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海岸变化了吗?从iCoast看公民科学、众包与开放式政府数据 精选

已有 5014 次阅读 2014-10-22 12:25 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|关键词:iCoast,公民科学,众包,开放式政府数据| 众包, 公民科学, iCoast, 开放式政府数据

1800年代中叶,居住在马萨诸塞州康科德的Henry David Thoreau,沉浸在他周围的世界中。他种植豆类,招待访客,修理好了他母亲在康科德的房子,备好丰盛的饭菜,写出了《瓦尔登湖》,有时又生活在森林里。1851年至1858年间,他对瓦尔登湖的动植物了进行丰富的观察和测量,特别对植物的初芽和春天的开花特别感兴趣,在这里总共记录了500多种植物。一个多世纪后,他的记录引起了生态学家们的注意,因为他的观察包含了许多有价值的信息,可用于判断这些物种是如何应对环境变化的,包括温度和降水的变化。Thoreau因此也可能被认为是我们现在所说的公民科学的最早期实践者但那个时候并没有公民科学(citizen science)这个词汇,直到1990年代,康奈尔鸟类学实验室的研究人员在召集各行业的人们参与科学研究过程才发明了citizen science这个词[1]。其实,最早那些自发的科学研究其实都是公民科学,20世纪之后科学研究由职业科学家主导,那些独立的科学兴趣爱好者的工作倒显得有些格格不入了。不过我们也应该看到,在博物学、考古学、天文学等领域,这种科学研究形式仍然获得迅猛发展。

如今,当公民科学这个词汇开始变得家喻户晓了,但往往又与另外一个因互联网而发展起来流行词汇“众包”(crowdsourcing)的界限开始模糊起来,稍不留神还可能将二者混淆。因此,在开始后面的讨论之前,我们先做一个区分。公民科学可定义为公众参与的科学研究,是科学家和公众之间的合作,其中包括非职业科学家、科学爱好者和志愿者,范围可涵盖科学问题探索、新技术发展、数据收集与分析等。公民科学为业余爱好者找到了贡献自身力量的途径,为科学研究准备了大量日常基础工作的人手,同时当今发达的网络技术又为公民科学的发展提供了进行连接和沟通的物质基础,因此已经有了飞跃性的发展。众包通常定义为大众参与进行的某种形式的任务或解决问题的努力。“众”可以指一小群人,但通常是指一大群人,多达数百人、数千人,甚至更多。现在有许多类型的公民科学项目,随公众参与的程度不同而有很大的变化,从提供帮助到合作,再到共同建立项目。一般来说,公民科学项目的参与者都是自愿的而且是无偿的;众包项目可以让公众参与有偿或无偿的任务,可以有也可以没有科学元素[2]


图1 公民科学和众包项目的关键特征比较[2]


在利用公民科学和众包项目进行科学研究的案例中,美国生态系统观测网络(NEON)发起的爆芽(BudBurst)项目不得不提。这个项目吸引公众在整个植物生长季进行观测,包括生叶、开花和结实的时间。NEON公民科学寻求所有民众参与合作,通过教育工具和专业发展课程进行数据共享和数据分析,正式和非正式的教育者可以在他们的教育环境中使用这些数据和素材。成功的公民科学项目致力于建立各独立观测故事之间的联系,并根据项目数据集产生更大的故事。许多项目利用人们喜欢的活动,如观鸟、园艺、或大自然漫步,允许参与者分享他们的观察来体现对科学研究的贡献。爆芽项目幸运地适应了这种世界性的趋势。一些研究人员的工作表明,公民科学项目的设计和实现是正在增强实践者之间互相学习的典范。

自从我开始接触这个概念并发生兴趣,着手准备进行这样的研究之时,总觉得在吸引大众的参与热情上困难重重。正在我百思不得其解时,我的一位合作者送给我一条链接,让我看看美国地质调查局(USGS)新近启动的一个众包公民科学项目“iCoast”,旨在验证海岸变化的证据[3]

