Projection predictive model selection for Gaussian processes

We propose a new method for simplification of Gaussian process (GP) models by projecting the information contained in the full encompassing model and selecting a reduced number of variables based on their predictive relevance. Our results on synthetic and real world datasets show that the proposed method improves the assessment of variable relevance compared to the automatic relevance determination (ARD) via the length-scale parameters. We expect the method to be useful for improving explainability of the models, reducing the future measurement costs and reducing the computation time for making new predictions.Comment: A few minor changes in tex

Bayesilaisten prediktiivisten muuttujavalintamenetelmien vertailu

To date, several methods for Bayesian model selection have been proposed. Although there are many studies discussing the theoretical properties of these methods for model assessment, an extensive quantitative comparison between the methods for model selection for finite data seems to be lacking. This thesis reviews the most commonly used methods in the literature and compares their performance in practical variable selection problems, especially in situations where the data is scarce. The study also discusses the selection induced bias in detail and underlines its relevance for variable selection. Although the focus of the study is on variable selection, the presented ideas are generalizable to other model selection problems as well. The numerical results consist of simulated experiments and one real world problem. The results suggest that even though there are nearly unbiased methods for assessing the performance of a given model, the high variance in the performance estimation may lead to considerable selection induced bias and selection of an overfitted model. The results also suggest that the reference predictive and projection methods are least sensitive to the selection induced bias and are therefore more robust for searching promising models than the alternative methods, such as cross validation and information criteria. However, due to the selection bias, also for these methods the estimated divergence between the reference and candidate models may be an unreliable indicator of the performance of the selected models. For this reason, the performance estimation of the found models should be done for example using cross validation outside the selection process.Kirjallisuudessa on esitetty useita erilaisia menetelmiä bayesilaiseen mallin valintaan. Vaikka näiden menetelmien teoreettisia ominaisuuksia erityisesti mallin suorituskyvyn mittaamiseen on tutkittu runsaasti, kattavaa tutkimusta eri menetelmien eroista mallin valintaan äärelliselle aineistolle ei näytä olevan tehty. Tässä työssä käsitellään yleisimmin käytettyjä mallinvalintamenetelmiä ja vertaillaan näiden käyttäytymistä käytännön muuttujavalintaongelmissa, erityisesti tilanteissa joissa dataa on niukasti. Työn tarkoituksena on käsitellä myös valintaharhaksi kutsuttua ilmiötä ja korostaa sen merkitystä muuttujavalintaongelmissa. Vaikka työ käsittelee pääosin muuttujavalintaa, työssä esitetyt johtopäätökset ovat yleistettävissä myös muihin mallinvalintaongelmiin. Numeeriset esimerkit koostuvat simuloiduista testeistä sekä yhdestä reaalimaailman ongelmasta. Tulosten perusteella näyttää siltä, että vaikka yksittäisten mallien suorituskykyä voidaan arvioida harhattomasti, valintaharha voi vaikeuttaa mallinvalintaa huomattavasti ja johtaa ylisovittuneen mallin valintaan. Näyttää myös siltä, että referenssiprediktiiviset ja projektiomenetelmät ovat vähiten herkkiä valinnan aiheuttamalle harhalle ja kykenevät näin ollen löytämään parempia malleja kuin vaihtoehtoiset menetelmät kuten ristiinvalidointi ja informaatiokriteerit. Valintaharhasta johtuen kuitenkin myös näille menetelmille estimoitu eroavuus referenssimallin ja kandidaattimallien välillä voi antaa epäluotettavan kuvan valittujen mallien suorituskyvystä. Tästä syystä lopullinen valittujen mallien suorituskyvyn arviointi tulisi tehdä käyttäen esimerkiksi valintaprosessin ulkopuolista ristiinvalidointia

