大卫•希尔

人类活动对地球生态系统和气候影响的全面程度还有待了解。然而，人们普遍认为，人类活动正在破坏我们赖以维持物质、经济和社会安全的生态系统和地球进程。这种波动意味着更强的风暴、更严重的干旱、更严重的疾病和昆虫侵扰，以及本地植物和动物群落的衰落。

近25年来，TRU地理与环境研究副教授戴维•希尔一直在研究我们如何利用技术使基础设施“智能”——即能够感知环境，然后重新配置自身以响应周围的条件。智能基础设施使我们能够对快速变化的环境做出更智能的反应，及时做出管理决策，促进生态系统健康，提高资源生产价值。

希尔说:“适应性管理的关键是能够在与管理目标相关的所有维度中，以高分辨率真正看到环境的状态，这就是为什么我目前的工作专注于环境感知。”

希尔对环境管理的兴趣始于康奈尔大学(Cornell University)的本科生时期，当时他学习的是环境工程。在此期间，他接触到了环境过程的不可预测性和随机建模——即在不确定条件下建模。他对水特别着迷，这让他加入了伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的地下水建模研究小组，成为了一名理学硕士。在那里，他研究了美国中西部工业化农业对密西西比河水质的影响，这是造成墨西哥湾有毒藻类大量繁殖的一个谜题，墨西哥湾距离中西部的玉米和大豆农场1200多公里。由于不满足于他在攻读硕士学位时开发的模型的输入质量，他决定留在伊利诺伊大学攻读博士学位，专注于通过大量部署低成本传感器来提高自然环境中的测量密度。

在获得博士学位后，Hill被美国国家超级计算应用中心(NCSA)聘用，在那里他通过开发方法来整合来自不同种类的具有互补优势的传感器的测量来扩展他的研究。这项工作最终被用于开发城市环境中山洪暴发的实时决策管理系统。

在NCSA工作之后，希尔在罗格斯大学(Rutgers)担任教员，新泽西州立大学高度城市化的环境需要有效的风暴管理，但私人土地所有权阻碍了新的环境传感器的部署。

“iPhone上市才两年，但很明显它将成为游戏规则的改变者。在它的小盒子里，iPhone收集和处理周围世界信息的能力比第一个把人类送上月球的太空舱还要强。我们正在进入一个几乎无处不在、几乎每时每刻都有传感器的时代。”

这些想法使希尔开始思考如何从这些无处不在的设备中收集环境测量数据，并将其整合到它们所处环境的特征描述中，他将这一概念称为“无处不在的感知”。

有了轨道卫星、大量的安全摄像头录像、发布在社交媒体平台上的视频、测量环境条件的智能设备、新型汽车和卡车上的集成传感系统、基于飞机的遥感、现有的空间数据等等，有大量的信息可以用来构建我们不断变化的地球的全面图景。一旦伦理上的收集和合并，这些数据就具有支持适应性环境管理的巨大潜力。

2012年，希尔将他的研究项目带到了TRU，在自然科学和工程研究委员会发现补助金的支持下，继续推进他的无处不在的传感研究，这也符合了他的家庭目标。一旦位于不列颠哥伦比亚省内陆的牧场，而不是新泽西州的大都市中心，希尔就开始探索如何将他的无处不在的传感工作应用到牧场和林业部门。

在TRU Hill还遇到了另一种技术，它正在颠覆传统的环境传感——远程驾驶航空系统(RPAS)，通常被称为无人机。

卫星技术非常昂贵，而且有技术限制，影响了我们在精确时刻收集高分辨率图像的能力。传统的飞机载遥感已被用来获取在特定时间覆盖特定地区的更多定制数据;例如，野火后的树冠高度。但是基于飞机的遥感是昂贵的，这构成了一个重要的障碍。

希尔解释说，作为一种替代方案，“RPASs能够实现高空间分辨率的按需遥感，而且它们的运行成本更低。基于rpas的遥感技术是一种变革性的技术。这些小机器可以真正弥合地面点测量和基于卫星的遥感之间的差距。”

