Modeling spatial heterogeneity in the data generation process is essential for understanding and predicting geographical phenomena. Despite their prevalence in geospatial tasks, neural network models usually assume spatial stationarity, which could limit their performance in the presence of spatial process heterogeneity. By allowing model parameters to vary over space, several approaches have been proposed to incorporate spatial heterogeneity into neural networks. However, current geographically weighting approaches are ineffective on graph neural networks, yielding no significant improvement in prediction accuracy. We assume the crux lies in the over-fitting risk brought by a large number of local parameters. Accordingly, we propose to model spatial process heterogeneity at the regional level rather than at the individual level, which largely reduces the number of spatially varying parameters. We further develop a heuristic optimization procedure to learn the region partition adaptively in the process of model training. Our proposed spatial-heterogeneity-aware graph convolutional network, named RegionGCN, is applied to the spatial prediction of county-level vote share in the 2016 US presidential election based on socioeconomic attributes. Results show that RegionGCN achieves significant improvement over the basic and geographically weighted GCNs. We also offer an exploratory analysis tool for the spatial variation of non-linear relationships through ensemble learning of regional partitions from RegionGCN. Our work contributes to the practice of Geospatial Artificial Intelligence (GeoAI) in tackling spatial heterogeneity.


翻译:在数据生成过程中建模空间异质性对于理解和预测地理现象至关重要。尽管神经网络模型在地理空间任务中应用广泛,但其通常假设空间平稳性,这在空间过程存在异质性的情况下可能限制模型性能。通过允许模型参数随空间变化,已有若干方法尝试将空间异质性融入神经网络。然而,现有地理加权方法在图神经网络上效果有限,未能显著提升预测精度。我们认为问题的核心在于大量局部参数带来的过拟合风险。为此,我们提出在区域层面而非个体层面建模空间过程异质性,从而大幅减少空间变化参数的数量。我们进一步设计了一种启发式优化程序,在模型训练过程中自适应学习区域划分。我们提出的空间异质性感知图卷积网络(RegionGCN)基于社会经济属性,应用于2016年美国总统选举县级投票份额的空间预测。结果表明,RegionGCN相较于基础图卷积网络及地理加权图卷积网络均取得显著改进。我们还通过集成学习RegionGCN的区域划分结果,提供了一种探索非线性关系空间变化的分析工具。本研究为地理空间人工智能(GeoAI)应对空间异质性挑战提供了实践参考。

0
下载
关闭预览

相关内容

Processing 是一门开源编程语言和与之配套的集成开发环境(IDE)的名称。Processing 在电子艺术和视觉设计社区被用来教授编程基础,并运用于大量的新媒体和互动艺术作品中。
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
14+阅读 · 2023年9月27日
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
Arxiv
12+阅读 · 2021年11月1日
Arxiv
38+阅读 · 2021年8月31日
Arxiv
17+阅读 · 2020年11月15日
UNITER: Learning UNiversal Image-TExt Representations
Arxiv
23+阅读 · 2019年9月25日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
Arxiv
14+阅读 · 2023年9月27日
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
Arxiv
12+阅读 · 2021年11月1日
Arxiv
38+阅读 · 2021年8月31日
Arxiv
17+阅读 · 2020年11月15日
UNITER: Learning UNiversal Image-TExt Representations
Arxiv
23+阅读 · 2019年9月25日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员