nonlinearity detectors based on linear and nonlinear models to identify pixels or regions where nonlinear effects occur in hyperspectral images. The proposed nonlinear unmixing algorithms improve the characterization of hyperspectral images compared to methods based on a linear model. These methods allow the reconstruction errors to be reduced. Moreover, these methods provide better spectral signature and abundance estimates when the observed pixels result from nonlinear mixtures. The simulation results conducted on synthetic and real images illustrate the advantage of using nonlinearity detectors for hyperspectral image analysis. In particular, the proposed detectors can identify components which are present in few pixels (and hardly distinguishable) and locate areas where significant nonlinear effects occur (shadow, relief, ...). Moreover, it is shown that considering spatial correlation in hyperspectral images can improve the performance of nonlinear unmixing and nonlinearity detection algorithms.