然而，与卫星获得的数据或科学级设备获得的点测量不同，rpas获得的测量精度往往要低得多。Hill正在探索如何将这三种类型的数据最佳地结合起来，以创建对野外条件的全方位描述，从而为范围和森林环境的适应性管理提供信息，这就是他的GeoX实验室的切入点。

“GeoX实验室是我们推进研究的地方，”希尔解释说。在联邦和省级政府、私营企业和非政府组织的财政支持下，希尔监督本科生、研究生和博士后研究助理，他们部署传感器，收集和分析数据，开发软件，并创建传感硬件，作为学生培训的一部分。

最近，GeoX实验室一直在探索通过RPAS捕获的图像如何通过识别草地和湿地中杂草的集中位置，来支持科学家清除草地和湿地中的入侵杂草。他们的团队还一直致力于通过确定杉木甲虫感染的新暴发来支持森林清查分析，并通过确定在保持森林林分和审美标准的同时实现利润最大化的砍伐策略来帮助精确林业。

“尽管RPAS的工作已成为我目前项目的主要内容，”希尔说，“但我也有其他领域的项目，如野生动物生物学和水文学。基本上，我感兴趣的任何问题，从几个不同的传感器来源的地理数据必须结合，以支持环境管理，以适应不断变化的条件。随着计算技术变得更小、更便宜，电池变得更强大、更持久，以及新的消费技术被引入市场，我们实验室的研究成果可以提供工具，利用这些设备收集的数据，生成支持在不断变化的世界中做出决策所需的信息。”

希尔高度评价他的系和TRU给予研究人员的机会，他从他既教书又学习的大学的创造力中受益。“作为研究人员，我们所做的是创造性的，”他说。“随着我在学习上的成长，我的工作发生了显著的变化;TRU适应这种变化，不扼杀独创性，并鼓励同事之间的尊重，允许通过意想不到的发展支持研究创新。”

这些创造性研究中出人意料的进展之一促成了希尔目前的一个项目:利用rpa获得的数据来确定最佳的战略牧牛区域。这项由加拿大创新基金会(CFI)和不列颠哥伦比亚省知识发展基金(BCKDF)资助的研究背后的驱动问题是:“我们能否利用这些工具来监测草原，以最大限度地利用草原，同时最大限度地减少对环境的破坏?”预计这种选择放牧地点的新方法将提高动物生产效率，同时减少对环境的危害。此外，这种轮牧制度还可以减少入侵物种，改善土壤碳固存。

希尔解释说:“牧场管理的问题往往是‘我们如何在不破坏现有资源的同时，最大限度地利用这些资源?’这项研究有助于回答这个问题。”

希尔说，如果有机会进行他理想中的项目，他希望与跨学科团队合作，从整体上探索人类影响的生态系统的综合管理。这样一个复杂的问题需要考虑经济、生态和社会因素。“例如，”希尔说，“考虑一下牧场租赁。有经济因素，如动物生产和碳市场上的交易，生态因素，如动植物的生物多样性，以及社会因素，如火灾风险和景观美学。小规模的研究已经表明，以一种整体的方式考虑这样的生态系统对综合管理的好处，但很难在大范围内实施。在我的世界里，朝着大规模实现它成为可能将是一个研究梦想。”

鉴于环境行为是不可预测的，我们面临着前所未有的地球风险，希尔希望他在研究适应性环境管理方面的工作将在气候变化面前支持人类福利和生态系统健康。

“以前，人们没有意识到我们对地球所做的事情的范围。我们做了一个基本假设，即未来将与过去相似;这是一个糟糕的假设。不同的思想群体在不同的时期解决了这个问题，但现在我们都知道这个问题，我们有机会通过知识来提高人们的意识。我们需要找到新的工具和方法。希望这项研究是我对新的解决方案的贡献，最终将为人类和与我们共享地球的物种的未来保护地球。”