Гражданская наука: попробуйте это дома

В ноябре 2015 года несколько сотен человек собрались на встречу в Бен-Эйвон, районе, где проживает около 2000 человек, вдоль реки Огайо к северо-западу от Питтсбурга. Как и в случае с предыдущими собраниями такого рода, жители приходили, чтобы узнать последние новости о нежелательном соседе.

Этим соседом был коксохимический завод Шенанго, угольный завод, расположенный на одном конце острова прямо напротив Бен-Эйвон. Жители давно подозревали, что выбросы завода регулярно загрязняли воздух до такой степени, что жизнь там была опасной. Они обвиняли плохой воздух в астме, тошноте, головных болях и множестве других болезней, которые они и их семьи перенесли. Но в прошлом им не хватало определенных доказательств, помимо их собственного опыта.

Итак, они нашли.

Вскоре после начала встречи с представителем Агентства по охране окружающей среды США, сидящим в первом ряду, ученый-компьютерист из Университета Карнеги-Меллона Рэнди Сарджент встал и начал снимать замедленные видеозаписи с камер, которые он помог району показать на Шенанго, Делая кадры каждые 5 секунд, 24 часа в сутки, камеры облегчили делать то, что сообщество пыталось сделать на протяжении многих лет: наблюдать за дымом.

Отличить токсичные облака от простого пара - дело непростое, поэтому сообщество обратилось к Сардженту, который работает в лаборатории CREATE CMU (Community Robotics, Education и Technology Empowerment). Он и его коллега Йен-Цзя Сюй разработали алгоритм компьютерного зрения, чтобы выявлять виды вредного дыма на каждой фотографии.

Получившееся видео, сшитое из сотен кадров, показало петлю чёрных, коричневых, синих и оранжевых облаков за один месяц. В сочетании с данными федеральных, местных и общественных датчиков, собранными за соответствующие дни, подозрения Бена Эйвона наконец-то нашли определенную опору: «Шенанго» выбрасывал в воздух количество токсичных веществ, разрешенных к выдаче разрешений, пять из каждых семи дней.

Канал Шенанго

Месяц спустя DTE Energy объявила о закрытии своего предприятия в Шенанго, сославшись на слабый рынок стали и отсутствие клиентов. К январю завод выпек свою последнюю партию угля, и теперь он должен быть снесен.

«Они сказали, что это экономические проблемы, но мне интересно, изменились ли сроки из-за давления со стороны сообщества», - сказала Беа Диас, директор проекта CREATE Lab. «Алгоритм был инструментом, который придал их голосам больший вес, дополнительную ногу для обоснования. Но технология не сработала бы, если бы у нее не было активного сообщества, чтобы использовать ее, людей, которые могли бы поставить ее перед лица, принимающие решения постоянно ".

Группа Диаса отвечает за непосредственное взаимодействие с сообществами, чтобы предоставить им оборудование, программное обеспечение и другие решения для решения их проблем. Алгоритм компьютерного зрения оказался особенно мощной реализацией этого мандата. Но это только один пример в области, которая в последние годы переживает поразительный рост: высокотехнологичные инструменты для гражданской науки.

All-Access Pass

Даже если у вас на заднем дворе нет фабрики, выпускающей плохой воздух, вы все равно можете захотеть заняться какой-то наукой для граждан - исследования, проводимые любителями-любителями, в одиночку или совместно с профессиональными учеными. К счастью для вас, есть что-то для всех.

Хотите помочь найти терабайты данных космического телескопа, чтобы найти экзопланеты и квазары? Отправляйся в Zooniverse. Возможно, вы имеете в виду лабораторный проект, но вы не можете позволить себе оборудование. Нет проблем; распечатайте детали из проекта в лаборатории открытого кода Appropedia.

Как насчет биологии DIY? Местные биопространства, такие как BioCurious в Санта-Кларе, Калифорния, или Балтиморское Подземное Научное Пространство в Мэриленде, могут консультировать и помогать с проектами, начиная от выделения ДНК до печати клеточных культур.

Работа с проектами и краудсорсинг данных являются двумя основными профессиями гражданской науки, и основным стимулом для этого является расширение прав и возможностей.

«Эта недавняя эра федерального дерегулирования проливает свет на недостатки и пробелы в надзоре, и когда мы не можем полагаться на вмешательство правительства, мы должны полагаться на себя», - сказала Гретхен Герке, управляющая данными и пропагандой в Public Lab. Но доступ к необходимым инструментам для этой работы может быть проблемой, добавила она.

«Доступ» часто просто переводится как «сделать вещи дешевле». Благодаря постоянно растущей стоимости датчиков и микроконтроллеров, доступа к спутниковым данным и готовности других делиться техническими знаниями, сложные инструменты, которые когда-то были доступны только для институциональных исследователей, теперь находятся в руках любого, кто их хочет.

(Фото: Эндрю Талер)

Рассмотрим проекты спектрометров на основе Raspberry Pi, размещенные на страницах сообщества Public Lab. Спектрометры используются для определения информации об объекте или веществах посредством анализа его световых свойств. Коммерческая портативная версия стоит около 1500 долларов; громоздкая лабораторная рабочая лошадка в пять раз больше. Или с небольшим руководством, вы можете создать его для себя примерно за 70 долларов.

