Сила краудсорсинга
Наша динамичная планета представляет собой сложную мозаику из лесов, полей, городов… Однако картографирование разнообразных ландшафтов Земли представляет собой огромную задачу для ученых. Спутниковая съемка имеет свои ограничения, в то время как традиционные полевые исследования отнимают много времени и редки. Теперь помощь приходит из неожиданного источника: толпы обычных ученых-граждан.
По всему миру волонтеры собирают изображения земного покрова для создания карт с помощью краудсорсинга. Одной из инициатив, находящихся в авангарде этого движения, является приложение GLOBE Observer (GO) программы GLOBE. GO предоставляет пользователям уникальные протоколы для получения стандартизированных фотографий земного покрова, которые затем используются в качестве данных для определения типов местности на основе характеристик земного покрова. Добровольцы со смартфонами собирают разнонаправленные изображения окружающей среды. Эти краудсорсинговые данные содержат огромный потенциал для ученых, стремящихся отслеживать изменения в экосистемах, городах и естественной среде обитания. С помощью точных и актуальных карт земного покрова ученые могут отслеживать такие тенденции, как утрата среды обитания и вырубка лесов. Эти карты также помогают общинам подготовиться к наводнениям и другим стихийным бедствиям, выделяя зоны риска. Подробная классификация земель также позволяет местным районам принимать более разумные решения относительно инфраструктуры, развития и сохранения.
Но как могут, казалось бы, случайные фотографии горожан с телефонами создать точную карту ландшафта? Ключ кроется в подходе. В то время как в большинстве краудсорсинговых программ пользователи просто делают отдельные пейзажные снимки, GLOBE Observer делает нечто иное. Их система предписывает пользователям делать многоракурсные изображения в шести основных направлениях: север, юг, восток, запад, вверх и вниз. Это дает более полное представление о месте. В большинстве случаев направления вверх (например, небо) и вниз (например, грязь, почва, камни или тротуар) дают меньше информации для определения категорий земного покрова по сравнению с другими четырьмя кардинальными направлениями.
На этом рисунке показаны протоколы сбора данных GLOBE Observer, где участники собирают данные по шести основным направлениям. Здесь представлены примеры четырех направлений обзора, включая запад, север, юг и восток. Рисунок из статьи: Картирование растительного покрова с помощью краудсорсинговых разнонаправленных видов: чем больше направленных видов, тем лучше .
Испытание многопрофильного краудсорсинга
В новой исследовательской работе ученые проверили этот подход, задав вопрос, повышает ли добавление большего количества углов обзора точность картографирования по сравнению с отдельными изображениями.
Чтобы выяснить это, они воспользовались более чем 9000 наборами изображений с несколькими изображениями, полученными путем краудсорсинга, из приложения GLOBE Observer. Ученые также разработали передовые интеллектуальные алгоритмы для классификации типов растительного покрова. Сначала они обучили модели на отдельных изображениях, помеченных категориями растительного покрова, такими как леса, поля и водоемы. Затем они постепенно увеличивали объем данных, одновременно обучая новые модели на двух, трех и четырех многопроекционных изображениях.
Чем больше направлений, тем лучше
Результаты подтвердили их гипотезу. Модельные изображения с большим количеством просмотров работали значительно лучше. Например, благодаря четырем основным направлениям лучшая широко используемая модель глубокого обучения EfficientNet улучшила свой классификационный балл F1 с 0,628 до 0,712. Дополнительные представления предоставляют дополнительную визуальную информацию, которая улучшает обучение моделей. Этот эффект был одинаковым для различных архитектур моделей: от популярных вариантов, таких как VGG и ResNet, до более продвинутых вариантов, таких как MobileNet.
Подумайте о том, как меняется ваше восприятие, когда вы наблюдаете сцену под разными углами. Один взгляд раскрывает только одну перспективу; но поверните направо или налево, и появятся новые детали. Просмотр сцены со всех сторон дает целостное ощущение всей картины. «Теперь представьте, что вы умножаете этот эффект на тысячи изображений, полученных из краудсорсинга», — сказал доцент Центра географической информации Вайоминга Ди Янг , который руководил этим исследованием. «Мощные закономерности проявятся даже на разрозненных снимках, сделанных гражданами всего мира, если мы сможем пригласить их внести свой вклад в этот проект».
Составление карты с точки зрения толпы
Хотя объединение всех направлений повышает точность, будущая работа может пойти дальше, потенциально даже выбирая оптимальные подмножества изображений в каждом конкретном случае. Тем не менее, исследование предоставляет убедительные доказательства того, что программы краудсорсинга должны использовать протоколы разнонаправленного наблюдения. Инновационный подход GLOBE Observer обеспечивает надежный анализ земного покрова, который ускользает от других глобальных картографических усилий.
