Spatio-temporal machine learning is critically needed for a variety of societal applications, such as agricultural monitoring, hydrological forecast, and traffic management. These applications greatly rely on regional features that characterize spatial and temporal differences. However, spatio-temporal data are often complex and pose several unique challenges for machine learning models: 1) multiple models are needed to handle region-based data patterns that have significant spatial heterogeneity across different locations; 2) local models trained on region-specific data have limited ability to adapt to other regions that have large diversity and abnormality; 3) spatial and temporal variations entangle data complexity that requires more robust and adaptive models; 4) limited spatial-temporal data in real scenarios (e.g., crop yield data is collected only once a year) makes the problems intrinsically challenging. To bridge these gaps, we propose task-adaptive formulations and a model-agnostic meta-learning framework that ensembles regionally heterogeneous data into location-sensitive meta tasks. We conduct task adaptation following an easy-to-hard task hierarchy in which different meta models are adapted to tasks of different difficulty levels. One major advantage of our proposed method is that it improves the model adaptation to a large number of heterogeneous tasks. It also enhances the model generalization by automatically adapting the meta model of the corresponding difficulty level to any new tasks. We demonstrate the superiority of our proposed framework over a diverse set of baselines and state-of-the-art meta-learning frameworks. Our extensive experiments on real crop yield data show the effectiveness of the proposed method in handling spatial-related heterogeneous tasks in real societal applications.


翻译:各种社会应用,如农业监测、水文预报和交通管理,都亟需时空机器学习。这些应用在很大程度上依赖于具有空间和时间差异特点的区域特征。然而,时空数据往往十分复杂,给机器学习模型带来若干独特的挑战:1) 需要多种模型来处理具有不同地点空间差异性的区域数据模式;2) 区域特定数据培训的当地模型适应具有巨大多样性和异常性的其他区域的能力有限;3) 空间和时间变化数据错综复杂,需要更强大和适应性更强的模型;4 实际情景中有限的时空数据(例如,每年只收集一次作物产量数据)使问题具有内在挑战性。为弥合这些差距,我们建议采用任务适应性配方和模型-无异性元学习框架,将区域混杂数据纳入对地点敏感的元元任务;3) 空间和时间变异性数据纠缠缠在一起,需要更强大和适应更强的模型;4) 实际情景中有限的时空数据数据(例如每年只收集一次作物产量数据)使得问题具有内在挑战性。我们提出的方法的一个主要优点是自动地改进了我们所拟的模型的模型。

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