Estimação dos parâmetros do kernel em um classificador SVM na classificação de imagens hiperespectrais em uma abordagem multiclasse

Abstract

Nessa dissertação é investigada e testada uma metodologia para otimizar os parâmetros do kernel do classificador Support Vector Machines (SVM). Experimentos são realizados utilizando dados de imagens em alta dimensão. Imagens em alta dimensão abrem novas possibilidades para a classificação de imagens de sensoriamento remoto que capturam cenas naturais. É sabido que classes que são espectralmente muito similares, i.e, classes que possuem vetores de média muito próximos podem não obstante serem separadas com alto grau de acurácia em espaço de alta dimensão, desde que a matriz de covariância apresente diferenças significativas. O uso de dados de imagens em alta dimensão pode apresentar, no entanto, alguns desafios metodológicos quando aplicado um classificador paramétrico como o classificador de Máxima Verossimilhança Gaussiana. Conforme aumenta a dimensionalidade dos dados, o número de parâmetros a serem estimados a partir de um número geralmente limitado de amostras de treinamento também aumenta. Esse fato pode ocasionar estimativas pouco confiáveis, que por sua vez resultam em baixa acurácia na imagem classificada. Existem diversos abordagens propostas na literatura para minimizar esse problema. Os classificadores não paramétricos podem ser uma boa alternativa para mitigar esse problema. O SVM atualmente tem sido investigado na classificação de dados de imagens em alta-dimensão com número limitado de amostras de treinamento. Para que o classificador SVM seja utilizado com sucesso é necessário escolher uma função de kernel adequada, bem como os parâmetros dessa função. O kernel RBF tem sido frequentemente mencionado na literatura por obter bons resultados na classificação de imagens de sensoriamento remoto. Neste caso, dois parâmetro devem ser escolhidos para o classificador SVM: (1) O parâmetro de margem (C) que determina um ponto de equilíbrio razoável entre a maximização da margem e a minimização do erro de classificação, e (2) o parâmetro que controla o raio do kernel RBF. Estes dois parâmetros podem ser vistos como definindo um espaço de busca. O problema nesse caso consiste em procurar o ponto ótimo que maximize a acurácia do classificador SVM. O método de Busca em Grade é baseado na exploração exaustiva deste espaço de busca. Esse método é proibitivo do ponto de vista do tempo de processamento, sendo utilizado apenas com propósitos comparativos. Na prática os métodos heurísticos são a abordagem mais utilizada, proporcionado níveis aceitáveis de acurácia e tempo de processamento. Na literatura diversos métodos heurísticos são aplicados ao problema de classificação de forma global, i.e, os valores selecionados são aplicados durante todo processo de classificação. Esse processo, no entanto, não considera a diversidade das classes presentes nos dados. Nessa dissertação investigamos a aplicação da heurística Simulated Annealing (Recozimento Simulado) para um problema de múltiplas classes usando o classificador SVM estruturado como uma arvore binária. Seguindo essa abordagem, os parâmetros são estimados em cada nó da arvore binária, resultado em uma melhora na acurácia e tempo razoável de processamento. Experimentos são realizados utilizando dados de uma imagem hiperespectral disponível, cobrindo uma área de teste com controle terrestre bastante confiável.

In this dissertation we investigate and test a methodology to optimize the kernel parameters in a Support Vector Machines classifier. Experiments were carried out using remote sensing high-dimensional image data. High dimensional image data opens new possibilities in the classification of remote sensing image data covering natural scenes. It is well known that classes that are spectrally very similar, i.e., classes that show very similar mean vectors can notwithstanding be separated with an high degree of accuracy in high dimensional spaces, provided that their covariance matrices differ significantly. The use of high-dimensional image data may present, however, some drawbacks when applied in parametric classifiers such as the Gaussian Maximum Likelihood classifier. As the data dimensionality increases, so does the number of parameters to be estimated from a generally limited number of training samples. This fact results in unreliable estimates for the parameters, which in turn results in low accuracy in the classified image. There are several approaches proposed in the literature to minimize this problem. Non-parametric classifiers may provide a sensible way to overcome this problem. Support Vector Machines (SVM) have been more recently investigated in the classification of high-dimensional image data with a limited number of training samples. To achieve this end, a proper kernel function has to be implemented in the SVM classifier and the respective parameters selected properly. The RBF kernel has been frequently mentioned in the literature as providing good results in the classification of remotely sensed data. In this case, two parameters must be chosen in the SVM classification: (1) the margin parameter (C) that determines the trade-off between the maximization of the margin in the SVM and minimization of the classification error, and (2) the parameter that controls the radius in the RBF kernel. These two parameters can be seen as defining a search space, The problem here consists in finding an optimal point that maximizes the accuracy in the SVM classifier. The Grid Search approach is based on an exhaustive exploration in the search space. This approach results prohibitively time consuming and is used only for comparative purposes. In practice heuristic methods are the most commonly used approaches, providing acceptable levels of accuracy and computing time. In the literature several heuristic methods are applied to the classification problem in a global fashion, i.e., the selected values are applied to the entire classification process. This procedure, however, does not take into consideration the diversity of the classes present in the data. In this dissertation we investigate the application of Simulated Annealing to a multiclass problem using the SVM classifier structured as a binary tree. Following this proposed approach, the parameters are estimated at every level of the binary tree, resulting in better accuracy and a reasonable computing time. Experiments are done using a set of hyperspectral image data, covering a test area with very reliable ground control available.