MétaCan
Menu
Retour à la cohorte
Enregistrement W4220808180 · doi:10.1016/j.isprsjprs.2022.02.023

Spatiotemporal distribution of labeled data can bias the validation and selection of supervised learning algorithms: A marine remote sensing example

2022· article· en· W4220808180 sur OpenAlexaff
Andy Stock

Notice bibliographique

RevueISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing · 2022
Typearticle
Langueen
DomaineEarth and Planetary Sciences
ThématiqueMarine and coastal ecosystems
Établissements canadiensUniversity of British Columbia
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésAlgorithmComputer scienceData setRemote sensingSatelliteMatching (statistics)Sampling (signal processing)Set (abstract data type)Data miningStatisticsMathematicsArtificial intelligenceGeography

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Supervised learning allows the prediction of variables measured in-situ from variables that can be measured from satellites. A labeled data set for this purpose is typically created by matching in-situ and satellite data and split into subsets for model training and initial validation. However, the available data are often not randomly distributed in space and time. In theory, this can bias estimates of prediction errors. Here, remote sensing of chlorophyll a in the Baltic Sea serves as an example to demonstrate the importance of this problem in marine remote sensing, and to test how well different statistical designs for validation mitigate it. Semi-synthetic data sets were created by combining daily chlorophyll a fields from a biogeochemical model hindcast with real-world locations and times of in-situ measurements, generated by sampling 2,000 combinations of cruises from an oceanographic database. These data sets were matched with co-located satellite data and used to train and validate four algorithms using remote sensing reflectances as input. The algorithms were validated using different methods including random hold-out sets and various block cross-validation designs based on geographical location, time, or location in predictor space. The resulting error estimates were compared to true errors calculated from differences to the biogeochemical model outputs serving as response variable. All validation methods underestimated prediction errors, in many cases by >30%. While a simple band-ratio algorithm had the smallest true errors (e.g., absolute percentage difference: APD = 50%), estimated errors were smallest for more complicated and in fact less accurate machine learning algorithms. For example, ten-fold cross-validation led to selection of the truly best algorithm among four candidates for <10% of data sets. The biases were smallest, but not absent, for spatial block cross-validation, which selected the truly best algorithm for 21–46% of data sets, depending on the error measure. When the analyses were repeated with data that were randomly distributed in space and time, the biases of error estimates based on random splits became much smaller (e.g., 10-fold cross-validation estimated errors within 2% of their true values and selected the truly best algorithm for >99% of data sets), spatial block cross-validation overestimated prediction errors (often by >40%), all algorithms achieved lower true errors, and a random forest made the most accurate predictions overall (APD = 27%). These results show that more attention should be paid to statistical methods for estimating the errors of supervised learning algorithms, e.g., by using multiple validation methods in combination and critically discussing error estimates considering questions of dependence, representativeness, and stationarity. Furthermore, non-random spatiotemporal distribution of labeled data can be a barrier to harnessing the full potential of machine learning algorithms in marine remote sensing.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Autre devis · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,986
Score d'incertitude au seuil0,885

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,038
Tête enseignante GPT0,237
Écart entre enseignants0,199 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeAutre devis
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations31
Publié2022
Routes d'admission1
Résumé présentoui

Explorer davantage

Même revueISPRS Journal of Photogrammetry and Remote SensingMême sujetMarine and coastal ecosystemsTravaux en français237 207