土著主导的监测保护大湖区的野生水稻

支持人工智能的传感器支持对野生稻生态系统进行文化响应的环境监测并推进土著主权
Manoomin是一种野生水稻，对生活在大湖区的土著Ojibwe人的文化和生计至关重要。曾经在美国和加拿大的大湖区很常见，但由于发展、污染和气候变化的相互关联的压力，manoomin栖息地已经减少。
Manoomin融入了Ojibwe文化。历史上，它是一种主食，特别是在其他食物来源稀缺的时候。当有盈余时，manoomin被用来交换商品和服务。今天，它仍然是一个重要的食物来源，并继续被用作药物和仪式中的精神祭品——保持和维持Ojibwe人民内部和之间及其土地和水域的重要联系。因此，了解不断变化的环境的影响并找到保护谷物的新方法是当务之急。
美国国家科学基金会支持的研究人员正与奥吉布韦社区密切合作，以及每个季节覆盖数英里沿海湿地的科学组织，以监测生态系统。他们一起将计算整合到支持manoomin和土著文化的努力中。
西北大学和佐治亚理工学院计算机科学、计算机工程和电气工程副教授乔赛亚•赫斯特说：“马诺明是人与海岸之间的关键联系。水稻从令人难以置信的丰富——超过三分之一的大陆——到集中在这几个地方，花了100年时间。”

以历史知识为基础
海丝特正与西北大学、普渡大学、阿尔贡国家实验室和明尼苏达大学的研究人员合作，获得国家科学基金会海岸线和人民研究和扩大参与中心项目的500万美元赠款，该项目支持多机构沿海研究中心。在五年的时间里，该项目旨在推进植根于土著知识和土著数据主权的科学。该项目旨在支持土著自决和社区一级的决策和治理。
“我们有传感器网络和水文模型，但部落长老有故事——历史知识，”海丝特说。“例如，如果有人告诉我，‘当洪水更温和、来得更早时，野生稻的季节会好得多。’这使我们能够从一系列巨大的生态系统问题转向一些需要真正关注的事情。”
海丝特和他的合作伙伴从重视土著知识的框架开始，正在开发一个海岸线评估系统，旨在更好地将土著人民的经验及其知识与技术评估相结合，为部落民族和大湖社区的决策进程提供信息。
在西北大学一系列教师、大湖印第安鱼类和野生动物委员会的部落科学家和实地科学家的支持下，该小组花了两年时间培养与巴德河、弗兰博湖、丰杜拉克和米勒拉克部落的部落民族和土著研究人员的关系，并向他们学习。
这些关系的结果是一个资源网络，为学生和社区成员提供体验教育，并提供对理解不断变化的湿地生态系统至关重要的数据采集能力。
“不幸的是，计算传统上与影响和社会脱节，这是我们正在努力解决的问题，”海丝特说。“我认为像人类技术前沿工作的未来这样的国家科学基金会项目正在寻求解决这个问题，我认为可持续性和社区驱动的工作和计算现在都如此相互关联。”

利用技术
另一个挑战是被覆盖区域的巨大规模。“我们只是没有足够的人去成百上千平方英里和成千上万条受影响的河流和溪流，”海丝特说。“所以我们的目标之一是我们如何自动化其中的一些功能？”
该团队在manoomin湿地部署了一系列环境传感器。这些传感器是计算节点，能够拍摄高质量的4K图像，并使用先进的机器学习算法和边缘计算技术获得关于湿地环境的快速准确的结果。
“与其通过手机信号塔将原始数据无线发送到云端，然后试图弄清楚这一切意味着什么，我们正在弄清楚传感器本身的含义，”海丝特说。“例如，我们现在正在做的事情——如果我们的一个传感器收到了鹅叫声，它可以识别出过去45分钟内在某个区域发生了许多鹅叫声。这告诉我们，我们需要在那个地点标记野生稻上食草动物的增加。这些传感器站点的设置也是为了让其他设备可以插入，这样部落伙伴就可以托管和交换他们感兴趣的传感器。这种灵活性对于响应不断变化的气候因素非常重要。”
其他传感器重量更轻，可以用太阳能电池板阵列快速设置，在更短的时间内收集数据。传感器将得到一个手机应用程序的补充，该应用程序专为社区科学家设计，可以在旅途中轻松上传信息和图像。这些数据源可以一起捕捉大量的环境条件，包括空气质量、3D溪流、水速、浊度和船只尾流，随着团队从部落知识守护者那里学到更多，新的想法正在测试中。
该网络与美国国家海洋和大气管理局等联邦机构的遥感数据相结合，提供了马诺明栖息地和湿地变化情况的强大实时视图。
“我认为我们正在建设的网络基础设施是一种生态系统评估和监测工具。目前，生态系统以野生稻为中心，但可以专注于监测其他动植物近亲，”海丝特说。“从某种意义上说，数据已经存在。我们有一个很大的捕获视野。在这个大视野内，我们关注什么取决于我们和部落。就五大湖的整体管理而言，我认为这些方法和网络基础设施的进步将通过提供实时海岸线评估的方法和系统，极大地推动五大湖的智能适应能力，并导致增强的复原力战略。这种网络基础设施可以积极影响从紧急预警系统到商业运营和保护的方方面面。”