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Chapitre 5 – M´ ethode de SAS bas´ ee sur l’intersection de sous-espaces

5.2 La m´ ethode SIBIS

La m´ethode SIBIS permet de d´ecomposer les signaux observ´es m´elang´es en un ensemble

deLsignaux sources et de coefficients de m´elange associ´es. La m´ethode proc`ede en diff´erentes

´

etapes :

— D´etection des paires de zones satisfaisant la contrainte d’intersection mono-source

(Hypoth`ese 9),

— Estimation de la matrice de m´elange A,

— Reconstruction de la matrice des sources S.

Figure 5.2 – G´eom´etrie de l’exemple simple. Les sous-espaces Z

1

et Z

2

associ´es aux zones

Z

1

et Z

2

s’intersectent en un sous-espace de dimension 1 contenant a

2

.

5.2.1 Identification des paires de zones IMS

L’objectif de cette ´etape est de segmenter le domaine d’analyse en r´egions homog`enes,

puis d’identifier toutes les paires de zones dont l’intersection est mono-source. Une r´egion

ho-mog`ene est d´efinie selon deux caract´eristiques : les pixels appartenant `a cette r´egion poss`edent

les mˆemes sources actives et deux r´egions homog`enes voisines n’ont pas les mˆemes sources

actives.

5.2.1.1 Segmentation

La segmentation est bas´ee sur l’algorithme de “Split and Merge”, bien connu en traitement

des images [61], adapt´e aux donn´ees hyperspectrales. L’algorithme de segmentation proc`ede

en deux ´etapes distinctes.

En premier lieu, le domaine d’analyse est divis´e en petites zones Z (typiquement 5×5

pixels). Le domaine d’analyse est explor´e en utilisant des zones adjacentes ou recouvrantes.

Pour chaque zone, on estime la dimension du sous-espace associ´e (i.e. le nombre de sources

actives dans la zone) en utilisant la m´ethode d´ecrite dans la Section 1.3.1. On notera que

cette ´etape diff`ere de l’algorithme “Split and Merge” original. Dans notre cas, le domaine

d’analyse est enti`erement divis´e au lieu de proc´eder par dichotomie `a l’aide d’un crit`ere de

d´ecision.

La seconde ´etape consiste `a regrouper les zones voisines Z si leur union est homog`ene.

Dans ce but, on compare chaque zone avec tous ses voisins. Si deux zones voisines ont les

mˆemes sources actives, elles sont fusionn´ees. Ensuite, on ´etudie les nouveaux voisins de la

zone ainsi mise `a jour. Ce processus est it´er´e jusqu’`a ce qu’il ne reste plus de fusion possible.

Le crit`ere de fusion est bas´e sur le nombre de sources actives dans chaque zone op´erande Z

1

et Z

2

(i.e. sur la dimension de Z

1

etZ

2

). Si :

alors l’union des zones Z

1

etZ

2

est homog`ene, elles sont donc fusionn´ees. Au final, on obtient

un domaine d’analyse segment´e en K zones homog`enes.

5.2.1.2 Intersections mono-sources

La recherche des paires de zones partageant une unique source est ´egalement bas´ee sur

la dimension des sous-espaces associ´es `a chaque zone. On souhaite trouver toutes les paires

de sous-espaces dont l’intersection est mono-dimensionnelle. Pour chacune des

2!(KK!2)!

paires

possibles, on estime la dimension de l’intersection avec la relation de Grassmann Eq. (5.4).

On identifie toutes les paires de zones satisfaisant la relation :

dim(Z

p

∩ Z

q

) =dim(Z

p

) +dim(Z

q

)−dim(Z

p

+Z

q

) = 1, (5.7)

avec 1 6p < q6K.

5.2.2 Estimation de la matrice de m´elange

L’identification des colonnes de la matrice de m´elangeA est r´ealis´ee en estimant toute les

intersections mono-dimensionnelles. Soit Z

p

et Z

q

une paire de zones dont l’intersection est

mono-dimensionnelle etZ

p

etZ

q

les deux sous-espaces associ´es. Les zonesZ

p

etZ

q

partagent

la source d’indice k ∈[1, L].

Avant d’estimer l’intersection, il est n´ecessaire d’obtenir une base de Z

p

et une base de

Z

q

. Notons d

p

et d

q

les dimensions respectives de ces sous-espaces. N’importe quelle base

´

etant adapt´ee, on choisit simplement les bases orthogonales (bases propres) fournies par la

d´ecomposition en valeurs singuli`eres (SVD pour Singular Value Decomposition en anglais)

des matrices X(Z

p

) etX(Z

q

). On note que les bases des quatre sous-espaces fondamentaux

associ´es `a une matrice peuvent ˆetre identifi´ees par SVD [60]. On a :

X(Z

p

) = U

p

Σ

p

V

pT

,

X(Z

q

) =U

q

Σ

q

V

qT

. (5.8)

Une base orthogonale deZ

p

(resp.Z

q

) est donn´ee par les d

p

(resp.d

q

) premi`eres colonnes de

U

p

(resp. U

q

). Nous obtenons ainsi deux bases dont les vecteurs colonnes p

i

etq

j

forment les

matrices P et Q. Ces deux bases sont respectivement associ´ees `aZ

p

et Z

q

selon :

Z

p

= span(p

i

), ∀i∈[1, d

p

]

Z

q

= span(q

j

), ∀j ∈[1, d

q

]. (5.9)

Soit v un ´el´ement de l’intersection Z

p

∩ Z

q

, alors v ∈ Z

p

etv ∈ Z

q

. Doncv peut ˆetre exprim´e

dans les deux bases :

v =α

1

p

1

2

p

2

+· · ·+α

dp

p

dp

(5.10)

v =β

1

q

1

2

q

2

+· · ·+β

dq

q

dq

, (5.11)

avec α

i

, β

j

R. On en d´eduit alors :

Soit la matrice M = [p

1

. . . p

dp

−q

1

· · · −q

dq

] et le vecteur θ = [α

1

. . . α

dp

β

1

. . . β

dq

]

T

.

