Makroskop (Wissenschaftskonzept) - Macroscope (science concept)

In der Wissenschaft ist das Konzept eines Makroskops das Gegenteil des Mikroskops , nämlich eine Methode, Technik oder ein System, mit dem ein sehr großes Objekt beobachtet werden kann, zum Beispiel die Erde und ihr Inhalt oder konzeptionell das Universum . Offensichtlich existiert derzeit kein einziges System oder Instrument, das diese Funktion erfüllen könnte, jedoch kann sein Konzept durch eine gegenwärtige oder zukünftige Kombination bestehender Beobachtungssysteme erreicht werden. Der Begriff "Makroskop" wurde auch auf eine Methode oder ein Kompendium angewendet, das einen spezifischeren Aspekt globaler wissenschaftlicher Phänomene in seiner Gesamtheit betrachten kann, wie beispielsweise das gesamte Pflanzenleben oder alles Leben auf der Erde. Auch in den Geisteswissenschaften wird der Begriff als Oberbegriff für Werkzeuge verwendet, die einen Überblick über verschiedene andere Formen von „Big Data“ ermöglichen. Wie hier besprochen, unterscheidet sich das Konzept eines "Makroskops" im Wesentlichen von dem der makroskopischen Skala , die einfach dort übernimmt, wo die mikroskopische Skala aufhört und alle Objekte abdeckt, die groß genug sind, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein, sowie von Makrofotografie , d. h. die Abbildung von Proben mit Vergrößerungen, die größer als ihre Originalgröße sind, und für die zuvor ein spezielles Mikroskop-bezogenes Instrument, das als "Makroskop" bekannt ist, auf den Markt gebracht wurde. Für einige Arbeitnehmer können bereits ein oder mehrere (planetarische) "Makroskope" erstellt werden, um auf die Summe relevanter vorhandener Beobachtungen zuzugreifen, während für andere Mängel in den aktuellen Probenahmeverfahren und/oder Datenverfügbarkeit auf zusätzlichen Probenahmeaufwand und den Einsatz von neue Methoden sind erforderlich, bevor eine echte "Makroskop"-Ansicht der Erde erhalten werden kann.

Geschichte des Konzepts

Der Begriff "Makroskop" wird allgemein als in den wissenschaftlichen Sprachgebrauch eingeführt von dem Ökologen Howard T. Odum 1971 zugeschrieben, der ihn (im Gegensatz zum Mikroskop, das kleine Objekte sehr detailliert darstellt) als eine Art "Detaileliminator" einsetzte “, was somit einen besseren Überblick über ökologische Systeme für ein verbessertes Management ermöglicht (Odum, 1971, Abbildung 10). Einige Autoren, wie Hidefumi Imura, verwenden den Begriff weiterhin mehr oder weniger als Synonym für einen Überblick oder eine groß angelegte Musteranalyse von Daten auf ihrem Gebiet. Andere prominente Autoren und Referenten, die in ihren speziellen Interessengebieten die Terminologie des „Makroskops“ für „große Bilder“ verwendet haben, sind Jesse H. Ausubel und John Thackara .

Tatsächlich ist der Begriff älter als seine Verwendung in Odums Werk, zum Beispiel in einem Buch von Philip Bagby mit dem Titel "Culture and History: Prolegomena to the Comparative Study of Civilizations", das 1959 veröffentlicht wurde und schrieb: "[Someone should] ein 'Makroskop' erfinden, ein Instrument, das sicherstellen würde, dass der Historiker nur die größeren Aspekte der Geschichte sieht und ihn für die einzelnen Details blind macht", und auch von WH Hargreaves und KH Blacker, die 1966 in der Zeitschrift Psychiatric Services schrieben : " Das Aufkommen des elektronischen Digitalcomputers führt zu einer Revolution in den Verhaltenswissenschaften, vergleichbar mit dem Einfluss des Mikroskops auf die Biologie. Wie das Mikroskop bietet der Computer eine Sicht, die das bloße Auge übertrifft. Der Computer wird als ein "Makroskop", das es uns ermöglicht, Beziehungen auf der Grundlage größerer Informationsmuster wahrzunehmen, als wir sonst integrieren können." Noch etwas früher schrieben Lawrence M. Sommers und Clarence L. Vinge im Bereich der Geographie in einem Artikel mit dem Titel "Geographer's Quest" für die Centennial Review of Arts & Science : "Was sehen wir? Beziehungen, die zwischen den beobachteten Merkmalen bestehen? Die Nahansichten können mittels Kartierung mit Ansichten über den Horizont aufgelöst werden, und die Karte wird zu einem "Makroskop", das uns hilft, die räumliche Organisation der Erdphänomene zu verstehen."

