Knowledge-based and data-driven approaches for geographical information access

Geographical Information Access (GeoIA) can be defined as a way of retrieving information from textual collections that includes the automatic analysis and interpretation of the geographical constraints and terms present in queries and documents. This PhD thesis presents, describes and evaluates several heterogeneous approaches for the following three GeoIA tasks: Geographical Information Retrieval (GIR), Geographical Question Answering (GeoQA), and Textual Georeferencing (TG). The GIR task deals with user queries that search over documents (e.g. ¿vineyards in California?) and the GeoQA task treats questions that retrieve answers (e.g. ¿What is the capital of France?). On the other hand, TG is the task of associate one or more georeferences (such as polygons or coordinates in a geodetic reference system) to electronic documents. Current state-of-the-art AI algorithms are not yet fully understanding the semantic meaning and the geographical constraints and terms present in queries and document collections. This thesis attempts to improve the effectiveness results of GeoIA tasks by: 1) improving the detection, understanding, and use of a part of the geographical and the thematic content of queries and documents with Toponym Recognition, Toponym Disambiguation and Natural Language Processing (NLP) techniques, and 2) combining Geographical Knowledge-Based Heuristics based on common sense with Data-Driven IR algorithms. The main contributions of this thesis to the state-of-the-art of GeoIA tasks are: 1) The presentation of 10 novel approaches for GeoIA tasks: 3 approaches for GIR, 3 for GeoQA, and 4 for Textual Georeferencing (TG). 2) The evaluation of these novel approaches in these contexts: within official evaluation benchmarks, after evaluation benchmarks with the test collections, and with other specific datasets. Most of these algorithms have been evaluated in international evaluations and some of them achieved top-ranked state-of-the-art results, including top-performing results in GIR (GeoCLEF 2007) and TG (MediaEval 2014) benchmarks. 3) The experiments reported in this PhD thesis show that the approaches can combine effectively Geographical Knowledge and NLP with Data-Driven techniques to improve the efectiveness measures of the three Geographical Information Access tasks investigated. 4) TALPGeoIR: a novel GIR approach that combines Geographical Knowledge ReRanking (GeoKR), NLP and Relevance Feedback (RF) that achieved state-of-the-art results in official GeoCLEF benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2015a). This approach has been evaluated with the full GeoCLEF corpus (100 topics) and showed that GeoKR, NLP, and RF techniques evaluated separately or in combination improve the results in MAP and R-Precision effectiveness measures of the state-of-the-art IR algorithms TF-IDF, BM25 and InL2 and show statistical significance in most of the experiments. 5) GeoTALP-QA: a scope-based GeoQA approach for Spanish and English and its evaluation with a set of questions of the Spanish geography (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Four state-of-the-art Textual Georeferencing approaches for informal and formal documents that achieved state-of-the-art results in evaluation benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2014) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b).L'Accés a la Informació Geogràfica (GeoAI) pot ser definit com una forma de recuperar informació de col·lecions textuals que inclou l'anàlisi automàtic i la interpretació dels termes i restriccions geogràfiques que apareixen en consultes i documents. Aquesta tesi doctoral presenta, descriu i avalua varies aproximacions heterogènies a les seguents tasques de GeoAI: Recuperació de la Informació Geogràfica (RIG), Cerca de la Resposta Geogràfica (GeoCR), i Georeferenciament Textual (GT). La tasca de RIG tracta amb consultes d'usuari que cerquen documents (e.g. ¿vinyes a California?) i la tasca GeoCR tracta de recuperar respostes concretes a preguntes (e.g. ¿Quina és la capital de França?). D'altra banda, GT es la tasca de relacionar una o més referències geogràfiques (com polígons o coordenades en un sistema de referència geodètic) a documents electrònics. Els algoritmes de l'estat de l'art actual en Intel·ligència Artificial encara no comprenen completament el significat semàntic i els termes i les restriccions geogràfiques presents en consultes i col·leccions de documents. Aquesta tesi intenta millorar els resultats en efectivitat de les tasques de GeoAI de la seguent manera: 1) millorant la detecció, comprensió, i la utilització d'una part del contingut geogràfic i temàtic de les consultes i documents amb tècniques de reconeixement de topònims, desambiguació de topònims, i Processament del Llenguatge Natural (PLN), i 2) combinant heurístics basats en Coneixement Geogràfic i en el sentit comú humà amb algoritmes de Recuperació de la Informació basats en dades. Les principals contribucions d'aquesta tesi a l'estat de l'art de les tasques de GeoAI són: 1) La presentació de 10 noves aproximacions a les tasques de GeoAI: 3 aproximacions per RIG, 3 per GeoCR, i 4 per Georeferenciament Textual (GT). 2) L'avaluació d'aquestes noves aproximacions en aquests contexts: en el marc d'avaluacions comparatives internacionals, posteriorment a avaluacions comparatives internacionals amb les col·lections de test, i amb altres conjunts de dades específics. La majoria d'aquests algoritmes han estat avaluats en avaluacions comparatives internacionals i alguns d'ells aconseguiren alguns dels millors resultats en l'estat de l'art, com per exemple els resultats en comparatives de RIG (GeoCLEF 2007) i GT (MediaEval 2014). 3) Els experiments descrits en aquesta tesi mostren que les aproximacions poden combinar coneixement geogràfic i PLN amb tècniques basades en dades per millorar les mesures d'efectivitat en les tres tasques de l'Accés a la Informació Geogràfica investigades. 4) TALPGeoIR: una nova aproximació a la RIG que combina Re-Ranking amb Coneixement Geogràfic (GeoKR), PLN i Retroalimentació de Rellevancia (RR) que aconseguí resultats en l'estat de l'art en comparatives oficials GeoCLEF (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2015a). Aquesta aproximació ha estat avaluada amb el conjunt complert del corpus GeoCLEF (100 topics) i ha mostrat que les tècniques GeoKR, PLN i RR avaluades separadament o en combinació milloren els resultats en les mesures efectivitat MAP i R-Precision dels algoritmes de l'estat de l'art en Recuperació de la Infomació TF-IDF, BM25 i InL2 i a més mostren significació estadística en la majoria dels experiments. 5) GeoTALP-QA: una aproximació basada en l'àmbit geogràfic per espanyol i anglès i la seva avaluació amb un conjunt de preguntes de la geografía espanyola (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Quatre aproximacions per al georeferenciament de documents formals i informals que obtingueren resultats en l'estat de l'art en avaluacions comparatives (Ferrés and Rodríguez, 2014) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b)

