В науке понятие макроскопа является антитезой микроскопа , а именно метода, техники или системы, подходящей для изучения очень больших объектов или очень сложных процессов, например, Земли и ее содержимого, [1] [2] или концептуально Вселенной . Очевидно, что в настоящее время не существует единой системы или инструмента, которые могли бы выполнять эту функцию, однако к его концепции может приблизиться некоторая текущая или будущая комбинация существующих систем наблюдения. [3] [4] [5] Термин «макроскоп» также применялся к методу или сборнику, которые могут рассматривать некоторые более конкретные аспекты глобальных научных явлений во всей их полноте, такие как вся растительная жизнь, [6] определенные экологические процессы, [7] или вся жизнь на Земле. [8] Этот термин также использовался в гуманитарных науках в качестве общего обозначения инструментов, которые позволяют проводить обзор различных других форм «больших данных». Как обсуждалось здесь, концепция «макроскопа» по сути отличается от концепции макроскопического масштаба , который просто берет начало там, где микроскопический масштаб заканчивается, охватывая все объекты, достаточно большие, чтобы быть видимыми невооруженным глазом, а также от макрофотографии , которая представляет собой получение изображений образцов при увеличении, большем, чем их исходный размер, и для которой ранее был выпущен на рынок специализированный микроскопический инструмент, известный как «макроскоп». Для некоторых работников один или несколько (планетарных) «макроскопов» уже могут быть построены, чтобы получить доступ к сумме соответствующих существующих наблюдений, в то время как для других недостатки в текущих режимах отбора проб и/или доступности данных указывают на необходимость дополнительных усилий по отбору проб и внедрения новых методологий, прежде чем можно будет получить истинное «макроскопическое» изображение Земли.
Термин «макроскоп» обычно приписывают введению в научный оборот эколога Говарда Т. Одума в 1971 году [9] [10], который использовал его, в отличие от микроскопа (который показывает мелкие объекты в мельчайших подробностях), для представления своего рода «устранителя деталей», который таким образом позволяет лучше рассмотреть экологические системы для упрощенного моделирования и, потенциально, управления (Одум, 1971, рисунок 10). [11] Эколог Джеймс Браун (эколог) приравнял область макроэкологии к процессу рассмотрения «живого мира через макроскоп, а не через микроскоп, и в результате он видит иные вещи, чем те, которые раскрываются большинством экологических исследований... Однако, когда я начал смотреть через макроскоп, я обнаружил, что он дает мне такое представление об экологическом мире, которое не могли предоставить ни мои эксперименты на одном участке исследования, ни мои неманипулятивные сравнительные исследования на обязательно ограниченном количестве полевых участков». [3]
Некоторые авторы, такие как Хидефуми Имура, продолжают использовать этот термин как более или менее синонимичный обзору или анализу крупномасштабных моделей данных в своей области. [12] [13] Другие известные авторы и докладчики, которые использовали терминологию «макроскопа» для представления «общей картины» в своих конкретных областях интересов, включают Джесси Х. Осубеля [6] [14] и Джона Такара . [15]
На самом деле, термин (в настоящем смысле «более широкого взгляда» на предмет, чем тот, который может быть получен любым отдельным обычным действием) предшествует его использованию в работе Одума, например, его можно найти в книге Филипа Бэгби под названием «Культура и история: Пролегомены к сравнительному изучению цивилизаций», опубликованной в 1959 году, который писал: «[Кто-то должен] изобрести «макроскоп», инструмент, который гарантировал бы, что историк будет видеть только более крупные аспекты истории и не будет видеть отдельные детали», [16] а также у WH Hargreaves и KH Blacker, которые писали в 1966 году в журнале Psychiatric Services : «Появление электронного цифрового компьютера вызывает революцию в поведенческих науках, сравнимую с влиянием микроскопа на биологию. Как и микроскоп, компьютер обеспечивает вид, который выходит за рамки возможностей невооруженного глаза. Компьютер используется как «макроскоп», который позволяет нам воспринимать отношения, основанные на более крупных схемах информации, чем мы в противном случае способны интегрироваться». [17] Еще немного раньше, в области географии, в статье 1957 года под названием «Географические поиски» для Centennial Review of Arts & Science , Лоуренс М. Соммерс и Кларенс Л. Виндж писали: «Что мы видим? Каковы взаимосвязи, которые существуют между наблюдаемыми особенностями? Ближние виды могут быть с помощью картирования разрешены с помощью видов за горизонтом, и карта становится «макроскопом», чтобы помочь нам понять пространственную организацию явлений Земли». [18] В то время как в законопроекте об ассигнованиях Министерства сельского хозяйства США 1951 года, обсуждая недавно принятый Закон об управлении лесным хозяйством, Перри Х. Меррилл, государственный лесничий Вермонта , как сообщается, сказал: «Благодаря [этому закону] я чувствую, что мы добились большого прогресса... вместо того, чтобы смотреть в микроскоп, может быть, мы сможем смотреть в «макроскоп», если вы хотите это так назвать». [19] [а]