Migratory behaviour and year-round distribution of two goose species

Knowledge on flyway structures, year-round spatiotemporal distributions and migration strategies is a key for understanding the ecology of migratory populations and the evolution of migratory behaviours. Knowledge on these factors is also a prerequisite to reliably estimate the size and trend of migratory populations, and to successfully conserve and manage them. In this thesis, I studied the migratory behaviour of two goose species, the bean goose (Anser fabalis) and the greylag goose (Anser anser) using high-resolution satellite tracking, traditional neckbanding and birdwatcher observations. Satellite tracked taiga bean geese belonging to the Central Flyway population revealed a comprehensive moult migration of non-breeding and unsuccessfully breeding birds to the Arctic. This behaviour increases the length of the annual migration distance and delays the autumn migration of moult migrants. The strength of migratory connectivity among the population was moderate to low between breeding and nonbreeding areas, and both migratory connectivity and the spatial distribution of the population varied substantially within the non-breeding season. Additionally, satellite tracking indicated that the current population censuses might underestimate the size of the taiga bean goose population. Birdwatcher observations showed both spatial and temporal difference in occurrence of different bean goose subspecies in Finland during spring and autumn migrations, which affects the harvest management of the subspecies with different conservation statuses. The satellite tracking data and neckband resightings of greylag geese confirmed the existence of a gradual migratory divide in the continuous breeding distribution of the species. The birds breeding at the different ends of the greylag goose breeding distribution in Finland used different flyways (Western and Central), and the birds breeding between these two extremes scattered to the two flyways. The migration strategies differed between the flyways. The overall migratory journey is longer for birds using the Western Flyway, and these birds migrate earlier in autumn and later in spring than birds on the Central Flyway. Birds using the Western Flyway also show a clear stopover of around one month during their autumn migration, whereas Central Flyway birds migrate relatively straight from their breeding grounds to their wintering sites. The results of the thesis help to delineate the flyways of both species, provide aspects needed to understand their ecology, and supports the ongoing international management of the species. Furthermore, the results build possibilities to further study not only these two species, but also more general ecological questions related to bird migration and movement ecology.Kahden hanhilajin muuttokäyttäytyminen ja vuodenkierron aikainen esiintyminen Populaatiotason muuttoreittien, muuttostrategioiden ja koko vuodenkierron aikaisten esiintymisalueiden tunteminen on edellytys muuttavien eläinten ekologian ja muuttokäyttäytymisen evoluution ymmärtämiseksi. Se on myös ennakkoedellytys muuttavien eläinten kannan koon ja kehityksen arvioinnille sekä menestyksekkäälle kannanhoidolle ja suojelulle. Tutkin väitöskirjassani kahden hanhilajin, metsähanhen (Anser fabalis) ja merihanhen (Anser anser) muuttokäyttäytymistä käyttäen korkean resoluution satelliittiseurantaa, perinteisiä lukurenkaita ja lintuharrastajien havaintoaineistoa. Satelliittiseuranta paljasti keskiseen osapopulaatioon kuuluvien, pesimättömien ja pesinnässään epäonnistuneiden taigametsähanhien muuttavan kesäisin säännönmukaisesti Arktikselle sulkasatoa varten. Sulkasatomuutto tundralle yli kaksinkertaistaa näiden lintujen vuotuisen muuttomatkan ja viivästyttää niiden syysmuuttoa populaation muihin yksilöihin verrattuna. Taigametsähanhipopulaation kytkeytyneisyys pesimäalueiden ja lintujen muina vuodenaikoina käyttämien alueiden välillä on kohtalaista tai heikkoa, ja populaation kytkeytyneisyys sekä sen esiintymisalueen laajuus vaihtelevat voimakkaasti vuodenkierron aikana. Satelliittiseurannan perusteella nykyiset laskennat aliarvioivan taigametsähanhien määrän. Lintuharrastajien havaintoaineisto osoittaa metsähanhien eri alalajien esiintymisen eroavan toisistaan sekä ajallisesti että maantieteellisesti syys- ja kevätmuuton aikaan Suomessa, mikä on vaikuttaa lajin optimaaliseen metsästyksen säätelyyn. Merihanhien satelliittiseuranta ja kaularengashavainnot vahvistivat, että lajin levinneisyysalueella Suomessa on niin sanottu vaiheittainen muutonjakaja. Levinneisyysalueen ääripäissä linnut käyttävät eri muuttoreittejä (keskistä ja läntistä reittiä), ja levinneisyysalueen keskiosista linnut hajaantuvat näille kahdelle reitille. Myös merihanhien muuttostrategia eroaa muuttoreittien välillä. Läntistä reittiä käyttävien lintujen vuotuinen muuttomatka on pidempi, ja linnut muuttavat aiemmin syksyllä ja myöhemmin keväällä kuin keskistä muuttoreittiä käyttävät linnut. Läntistä muuttoreittiä käyttävät linnut pysähtyvät levähtämään noin kuukaudeksi kesken syysmuuton, kun taas keskistä muuttoreittiä käyttävät linnut muuttavat pesimäalueiltaan pysähdyksittä talvehtimisalueilleen. Väitöskirjani tulokset auttavat molempien lajien populaatiotason muuttoreittien hahmottamisessa, niiden ekologian ymmärtämisessä ja tukevat lajien kansainvälistä kannanhoitoa. Lisäksi tulokset luovat edellytyksiä tutkia jatkossa yleisiä ekologisia kysymyksiä lintujen muuttoon ja liikkumisekologiaan liittyen

Predicting spatio-temporal distributions of migratory populations using Gaussian process modelling