EXPLORANDO MÉTODOS NÃO SUPERVISIONADOS PARA DIVERSIFICAÇÃO VISUAL

Tradicionalmente, sistemas de recuperação de imagem por conteúdo estão sendoaprimorados utilizando mecanismos de aprendizado de máquina aliados à realimentaçãode relevância (Calumby et al. 2014), por meio da qual o usuário julga os resultadosapresentados, permitindo com o que o sistema aprenda e apresente melhores resultadosa cada interação.Em vários cenários, tão importante quanto a relevância dos itens é a diversidadedo resultado. No processo de recuperação por conteúdo, dadas as intenções de busca dousuário, não necessariamente os itens relevantes são aqueles que possuem maior valorde relevância em relação à consulta. Informações relevantes podem pertencer a itenscom conceitos diferentes (Sanderson et al. 2009). A diversidade no resultado é essencialpara que o sistema aprenda de forma mais precisa o que é realmente relevante na busca,pois permite ao usuário uma melhor visão dos possíveis itens obtidos como resultado.Porém, em contrapartida, pode também mostrar itens irrelevantes. Métodos dereranqueamento (Carbonell & Goldstein, 1998) e técnicas de agrupamento (Calumby etal. 2014) têm sido empregados com intuito de promover esta diversidade.Em recuperação de informação, a técnica Floresta de Caminhos Ótimos (OPF,do inglês Optimum-Path Forest) (Papa, 2009) tem sido aplicada tanto em realimentaçãode relevância (supervisionada)(da Silva et al. 2012) quanto em agrupamento de dados(Rocha et al. 2009)(não supervisionada), mas não com o foco em promoção dediversidade. Esta técnica, baseada na construção de árvores de caminhos ótimos, visaconectar itens, criando grupos conceitualmente homogêneos. Consequentemente, estesgrupos podem ser associadas às diferentes intenções de busca de um usuário oudiferentes interpretações que uma mesma consulta possa ter.O objetivo deste trabalho é avaliar métodos não supervisionados em buscainterativa com promoção de diversidade, comparando e analisando seus resultados emdiferentes modalidades de busca

