Development of spectral unmixing methods for hypersectral data exploitation
Authors: Ανδρέου Χαρούλα 
Published: August 2021

Η πολύ υψηλή φασματική ανάλυση των Υπερφασματικών αισθητήρων συντελεί στο να είναιδυνατή η αναγνώριση υλικών/αντικειμένων τα οποία βρίσκονται στο έδαφος. στόσο, λόγω τηςχαμηλής χωρικής ανάλυσης τα εικονοστοιχεία της απεικόνισης είναι πιθανόν να περιέχουν φασματικήυπογραφή η οποία προέρχεται από μίξη περισσότερων του ενός υλικού. Για να είναι δυνατή ηανάλυση της μικτής υπερφασματικής πληροφορίας, εφαρμόζεται ο φασματικός διαχωρισμός οοποίος περιλαμβάνει την ανάλυση του μικτού φάσματος σε κύριες φασματικές συνιστώσες ή αλλιώςκαθαρές φασματικές υπογραφές, όπου κάθε μία αντιστοιχεί σε ένα μοναδικό υλικό, και στααντίστοιχα ποσοστά συμμετοχής τους. Η συγκεκριμένη διατριβή πραγματεύεται το φασματικόδιαχωρισμό με σκοπό να αξιοποιηθούν πλήρως οι πληροφορίες που εμπεριέχονται σταυπερφασματικά δεδομένα. Τα κύρια σημεία συμβολής της διατριβής περιλαμβάνουν την εισαγωγήκαινοτόμων ιδεών στο πεδίο της επεξεργασίας της υπερφασματικής απεικόνισης και την ανάπτυξηπέντε νέων μεθόδων, οι οποίες σχετίζονται με τα στάδια τα οποία απαρτίζουν το φασματικόδιαχωρισμό και είναι τα εξής: εκτίμηση της διάστασης του υπόχωρου του σήματος, μείωση τηςυπερφασματικής διάστασης, εξαγωγή καθαρών φασματικών υπογραφών και εκτίμηση τωνποσοστών συμμετοχής τους.Η πρώτη μέθοδος καλείται outlier detection method (ODM). Πρόκειται για μία μη επιβλεπόμενη, μηπαραμετρική μέθοδο για την εκτίμηση της διάστασης του υπόχωρου του σήματος. Ο αριθμός τωνδιανυσμάτων που αντιστοιχούν σε σήμα είναι αρκετά μικρότερος από τον αντίστοιχο του θορύβου.Εξαιτίας αυτού, η στατιστική ανάλυση των διανυσμάτων του σήματος μπορεί να επιφέρει σφάλματα.Η καινοτομία του ODM έγκειται στο ότι θεωρεί μόνο την ύπαρξη του θορύβου και μεταχειρίζεται τασήματα ως ακραίες τιμές του θορύβου. Η μέθοδος εντοπίζει τα σήματα μέσω της μεθόδουανίχνευσης των ακραίων τιμών, μία προσέγγιση που δεν έχει εφαρμοστεί πρωτύτερα στοσυγκεκριμένο θέμα. Η μέθοδος ODM επιτυγχάνει ακρίβεια όμοια με αυτήν των υπαρχουσώνμεθόδων, ενώ παρουσιάζει καλύτερα αποτελέσματα στην εφαρμογή της, σε απεικονίσεις μικρούμεγέθους.Η δεύτερη μέθοδος είναι μία νέα προσέγγιση επιλογής καναλιών για τη βελτιστοποίηση της εξαγωγήςκαθαρών φασματικών υπογραφών και της διαδικασίας ταξινόμησης. Οι λιγοστές υπάρχουσεςμέθοδοι επιλογής καναλιών οι οποίες απευθύνονται αποκλειστικά στο φασματικό διαχωρισμόεφαρμόζονται στο σύνολο της διαθέσιμης φασματικής πληροφορίας χωρίς να λαμβάνουν υπόψη ταφασματικά χαρακτηριστικά κάθε υλικού/αντικειμένου ξεχωριστά και τη φασματική διαφοροποίηση σεκάθε απεικόνιση. Η νέα μέθοδος καθιστά δυνατή την εφαρμογή αλγόριθμων ανίχνευσης καθαρώνφασματικών υπογραφών και ταξινόμησης σε τοπικό επίπεδο στον υπερφασματικό χώρο. Προσπαθείνα βρει εκείνους τους φασματικούς υπόχωρους όπου τα υλικά διαφοροποιούνται στο μέγιστο. Όσοναφορά στους αλγορίθμους ανίχνευσης καθαρών υπογραφών, η νέα μέθοδος επικεντρώνεται στονεντοπισμό