Термин был (пере)представлен как новый (предыдущее использование Одумом было упомянуто в сноске) французским научным мыслителем Жоэлем де Роснеем , который написал подробную книгу, объясняющую его концепцию в 1975 году: «Тогда нам нужен новый инструмент. Микроскоп и телескоп были ценны для сбора научных знаний о вселенной. Теперь новый инструмент нужен всем тем, кто хотел бы попытаться понять и эффективно направить свои действия в этом мире, независимо от того, отвечают ли они за важные решения в политике, науке и промышленности или являются обычными людьми, как мы. Я назову этот инструмент макроскопом (от macro, большой, и skopein, наблюдать)». По мнению де Роснея, макроскоп может быть направлен не только на естественный и физический миры, но и на системы, связанные с человеком, такие как рост городов, экономика и поведение людей в обществе. [1]
Более поздние исследователи склонны использовать этот термин как синоним системы наблюдений за всей Землей или ее частью, подкрепленной, в частности, спутниковыми снимками, полученными с помощью дистанционного зондирования , и/или наблюдениями на месте, полученными с помощью сенсорных сетей (см. ниже).
В качестве расширения своего научного контекста термин «макроскоп» также применяется в гуманитарных науках как общий термин для любого инструмента, позволяющего проводить обзор и изучать коллекции «больших данных» в этой или смежных областях. [22] [23] [24] [25] Для полноты картины следует упомянуть, что концепция «обратного микроскопа» не является совершенно новой: примерно за 80 лет до этого автор Льюис Кэрролл во втором томе своего романа «Сильвия и Бруно» , опубликованного в 1893 году, описал вымышленного профессора, который включает в свою лекцию инструмент, который уменьшает слона до размеров мыши, который он назвал «мегалоскопом». [26] Голландский автор Кис Бёке также написал в 1957 году книгу « Космический взгляд: Вселенная за 40 прыжков » [27], в первой части которой представлены изображения различных аспектов Земли в постоянно уменьшающихся масштабах и параллели с последующим принципом гипотетического «макроскопа» в серии уровней увеличения.
Более практический аспект того, что именно представляет собой макроскоп, менялся со временем и в соответствии с интересами, требованиями и сферой деятельности соответствующих работников. Соммерс и Винге рассматривали «макроскоп» как расширенную систему картирования для визуализации пространственных отношений между элементами на поверхности Земли, таким образом, концептуально предвосхищая концепцию впоследствии разработанных «бесшовных» географических систем отображения через CD-ROM и всемирную паутину по образцу «Атласа» Microsoft Encarta и Google Maps / Google Earth . Концепция Одума заключалась в изучении экосистем путем интеграции результатов существующих методов обследования, идентификации и классификации их содержимого, а затем устранения мелких деталей для получения вида «общей картины», пригодной для анализа и, при необходимости, моделирования. Де Росне рассматривал свой «макроскоп» как системную точку зрения для изучения (помимо прочего) природы человеческого общества и понимания обоснования человеческих действий. Он писал:
Давайте используем макроскоп, чтобы направить новый взгляд на природу, общество и человека и попытаться определить новые правила образования и действия. В его поле зрения организации, события и эволюции освещаются совершенно иным светом. Макроскоп фильтрует детали и усиливает то, что связывает вещи вместе. Он используется не для того, чтобы делать вещи больше или меньше, а для того, чтобы наблюдать то, что одновременно слишком велико, слишком медленно и слишком сложно для наших глаз (человеческое общество, например, является гигантским организмом, который полностью невидим для нас). [28]
Примерно с начала 2000-х годов интерес к концепции «макроскопа» неуклонно рос, как благодаря значительно возросшей вычислительной мощности в организациях и на рабочих столах ученых, так и благодаря доступу к более обширным наборам как локально полученных, так и общедоступных данных, таких как наблюдения за Землей . Для некоторых недавних исследователей, таких как Дорнелас и др., упомянутых ниже, макроскоп — это предполагаемый набор наблюдательных инструментов, которые в совокупности предоставят желаемый синоптический набор наблюдений в соответствующей области исследования (в их случае для морской среды, перечисленных как спутники, беспилотники, фотоловушки, пассивные акустические пробоотборники, биологгеры, ДНК окружающей среды и наблюдения за людьми), [4] В 2019 году эти авторы заявили:
Наземные наблюдения за биосферой пространственно смещены таким образом, что это может ограничить нашу способность обнаруживать макроэкологические закономерности и изменения в биоразнообразии. Чтобы решить эту проблему, нам необходимо дополнить специальные данные, собираемые в настоящее время, запланированным мониторингом биоразнообразия, чтобы приблизиться к глобальной стратифицированной случайной выборке планеты. Мы называем эту всеобъемлющую систему наблюдений «макроскопом». ... Развернув вложенный массив этих инструментов [спутники, беспилотники, фотоловушки и т. д.], который заполняет текущие пробелы в мониторинге, мы можем получить макроскоп, подходящий для этой цели, и превратить эти существующие мощные инструменты в нечто большее, чем сумма их частей.