Der Begriff wurde (wieder) als neu (Odums frühere Verwendung wurde in einer Fußnote erwähnt) von dem französischen Wissenschaftsdenker Joël de Rosnay (neu) präsentiert , der 1975 ein ausführliches Buch schrieb, in dem er sein Konzept erläuterte: „Wir brauchen also ein neues Instrument. Das Mikroskop und das Teleskop waren wertvoll für die Sammlung der wissenschaftlichen Erkenntnisse des Universums.Jetzt brauchen all diejenigen ein neues Werkzeug, die versuchen möchten, ihr Handeln in dieser Welt zu verstehen und effektiv zu lenken, egal ob sie für wichtige Entscheidungen in der Politik verantwortlich sind, in der Wissenschaft und in der Industrie oder sind normale Leute wie wir. Ich werde dieses Instrument das Makroskop nennen (von Makro, Groß und Skopein, zu beobachten)." Nach de Rosnays Ansicht könnte das Makroskop nicht nur auf die natürliche und physische Welt gerichtet werden, sondern auch auf menschenbezogene Systeme wie das Wachstum von Städten, die Wirtschaft und das Verhalten des Menschen in der Gesellschaft.

Neuere Forscher neigen dazu, den Begriff synonym mit einem die Erde umfassenden Beobachtungssystem oder einem Teil davon zu verwenden, das insbesondere durch Satellitenbilder aus der Fernerkundung und/oder durch in-situ- Beobachtungen über Sensornetzwerke (siehe unten) untermauert wird .

Als Erweiterung des wissenschaftlichen Kontextes wurde der Begriff "Makroskop" auch in den Geisteswissenschaften als Oberbegriff für jedes Werkzeug verwendet, das einen Überblick und Einblick in "Big Data"-Sammlungen in diesem oder verwandten Bereichen ermöglicht. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das Konzept eines "Umkehrmikroskops" nicht ganz neu ist: Rund 80 Jahre zuvor beschrieb der Autor Lewis Carroll im zweiten Band seines 1893 erschienenen Romans Sylvie und Bruno einen fiktiven Professor, der enthält in seinem Vortrag ein Instrument, das einen Elefanten auf die Größe einer Maus schrumpfen lässt, das er "Megaloskop" nannte. Der niederländische Autor Kees Boeke schrieb auch ein 1957 erschienenes Buch, Cosmic View: The Universe in 40 Jumps , dessen erster Teil Bilder von Aspekten der Erde in immer kleiner werdenden Maßstäben präsentiert und parallel zum späteren Prinzip des hypothetischen "Makroskops" in einer Reihe von Zoomstufen.

Interpretation und praktische Umsetzungen

Bild aus einem "Makroskop"-Demonstrationskonzept aus dem Jahr 2007 der ICT-Abteilung von CSIRO , das physische Daten eines drahtlosen Fleck-Sensornetzwerks zeigt, die mit topografischen Bildern von Google überlagert sind

Der praktischere Aspekt dessen, was genau ein Makroskop ausmacht, hat sich im Laufe der Zeit und je nach Interessen, Anforderungen und Tätigkeitsfeld der betroffenen Arbeitnehmer verändert. Sommers und Vinge betrachteten das "Makroskop" als erweitertes Kartierungssystem zur Visualisierung der räumlichen Beziehungen zwischen Gegenständen auf der Erdoberfläche und gaben damit dem Konzept der später entwickelten "nahtlosen" geografischen Anzeigesysteme über CD-ROMs und die Welt begrifflich vor Web nach dem Vorbild der "Atlas"-Einrichtung von Microsoft Encarta und Google Maps / Google Earth . Das Konzept von Odum bestand darin, Ökosysteme zu untersuchen, indem die Ergebnisse bestehender Methoden zur Vermessung, Identifizierung und Klassifizierung ihres Inhalts integriert und dann feine Details eliminiert wurden, um ein "großes Bild" zu erhalten, das für die Analyse und ggf. Simulation geeignet ist. De Rosnay betrachtete sein "Makroskop" als einen systembasierten Standpunkt zum Studium (unter anderem) der Natur der menschlichen Gesellschaft und zum Verständnis der Gründe für menschliches Handeln. Er schrieb:

Nutzen wir das Makroskop, um einen neuen Blick auf Natur, Gesellschaft und Mensch zu lenken und zu versuchen, neue Bildungs- und Handlungsregeln zu identifizieren. In seinem Blickfeld erscheinen Organisationen, Ereignisse und Entwicklungen in einem ganz anderen Licht. Das Makroskop filtert Details und verstärkt das, was die Dinge miteinander verbindet. Es wird nicht verwendet, um Dinge zu vergrößern oder zu verkleinern, sondern um zu beobachten, was für unsere Augen zu groß, zu langsam und zu komplex ist (die menschliche Gesellschaft beispielsweise ist ein gigantischer Organismus, der für uns völlig unsichtbar ist).

