Understanding how habitats shape species distributions and abundances across river networks remains a longstanding and fundamental challenge in ecology, with direct implications for effective biodiversity management and conservation. We introduce a scalable spatial stream network (S3N) model that enables estimation, inference, and prediction with greater computational efficiency than previously possible. S3Ns extend nearest-neighbor Gaussian processes (NNGPs) to include ecologically salient stream network dependence structure. Additionally, S3Ns implement more efficient preprocessing than SSNs; while the computational cost of estimation is a function of the number of observation points and not of the number of reaches, the preprocessing is a function of both. We demonstrate that S3Ns accurately recover spatial and covariance parameters 2-3 orders of magnitude faster than existing spatial stream network models. We then apply S3Ns to estimate the population sizes and geographic distributions of 285 fish species in the entire Ohio River Basin (>4,000 river km, approximately 170,000 reaches and 9,000 observation points) on a laptop. These results indicate the promise of S3Ns for mapping freshwater variables and quantifying the influence of environmental drivers across extensive, complex river networks with many observation points.


翻译:栖息地如何塑造河流网络中物种的分布与丰度,仍是生态学中一个长期且基础性的挑战,对生物多样性管理与保护具有直接意义。我们提出了一种可扩展的空间河流网络(S3N)模型,其计算效率较以往方法显著提升,可支持估计、推断与预测。S3N将最近邻高斯过程(NNGP)扩展至包含生态学上关键的河流网络依赖结构。此外,S3N实现了比SSN更高效的预处理:尽管估计的计算成本取决于观测点数量而非河段数量,但预处理则同时取决于两者。我们证明,S3N能以比现有空间河流网络模型快2-3个数量级的速度准确恢复空间与协方差参数。随后,我们应用S3N在笔记本电脑上估算了整个俄亥俄河流域(河流长度超过4000公里,约17万个河段及9000个观测点)中285种鱼类的种群规模与地理分布。这些结果表明,S3N在映射淡水变量及量化环境驱动因素对广泛复杂河流网络(含大量观测点)的影响方面具有广阔前景。

0
下载
关闭预览

相关内容

144页ppt《扩散模型》,Google DeepMind Sander Dieleman
专知会员服务
51+阅读 · 2025年11月21日
非Transformer不可?最新《状态空间模型(SSM)》综述
专知会员服务
75+阅读 · 2024年4月16日
【Yoshua Bengio】生成式流网络,Generative Flow Networks
专知会员服务
32+阅读 · 2022年3月19日
专知会员服务
47+阅读 · 2020年11月13日
脉冲神经网络(SNN)概述
人工智能前沿讲习班
62+阅读 · 2019年5月30日
历史最全GAN网络及其各种变体整理(附论文及代码实现)
前沿 | 简述脉冲神经网络SNN:下一代神经网络
机器之心
39+阅读 · 2018年1月13日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
5+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
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+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
0+阅读 · 5月5日
VIP会员
最新内容
战力倍增器:自主武器系统与乌克兰及加沙冲突
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:24
人工智能赋能战场情报:提速决策进程
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:15
《拥抱新兴技术:面向未来军官的教育革新》
专知会员服务
2+阅读 · 今天15:11
《无人地面战车(UGV)的崛起》报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月16日
美陆军任务式指挥人工智能解决方案
专知会员服务
11+阅读 · 7月16日
相关基金
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
5+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
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+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