Для других макроскоп уже здесь, как своего рода «виртуальный инструмент», с источниками данных, такими как спутниковые снимки Landsat, предоставляющие необходимое высокое разрешение изображения Земли, [29] [30] и/или беспроводные сенсорные сети, предоставляющие набор локальных наблюдений на месте . [31] [32] По мнению исследователей IBM , макроскоп является техническим решением — в основном в области управления данными , анализа данных и добычи данных — которое позволит интегрировать и запрашивать все существующие наблюдения Земли и связанные с ними наблюдения для получения значимых результатов. В 2017 году они заявили:
К 2022 году мы будем использовать алгоритмы и программное обеспечение машинного обучения, чтобы помочь нам организовать информацию о физическом мире, помогая донести огромные и сложные данные, собранные миллиардами устройств, до диапазона нашего зрения и понимания. Мы называем это «макроскопом» — но в отличие от микроскопа, чтобы видеть очень маленькое, или телескопа, который может видеть далеко, это система программного обеспечения и алгоритмов, чтобы собрать все сложные данные Земли вместе, чтобы проанализировать их по пространству и времени для смысла. [5]
По данным IBM в 2020 году, эти принципы «макроскопа» были впоследствии реализованы в виде экспериментальной системы под названием «IBM PAIRS Geoscope» [33] , позже переименованной в компонент геопространственной аналитики в составе пакета IBM Environmental Intelligence Suite и описанной в нем как «платформа, специально разработанная для массовых геопространственно-временных (карты, спутник, погода, дроны, IoT [=" Интернет вещей "]) запросов и аналитических сервисов». [34]
По мнению Крейга Манди из Microsoft , преимущества макроскопа заключаются не только в наблюдении за Землей, но и за людьми, живущими на ней:
По мере того, как Земля все больше оснащается недорогими датчиками с высокой пропускной способностью, мы сможем лучше понять окружающую среду с помощью виртуального, распределенного по всей Земле «макроскопа»... Масштабная аналитика данных позволит отслеживать заболевания в реальном времени и целенаправленно реагировать на потенциальные пандемии. Наш виртуальный «макроскоп» теперь можно использовать как на нас самих, так и на нашей планете (Microsoft Research, 2009). [35]
Примерно 10 лет спустя, в течение которых вычислительная мощность и легкодоступное хранилище данных продолжали развиваться, Microsoft объявила о планируемой разработке своего «Планетарного компьютера», «подхода к вычислениям, который является планетарным по масштабу и позволяет нам запрашивать каждый аспект экологических и природных решений, доступных в режиме реального времени». [36] Между тем, примерно с 2010 года Google уже разработала несколько схожую функцию под названием «Google Earth Engine», которая использует облачные вычисления для численного анализа больших объемов спутниковых снимков; [37] по состоянию на 2021 год на веб-сайте проекта указано, что «Google Earth Engine объединяет многопетабайтный каталог спутниковых снимков и геопространственных наборов данных с возможностями анализа планетарного масштаба. Ученые, исследователи и разработчики используют Earth Engine для обнаружения изменений, картографирования тенденций и количественной оценки различий на поверхности Земли». [38] Такие инициативы, возможно, можно рассматривать как «верхний предел» для приема массивных, глобальных наборов входных данных и связанных с ними вычислений; С другой стороны, разработка кроссплатформенных (открытых) стандартов для обмена оцифрованной географической информацией Открытым геопространственным консорциумом с начала 2000-х годов позволила исследователям, оснащенным минимальным программным обеспечением, запрашивать, отображать, накладывать и иным образом взаимодействовать с подмножествами удаленных глобальных потоков данных через (например) Web Map Service (WMS), Web Feature Service (WFS) и Web Coverage Service (WCS) без необходимости хранить какие-либо данные локально, что позволяет создавать своего рода функциональность «макроскопа» за умеренную плату (бесплатно в случае решений с открытым исходным кодом, таких как GeoServer , MapServer и т. д.) для отображения информации по выбору пользователя на основе ряда возможных базовых карт. [39] Другие доступные в настоящее время решения аналогичного характера, где клиентское программное обеспечение «виртуального глобуса» устанавливается либо на устройстве пользователя, либо запускается в веб-браузере, а затем может получать доступ либо к удаленным, либо к локально хранящимся слоям данных для отображения на заранее подготовленных базовых картах, включают NASA WorldWind и ArcGIS Earth от ESRI.
