Unsupervised methods of classifying remotely sensed imges using Kohonen self-organizing maps

Resumo: Esta tese propõe novas metodologias de classificação não-supervisionada de imagens de sensoriamento remoto que particularmente exploram as características e propriedades do Mapa Auto-organizável de Kohonen (SOM - Self-Organizing Map). O ponto chave dos métodos de classificação propostos é realizar a análise de agrupamentos das imagens através do mapeamento produzido pelo SOM, ao invés de trabalhar diretamente com os padrões originais das cenas. Tal estratégia reduz significativamente a complexidade da análise dos dados, tornando possível a utilização de técnicas normalmente consideradas computacionalmente inviáveis para o processamento de imagens de sensoriamento remoto, como métodos de agrupamentos hierárquicos e índices de validação de agrupamentos. Diferentemente de outras abordagens, nas quais o SOM é utilizado como ferramenta de auxílio visual para a detecção de agrupamentos, nos métodos de classificação propostos, mecanismos para analisar de maneira automática o arranjo de neurônios de um SOM treinado são aplicados e aprimorados com o objetivo de encontrar as melhores partições para os conjuntos de dados das imagens. Baseando-se nas propriedades estatísticas do SOM, modificações nos cálculos de índices de validação agrupamentos são propostas com o objetivo de reduzir o custo computacional do processo de classificação das imagens. Técnicas de análise de textura em imagens são aplicadas para avaliar e filtrar amostras de treinamento e/ou protótipos do SOM que correspondem a regiões de transição entre classes de cobertura terrestre. Informações espaciais a respeito dos protótipos do SOM, além das informações de distância multiespectral, também são aplicadas em critérios de fusão de agrupamentos procurando facilitar a discriminação de classes de cobertura terrestre que apresentam alto grau de similaridade espectral. Resultados experimentais mostram que os métodos de classificação propostos apresentam vantagens significativas em relação às técnicas de classificação não-supervisionada mais freqüentemente utilizadas na área de sensoriamento remotoAbstract: This thesis proposes new methods of unsupervised classification for remotely sensed images which particularly exploit the characteristics and properties of the Kohonen Self-Organizing Map (SOM). The key point is to execute the clustering process through a set of prototypes of SOM instead of analyzing directly the original patterns of the image. This strategy significantly reduces the complexity of data analysis, making it possible to use techniques that have not usually been considered computationally viable for processing remotely sensed images, such as hierarchical clustering methods and cluster validation indices. Unlike other approaches in which SOM is used as a visual tool for detection of clusters, the proposed classification methods automatically analyze the neurons grid of a trained SOM in order to find better partitions for data sets of images. Based on the statistical properties of the SOM, clustering validation indices calculated in a modified manner are proposed with the aim of reducing the computational cost of the classification process of images. Image texture analysis techniques are applied to evaluate and filter training samples and/or prototypes of the SOM that correspond to transition regions between land cover classes. Spatial information about the prototypes of the SOM, in addition to multiespectral distance information, are also incorporated in criteria for merging clusters with aim to facilitate the discrimination of land cover classes which have high spectral similarity. Experimental results show that the proposed classification methods present significant advantages when compared to unsupervised classification techniques frequently used in remote sensing