L’´Equation (5.12) peut s’´ecrire sous la forme matricielle suivante :

M θ= 0. (5.13)

Nous reconnaissons alors la d´efinition de ker(M), le noyau de l’application lin´eaire associ´ee

`

a la matrice M. La r´esolution de ce syst`eme lin´eaire permet donc au travers de (5.10) ou

(5.11) d’obtenir une base de l’intersection Z

p

∩ Z

q

.

De plus, le th´eor`eme du rang [60] pour une matriceM (n×d) avec d=d

p

+d

q

donne la

relation :

rg(M) +dim(ker(M)) =d, (5.14)

o`u rg(M) est le rang de colonne de M. La matrice M ´etant compos´ee de l’union des deux

bases P etQ, on a rk(M) =dim(Z

p

+Z

q

). Le nombre de colonnes d correspond `a la somme

des dimensions des deux sous-espace Z

p

etZ

q

, i.e. d=dim(Z

p

) +dim(Z

q

). Selon Eq. (5.7)

et Eq. (5.14), on a :

dim(ker(M)) = 1. (5.15)

On en conclut alors que l’´equation (5.13) poss`ede une unique solution (en dehors de la

solution triviale θ = 0), et cette solution nous donne pr´ecis´ement les param`etres de la base

de l’intersection. L’intersectionZ

p

∩Z

q

´etant mono-dimensionnelle par construction, identifier

une base du noyau de l’application lin´eaire associ´ee `a la matriceM permet d’obtenir de fa¸con

certaine une base de l’intersection.

Comme nous l’avons mentionn´e pr´ec´edemment, la SVD fournit une base des sous-espaces

fondamentaux associ´es `a la matrice M = U

m

Σ

m

V

T

m

. Dans notre cas, ker(M) ´etant

mono-dimensionnelle, une base du noyau est donn´ee par la derni`ere colonne deV

m

(not´ev

d

). Donc

θ = v

d

, ce qui permet d’obtenir v selon l’´Equation (5.10) ou (5.11). Le vecteur v est alors

utilis´e comme base de l’intersection :

Z

p

∩ Z

q

={v | v =βa

k

, β ∈R}, (5.16)

o`u k ∈ [1, L] est l’indice de la source partag´ee par Z

p

et Z

q

. Cette intersection donne une

estimation de la colonne deA associ´ee `a la source partag´ee parZ

p

etZ

q

. Cette ´etape

d’iden-tification des intersections est r´ep´et´ee pour chaque paire de zones retenues dans l’´etape

pr´ec´edente. Ainsi, nous obtenons en ensemble de colonnes potentielles de A. Les colonnes

sont g´en´eralement estim´ees de nombreuses fois `a cause de leur possible pr´esence dans de

nom-breuses intersections. Pour compenser cette sur-repr´esentation, nous appliquons une ´etape

de classification (algorithme du K-means [131]) dans le but de regrouper en Lclasses les

esti-mations correspondant `a la mˆeme colonne de la matrice de m´elange. La moyenne de chaque

classe est utilis´ee pour former une colonne de la matrice ˆA (l’estimation de A). Notons que

les colonnes de ˆA sont obtenues dans un ordre arbitraire et `a un facteur d’´echelle pr`es.

5.2.3 Reconstruction des sources

L’´etape finale de la m´ethode consiste `a estimer lesLsources spatiales `a partir des spectres

´

el´ementaires et des observations, sous la contrainte de non n´egativit´e. Cette proc´edure est

identique `a celle utilis´ee dans les chapitres 3 et 4. Le lecteur peut se reporter `a la Section

3.2.1.3 illustrant l’utilisation de l’algorithme NNLS [88] dans notre contexte.

En pratique, l’algorithme de SIBIS se r´esume donc `a :

Entr´ees : X l’ensemble des bandes spectrales observ´ees, L le nombre de sources.

Sorties : A les spectres ´el´ementaires, S les cartes sources.

1. Segmentation du cube de donn´ees en r´egions homog`enes :

— Parcours de tout l’espace spatial du cube et estimation pour chaque zone Z du

nombre de sources actives en utilisant la m´ethode d´ecrite dans la Section 1.3.1.

— Fusion des r´egions connexes ayant les mˆemes sources actives suivant le crit`ere Eq.

(5.6).

2. D´etection des paires de zones ayant une unique source en commun (paires IMS) suivant

la relation Eq. (5.7).

3. Estimation de la colonne de la matrice de m´elange associ´ee `a chaque paire IMS :

— R´esolution du syst`eme Eq. (5.13) avec la SVD.

— Le param`etre θ ainsi obtenu permet de d´efinir une base de l’intersection des deux

zones avec la relation (5.10) ou (5.11).

4. Classification des colonnes potentielles pr´ec´edemment obtenues en L ensembles. Le

centre de chaque cluster donne une estimation de chaque colonne deA.

5. Reconstruction des sources par NNLS avec Eq. (3.6).