Apports des ontologies à l'analyse exploratoire des images satellitaires

par Hatim Chahdi

Thèse de doctorat en Informatique

Soutenue le 04-07-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec ESPACE-DEV (Montpellier) (laboratoire) .


  • Résumé

    A l'heure actuelle, les images satellites constituent une source d'information incontournable face à de nombreux enjeux environnementaux (déforestation, caractérisation des paysages, aménagement du territoire, etc.). En raison de leur complexité, de leur volume important et des besoins propres à chaque communauté, l'analyse et l'interprétation des images satellites imposent de nouveaux défis aux méthodes de fouille de données. Le parti-pris de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches, que nous situons à mi-chemin entre représentation des connaissances et apprentissage statistique, dans le but de faciliter et d'automatiser l'extraction d'informations pertinentes du contenu de ces images. Nous avons, pour cela, proposé deux nouvelles méthodes qui considèrent les images comme des données quantitatives massives dépourvues de labels sémantiques et qui les traitent en se basant sur les connaissances disponibles. Notre première contribution est une approche hybride, qui exploite conjointement le raisonnement à base d'ontologie et le clustering semi-supervisé. Le raisonnement permet l'étiquetage sémantique des pixels à partir de connaissances issues du domaine concerné. Les labels générés guident ensuite la tâche de clustering, qui permet de découvrir de nouvelles classes tout en enrichissant l'étiquetage initial. Notre deuxième contribution procède de manière inverse. Dans un premier temps, l'approche s'appuie sur un clustering topographique pour résumer les données en entrée et réduire de ce fait le nombre de futures instances à traiter par le raisonnement. Celui-ci n'est alors appliqué que sur les prototypes résultant du clustering, l'étiquetage est ensuite propagé automatiquement à l'ensemble des données de départ. Dans ce cas, l'importance est portée sur l'optimisation du temps de raisonnement et à son passage à l'échelle. Nos deux approches ont été testées et évaluées dans le cadre de la classification et de l'interprétation d'images satellites. Les résultats obtenus sont prometteurs et montrent d'une part, que la qualité de la classification peut être améliorée par une prise en compte automatique des connaissances et que l'implication des experts peut être allégée, et d'autre part, que le recours au clustering topographique en amont permet d'éviter le calcul des inférences sur la totalité des pixels de l'image.

  • Titre traduit

    Contribution of ontologies to the exploratory analysis of satellite images


  • Résumé

    Satellite images have become a valuable source of information for Earth observation. They are used to address and analyze multiple environmental issues such as landscapes characterization, urban planning or biodiversity conservation to cite a few.Despite of the large number of existing knowledge extraction techniques, the complexity of satellite images, their large volume, and the specific needs of each community of practice, give rise to new challenges and require the development of highly efficient approaches.In this thesis, we investigate the potential of intelligent combination of knowledge representation systems with statistical learning. Our goal is to develop novel methods which allow automatic analysis of remote sensing images. We elaborate, in this context, two new approaches that consider the images as unlabeled quantitative data and examine the possible use of the available domain knowledge.Our first contribution is a hybrid approach, that successfully combines ontology-based reasoning and semi-supervised clustering for semantic classification. An inference engine first reasons over the available domain knowledge in order to obtain semantically labeled instances. These instances are then used to generate constraints that will guide and enhance the clustering. In this way, our method allows the improvement of the labeling of existing classes while discovering new ones.Our second contribution focuses on scaling ontology reasoning over large datasets. We propose a two step approach where topological clustering is first applied in order to summarize the data, in term of a set of prototypes, and reduces by this way the number of future instances to be treated by the reasoner. The representative prototypes are then labeled using the ontology and the labels automatically propagated to all the input data.We applied our methods to the real-word problem of satellite images classification and interpretation and the obtained results are very promising. They showed, on the one hand, that the quality of the classification can be improved by automatic knowledge integration and that the involvement of experts can be reduced. On the other hand, the upstream exploitation of topographic clustering avoids the calculation of the inferences on all the pixels of the image.


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