των φασματικά κοντινών καθαρών φασματικών υπογραφών, οι οποίες επισκιάζονται απότις φασματικές υπογραφές υψηλής φασματικής αντίθεσης, αξιοποιώντας για πρώτη φορά στην επιλογή καναλιών την έννοια των πολλαπλών κυρτών περιοχών. Η μέθοδος ανιχνεύειαποτελεσματικά τις φασματικές υπογραφές του υπό μελέτη υλικού οι οποίες εμπεριέχουν χρήσιμεςπληροφορίες για τη βιοφυσική/χημική ιδιότητα του. Όσον αφορά στην ταξινόμηση, η νέα μέθοδος επικεντρώνεται στην εύρεση εκείνων των φασματικών υπόχωρων όπου οι κατηγορίες είναιδιαχωρίσιμες στο μέγιστο. Η προτεινόμενη μέθοδος, μειώνοντας κατά 50% το πλήθος των καναλιών,πέτυχε την ίδια ακρίβεια ταξινόμησης όπως στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκαν όλα τα κανάλια.Η τρίτη μέθοδος καλείται simple endmember extraction (SEE) και πρόκειται για μία νέα μέθοδοεξαγωγής καθαρών φασματικών υπογραφών. Βασίζεται στη γεωμετρική ανάλυση των κυρτώνπεριοχών. Η καινοτομία της έγκειται στο ότι αναζητά τις κορυφές της χωρικής διάταξης (simplex), οιοποίες βρίσκονται στις άκρες των μετασχηματισμένων αξόνων, χωρίς περαιτέρω προβολές καιεπαναληπτικές διαδικασίες. Συνεπώς, η μέθοδος έχει το πλεονέκτημα της ταυτόχρονης εξαγωγήςκαθαρών φασματικών υπογραφών, ενώ είναι απαλλαγμένη από το αυξημένο υπολογιστικό κόστος.Η βελτιωμένη εκδοχή της SEE καλείται enhanced-SEE (E-SEE) και είναι μία εμπειρική μέθοδος, ηοποία αντισταθμίζει την τάση των υπαρχουσών μεθόδων εξαγωγής καθαρών φασματικώνυπογραφών να ανιχνεύουν τις φασματικές υπογραφές υψηλής αντίθεσης εις βάρος εκείνων μεχαμηλή αντίθεση. Αυτό επιτυγχάνεται αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ υποψήφιων καθαρώνφασματικών υπογραφών και της μέσης τιμής της εικόνας, γεγονός που επιφέρει αλλαγή στηνκατανομή των δεδομένων. Οι δύο μέθοδοι παρουσίασαν αποτελέσματα ίδιας και καλύτερηςακρίβειας σε σύγκριση με τις αντίστοιχες μεθόδους, ενώ το υπολογιστικό τους κόστος είναιχαμηλότερο από το αντίστοιχο των μεθόδων VCA και N- FINDR κατά μία και τρεις τάξεις μεγέθους, αντίστοιχα.Η πέμπτη προτεινόμενη μέθοδος είναι μία νέα εκδοχή της μεθόδου multiple endmember spectralsignature analysis (MESMA), η οποία βασίζεται στη φασματική γωνία και καλείται MESMA-SAD. Ηπρωτότυπη μέθοδος MESMA αν και επιτρέπει ο αριθμός των καθαρών φασματικών υπογραφών ναείναι διαφορετικός για κάθε εικονοστοιχείο, χαρακτηρίζεται υπολογιστικά ακριβή, καθώς εξετάζονταιόλοι οι πιθανοί συνδυασμοί καθαρών φασματικών υπογραφών για την εύρεση του βέλτιστουσυνόλου. Η νέα μη παραμετρική μέθοδος μειώνει σημαντικά το χρόνο επεξεργασίας αξιοποιώντας τηφασματική γωνία και την τιμή του μέσου απόλυτου σφάλματος.Η αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων ως προς την αποδοτικότερη αξιοποίηση τωνυπερφασματικών δεδομένων υλοποιήθηκε μέσω εκτεταμένων πειραμάτων σε συνθετικές καιπραγματικές απεικονίσεις. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης ήταν πολύ ικανοποιητικά γεγονός πουκαθιστά τις μεθόδους πολλά υποσχόμενες στο πεδίο της επεξεργασίας των υπερφασματικώναπεικονίσεων.