研究风暴导致的海岸灾害变化,可为USGS识别那些可能在飓风或其他极端风暴中经历极端和潜在危险侵蚀的美国海岸带提供数据和建模能力。为了评估海岸对极端风暴的脆弱性,USGS已经开发了一种风暴影响尺度(Storm-Impact Scale)来进行海岸变化概率(Coastal Change Probability)估计。飓风时因风暴潮和海浪影响会导致水位变化,这与沙滩和沙丘高度进行了比较,以确定这些类型海岸变化过程的概率:

1)当波浪爬高仅限于海滩时,就会发生海滩侵蚀(Beach Erosion)。

2)当沙丘的基部受到波浪和风暴潮的侵蚀时,就会发生沙丘侵蚀(Dune Erosion)。

3)受波浪和风暴潮的影响,当沙传输和沉积到向陆的海滩和沙丘时,就会发生冲刷(Overwash)。

4)当海滩和沙丘完全和持续地受到风暴潮影响且波浪不断爬高时,就会发生雍水现象(Inundation)。

自1995年以来,USGS对大西洋和墨西哥湾海岸收集了24个飓风和其他极端风暴后超过140000幅的航拍照片。仅2012年的飓风桑迪,就在风暴之后的一周获得了超过9000航拍照片。USGS在极端风暴后获得了高分辨率的倾斜航空摄影,并与风暴之前收集到的图像进行了比较。当然,这些在低空航拍的照片只捕获海岸的一些小区域。USGS希望对收集到的这些航拍图像进行地面验证,以提高USGS的海岸变化模型的预测能力。很显然,没有哪个人有能力来对每次风暴后所获得的所有照片进行分析,而目前的电脑技术也还不能从倾斜航空摄影中自动识别破坏和海岸地貌变化情况,这仍需要人类智慧才能完成。因此,USGS决定推出一个公民科学项目,要求公民的帮助来确定海岸的变化,同时有获得了有关沿海灾害的知识,并教育公众有关沿海社区在极端风暴下的脆弱性。

今年6月,飓风季节再次来临,“iCoast—海岸变化了吗?”项目如期推出,要向人们展示极端风暴所导致的沿海变化。iCoast允许公民科学家通过比较风暴发生前后的航拍照片来识别海岸的变化。如前所述,分析航拍照片来确定暴风所造成的破坏,将有助于海岸科学家改进他们有关因极端风暴导致海岸侵蚀与破坏的预测模型。目前,这些数学模型是根据沙丘的高度而获得的,并能预测风暴时波浪的作用。如果有更多的人参与观察,将可让科学家很好地验证这些模型,并在风暴发生之前能更好地预测其破坏作用。

显而易见,iCoast项目有科学、技术和社会效益。来自iCoast的众包数据将增强海岸侵蚀的预测模型,可为应急管理者、规划者,以及在其区域的海岸脆弱带的居民提供更好的信息。类似iCoast的公民科学项目,通过与公众分享USGS的航拍图像,是产生开放政府数据(Open Government Data,OGD)的重要举措。开放政府数据是提高社会参与度与透明度的一个重要途径。通过这一方式,政府数据得以主动公开,每一个人都能够在线获取信息,不受限制地对信息进行再使用和再处理,有利于在政府和公众之间架起一道桥梁。通过便捷地获取信息,公众能够对政府公共政策与社会发展机遇作出更加理性的决定与判断。因此,开放政府数据可以带动资源的高效利用与公共服务的有效提供。iCoast也可成为海洋科学教育工作者的重要工具,创建与沿海灾害有关的有趣互动课程。


图2 如何使用iCoast


参考文献

[1] Kayri Havens and Sandra Henderson, 2013. Citizen Science Takes Root. American Scientist, 101, 378-385.

[2] NEON notes: Citizen science or crowdsourcing? Yes! (http://www.neonnotes.org/2013/12/citizen-science-or-crowdsourcing-yes/)

[3] http://www.usgs.gov/blogs/features/usgs_top_story/usgs-icoast-did-the-coast-change/


【注】本文部分内容被整理后发表在《北京科技报》2014年12月1日科技生活专栏。

公民科学、众包与开放式政府数据.pdf




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