Monitoring spatial sustainable development: Semi-automated analysis of satellite and aerial images for energy transition and sustainability indicators

Solar panels are installed by a large and growing number of households due to the convenience of having cheap and renewable energy to power house appliances. In contrast to other energy sources solar installations are distributed very decentralized and spread over hundred-thousands of locations. On a global level more than 25% of solar photovoltaic (PV) installations were decentralized. The effect of the quick energy transition from a carbon based economy to a green economy is though still very difficult to quantify. As a matter of fact the quick adoption of solar panels by households is difficult to track, with local registries that miss a large number of the newly built solar panels. This makes the task of assessing the impact of renewable energies an impossible task. Although models of the output of a region exist, they are often black box estimations. This project's aim is twofold: First automate the process to extract the location of solar panels from aerial or satellite images and second, produce a map of solar panels along with statistics on the number of solar panels. Further, this project takes place in a wider framework which investigates how official statistics can benefit from new digital data sources. At project completion, a method for detecting solar panels from aerial images via machine learning will be developed and the methodology initially developed for BE, DE and NL will be standardized for application to other EU countries. In practice, machine learning techniques are used to identify solar panels in satellite and aerial images for the province of Limburg (NL), Flanders (BE) and North Rhine-Westphalia (DE).Comment: This document provides the reader with an overview of the various datasets which will be used throughout the project. The collection of satellite and aerial images as well as auxiliary information such as the location of buildings and roofs which is required to train, test and validate the machine learning algorithm that is being develope