Еще один первопроходец в области гражданской науки - Эндрю Талер (на фото ниже), исследователь глубоководных исследований и консультант по морской экологии, который начал заниматься океанографией для всех из-за препятствий для доступа. Заявленная цель организации: «Расширение прав и возможностей исследователей, преподавателей и гражданских ученых с помощью недорогого оборудования с открытым исходным кодом».

Основным инструментом, над которым работал Талер, был CTD, используемый в океанографии для измерения проводимости (солености), температуры и давления. Это важный инструмент для изучения и понимания водной среды, но если вы хотите, подготовьтесь к тому, чтобы получить как минимум более 6000 долларов, до десятков тысяч.

(Фото: Эндрю Талер)

С большим терпением и сотрудничеством с друзьями и коллегами Талер разработал CDT за 300 долларов. Самым дорогим компонентом является сам датчик, который стоит почти 200 долларов. Протестированный вместе с устройством, которое стоило в 200 раз дороже, CTL от Thaler возвращал данные с погрешностью в 2% от стоимости более дорогого устройства.

«Растет необходимость напоминать ученым, что они тоже граждане», - сказал Талер. «Конечно, у вас может быть доступ к крупному исследовательскому гранту, и вы можете купить коммерческую единицу за 60 000 долларов. Но это огромный барьер для входа для общественных групп, которые хотят контролировать свои собственные водные пути. Если также начнут поддерживать программы, которые делают ту же самую часть» оборудования дешевле, гораздо больше науки делается ".

Доступ к инструментам мониторинга и робототехники помог по крайней мере одному морскому сообществу достичь главной цели. В Мексике несколько рыбацких деревень использовали Open ROV, ту же самую роботизированную платформу с открытым исходным кодом, которую Талер использует в своих учебных программах, для проведения исследований нерестовых скоплений Нассау. Групер является ключевой рифовой рыбой, а также жизненно важным промысловым видом, и сообщество создало морскую охраняемую территорию, чтобы оградить ее от уничтожения браконьерами.

(Фото: Мишель З. Донахью)

Прогнозирование проблем

В Питтсбурге лаборатория CREATE не остановилась на Шенанго. Другая задача этой миссии - помочь сообществам использовать знания и инструменты, которые они получают, работая с учеными CMU. И Питсбург, несмотря на то, что он все еще находится в тисках своего наследия эпохи стали, Шенанго - не единственная вещь, вызывающая зловоние.

Войдите в Smell Pittsburgh, приложение, которое вышло из работы CREATE Lab в Шенанго. Приложение, которое все еще находится в стадии разработки и рассматривается как инструмент, который в конечном итоге может использоваться в любом городе страны, позволяет жителям отмечать оскорбительные запахи окружающей среды, которые регистрируются в приложении и передаются в местный отдел здравоохранения. После регистрации приложение отображает карту, которая показывает любые другие отчеты о запахах за тот же день и время.

Марк Диксон, работающий в Питтсбурге документалист и промышленный инженер, описал приложение как способ мотивировать людей заниматься чем-то, что они хотели бы изменить в своей среде.

«Существует такая« долина недомогания », которая возникает, когда вы сообщаете о проблемах, и ничего не происходит», - сказал Диксон. «Это приложение ускоряет людей через эту долину - и первое, что они видят, это то, что они не одиноки. Плюс они действительно видят масштаб проблемы».

Диксон работает над повышением удобства использования приложения. Один проект включал разработку алгоритма, который объединяет отчеты Smell Pittsburgh и данные Национальной метеорологической службы, чтобы попытаться предсказать предстоящие дни #Stinkburgh, так как они помечены в Twitter. После достижения примерно 75-процентного успеха в течение 10-дневного тестового периода Диксон поделился своей информацией с группой фанатов локальных данных, включая разработчика Smell Pittsburgh. В результате в будущих версиях приложения может появиться возможность более надежного прогнозирования плохих эфирных дней.

Прогнозирование также является одной из целей другого вида приложения, Mosquito Habitat Mapper. Приложение, запущенное в июне 2017 года Институтом глобальных экологических стратегий (IGES) в партнерстве с НАСА, направлено на выявление и устранение опасных мест обитания комаров.

Приложение, уже протестированное в Барбуде, Перу и Чили, обучает людей распознавать личинок комаров, которых они находят, снимать фотографии и удалять стоячую воду, а также регистрировать время, местоположение, дату и местные условия окружающей среды в базе данных приложения. На сегодняшний день в проекте накоплено около 1500 точек данных - еще недостаточно, чтобы делать какие-либо значимые прогнозы. Но надежда состоит в том, что в долгосрочной перспективе накопление более качественных данных с мест в местах, где болезни, передаваемые комарами, являются серьезной проблемой общественного здравоохранения, может помочь уточнить модели прогнозирования, которые в настоящее время основаны на данных о погоде и климате, собираемых спутниками., «Мы многое не знаем о том, как комары реагируют на микроклимат», - говорит Расти Лоу, старший научный сотрудник IGES, который возглавлял разработку приложения. «Мы ищем субрегиональные, субсезонные инструменты, которые могут использовать работники общественного здравоохранения и сообщества, чтобы лучше понять риск заболевания».

