Leveraging Self-Supervised Learning for Sea Ice Segmentation in the Arctic to Reduce on Labelling
Notice bibliographique
Résumé
The rapid decline of Arctic sea ice driven by climate change poses significant challenges and opportunities for global shipping, ecosystems, and coastal communities. Understanding and mapping sea ice variability is crucial for assessing its implications on navigability and ensuring maritime safety in this dynamic region. One of the most significant challenges in applying machine learning (ML) to cryospheric sciences is the reliance on large quantities of human-labelled data, which is both costly and time-intensive to produce, particularly in remote and harsh environments like the Arctic. This contribution addresses this challenge by leveraging self-supervised learning (SSL) techniques and Convolutional Neural Network (CNN) to reduce the dependency on labelled data while maintaining high levels of model performance. We used the well-known UNet model, a CNN designed for pixel-wise segmentation tasks, and integrate BYOL (Bootstrap Your Own Latent), an SSL technique that leverages unlabelled data to learn features without requiring explicit labels. BYOL trains the model to match representations of the same image under different transformations, allowing it to learn useful features from unlabelled data without needing explicit labels.We apply these models to Sentinel-1 SAR imagery in the Canadian Arctic Archipelago, a region of critical importance due to its role in global shipping routes, where sea ice variability directly impacts navigability and maritime safety.We created binary ice and open water labels to serve as a benchmark for evaluating model performance. Early preliminary results suggest that using BYOL reduces the labelling requirement by approximately 50% compared to models trained without self-supervised pretraining. By pretraining the UNet model on unlabelled Sentinel-1 SAR imagery and fine-tuning it for sea ice segmentation, this approach demonstrates how leveraging unlabelled data can significantly minimise the need for human annotation while maintaining robust segmentation accuracy. These methods optimise the use of limited labelled datasets, enabling efficient and scalable models that potentially generalise to sea ice segmentation tasks where high-quality labels are often scarce or imprecise. These techniques enhance the adaptability of ML models, allowing them to be applied to new datasets and tasks with minimal retraining, further reducing the computational and data requirements. By reducing reliance on labelled data, this approach improves efficiency and opens up possibilities for tackling broader challenges, such as real-time ice monitoring, assessing shipping route viability, and conducting long-term trend analysis.
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 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 | 0,001 | 0,004 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
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 ».