Estimating Information in Earth System Data with Machine Learning

El aprendizaje automático ha hecho grandes avances en la ciencia e ingeniería actuales en general y en las ciencias de la Tierra en particular. Sin embargo, los datos de la Tierra plantean problemas particularmente difíciles para el aprendizaje automático debido no sólo al volumen de datos implicado, sino también por la presencia de correlaciones no lineales tanto espaciales como temporales, por una gran diversidad de fuentes de ruido y de incertidumbre, así como por la heterogeneidad de las fuentes de información involucradas. Más datos no implica necesariamente más información. Por lo tanto, extraer conocimiento y contenido informativo mediante el análisis y el modelado de datos resulta crucial, especialmente ahora donde el volumen y la heterogeneidad de los datos aumentan constantemente. Este hecho requiere avances en métodos que puedan cuantificar la información y caracterizar las distribuciones e incertidumbres con precisión. Cuantificar el contenido informativo a los datos y los modelos de nuestro sistema son problemas no resueltos en estadística y el aprendizaje automático. Esta tesis introduce nuevos modelos de aprendizaje automático para extraer conocimiento e información a partir de datos de observación de la Tierra. Proponemos métodos núcleo ('kernel methods'), procesos gaussianos y gaussianización multivariada para tratar la incertidumbre y la cuantificación de la información, y aplicamos estos métodos a una amplia gama de problemas científicos del sistema terrestre. Estos conllevan muchos tipos de problemas de aprendizaje, incluida la clasificación, regresión, estimación de densidad, síntesis, propagación de errores y estimación de medidas teóricas de la información. También demostramos cómo funcionan estos métodos con diferentes fuentes de datos, provenientes de distintos sensores (radar, multiespectrales, hiperespectrales), productos de datos (observaciones, reanálisis y simulaciones de modelos) y cubos de datos (agregados de varias fuentes de datos espacial-temporales ). Las metodologías presentadas nos permiten cuantificar y visualizar cuáles son las características relevantes que gobiernan distintos métodos núcleo, tales como clasificadores, métodos de regresión o incluso las medidas de independencia estadística, como propagar mejor los errores y las distorsiones de los datos de entrada con procesos gaussianos, así como dónde y cuándo se puede encontrar más información en cubos arbitrarios espacio-temporales. Las técnicas presentadas abren una amplia gama de posibles casos de uso y de aplicaciones, con las que prevemos un uso más extenso y robusto de algoritmos estadísticos en las ciencias de la Tierra y el clima.Machine learning has made great strides in today's Science and engineering in general and Earth Sciences in particular. However, Earth data poses particularly challenging problems for machine learning due to not only the volume of data, but also the spatial-temporal nonlinear correlations, noise and uncertainty sources, and heterogeneous sources of information. More data does not necessarily imply more information. Therefore, extracting knowledge and information content using data analysis and modeling is important and is especially prevalent in an era where data volume and heterogeneity is steadily increasing. This calls for advances in methods that can quantify information and characterize distributions accurately. Quantifying information content within our system's data and models are still unresolved problems in statistics and machine learning. This thesis introduces new machine learning models to extract knowledge and information from Earth data. We propose kernel methods, Gaussian processes and multivariate Gaussianization to handle uncertainty and information quantification and we apply these methods to a wide range of Earth system science problems. These involve many types of learning problems including classification, regression, density estimation, synthesis, error propagation and information-theoretic measures estimation. We also demonstrate how these methods perform with different data sources including sensory data (radar, multispectral, hyperspectral, infrared sounders), data products (observations, reanalysis and model simulations) and data cubes (aggregates of various spatial-temporal data sources). The presented methodologies allow us to quantify and visualize what are the salient features driving kernel classifiers, regressors or dependence measures, how to better propagate errors and distortions of input data with Gaussian processes, and where and when more information can be found in arbitrary spatial-temporal data cubes. The presented techniques open a wide range of possible use cases and applications and we anticipate a wider adoption in the Earth sciences