«Интересно, что, столкнувшись со сложными парами с несколькими представлениями, модели продемонстрировали сверхъестественную способность концентрироваться на важных функциях и обходить ненужные», — сказал Сяо Хуан, доцент кафедры наук об окружающей среде Эмори и ключевой исследователь по этому вопросу. проект. «Визуальные изображения нашей команды показали точность, с которой эти сети глубокого обучения распознают и определяют приоритетность информативных частей изображения, игнорируя противоречивые области. Последствия этого тонкого слияния данных с нескольких представлений действительно глубоки».
Поскольку картографические приложения расширяют возможности гражданских ученых, краудсорсинг активно меняет мониторинг окружающей среды. При эффективной координации территориально рассредоточенные толпы могут объединить усилия для создания карт с уровнем детализации, масштаба и своевременности, который превосходит централизованные усилия. Разбросанные точки зрения объединяются в коллективное сознание, создавая новую эру в географическом картографировании. Краудсорсинговая перспектива помогает ученым и населению в целом взглянуть на мир по-новому.
ВиоГЛОБ
Гражданские ученые не только собирают изображения для программы GLOBE, но и помогают анализировать данные. В рамках хакатонов WyoGLOBE студентам предлагается принять участие в краудсорсинговых задачах по маркировке изображений. Эти конкурсы поощряют инновационные способы маркировки изображений растительного покрова и мест обитания комаров на платформе, что повышает качество данных для исследователей. Призы стимулируют учащихся маркировать как можно больше изображений, используя предоставленные наборы данных. Используя краудсорсинговый анализ изображений, хакатоны дополняют краудсорсинговую коллекцию изображений таких проектов, как GLOBE Observer. В совокупности это демонстрирует всю мощь гражданской науки, когда общественность участвует как в сборе, так и в осмыслении географических данных. Этот двусторонний подход помогает ускорить протоколы картирования как земельного покрова, так и среды обитания комаров.
Так что возьмите телефон и откройте свое любимое приложение для краудсорсинга! Посмотрите во всех направлениях и сделайте снимок своего окружения. Ваши изображения ткут полотно нашего мира, отображая Землю глазами граждан.
Об авторах
Ди Янга всегда восхищало пересечение технологий, природы и общества. С безграничным любопытством она в детстве исследовала окружающие ее пейзажи, очарованная многообразием жизни. Это чувство удивления побудило ее стать ученым-географом-информатиком, использующим возможности геопространственных данных для изучения сложной динамики взаимодействия человека и окружающей среды. Получив степень магистра в области экологической инженерии, Ди осознала потенциал дистанционного зондирования и искусственного интеллекта для продвижения устойчивого развития. Она погрузилась в докторантуру по географии в Университете Флориды, решив применить новые геопространственные методы для решения проблем сохранения природы. В своих исследованиях она использовала гражданскую науку, картографирование дистанционного зондирования и другие инновации для выяснения неотложных экологических загадок. Сейчас Ди является доцентом Университета Вайоминга и наслаждается наставничеством студентов, столкновением дисциплин и расширением границ. Хотя ее работа охватывает различные области, такие как изменение растительного покрова, мониторинг биоразнообразия и воздействие на климат, в ней проявляется ее основная страсть: освещение взаимосвязи природы и цивилизации с помощью технологий и творчества. Будь то отслеживание беспрецедентных экологических событий с использованием данных гражданской науки или отслеживание исторического землепользования с помощью ИИ, Ди находит радость в пути открытий. Она считает, что сквозные исследования являются ключом к преодолению экологических угроз. Принимая дух исследования, Ди надеется дать возможность сообществам построить более устойчивое будущее.
Сяо Хуан — доцент кафедры наук об окружающей среде Университета Эмори. Его исследования сосредоточены на разработке и применении новых геопространственных методов для понимания взаимодействия человека и окружающей среды. Получив степень магистра в области географической информатики, Сяо захотел использовать новые геопространственные технологии для решения проблем устойчивого развития. Это побудило его получить докторскую степень по географии в Университете Южной Каролины, где он оттачивал свои навыки в области дистанционного зондирования, пространственного моделирования и анализа данных в социальных сетях. Теперь, будучи профессором, его работа охватывает различные темы, такие как отслеживание передвижения людей во время COVID-19, картирование рисков наводнений и мониторинг утраты биоразнообразия. Но в основе всех этих проектов лежит его страсть к открытиям на основе данных и устойчивым решениям. Используя краудсорсинговые наблюдения или спутниковые снимки, Сяо находит радость в освещении взаимосвязи природных и человеческих систем. Сяо считает, что междисциплинарные геопространственные исследования могут дать сообществам возможность построить устойчивое будущее — от быстрого реагирования на стихийные бедствия до устранения социального неравенства. Применяя творческий подход и сотрудничество, он надеется продолжать исследовать новые горизонты, где встречаются география и технологии.