Recent years have seen an increased interest in the application of methods and techniques commonly associated with machine learning and artificial intelligence to spatial statistics. Here, in a celebration of the ten-year anniversary of the journal Spatial Statistics, we bring together normalizing flows, commonly used for density function estimation in machine learning, and spherical point processes, a topic of particular interest to the journal's readership, to present a new approach for modeling non-homogeneous Poisson process intensity functions on the sphere. The central idea of this framework is to build, and estimate, a flexible bijective map that transforms the underlying intensity function of interest on the sphere into a simpler, reference, intensity function, also on the sphere. Map estimation can be done efficiently using automatic differentiation and stochastic gradient descent, and uncertainty quantification can be done straightforwardly via nonparametric bootstrap. We investigate the viability of the proposed method in a simulation study, and illustrate its use in a proof-of-concept study where we model the intensity of cyclone events in the North Pacific Ocean. Our experiments reveal that normalizing flows present a flexible and straightforward way to model intensity functions on spheres, but that their potential to yield a good fit depends on the architecture of the bijective map, which can be difficult to establish in practice.


翻译:近年来,人们对应用通常与机器学习和人工智能有关的方法和技巧来进行空间统计的兴趣日益浓厚。在这里,在庆祝《空间统计》杂志十周年之际,我们把机器学习中通常用于密度函数估计的正常流动和球点过程(该杂志读者特别感兴趣的一个专题)结合起来,提出一种新的方法来模拟该领域的非同质Poisson过程强度功能。这个框架的中心思想是建立和估计一个灵活的双向图,将球体上的兴趣基本强度功能转化为更简单、参考、强度功能,也纳入球体上。地图估算可以有效地使用自动差异和随机梯度梯度下降法进行,而不确定性量化可以通过非分辨的轨迹直接进行。我们研究了模拟研究中拟议方法的可行性,并展示了它用于模拟北太平洋气旋事件强度的论证性研究。我们的实验表明,正常化流动是一种灵活和直截然的方法,可以用于空间上的模型强度功能,但取决于它们能否很好地生成一个难的双轨图。

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