1. Knowledge concerning spatio-temporal distributions of populations is a prerequisite for successful conservation and management of migratory animals. Achieving cost-effective monitoring of large-scale movements is often difficult due to lack of effective and inexpensive methods.2. Taiga bean goose Anser fabalis fabalis and tundra bean goose A. f. rossicus offer an excellent example of a challenging management situation with harvested migratory populations. The subspecies have different conservation statuses and population trends. However, their distribution overlaps during migration to anunknown extent, which, together with their similar appearance, has created a conservation–management dilemma.3. Gaussian process (GP) models are widely adopted in the field of statistics and machine learning, but have seldom been applied in ecology so far. We introduce the R package gplite f or G P m odelling and use it in our case study together with birdwatcher observation data to study spatio-temporal differences between bean goose subspecies during migration in Finland in 2011–2019.4. We demonstrate that GP modelling offers a flexible and effective tool for analysing heterogeneous data collected by citizens. The analysis reveals spatial and temporal distribution differences between the two bean goose subspecies in Finland. Taiga bean goose migrates through the entire country, whereas tundra bean goose occurs only in a small area in south-eastern Finland and migrates later than taiga bean goose.5. Synthesis and applications. Within the studied bean goose populations, harvest can be targeted at abundant tundra bean goose by restricting hunting to south-eastern Finland and to the end of the migration period. In general, our approach combining citizen science data with GP modelling can be applied to study spatio-temporal distributions of various populations and thus help in solving challenging management situations. The introduced R package gplite can be applied not only to ecological modelling, but to a wide range of analyses in other fields of science.</p

Kuntouttavan ryhmätoiminnan kehittäminen kotona asuville muistisairautta sairastaville ja heidän puolisoilleen

Etenevät muistisairaudet ovat maailmanlaajuisesti merkittävä kansanterveydellinen haaste, sillä muistisairautta sairastavien määrä lisääntyy väestön ikääntyessä jatkuvasti. Nykyistä monipuolisemmalla kuntoutuksella voidaan tukea muistisairautta sairastavien kotona asumista ja näin vähentää yhteiskunnallisia kustannuksia. Tämän toiminnallisen opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää kuntouttavan ryhmätoiminnan malli kotona asuville muistisairautta sairastaville ja heidän puolisoilleen. Työn tarkoituksena oli tukea ikääntyneiden muistisairautta sairastavien toimintakykyä ja kotona asumista. Opinnäytetyö koostui Joensuussa asuvien kohderyhmään kuuluvien pariskuntien ryhmätoimintaan liittyvien tarpeiden ja toiveiden kartoituksesta, pilottiryhmän moniammatillisesta suunnittelusta, toteutuksesta ja arvioinnista. Tämän pohjalta kehitettiin ryhmätoiminnan malli. Toimeksiantajana toimi Karelia-ammattikorkeakoulun Sosiaali- ja terveysalan keskuksen Voimala-oppimis- ja palveluympäristö. Tarkoituksena on, että ryhmätoiminnan malli vakiintuu osaksi Voimalan toimintaa. Yhteistyökumppanina toimi Pohjois-Karjalan Muisti Ry. Kehitetty ryhmätoiminta koettiin toimivaksi ja hyödylliseksi, ja toiminnalla on edellytykset jatkua. Ryhmätoiminnan lähtökohtina olivat luontoteemaisuus, ihmisen kokonaisvaltainen huomioiminen sekä moniammatillisuus. Kehitetyn mallin toimivuutta voidaan testata muissa vastaavissa toimintaympäristöissä sekä työikäisillä muistisairautta sairastavilla. Lisäksi ryhmäläisten kokemuksia ryhmästä saaduista hyödyistä voisi kartoittaa jonkin aikaa ryhmän päättymisen jälkeen.Progressive memory disorders constitute globally a significant public health challenge, because the number of people with a memory disorder increases as the population ages. With more versatile rehabilitation practices compared to present ones, home-living of people with memory disorders can be supported, and thus public expenses can be reduced. The aim of this practise-based study was to develop rehabilitative group activities for home-living people with memory disorders and their spouses. The purpose of this study was to support functional ability and living at home among older people with memory disorders. In this study, the needs and wishes of couples belonging to the target group in Joensuu were explored and rehabilitative activities for a pilot group were planned, implemented and evaluated by a multidisciplinary team. Based on the pilot, a group activity model was developed. The study was commissioned by Karelia University of Applied Sciences, Centre for Social Services and Health Care, and carried out in co-operation with Pohjois-Karjalan Muisti Ry. The group activity model will be established as part of the learning and service environment Voimala of Karelia University of Applied Sciences. The type of group activity developed in this pilot study was considered functional and useful. Group activities were based on nature theme, comprehensive consideration of well-being and multi-disciplinary co-operation. Functionality of the model can be evaluated in other similar operational environments and among working-age people with memory disorders. Additionally, the experiences of participants on the benefits of the group activities could be examined later after the cessation of group activities