Wildlife camera trap images are being used extensively to investigate animal abundance, habitat associations, and behavior, which is complicated by the fact that experts must first classify the images manually. Artificial intelligence systems can take over this task but usually need a large number of already-labeled training images to achieve sufficient performance. This requirement necessitates human expert labor and poses a particular challenge for projects with few cameras or short durations. We propose a label-efficient learning strategy that enables researchers with small or medium-sized image databases to leverage the potential of modern machine learning, thus freeing crucial resources for subsequent analyses. Our methodological proposal is two-fold: (1) We improve current strategies of combining object detection and image classification by tuning the hyperparameters of both models. (2) We provide an active learning (AL) system that allows training deep learning models very efficiently in terms of required human-labeled training images. We supply a software package that enables researchers to use these methods directly and thereby ensure the broad applicability of the proposed framework in ecological practice. We show that our tuning strategy improves predictive performance. We demonstrate how the AL pipeline reduces the amount of pre-labeled data needed to achieve a specific predictive performance and that it is especially valuable for improving out-of-sample predictive performance. We conclude that the combination of tuning and AL increases predictive performance substantially. Furthermore, we argue that our work can broadly impact the community through the ready-to-use software package provided. Finally, the publication of our models tailored to European wildlife data enriches existing model bases mostly trained on data from Africa and North America.


翻译:野生动物相机陷阱图像被广泛用于研究动物丰度、栖息地关联及行为,但这一过程因需专家手动分类图像而变得复杂。人工智能系统可承担此任务,但通常需要大量已标注的训练图像才能达到足够性能,这一要求不仅依赖人类专家劳动,还对相机数量少或研究周期短的项目构成特殊挑战。我们提出一种标签高效的学习策略,使中小型图像数据库的研究者能够充分利用现代机器学习潜力,从而将关键资源释放至后续分析。方法论包含两个方面:(1) 通过调优目标检测与图像分类两个模型的超参数,改进当前将两者结合的策略;(2) 提供一种主动学习系统,使深度学习模型的训练在所需人工标注图像数量方面极为高效。我们提供可直接应用这些方法的软件包,从而确保所提框架在生态实践中的广泛适用性。实验表明,调优策略提升了预测性能。我们展示了主动学习流水线如何减少达到特定预测性能所需的预标注数据量,并特别强调其在提升样本外预测性能方面的价值。结论指出,调优与主动学习的结合显著提升了预测性能。此外,我们认为通过提供即用型软件包,本研究可对学界产生广泛影响。最后,针对欧洲野生动物数据定制的模型发表,将丰富现有主要基于非洲与北美数据训练的模型库。

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主动学习是机器学习(更普遍的说是人工智能)的一个子领域,在统计学领域也叫查询学习、最优实验设计。“学习模块”和“选择策略”是主动学习算法的2个基本且重要的模块。 主动学习是“一种学习方法,在这种方法中,学生会主动或体验性地参与学习过程,并且根据学生的参与程度,有不同程度的主动学习。” (Bonwell&Eison 1991)Bonwell&Eison(1991) 指出:“学生除了被动地听课以外,还从事其他活动。” 在高等教育研究协会(ASHE)的一份报告中,作者讨论了各种促进主动学习的方法。他们引用了一些文献,这些文献表明学生不仅要做听,还必须做更多的事情才能学习。他们必须阅读,写作,讨论并参与解决问题。此过程涉及三个学习领域,即知识,技能和态度(KSA)。这种学习行为分类法可以被认为是“学习过程的目标”。特别是,学生必须从事诸如分析,综合和评估之类的高级思维任务。
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