1. Machine learning techniques to characterize functional traits of plankton from image data
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Eric C. Orenstein, Sakina‐Dorothée Ayata, Frédéric Maps, Érica C. Becker, Fabio Benedetti, Tristan Biard, Thibault de Garidel‐Thoron, Jeffrey S. Ellen, Filippo Ferrario, Sarah L. C. Giering, Tamar Guy‐Haim, Laura Hoebeke, Morten Hvitfeldt Iversen, Thomas Kiørboe, Jean‐François Lalonde, Arancha Lana, Martin Laviale, Fabien Lombard, Tom Lorimer, Séverine Martini, Albin Meyer, Klas Ove Möller, Barbara Niehoff, Mark D. Ohman, Cédric Pradalier, Jean‐Baptiste Romagnan, Simon‐Martin Schröder, Virginie Sonnet, Heidi M. Sosik, Lars S. Stemmann, Michiel Stock, Tuba Terbiyik‐Kurt, Nerea Valcárcel‐Pérez, Laure Vilgrain, Guillaume Wacquet, Anya M. Waite, Jean‐Olivier Irisson, Laboratoire d'océanographie de Villefranche (LOV), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de la Mer de Villefranche (IMEV), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Laval [Québec] (ULaval), Laboratoire d’Océanologie et de Géosciences (LOG) - UMR 8187 (LOG), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Nord])-Université de Lille-Université du Littoral Côte d'Opale (ULCO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Universidade Federal de Santa Catarina = Federal University of Santa Catarina [Florianópolis] (UFSC), Institute of Biogeochemistry and Pollutant Dynamics [ETH Zürich] (IBP), Department of Environmental Systems Science [ETH Zürich] (D-USYS), Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology [Zürich] (ETH Zürich)- Eidgenössische Technische Hochschule - Swiss Federal Institute of Technology [Zürich] (ETH Zürich), Centre européen de recherche et d'enseignement des géosciences de l'environnement (CEREGE), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Collège de France (CdF (institution))-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California [San Diego] (UC San Diego), University of California-University of California, National Oceanography Centre [Southampton] (NOC), University of Southampton, Israel Oceanographic and Limnological Research - IOLR (ISRAEL), Universiteit Gent = Ghent University [Belgium] (UGENT), Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI), DTU Centre for Ocean Life, Technical University of Denmark [Lyngby] (DTU), Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques (LVSN), Institut Mediterrani d'Estudis Avancats (IMEDEA), Consejo Superior de Investigaciones Científicas [Madrid] (CSIC)-Universidad de las Islas Baleares (UIB), Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (LIEC), Institut Ecologie et Environnement (INEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Terre et Environnement de Lorraine (OTELo), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Universitaire de France (IUF), Ministère de l'Education nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche (M.E.N.E.S.R.), Swiss Federal Insitute of Aquatic Science and Technology [Dübendorf] (EAWAG), Institut méditerranéen d'océanologie (MIO), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Toulon (UTLN), Helmholtz-Zentrum Hereon, Georgia Tech Lorraine [Metz], Université de Franche-Comté (UFC), Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)-Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)-Ecole Supérieure d'Electricité - SUPELEC (FRANCE)-Georgia Institute of Technology [Atlanta]-CentraleSupélec-Ecole Nationale Supérieure des Arts et Metiers Metz-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Écologie et Modèles pour l'Halieutique (EMH), Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER), Kiel University, University of Rhode Island (URI), Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Cukurova University, Centro Oceanografico de Malaga [Fuengirola, Spain] (COM), Instituto Español de Oceanografía. Málaga (Spain), Dalhousie University [Halifax], Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université du Littoral Côte d'Opale (ULCO)-Université de Lille-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS), Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Toulon (UTLN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Écologie et Modèles pour l'Halieutique (IFREMER EMH), Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer - Atlantique (IFREMER Atlantique), Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER)-Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER), Centre National de la Recherche Scientifique (France), Belmont Forum, Université Laval, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Research Foundation - Flanders, ETH Zürich, Gordon and Betty Moore Foundation, National Science Foundation (US), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Brasil), Agence Nationale de la Recherche (France), Ministerio de Economía y Competitividad (España), Institut Universitaire