Knowledge-based and data-driven approaches for geographical information access

Geographical Information Access (GeoIA) can be defined as a way of retrieving information from textual collections that includes the automatic analysis and interpretation of the geographical constraints and terms present in queries and documents. This PhD thesis presents, describes and evaluates several heterogeneous approaches for the following three GeoIA tasks: Geographical Information Retrieval (GIR), Geographical Question Answering (GeoQA), and Textual Georeferencing (TG). The GIR task deals with user queries that search over documents (e.g. ¿vineyards in California?) and the GeoQA task treats questions that retrieve answers (e.g. ¿What is the capital of France?). On the other hand, TG is the task of associate one or more georeferences (such as polygons or coordinates in a geodetic reference system) to electronic documents. Current state-of-the-art AI algorithms are not yet fully understanding the semantic meaning and the geographical constraints and terms present in queries and document collections. This thesis attempts to improve the effectiveness results of GeoIA tasks by: 1) improving the detection, understanding, and use of a part of the geographical and the thematic content of queries and documents with Toponym Recognition, Toponym Disambiguation and Natural Language Processing (NLP) techniques, and 2) combining Geographical Knowledge-Based Heuristics based on common sense with Data-Driven IR algorithms. The main contributions of this thesis to the state-of-the-art of GeoIA tasks are: 1) The presentation of 10 novel approaches for GeoIA tasks: 3 approaches for GIR, 3 for GeoQA, and 4 for Textual Georeferencing (TG). 2) The evaluation of these novel approaches in these contexts: within official evaluation benchmarks, after evaluation benchmarks with the test collections, and with other specific datasets. Most of these algorithms have been evaluated in international evaluations and some of them achieved top-ranked state-of-the-art results, including top-performing results in GIR (GeoCLEF 2007) and TG (MediaEval 2014) benchmarks. 3) The experiments reported in this PhD thesis show that the approaches can combine effectively Geographical Knowledge and NLP with Data-Driven techniques to improve the efectiveness measures of the three Geographical Information Access tasks investigated. 4) TALPGeoIR: a novel GIR approach that combines Geographical Knowledge ReRanking (GeoKR), NLP and Relevance Feedback (RF) that achieved state-of-the-art results in official GeoCLEF benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2015a). This approach has been evaluated with the full GeoCLEF corpus (100 topics) and showed that GeoKR, NLP, and RF techniques evaluated separately or in combination improve the results in MAP and R-Precision effectiveness measures of the state-of-the-art IR algorithms TF-IDF, BM25 and InL2 and show statistical significance in most of the experiments. 5) GeoTALP-QA: a scope-based GeoQA approach for Spanish and English and its evaluation with a set of questions of the Spanish geography (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Four state-of-the-art Textual Georeferencing approaches for informal and formal documents that achieved state-of-the-art results in evaluation benchmarks (Ferrés and Rodríguez, 2014) and posterior experiments (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b).L'Accés a la Informació Geogràfica (GeoAI) pot ser definit com una forma de recuperar informació de col·lecions textuals que inclou l'anàlisi automàtic i la interpretació dels termes i restriccions geogràfiques que apareixen en consultes i documents. Aquesta tesi doctoral presenta, descriu i avalua varies aproximacions heterogènies a les seguents tasques de GeoAI: Recuperació de la Informació Geogràfica (RIG), Cerca de la Resposta Geogràfica (GeoCR), i Georeferenciament Textual (GT). La tasca de RIG tracta amb consultes d'usuari que cerquen documents (e.g. ¿vinyes a California?) i la tasca GeoCR tracta de recuperar respostes concretes a preguntes (e.g. ¿Quina és la capital de França?). D'altra banda, GT es la tasca de relacionar una o més referències geogràfiques (com polígons o coordenades en un sistema de referència geodètic) a documents electrònics. Els algoritmes de l'estat de l'art actual en Intel·ligència Artificial encara no comprenen completament el significat semàntic i els termes i les restriccions geogràfiques presents en consultes i col·leccions de documents. Aquesta tesi intenta millorar els resultats en efectivitat de les tasques de GeoAI de la seguent manera: 1) millorant la detecció, comprensió, i la utilització d'una part del contingut geogràfic i temàtic de les consultes i documents amb tècniques de reconeixement de topònims, desambiguació de topònims, i Processament del Llenguatge Natural (PLN), i 2) combinant heurístics basats en Coneixement Geogràfic i en el sentit comú humà amb algoritmes de Recuperació de la Informació basats en dades. Les principals contribucions d'aquesta tesi a l'estat de l'art de les tasques de GeoAI són: 1) La presentació de 10 noves aproximacions a les tasques de GeoAI: 3 aproximacions per RIG, 3 per GeoCR, i 4 per Georeferenciament Textual (GT). 2) L'avaluació d'aquestes noves aproximacions en aquests contexts: en el marc d'avaluacions comparatives internacionals, posteriorment a avaluacions comparatives internacionals amb les col·lections de test, i amb altres conjunts de dades específics. La majoria d'aquests algoritmes han estat avaluats en avaluacions comparatives internacionals i alguns d'ells aconseguiren alguns dels millors resultats en l'estat de l'art, com per exemple els resultats en comparatives de RIG (GeoCLEF 2007) i GT (MediaEval 2014). 3) Els experiments descrits en aquesta tesi mostren que les aproximacions poden combinar coneixement geogràfic i PLN amb tècniques basades en dades per millorar les mesures d'efectivitat en les tres tasques de l'Accés a la Informació Geogràfica investigades. 4) TALPGeoIR: una nova aproximació a la RIG que combina Re-Ranking amb Coneixement Geogràfic (GeoKR), PLN i Retroalimentació de Rellevancia (RR) que aconseguí resultats en l'estat de l'art en comparatives oficials GeoCLEF (Ferrés and Rodríguez, 2008; Mandl et al., 2008) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2015a). Aquesta aproximació ha estat avaluada amb el conjunt complert del corpus GeoCLEF (100 topics) i ha mostrat que les tècniques GeoKR, PLN i RR avaluades separadament o en combinació milloren els resultats en les mesures efectivitat MAP i R-Precision dels algoritmes de l'estat de l'art en Recuperació de la Infomació TF-IDF, BM25 i InL2 i a més mostren significació estadística en la majoria dels experiments. 5) GeoTALP-QA: una aproximació basada en l'àmbit geogràfic per espanyol i anglès i la seva avaluació amb un conjunt de preguntes de la geografía espanyola (Ferrés and Rodríguez, 2006). 6) Quatre aproximacions per al georeferenciament de documents formals i informals que obtingueren resultats en l'estat de l'art en avaluacions comparatives (Ferrés and Rodríguez, 2014) i en experiments posteriors (Ferrés and Rodríguez, 2011; Ferrés and Rodríguez, 2015b).Postprint (published version