В Балтиморе «Кубики погоды» Джона Хопкинса Анны Скотт также могут дать городским планировщикам больше возможностей для планирования здоровых городов в более теплом будущем. Кубы Скотта, появившиеся в результате ее исследований городской жары, оснащены датчиками на основе Arduino для измерения температуры, влажности, озона, диоксида азота, диоксида серы и сероводорода. Пятьдесят кубов развернуты на 25 площадках по всему городу, и Скотт надеется выпустить больше из них этим летом.

(Фото: Анна Скотт)

Ранние данные мониторинга показали, что большее количество небольших зеленых насаждений, таких как карманные парки, может быть лучше для снижения температуры по всему городу, чем несколько крупных парков, считает Кристин Баха, бывший специалист по климатической устойчивости в Балтиморе. Эта информация может изменить восприятие 16 000 пустующих участков города от упадка к выгоде.

В районе Тернер-стрит в Балтиморе Ларри Баннерман принимает два кубика Скотта. Его преимущественно афроамериканское сообщество имеет опыт борьбы с местными загрязнителями и агитации за защиту. Он сказал, что счастлив иметь в своей колоде дополнительную карту, если она ему понадобится.

«У нас будет кристально чистая картина того, что у нас в воздухе», - сказал он. «Эти знания в нашем кармане будут нашим самым большим активом, если нам нужно будет внести некоторые изменения».

Взгляд из космоса

По мнению Джона Амоса, гражданские участники собираются стать ключом к решению проблемы, которая часто стоит у него на уме: сделать огромные объемы визуальных данных более удобными для использования.

Основанная им некоммерческая организация SkyTruth использовала анализ спутниковых снимков, чтобы показать, что разлив нефти Deepwater Horizon в 2010 году превысил публично заявленные оценки BP. Хотя группа продолжает использовать человеческие глаза для мониторинга спутниковых снимков на предмет воздействия на окружающую среду разливов, добычи полезных ископаемых и других видов промышленной деятельности, SkyTruth в настоящее время работает над добавлением искусственного интеллекта, машинного обучения и больших данных.

SkyTruth Alerts - это сервис, на который пользователи могут подписаться, чтобы получать уведомления об определенных изменениях окружающей среды в конкретной области, например, о новом разрешении на бурение на газе, нарушении разрешения или сообщении о разливе химического вещества или утечке природного газа. Изначально разработанные в качестве внутреннего инструмента, предупреждения в настоящее время вычищаются с сайтов отчетности береговой охраны и департамента охраны окружающей среды штата. В настоящее время этим инструментом пользуются около 3000 человек.

Развитие службы направлено на то, чтобы включать в себя все больше источников данных и инструментов, а также использовать ИИ и системы машинного обучения для сравнения новых спутниковых изображений и исторических изображений. С такими ссылками анализ может обнаружить изменения даже до того, как о них сообщат официальные каналы.

Святой Грааль - дать пользователям возможность делиться своими наблюдениями и предупреждениями, создавая тем самым ряд сообществ с общими проблемами.

Фактически, данные из краудсорсинга, предоставленные пользователями SkyTruth для отдельного проекта FrackFinder, привели к нескольким исследованиям, подтолкнувшим Мэриленд к запрету фрекинга в 2017 году. Исследователь общественного здравоохранения Джона Хопкинса Брайан Шварц рассмотрел несколько последствий для здоровья жизни вблизи фракционирующих скважин, включая астма и преждевременные роды. По его словам, хотя он использовал много источников данных для исследований, «не было альтернативы» типу данных, которые предоставили пользователи SkyTruth.

«Мы несколько раз встречались с выборными должностными лицами, представляли наши выводы и отвечали на все их вопросы», - сказал Шварц. «Сообщалось, что некоторые из них в газетных и других публикациях говорили, что« исследования здоровья Джона Хопкинса »наконец-то убедили их проголосовать за запрет. Это наши исследования».

Амос отметил, что возможности локального наблюдения за людьми на местах в сочетании с возможностями облачных вычислений, позволяющими обрабатывать данные, позволяют увидеть потенциальные проблемы в реальном времени.

«Речь идет не только о вещах, которые уже произошли, но и о том, что происходит в окружающей среде, прежде чем что-то узнавать об этом, чтобы осознать, что происходит то, на что мы должны обращать внимание», - сказал Амос. «Для меня это технологическое, активизация деятельности по защите окружающей среды на низовом уровне».

И интерес к использованию новых технологий просто для любопытства будет только расти, добавил Диас из CREATE Lab.

«Подобные технологии должны быть не только в лабораториях или в помещениях высшего уровня», сказала она. «Они должны быть доступны для обычных людей, чтобы создавать, а не просто потреблять. И идея заключается в том, что, как только люди станут более свободно владеть технологиями, они смогут взять повседневные вещи с полки и взломать что-то вместе, что работает для них».