Advancing snow grain classification for snow micro-penetrometer signals using machine learning
Notice bibliographique
Résumé
The layered nature of snow is a key characteristic of the seasonal alpine snowpack. In fact, snow stratigraphy influences all physical processes e.g., mechanical or thermal behavior. In order to describe these physical processes precisely, a profound and objective representation of the snow stratigraphy is paramount. The Snow-Micro Penetrometer (SMP) is a rod-driven snow penetrometer that provides resistance-force profiles across snow depth, offering an objective method to measure vertical snow stratigraphy. These submillimeter-scale profiles facilitate the derivation of a micro-mechanical snow model. These derivatives have the potential to initialize complex, physics-based snow cover models (e.g., SNOWPACK). While many parameters for snowpack simulations can be derived directly, determining grain type remains challenging due to the absence of a clear physical correlation. To address this, machine learning (ML) approaches have been investigated. However, prior ML models are limited in their number of snow grain type classes and datasets, which prevents the operational use of these models. Recently, Kaltenborn et al. introduced Snowdragon, a ML benchmark for automated classification and segmentation of SMP profiles. The current version of Snowdragon is trained on SMP profiles collected during the MOSAiC expedition and contains only specific non-standardized grain types typically observed for snow on Arctic sea ice. In this work, we re-trained the supervised models of the Snowdragon benchmark on Alpine snow. To enable the usage of Snowdragon for a broader community, we adapted the classification of grain types according to the international standard for seasonal snow. Our dataset comprises 52 manually labeled SMP profiles recorded in Alpine snow in Switzerland. Previously identified high-performing ML models were re-trained without additional hyperparameter tuning and subsequently evaluated. We found that the ML model Random Forest performed best but nevertheless had difficulties in recognizing faceted crystals, similar to the other models. Additionally, all models react sensitive to minor force changes in the SMP profiles, often leading to predictions of alternating micro-classes between two grain types. These preliminary results demonstrate the feasibility of this approach for grain type classification, but underscore the limitations posed by the small dataset size. Future work will focus on expanding the training dataset and developing a robust interface for operational use of the prediction output. This work marks a step toward more reliable and generalizable snow grain classification of SMP signals for operational use, like snowpack modeling and avalanche assessment.
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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 | 0,000 | 0,002 |
| 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 | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 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 ».