Recuperação multimodal e interativa de informação orientada por diversidade

Orientador: Ricardo da Silva TorresTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Os métodos de Recuperação da Informação, especialmente considerando-se dados multimídia, evoluíram para a integração de múltiplas fontes de evidência na análise de relevância de itens em uma tarefa de busca. Neste contexto, para atenuar a distância semântica entre as propriedades de baixo nível extraídas do conteúdo dos objetos digitais e os conceitos semânticos de alto nível (objetos, categorias, etc.) e tornar estes sistemas adaptativos às diferentes necessidades dos usuários, modelos interativos que consideram o usuário mais próximo do processo de recuperação têm sido propostos, permitindo a sua interação com o sistema, principalmente por meio da realimentação de relevância implícita ou explícita. Analogamente, a promoção de diversidade surgiu como uma alternativa para lidar com consultas ambíguas ou incompletas. Adicionalmente, muitos trabalhos têm tratado a ideia de minimização do esforço requerido do usuário em fornecer julgamentos de relevância, à medida que mantém níveis aceitáveis de eficácia. Esta tese aborda, propõe e analisa experimentalmente métodos de recuperação da informação interativos e multimodais orientados por diversidade. Este trabalho aborda de forma abrangente a literatura acerca da recuperação interativa da informação e discute sobre os avanços recentes, os grandes desafios de pesquisa e oportunidades promissoras de trabalho. Nós propusemos e avaliamos dois métodos de aprimoramento do balanço entre relevância e diversidade, os quais integram múltiplas informações de imagens, tais como: propriedades visuais, metadados textuais, informação geográfica e descritores de credibilidade dos usuários. Por sua vez, como integração de técnicas de recuperação interativa e de promoção de diversidade, visando maximizar a cobertura de múltiplas interpretações/aspectos de busca e acelerar a transferência de informação entre o usuário e o sistema, nós propusemos e avaliamos um método multimodal de aprendizado para ranqueamento utilizando realimentação de relevância sobre resultados diversificados. Nossa análise experimental mostra que o uso conjunto de múltiplas fontes de informação teve impacto positivo nos algoritmos de balanceamento entre relevância e diversidade. Estes resultados sugerem que a integração de filtragem e re-ranqueamento multimodais é eficaz para o aumento da relevância dos resultados e também como mecanismo de potencialização dos métodos de diversificação. Além disso, com uma análise experimental minuciosa, nós investigamos várias questões de pesquisa relacionadas à possibilidade de aumento da diversidade dos resultados e a manutenção ou até mesmo melhoria da sua relevância em sessões interativas. Adicionalmente, nós analisamos como o esforço em diversificar afeta os resultados gerais de uma sessão de busca e como diferentes abordagens de diversificação se comportam para diferentes modalidades de dados. Analisando a eficácia geral e também em cada iteração de realimentação de relevância, nós mostramos que introduzir diversidade nos resultados pode prejudicar resultados iniciais, enquanto que aumenta significativamente a eficácia geral em uma sessão de busca, considerando-se não apenas a relevância e diversidade geral, mas também o quão cedo o usuário é exposto ao mesmo montante de itens relevantes e nível de diversidadeAbstract: Information retrieval methods, especially considering multimedia data, have evolved towards the integration of multiple sources of evidence in the analysis of the relevance of items considering a given user search task. In this context, for attenuating the semantic gap between low-level features extracted from the content of the digital objects and high-level semantic concepts (objects, categories, etc.) and making the systems adaptive to different user needs, interactive models have brought the user closer to the retrieval loop allowing user-system interaction mainly through implicit or explicit relevance feedback. Analogously, diversity promotion has emerged as an alternative for tackling ambiguous or underspecified queries. Additionally, several works have addressed the issue of minimizing the required user effort on providing relevance assessments while keeping an acceptable overall effectiveness. This thesis discusses, proposes, and experimentally analyzes multimodal and interactive diversity-oriented information retrieval methods. This work, comprehensively covers the interactive information retrieval literature and also discusses about recent advances, the great research challenges, and promising research opportunities. We have proposed and evaluated two relevance-diversity trade-off enhancement work-flows, which integrate multiple information from images, such as: visual features, textual metadata, geographic information, and user credibility descriptors. In turn, as an integration of interactive retrieval and diversity promotion techniques, for maximizing the coverage of multiple query interpretations/aspects and speeding up the information transfer between the user and the system, we have proposed and evaluated a multimodal learning-to-rank method trained with relevance feedback over diversified results. Our experimental analysis shows that the joint usage of multiple information sources positively impacted the relevance-diversity balancing algorithms. Our results also suggest that the integration of multimodal-relevance-based filtering and reranking was effective on improving result relevance and also boosted diversity promotion methods. Beyond it, with a thorough experimental analysis we have investigated several research questions related to the possibility of improving result diversity and keeping or even improving relevance in interactive search sessions. Moreover, we analyze how much the diversification effort affects overall search session results and how different diversification approaches behave for the different data modalities. By analyzing the overall and per feedback iteration effectiveness, we show that introducing diversity may harm initial results whereas it significantly enhances the overall session effectiveness not only considering the relevance and diversity, but also how early the user is exposed to the same amount of relevant items and diversityDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da ComputaçãoP-4388/2010140977/2012-0CAPESCNP

