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Enregistrement W7026647022

Automatic classification of fish and bubbles at pixel-level precision in multi-frequency acoustic echograms using U-Net convolutional neural networks

2022· dissertation· en· W7026647022 sur OpenAlexaboutno aff

Notice bibliographique

RevueUVic’s Research and Learning Repository (University of Victoria) · 2022
Typedissertation
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueSentiment Analysis and Opinion Mining
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésConvolutional neural networkENCODEUnderwaterEcho soundingIdentification (biology)Task (project management)Backscatter (email)Artificial neural network
DOInon disponible

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Multi-frequency backscatter acoustic profilers (echosounders) are used to measure biological and physical phenomena in the ocean in ways that are not possible with optical methods. Echosounders are commonly used on ocean observatories and by commercial fisheries but require significant manual effort to classify species of interest within the collected echograms. The work presented in this thesis tackles the challenging task of automating the identification of fish and other phenomena in echosounder data, with specific application to aggregations of juvenile salmon, schools of herring, and bubbles of air that have been mixed into the water. U-Net convolutional neural networks (CNNs) are used to accomplish this task by identifying classes at the pixel level. The data considered here were collected in Okisollo Channel on the coast of British Columbia, Canada, using an Acoustic Zooplankton and Fish Profiler at four frequencies (67.5, 125, 200, and 455 kHz). The entrainment of air bubbles and the behaviour of fish are both governed by the surrounding physical environment. To improve the classification, simulated channels for water depth and solar elevation angle (a proxy for sunlight) are used to encode the CNNs with information related to the environment providing spatial and temporal context. The manual annotation of echograms at the pixel level is a challenging process, and a custom application was developed to aid in this process. A relatively small set of annotations were created and are used to train the CNNs. During training, the echogram data are divided into randomly-spaced square tiles to encode the models with robust features, and into overlapping tiles for added redundancy during classification. This is done without removing noise in the data, thus ensuring broad applicability. This approach is proven highly successful, as evidenced by the best-performing U-Net model producing F1 scores of 93.0%, 87.3% and 86.5% for herring, salmon, and bubble classes, respectively. These models also achieve promising results when applied to echogram data with coarser resolution. One goal in fisheries acoustics is to detect distinct schools of fish. Following the initial pixel level classification, the results from the best performing U-Net model are fed through a heuristic module, inspired by traditional fisheries methods, that links connected components of identified fish (school candidates) into distinct school objects. The results are compared to the outputs from a recent study that relied on a Mask R-CNN architecture to apply instance segmentation for classifying fish schools. It is demonstrated that the U-Net/heuristic hybrid technique improves on the Mask R-CNN approach by a small amount for the classification of herring schools, and by a large amount for aggregations of juvenile salmon (improvement in mean average precision from 24.7% to 56.1%).

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 enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,028
Score d'incertitude au seuil0,055

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,001

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.

Tête enseignante Opus0,065
Tête enseignante GPT0,313
Écart entre enseignants0,248 · 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 source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
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

Citations0
Publié2022
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Résumé présentoui

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