В 2013-2014 годах Департамент здравоохранения и психической гигиены города Нью-Йорк (DOHMH) разработал собственную систему наблюдения за электронными медицинскими картами жителей Нью-Йорка «NYC Macroscope», предназначенную для «измерения результатов в области здравоохранения среди взрослого населения Нью-Йорка, активно обращающегося за медицинской помощью». [40] Школа информатики и вычислительной техники Университета Индианы также проводит программу картографирования через свой Центр киберинфраструктуры для сетевых наук под названием «Места и пространства: картографические науки», которая в своей программе 2016 года включала «восемь интерактивных макроскопов», сопровождаемых следующим определением: «Макроскопы — это программные инструменты, которые помогают людям сосредоточиться на закономерностях в данных, которые слишком велики или сложны, чтобы увидеть их без посторонней помощи. Мир — сложное место, и макроскопы помогают нам понимать и управлять этой сложностью. Это визуальные линзы, которые мы можем использовать для того, чтобы видеть закономерности и тенденции в больших объемах данных». [41] Еще одна инициатива, которую называют «макроскопом», — это Океаническая биогеографическая информационная система (OBIS), описанная Ванден Берге и др . в 2012 году, которые писали: «Ее амбиции стать «макроскопом» (de Rosnay, 1979) для морского биоразнообразия позволят нам увидеть прошлые сложности и особенности отдельных наборов данных, чтобы более четко увидеть «общую картину» жизни океана», [42] ключевым видом деятельности для этого проекта является преобразование данных, существовавших ранее в разрозненных и иногда недоступных формах, в единый стандартизированный формат для удобства доступа и получения сводной информации по желанию.
Предполагаемый «макроскоп» другого типа — это Глобальная база данных событий, языка и тона (проект GDELT), которая отслеживает (большую часть) мировых новостных СМИ, создавая «триллионы точек данных», а затем предлагая «синтез в реальном времени глобального поведения в масштабе общества в богатую количественную базу данных, позволяющую осуществлять мониторинг и аналитическое исследование этих тенденций в реальном времени». Согласно веб-сайту проекта, один из его результатов, Глобальный график знаний GDELT (GKG), составляет «список каждого человека, организации, компании, местоположения и нескольких миллионов тем и тысяч эмоций из каждого новостного сообщения, используя некоторые из самых сложных алгоритмов именованных сущностей и геокодирования из существующих, разработанных специально для шумного и неграмотного мира, которым являются мировые новостные СМИ». [43]
В 2018 году три партнерских агентства — Программа развития Организации Объединенных Наций (ПРООН), Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ООН-Окружающая среда) и Секретариат Конвенции о биологическом разнообразии — запустили «Лабораторию биоразнообразия ООН» (UNBL) (https://unbiodiversitylab.org/), которая описывается как «расширяющая доступ к большим данным для устойчивого развития» в форме глобальных пространственных данных по охраняемым территориям, исчезающим видам, антропогенному воздействию на природные системы, водоразделам для ключевых городов и т. д. [44] Версия 2.0 UNBL, выпущенная в октябре 2021 года, как сообщается, содержит «более 400 слоев пространственных данных по биоразнообразию, изменению климата и развитию», а также предлагает рабочие пространства, в которые пользователи на национальном уровне могут загружать свои собственные данные для составления карт для целей отчетности и планирования и мониторинга биоразнообразия в масштабе страны. [45]
Некоторые из различий в подходе, описанных выше, легче понять, если макроскоп интерпретировать как конкретный пример «цепочки создания стоимости больших данных» (с особым акцентом на наблюдениях за Землей и/или биосферой), которую, как указано в работе Чена и др. (2014), можно разделить на четыре фазы, а именно: генерация данных, получение данных (также известное как сборка данных), хранение данных и анализ данных. [46] Для некоторых исследователей, таких как М. Дорнелас и др. , макроскоп представляет собой сумму систем сбора данных (элемент генерации), которые предоставят контент, необходимый для последующего анализа, хотя некоторые также упоминают «серию доменно-специфических реестров данных», которые затем позволят обнаружить контент. [4] Для других, таких как OBIS, основные усилия, необходимые