Agregação de ranks baseada em grafos

Orientador: Ricardo da Silva TorresTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Neste trabalho, apresentamos uma abordagem robusta de agregação de listas baseada em grafos, capaz de combinar resultados de modelos de recuperação isolados. O método segue um esquema não supervisionado, que é independente de como as listas isoladas são geradas. Nossa abordagem é capaz de incorporar modelos heterogêneos, de diferentes critérios de recuperação, tal como baseados em conteúdo textual, de imagem ou híbridos. Reformulamos o problema de recuperação ad-hoc como uma recuperação baseada em fusion graphs, que propomos como um novo modelo de representação unificada capaz de mesclar várias listas e expressar automaticamente inter-relações de resultados de recuperação. Assim, mostramos que o sistema de recuperação se beneficia do aprendizado da estrutura intrínseca das coleções, levando a melhores resultados de busca. Nossa formulação de agregação baseada em grafos, diferentemente das abordagens existentes, permite encapsular informação contextual oriunda de múltiplas listas, que podem ser usadas diretamente para ranqueamento. Experimentos realizados demonstram que o método apresenta alto desempenho, produzindo melhores eficácias que métodos recentes da literatura e promovendo ganhos expressivos sobre os métodos de recuperação fundidos. Outra contribuição é a extensão da proposta de grafo de fusão visando consulta eficiente. Trabalhos anteriores são promissores quanto à eficácia, mas geralmente ignoram questões de eficiência. Propomos uma função inovadora de agregação de consulta, não supervisionada, intrinsecamente multimodal almejando recuperação eficiente e eficaz. Introduzimos os conceitos de projeção e indexação de modelos de representação de agregação de consulta com base em grafos, e a sua aplicação em tarefas de busca. Formulações de projeção são propostas para representações de consulta baseadas em grafos. Introduzimos os fusion vectors, uma representação de fusão tardia de objetos com base em listas, a partir da qual é definido um modelo de recuperação baseado intrinsecamente em agregação. A seguir, apresentamos uma abordagem para consulta rápida baseada nos vetores de fusão, promovendo agregação de consultas eficiente. O método apresentou alta eficácia quanto ao estado da arte, além de trazer uma perspectiva de eficiência pouco abordada. Ganhos consistentes de eficiência são alcançadas em relação aos trabalhos recentes. Também propomos modelos de representação baseados em consulta para problemas gerais de predição. Os conceitos de grafos de fusão e vetores de fusão são estendidos para cenários de predição, nos quais podem ser usados para construir um modelo de estimador para determinar se um objeto de avaliação (ainda que multimodal) se refere a uma classe ou não. Experimentos em tarefas de classificação multimodal, tal como detecção de inundação, mostraram que a solução é altamente eficaz para diferentes cenários de predição que envolvam dados textuais, visuais e multimodais, produzindo resultados melhores que vários métodos recentes. Por fim, investigamos a adoção de abordagens de aprendizagem para ajudar a otimizar a criação de modelos de representação baseados em consultas, a fim de maximizar seus aspectos de capacidade discriminativa e eficiência em tarefas de predição e de buscaAbstract: In this work, we introduce a robust graph-based rank aggregation approach, capable of combining results of isolated ranker models in retrieval tasks. The method follows an unsupervised scheme, which is independent of how the isolated ranks are formulated. Our approach is able to incorporate heterogeneous models, defined in terms of different ranking criteria, such as those based on textual, image, or hybrid content representations. We reformulate the ad-hoc retrieval problem as a graph-based retrieval based on {\em fusion graphs}, which we propose as a new unified representation model capable of merging multiple ranks and expressing inter-relationships of retrieval results automatically. By doing so, we show that the retrieval system can benefit from learning the manifold structure of datasets, thus leading to more effective results. Our graph-based aggregation formulation, unlike existing approaches, allows for encapsulating contextual information encoded