A Statistically-Guided Deep Network Transformation and Moderation Framework for Data with Spatial Heterogeneity

计算机科学 空间分析 转化(遗传学) 人工智能 机器学习 一般化 深度学习 空间分割 数据挖掘 地理 数学 算法 遥感 数学分析 生物化学 化学 基因
作者
Yiqun Xie,Erhu He,Xiaowei Jia,Han Bao,Xun Zhou,Rahul Ghosh,Praveen Ravirathinam
标识
DOI:10.1109/icdm51629.2021.00088
摘要

Spatial data are ubiquitous, massively collected, and widely used to support critical decision-making in many societal domains, including public health (e.g., COVID-19 pandemic control), agricultural crop monitoring, transportation, etc. While recent advances in machine learning and deep learning offer new promising ways to mine such rich datasets (e.g., satellite imagery, COVID statistics), spatial heterogeneity – an intrinsic characteristic embedded in spatial data - poses a major challenge as data distributions or generative processes often vary across space at different scales, with their spatial extents unknown. Recent studies (e.g., SVANN, spatial ensemble) targeting this difficult problem either require a known space-partitioning as the input, or can only support very limited number of partitions or classes (e.g., two) due to the decrease in training data size and the complexity of analysis. To address these limitations, we propose a model-agnostic framework to automatically transform a deep learning model into a spatial-heterogeneity-aware architecture, where the learning of arbitrary space partitionings is guided by a learning-engaged generalization of multivariate scan statistic and parameters are shared based on spatial relationships. We also propose a spatial moderator to generalize learned space partitionings to new test regions. Experiment results on real-world datasets show that the spatial transformation and moderation framework can effectively capture flexibly-shaped heterogeneous footprints and substantially improve prediction performances.
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