-->

A clustering approach to heterogeneous change detection

Posted on By Marquis

动机

clustering不管咋发展,最终都是得为application服务,所以多看点application还是很好滴。

文章内容

定位

根据作者的描述,搞这个的work很少,作者只列出来四五个文献,可以说这个领域非常小众,而作者在题目中加入“A clustering approach”应该暗指,这是第一个用clustering来搞这个的文献,呵呵。
另外,作者的方法和实验都是描述性质的,显得不令人信服。

因此,这篇文章是一个“占坑”性质的paper。
哦,在conclusion的地方更明显是占坑了。

无监督算法的合适性

毕竟用的是无监督方法,因此算法的灵活性显然是不够的,即无法随心所欲地根据ground truth使得algorithm非常powerful。
并且作者也承认(也强调)了,能够反映image的统计特性的distance measure很重要,哈哈,结果还算选了个非常common的distance measure,这说明该问题的无奈。

作者还隐晦地指出,这种问题的ground truth很难准确得到,目测这才是作者选用clustering的一个重要原因。但clustering能否适用于这个明显需要更多推理任务的task呢?

具体算法

为了突出重点,咱们先看实验吧

实验一


这个聚类结果还算比较明显的。
图d的上半部分一分为二,即由原来的农田变成一半农田,一半被淹的水,这个可以和t2时刻的sar image的聚类结果对比看出来,也可以在图f上半部分的浅灰和深灰部分很明显地看出来
上面是split,中间部分是merge,即图e的中间部分是由图d的中间部分的河流和农田merge而成的。

实验二


这个结果就没有实验一好了,首先是聚类结果不太好,图d右下角本该聚到一块儿的都分开了,图e也类似,当然这不是聚类算法的错,是因为数据特性的事儿。
这时候直接看出来那一部分有change已经很难了。

作者指出,聚类效果差的原因sar图像中著名的speckle noise造成的,当然本实验也表明了,通过观察“cluster splits and merges”来发现change的方法严重受限于聚类结果

问题描述

对于同一个区域,在 $t_1$时刻,有一个optical image,在洪水等灾害来了之后,在$t_2$我们又用另外一个类型的sensor搞出来一个sar image(当然,这个sar image还得滤波的,它会suffer from speckle noise),我们需要根据这一对图像来找出来图像中那一块儿区域发生了变化,即灾害的影响。

因此这就是heterogeneous change detection,如果两个时刻的图像都是用同一类sensor得到的,那就是 homogeneous and co-calibrated measurements。

作者在intro中提到这个heterogeneous的难点:

  1. 不同的sensor对不同的physical condition的敏感程度也不一样,即sensor behavior不一致,这样就可能和actual change混淆了,即这俩sensor数据的差别并非简单地表征change的存在。
  2. fused data set的复杂度越高,就需要更加复杂和灵活的统计模型,当然越复杂就越难fit,因为会有更大的参数估计不确定性,以及更高的计算需求

算法原理



基于一个intuition:

cchanges on the groundchanges on the ground can be related to clusters of the image at time $t_1$ splitting and/or merging into the clusters of the image at time $t_2$.

这个intuition的确有点道理,可以在聚类结果的基础上用于推理, 当然这个推理是人肉计算,并非自动化的。也就是用人眼去观测,这不就是开了外挂么?

相较于supervised algorithm而言,无监督算法估计只能这么玩儿了?

聚类算法的使用

  • 首先是distance measures的选取。
    首先要identify the correct statistical models to represent the data。对于optical images,$x_{opt}$ 服从高斯分布,而SAR image取对数之后也服从高斯分布,这样就使用Mahalanobis distance就行了(就是分布用的distance measure)。

  • 然后是聚类算法的选取
    使用Ensemble clustering来缓解聚类算法对于聚类个数、scale参数、初始化等的敏感性,当然这么玩儿计算代价就高了一些。
    作者使用的是FCM的ensemble approach。

由于后边的分析直接依赖于聚类结果,因此,聚类结果必须非常reliable,当然ensemble approach并不能保证reliable,因此,作者说打算以后参照聚类的隶属度矩阵使之更reliable。

  • 一个非常重要的细节被作者有意省略了
    将每个图片分成 50x50 pixels的方框,然后分别对每个方框中的数据聚类,理由是,分割以后每个方框中的cluster数目就可以很少,这样有助于聚类个数的确定,以及减少计算需求。
    但你这么玩儿了,咋将各个方框组合一起呢?

总结

作者用聚类来干这件事很显然是不合适的。
因为聚类一般只能给出一些cluster,这些cluster到底该如何使用,那就是problem dependent的。对于本文的一个应用,作者并没有develop一个可以实现的算法去应用这个聚类结果,而是直接人肉推理,当然,理想的情况下应该是,将作者的那个 merge split的intuition进行程序化、自动化。

目测作者无法完全做到自动化的原因就是,这个intuition强烈依赖于聚类算法的聚类结果,而目前聚类算法的性能都是很无奈的,主要是由于data的特性太过于复杂,还有聚类算法对于distance measure的致命性依赖。

任重而道远。