from multiple ranks, which can be directly used for ranking. Performed experiments demonstrate that our method reaches top performance, yielding better effectiveness scores than state-of-the-art baseline methods and promoting large gains over the rankers being fused. Another contribution refers to the extension of the fusion graph solution for efficient rank aggregation. Although previous works are promising with respect to effectiveness, they usually overlook efficiency aspects. We propose an innovative rank aggregation function that it is unsupervised, intrinsically multimodal, and targeted for fast retrieval and top effectiveness performance. We introduce the concepts of embedding and indexing graph-based rank-aggregation representation models, and their application for search tasks. Embedding formulations are also proposed for graph-based rank representations. We introduce the concept of {\em fusion vectors}, a late-fusion representation of objects based on ranks, from which an intrinsically rank-aggregation retrieval model is defined. Next, we present an approach for fast retrieval based on fusion vectors, thus promoting an efficient rank aggregation system. Our method presents top effectiveness performance among state-of-the-art related work, while promoting an efficiency perspective not yet covered. Consistent speedups are achieved against the recent baselines in all datasets considered. Derived from the fusion graphs and fusion vectors, we propose rank-based representation models for general prediction problems. The concepts of fusion graphs and fusion vectors are extended to prediction scenarios, where they can be used to build an estimator model to determine whether an input (even multimodal) object refers to a class or not. Performed experiments in the context of multimodal classification tasks, such as flood detection, show that the proposed solution is highly effective for different detection scenarios involving textual, visual, and multimodal features, yielding better detection results than several state-of-the-art methods. Finally, we investigate the adoption of learning approaches to help optimize the creation of rank-based representation models, in order to maximize their discriminative power and efficiency aspects in prediction and search tasksDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computaçã

Learning from Teacher's Eye Movement: Expertise, Subject Matter and Video Modeling

How teachers' eye movements can be used to understand and improve education is the central focus of the present paper. Three empirical studies were carried out to understand the nature of teachers' eye movements in natural settings and how they might be used to promote learning. The studies explored 1) the relationship between teacher expertise and eye movement in the course of teaching, 2) how individual differences and the demands of different subjects affect teachers' eye movement during literacy and mathematics instruction, 3) whether including an expert's eye movement and hand information in instructional videos can promote learning. Each study looked at the nature and use of teacher eye movements from a different angle but collectively converge on contributions to answering the question: what can we learn from teachers' eye movements? The paper also contains an independent methodology chapter dedicated to reviewing and comparing methods of representing eye movements in order to determine a suitable statistical procedure for representing the richness of current and similar eye tracking data. Results show that there are considerable differences between expert and novice teachers' eye movement in a real teaching situation, replicating similar patterns revealed by past studies on expertise and gaze behavior in athletics and other fields. This paper also identified the mix of person-specific and subject-specific eye movement patterns that occur when the same teacher teaches different topics to the same children. The final study reports evidence that eye movement can be useful in teaching; by showing increased learning when learners saw an expert model's eye movement in a video modeling example. The implications of these studies regarding teacher education and instruction are discussed.PHDEducation & PsychologyUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/145853/1/yizhenh_1.pd