для построения макроскопа, представляют собой компонент сборки данных, который затем позволяет проводить интегрированный анализ ранее разрозненных наборов данных (данные OBIS затем можно либо просматривать с помощью предоставленных инструментов, либо загружать в собственную систему пользователя для дополнительной визуализации и анализа); в то время как для учреждений, заинтересованных в обнаружении закономерностей в данных (и имеющих достаточную вычислительную мощность), макроскоп представляет собой набор временных и пространственных аналитических и фильтрующих инструментов («линзы» в терминологии Центра киберинфраструктуры сетевых наук Университета Индианы), которые могут применяться после того, как данные собраны. Поскольку по аналогии с микроскопом макроскоп по сути является методом визуализации объектов, слишком больших, чтобы их можно было полностью увидеть в обычном поле зрения, вероятно, ни один из этих подходов не является неправильным, различия в акцентах являются взаимодополняющими в том, что каждый из них способен внести свой вклад в результирующий «виртуальный инструмент», который предусматривается этой концепцией. Однако одной наблюдаемой тенденцией является увеличение размера базового набора данных и желаемой плотности выборки, при этом сегодняшние «макроскопы» строятся на массивах данных мелкого масштаба / высокого разрешения, которые были бы отброшены как нежелательные детали (затмевающие «общую картину») в первоначальных концепциях Одума и де Роснея.
Ряд концепций, описанных выше, либо появляются вновь, либо параллельны в альтернативно названном « Геоскопе » предложении Бакминстера Фуллера в 1962 году, которое было предложено как гигантское представление земного шара, на котором «все соответствующие инвентаризации мировых данных» могли бы отображаться с помощью системы компьютеров. Среди преимуществ такой системы было бы: «С Геоскопом человечество сможет распознавать ранее невидимые закономерности и, таким образом, прогнозировать и планировать в гораздо большем масштабе, чем прежде». [47] Похожая концепция вновь появилась в качестве более конкретного предложения под названием « Цифровая Земля », поддержанного тогдашним вице-президентом США Элом Гором в 1998 году, [48] прогресс в направлении которого был рассмотрен в обзорной статье 2015 года Махдави-Амири и др. [49]
Термин «макроскопический масштаб » отличается в использовании от научной концепции, обсуждавшейся выше; по сути, он охватывает любой предмет, достаточно большой, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, другими словами, не требующий микроскопа для визуализации. Некоторые авторы также используют «макроскопический» как часть континуума последовательно более крупных типов масштаба, начиная с микроскопического, затем макроскопического, затем мезоскопического и, наконец, мегаскопического масштабов. [50] Напротив, макрофотография (сокращение от макроскопической фотографии) — это термин, используемый для обозначения фотографий, на которых объект выглядит увеличенным (больше натуральной величины), строго говоря, на плоскости пленки, но на практике, когда он воспроизводится в виде отпечатка или на экране, как правило, в диапазоне увеличения от x1 до x10; в то время как макроскоп — это также обозначение типа оптического микроскопа, ранее продававшегося европейскими производителями Wild Heerbrugg и Leica Microsystems , оптимизированного для макро- и микрофотографии в диапазоне увеличения от x8 до x40; [51] Похожие инструменты, также под названием «Макроскопы», ранее предлагались другими производителями оптики, включая Bausch and Lomb и Ednalite Research Corporation. Другое использование термина «макроскоп», предшествующее популяризации научной концепции Одумом, встречается в одноименной научно-фантастической книге 1969 года писателя Пирса Энтони , в которой его воображаемый инструмент представляет собой своего рода супертелескоп, способный фокусироваться в любой точке пространства и времени по указанию пользователя, в то время как в детском романе Джилл Линц и Синди Шварц 2009 года « Приключения в Атомвилле: Макроскоп » титульный инструмент — это новое изобретение, с помощью которого атомы (имеющие в книге идентификаторы) впервые могут визуализировать «внешний мир». [52] Термин «макроскоп» также использовался по крайней мере в 2 случаях в названиях коммерческих компьютерных программных продуктов. [53] [54]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )