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科学观测也拥抱“众包”革命:用智能手机跟踪气候 精选

已有 5738 次阅读 2013-8-16 11:18 |个人分类:生态研究|系统分类:科研笔记| 气温, 智能手机, 众包

昨天出版的Nature周刊,让我感兴趣的文章好多,但就是来不及阅读。看到其中的一则Research Highlights,文字很少,却格外吊人胃口,让我不得不去寻找原文来读一读。Nature中有关这个研究大致是这样介绍的:科学家可以通过各位的智能手机来收集气候数据。荷兰瓦赫宁根大学的Aart Overeem及其同事们研究利用现有的安卓智能手机的应用程序来收集温度数据,他们在世界各地的八个城市选择了约130万个温度读数,平均每天从每个城市获取的读数超过800个。智能手机的电池上都配有温度传感器,应用程序可读出这个数据并在有网络连接的时候上传。研究者采用了一个简单的热传导模型,计算人身体的热量和衣服所产生的影响,可估算城市环境中的日气温。与气象站相比,该方法成本更低,所搜集的数据也更加精细[1]

看完这个内容,显然不过瘾,也有很多的疑问,于是从GRL中找来原文[2]阅读了一遍。

对于城市研究来说,目前的气象站数量一般还是远远不够的。而要新建一个气象站,建设成本和维护成本都不菲,但其代表性往往还不强,因为大多气象站是有选择性地建在人员干扰比较少的区域。

智能手机的发展,让人们已经改变了许多传统的观念和习惯。目前地球陆地表面20%的区域已经有移动电话覆盖,约有5亿套电话设备采用Android操作系统,这对于从智能手机所安装的传感器获取实时监测数据来说有巨大的潜力,特别是在人口稠密的地区更是如此。我们知道,智能手机中都采用的是锂电池。为了防止锂电池在充电时太热,一般都安装有温度传感器,研究者就想到利用这个温度传感器来测量温度。这里所说的温度测量只需要用户安装一个应用程序并允许这个程序自动收集数据。温度监测并不需要连接到网络,可以放在缓存中,在有网络的时候定期上传至服务器。

我们很容易想到,这个传感器所提供的信号并不能直接用于气温的测量,因为智能手机本身工作的时候是会发热的,同时智能手机通常是放在用户的衣服口袋中的,接近人的身体。智能手机本身产生的热量以及用户身体和周围环境构成一个复杂的热传导系统。一般,相邻两个系统之间的热传导与它们之间的温度差是成比例的,也取决于电话与环境以及电话与人体之间的隔热效果。因此,研究人员采用一个稳态热传导模型来修正和估计日平均气温。首先,对于所收集的日均气温数据,采用最小二乘回归,可对每个城市和每个时期获得一个最佳值和一个常数值。之后,对每个城市和各时期构造一些校准和验证数据集,交替地隔天进行校准和验证,以避免因季节变化可能带来的偏差。其中,校准数据集用于估算热传导模型的参数,而验证数据集则用于验证热传导模型对单独数据的性能(有关这个模型的具体、复杂的演算和推导过程,请见文献[2])。

但是采用这个模型,还是有很多问题没有解决。例如,一套电池温度读数很可能是在建筑物或汽车中测定的,而我们的目的是观察室外的气温。此外,对于每个城市和不同时期来说,常数温度值是假定的,而在实际观测中有其自身的热导率。智能手机电池和气象站观测所代表的温度可能是在不同的地方,周边的土地利用一般也可能不同。电池温度读数是从多个地方采集而来的,而气象站的数据则是从城市的某一个位置获取的(其实它并不能完全代表城市的整个区域)。由于城市中局部的微尺度环境的复杂性和多样性,所估计的逐日气温只能提供一个对实际平均气温的粗略估计。另外,假定人们将智能手机总是放在衣服口袋中其实并非事实,手机可放置的位置很多,导致温度读数其代表性有很大的不同。在寒冷的季节,人们倾向于呆在室内,导致电池温度相对较高,会高估气温。不过,文章最后指出,通过获取足够大量的数据,那些因热传导导致的异常数据是可以充分过滤掉的。

文章最后对这样的监测还进行了一定程度的展望,并提出了一些建议。模型计算中所采用的系数可能需要针对不同的城市和季节进行优化,此外,操作系统版本,智能手机型号,屏幕大小可能影响电池的对空气温度的响应,因此还可针对这些参数进行优化。如果能开发一些技术,识别手机是在室内还是室外,这样就可只选择那些在室外的读数。未来还有其他的可能性,例如有些手机已经内置了测量空气湿度、气压和空气温度的传感器。OpenSignal已经发布了一个专门的众包天气应用程序WeatherSignal。 来自智能手机的环境数据最终甚至可能用于数值天气预报模式中的数据同化、来自卫星的城市冠层空气温度反演算法、水管理和城市规划。

从技术上来说,这项工作还遗留了许多问题有待于人们去解决。但是从理念上,却可以帮我们有更多的认识,那就是科学观测活动是否也可拥抱如火如荼的“众包”(Crowdsourcing)革命?至少这个案例给我们展示了在人口密集区的实时温度监测采用众包应用具有巨大的潜力。

关于众包的概念,是美国《连线》杂志2006年6月刊上Jeff Howe首次提出,还是2005年12月刘锋的新浪博客所提出的威客更是鼻祖,这并不重要,重要的是这个概念所包含的技术理念。维基百科中对“众包”的定义如下:一个公司或机构把过去由员工执行的工作任务,以自由自愿的形式外包给非特定的(而且通常是大型的)大众网络的做法。众包的任务通常是由个人来承担,但如果涉及到需要多人协作完成的任务,也有可能以依靠开源的个体生产的形式出现。众包,从一开始就融入了充分利用网络资源和群体力量的思路,使得以往架设在业余爱好者和专业人士之间的成本藩篱由此打破,一瞬间突然为爱好者、兼职者和发烧友打开,只要你乐意,一般是不缺帮手的。

利用移动电话所构造起来的天然网络和移动电话本身,用于科学观测,已经屡见不鲜了。比如,该文最后也距离说明了用蜂窝移动通信网络监控环境的可能。微波链接网络可以用来量测降雨,甚至估算全国范围内降雨的时空动态。甚至还可专门为智能手机开发一些传感器,如附加测量气溶胶。近地面气象识别项目(Phenomena Identification Near the Ground)将让智能手机用户通过应用程序来报告信息地面的降水情况。再比如,去年我的一篇博文“一则完全偏离原科学内涵的科学新闻报道”中,就介绍了有关利用手机基站的信息建立旅行网络,并量化人类移动对疟疾传播的影响的文章:人类活动导致疟疾的传播在空间尺度上超过了蚊子传播的限制条件。鉴别因人类旅行导致的疟疾感染源或感染汇,以及定位高风险的感染地区将极大地提高疟疾控制项目。本研究利用移动电话清晰的空间数据和肯尼亚疟疾流行病信息,确定人类作为疟疾载体在不同区域间输入的动态。该分析确定了在区域空间尺度上导致疟疾流行的输入路线。

我们的一名合作者,近年来也在致力于进行类似的研究活动。他们所建立的网站,储存了全球的遥感数据,并开发了一些遥感产品,但这些产品其准确性如何,总是会缺乏地面验证数据的。因此,他们想到用购买带GPS的数码相机送给经常会外出考察的合作者,定期上传所获得照片就可以了。这种方法比研究者亲自到那个区域出差和拍摄显然要省了不少旅行花费,但成本仍然很高。因此,最近他们在开发iOS的应用程序,免费分发给广大用户使用,一方面可节省成本,另一方面也可获得更广泛的数据来源。虽然这其中还有许多技术问题,但我看好这个项目。

 

相关博文:“手机电池测量气温”背后的故事与思考


参考文献

[1] Research Highlights: Climate tracking by smartphone. Nature, 500:256. 2013-08-15.

[2] Overeem, A., J. C. R. Robinson, H. Leijnse, G. J. Steeneveld, B. K. P. Horn, and R. Uijlenhoet (2013), Crowdsourcing urban air temperatures from smartphone battery temperatures,Geophys. Res.Lett.,40, doi:10.1002/grl.50786.




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