Uma abordagem para a detecção de mudanças em imagens multitemporais de sensoriamento remoto empregando Support Vector Machines com uma nova métrica de pertinência

Abstract

Esta tese investiga uma abordagem não supervisionada para o problema da detecção de mudanças em imagens multiespectrais e multitemporais de sensoriamento remoto empregando Support Vector Machines (SVM) com o uso dos kernels polinomial e RBF e de uma nova métrica de pertinência de pixels. A proposta metodológica está baseada na diferença das imagens-fração produzidas para cada data. Em imagens de cenas naturais essa diferença nas frações de solo e vegetação tendem a apresentar uma distribuição simétrica próxima à origem. Essa caracteristica pode ser usada para modelar as distribuições normais multivariadas das classes mudança e não-mudança. O algoritmo Expectation-Maximization (EM) é implementado com a finalidade de estimar os parâmetros (vetor de médias, matriz de covariância e probabilidade a priori) associados a essas duas distribuições. A seguir, amostras aleatórias e normalmente distribuidas são extraídas dessas distribuições e rotuladas segundo sua pertinência em uma das classes. Essas amostras são então usadas no treinamento do classificador SVM. A partir desta classificação é estimada uma nova métrica de pertinência de pixels. A metodologia proposta realiza testes com o uso de conjuntos de dados multitemporais de imagens multiespectrais Landsat-TM que cobrem a mesma cena em duas datas diferentes. A métrica de pertinência proposta é validada através de amostras de teste controladas obtidas a partir da técnica Change Vetor Analysis, além disso, os resultados de pertinência obtidos para a imagem original com essa nova métrica são comparados aos resultados de pertinência obtidos para a mesma imagem pela métrica proposta em (Zanotta, 2010). Baseado nos resultados apresentados neste trabalho que mostram que a métrica para determinação de pertinência é válida e também apresenta resultados compatíveis com outra técnica de pertinência publicada na literatura e considerando que para obter esses resultados utilizou-se poucas amostras de treinamento, espera-se que essa métrica deva apresentar melhores resultados que os que seriam apresentados com classificadores paramétricos quando aplicado a imagens multitemporais e hiperespectrais.

This thesis investigates a unsupervised approach to the problem of change detection in multispectral and multitemporal remote sensing images using Support Vector Machines (SVM) with the use of polynomial and RBF kernels and a new metric of pertinence of pixels. The methodology is based on the difference-fraction images produced for each date. In images of natural scenes. This difference in the fractions of bare soil and vegetation tend to have a symmetrical distribution close to the origin. This feature can be used to model the multivariate normal distributions of the classes change and no-change. The Expectation- Maximization algorithm (EM) is implemented in order to estimate the parameters (mean vector, covariance matrix and a priori probability) associated with these two distributions. Then random and normally distributed samples are extracted from these distributions and labeled according to their pertinence to the classes. These samples are then used in the training of SVM classifier. From this classification is estimated a new metric of pertinence of pixel. The proposed methodology performs tests using multitemporal data sets of multispectral Landsat-TM images that cover the same scene at two different dates. The proposed metric of pertinence is validated via controlled test samples obtained from Change Vector Analysis technique. In addition, the results obtained at the original image with the new metric are compared to the results obtained at the same image applying the pertinence metric proposed in (Zanotta, 2010). Based on the results presented here showing that the metric of pertinence is valid, and also provides results consistent with other published in the relevant technical literature, and considering that to obtain these results was used a few training samples, it is expected that the metric proposed should present better results than those that would be presented with parametric classifiers when applied to multitemporal and hyperspectral images.