An imperative for soil spectroscopic modelling is to think global but fit local with transfer learning
Notice bibliographique
Résumé
Soil spectroscopy with machine learning (ML) can estimate soil properties. Extensive soil spectral libraries (SSLs) have been developed for this purpose. However, general models built with those SSLs do not generalize well on new ‘unseen’ local data. The main reason is the different characteristics of the observations in the SSL and the local data, which cause their conditional and marginal distributions to differ. This makes the modelling of soil properties with spectra challenging. General models developed using large ‘global’ SSLs offer broad, systematic information on the soil-spectral relationships. However, to accurately generalize in a local situation, they need to be adjusted to capture the site-specific characteristics of the local observations. Most current methods for ‘localizing’ spectroscopic modelling report inconsistent results. An understanding of spectroscopic ‘localization’ is lacking, and there is no framework to guide further developments. Here, we review current localization methods and propose their reformulation as a transfer learning (TL) undertaking. We then demonstrate the implementation of instance-based TL with rsl-local 2.0 for modelling the soil organic carbon (SOC) content of 12 sites representing fields, farms and regions from 10 countries on the 7 continents. The method uses a small number of instances, or observations (that is, measured soil property values and corresponding spectra) from the local site to transfer relevant information from a large and diverse global SSL (GSSL 2.0) with more than 50,000 records. We found that with ≤30 local observations rs-local 2.0 produces more accurate and stable estimates of SOC than modelling with only the local data. By using the information in the GSSL 2.0 and minimizing the number of samples for laboratory analysis, the method improves the cost-efficiency and practicality of soil spectroscopy. We interpreted the transfer by analysing the data, models, and soil and environmental relationships of the local and the ‘transferred’ data to gain insight into the approach. Transferring instances from the GSSL 2.0 to the local sites helped to align their conditional and marginal distributions, making the spectra-SOC relationships in the models more robust. Finally, we propose directions for future research. The guiding principle for the development of practical and cost-effective spectroscopy should be to think globally but fit locally. By reformulating the localization problem within a TL framework, we hope to have acquainted the soil science community with a set of methodologies that can inspire the development of new, innovative algorithms for soil spectroscopic modelling.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,003 | 0,007 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,002 |
| Communication savante | 0,003 | 0,008 |
| Science ouverte | 0,003 | 0,003 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,005 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,002 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».