de France, Simons Foundation, Sorbonne Université, Processus et interactions de fine échelle océanique (PROTEO), Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université du Littoral Côte d'Opale (ULCO)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Nord]), Scripps Institution of Oceanography (SIO - UC San Diego), University of California (UC)-University of California (UC), Israel Oceanographic and Limnological Research (IOLR), Universiteit Gent = Ghent University (UGENT), Danmarks Tekniske Universitet = Technical University of Denmark (DTU), Ecole Nationale Supérieure des Arts et Metiers Metz-Georgia Institute of Technology [Atlanta]-Ecole Supérieure d'Electricité - SUPELEC (FRANCE)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Franche-Comté (UFC), Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)-Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC), Dynamique et durabilité des écosystèmes : de la source à l’océan (DECOD), Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Unité Halieutique Grand Ouest (HALGO), Instituto Español de Oceanografía (IEO), Málaga., ANR-19-CE01-0006,RhiCycle,Role des Rhizaria dans les cycles biogéochimiques de l'océan épi- et mésoplélagique(2019), ANR-18-BELM-0003,WWW.PIC,World Wide Web of Plankton Image Curation(2018), Laboratoire d'océanographie de Villefranche [LOV], Laboratoire d’Océanologie et de Géosciences (LOG) - UMR 8187 [LOG], Universidade Federal de Santa Catarina = Federal University of Santa Catarina [Florianópolis] [UFSC], Institute of Biogeochemistry and Pollutant Dynamics [ETH Zürich] [IBP], Centre européen de recherche et d'enseignement des géosciences de l'environnement [CEREGE], National Oceanography Centre [Southampton] [NOC], Universiteit Gent = Ghent University [UGENT], Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research [AWI], Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques [LVSN], Institut Mediterrani d'Estudis Avancats [IMEDEA], Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux [LIEC], Institut Universitaire de France [IUF], Swiss Federal Insitute of Aquatic Science and Technology [Dübendorf] [EAWAG], Institut méditerranéen d'océanologie [MIO], Écologie et Modèles pour l'Halieutique [EMH], University of Rhode Island [URI], Woods Hole Oceanographic Institution [WHOI], and Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer [IFREMER]
- Subjects
[SDV.EE]Life Sciences [q-bio]/Ecology, environment ,DIEL VERTICAL MIGRATION ,CELL-VOLUME ,Functional trait-based ecology ,plankton ,imaging ,machine learning ,PHOTOSYNTHETIC CHARACTERISTICS ,Biology and Life Sciences ,Aquatic Science ,Oceanography ,SIZE ,Centro Oceanográfico de Málaga ,PHYTOPLANKTON ,LIFE-HISTORY TRAITS ,FLUORESCENCE ,Medio Marino ,[SDE.BE]Environmental Sciences/Biodiversity and Ecology ,GONAD MORPHOLOGY ,MARINE COPEPODS ,PELAGIC COPEPODS ,SDG 15 - Life on Land - Abstract
Plankton imaging systems supported by automated classification and analysis have improved ecologists' ability to observe aquatic ecosystems. Today, we are on the cusp of reliably tracking plankton populations with a suite of lab-based and in situ tools, collecting imaging data at unprecedentedly fine spatial and temporal scales. But these data have potential well beyond examining the abundances of different taxa; the individual images themselves contain a wealth of information on functional traits. Here, we outline traits that could be measured from image data, suggest machine learning and computer vision approaches to extract functional trait information from the images, and discuss promising avenues for novel studies. The approaches we discuss are data agnostic and are broadly applicable to imagery of other aquatic or terrestrial organisms., SDA acknowledges funding from CNRS for her sabbatical in 2018–2020. JOI acknowledges funding from the Belmont Forum, grant ANR-18-BELM-0003-01. This work is a contribution to the scientific program of Québec Océan and the Takuvik Joint International Laboratory (UMI3376; CNRS - Université Laval). FM was supported by an NSERC Discovery Grant (RGPIN-2014-05433). MS is supported by the Research Foundation - Flanders (FWO17/PDO/067). FB received support from ETH Zürich. MDO is supported by the Gordon and Betty Moore Foundation and the U.S. National Science Foundation. ECB is supported by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) under the grant agreement no. 88882.438735/2019-01. TB is supported by the French National Research Agency (ANR-19-CE01-0006). NVP is supported by the Spanish State Research Agency, Ministry of Science and Innovation (PTA2016-12822-I). FL is supported by the Institut Universitaire de France (IUF). HMS was supported by the Simons Foundation (561126) and the U.S. National Science Foundation (CCF-1539256, OCE-1655686). LS was supported by the Chair VISION from CNRS/Sorbonne Université.
- Published
- 2021