Seit etwa den frühen 2000er Jahren hat das Interesse am Konzept des "Makroskops" stetig zugenommen, sowohl mit der stark verbesserten Rechenleistung in Organisationen und auf den Desktops von Wissenschaftlern als auch mit dem Zugriff auf umfangreichere Datensätze sowohl lokal erfasster als auch öffentlich verfügbarer Daten wie z Erdbeobachtungen . Für einige neuere Arbeiter wie Dornelas et al. Wie unten erwähnt, ist das Makroskop der vorgesehene Satz von Beobachtungswerkzeugen, die zusammen die gewünschte synoptische Reihe von Beobachtungen über das relevante Studiengebiet liefern (in ihrem Fall für den Meeresbereich, aufgeschlüsselt als Satelliten, Drohnen, Kamerafallen, passive Akustik). Sampler, Biologger, Umwelt-DNA und menschliche Beobachtungen), In einem Schreiben im Jahr 2019 erklärten diese Autoren:

Erdbasierte Beobachtungen der Biosphäre sind in einer Weise räumlich verzerrt, die unsere Fähigkeit einschränken kann, makroökologische Muster und Veränderungen der Biodiversität zu erkennen. Um dieses Problem zu lösen, müssen wir die derzeit gesammelten Ad-hoc-Daten durch ein geplantes Biodiversitätsmonitoring ergänzen, um eine globale geschichtete Zufallsstichprobe des Planeten anzunähern. Wir nennen dieses allumfassende Beobachtungssystem „das Makroskop“. ... Durch den Einsatz eines verschachtelten Arrays dieser Tools [Satelliten, Drohnen, Kamerafallen usw.], das aktuelle Überwachungslücken schließt, können wir ein zweckdienliches Makroskop erreichen und diese vorhandenen leistungsstarken Tools in mehr als die Summe ihrer Teile.

Für andere ist das Makroskop bereits da, als eine Art "virtuelles Instrument", mit Datenquellen wie Landsat- Satellitenbildern, die die erforderliche hochauflösende Erdansicht liefern, und/oder drahtlosen Sensornetzwerken, die eine Reihe lokaler In-situ- Beobachtungen ermöglichen. Aus Sicht der IBM- Forscher ist das Makroskop die technische Lösung – im Wesentlichen in den Bereichen Datenmanagement , Datenanalyse und Data Mining –, die es ermöglicht, alle vorhandenen Erd- und zugehörigen Beobachtungen zu integrieren und nach aussagekräftigen Ergebnissen abzufragen. 2017 schrieben sie:

Bis 2022 werden wir Algorithmen und Software für maschinelles Lernen einsetzen, um Informationen über die physische Welt zu organisieren und die riesigen und komplexen Daten, die von Milliarden von Geräten gesammelt werden, in den Bereich unserer Vision und unseres Verständnisses zu bringen. Wir nennen dies ein „Makroskop“ – aber im Gegensatz zum Mikroskop, um das ganz Kleine zu sehen, oder dem Teleskop, das in die Ferne sehen kann, ist es ein System aus Software und Algorithmen, das alle komplexen Daten der Erde zusammenführt, um sie nach Raum und Zeit zu analysieren für Bedeutung.

Laut IBM im Jahr 2020 wurden diese „Makroskop“-Prinzipien anschließend als experimentelles System namens „IBM PAIRS Geoscope“ implementiert, später als Geospatial Analytics-Komponente innerhalb der IBM Environmental Intelligence Suite umbenannt und darin als „eine Plattform speziell“ beschrieben entwickelt für massive geospatial-temporal (Karten, Satellit, Wetter, Drohnen, IoT [=" Internet of Things "]) Abfrage- und Analysedienste".

Für Craig Mundey von Microsoft liegen die Vorteile des Makroskops nicht nur bei der Beobachtung der Erde, sondern auch bei Aspekten der Menschen darauf:

Da die Erde zunehmend mit kostengünstigen Sensoren mit hoher Bandbreite instrumentiert wird, werden wir über ein virtuelles, verteiltes „Makroskop“ über die gesamte Erde ein besseres Verständnis unserer Umwelt erlangen ... von Krankheiten und gezielte Reaktionen auf potenzielle Pandemien. Unser virtuelles "Makroskop" kann nun sowohl auf uns selbst als auch auf unserem Planeten verwendet werden (Microsoft Research, 2009).

Etwa 10 Jahre später, in der die Rechenleistung und die leicht zugängliche Datenspeicherung immer weiter vorangetrieben wurden, kündigte Microsoft die geplante Entwicklung seines "Planetary Computer" an, ein "Ansatz für die Computerwelt, der planetarischen Maßstab hat und es uns ermöglicht, jeden Aspekt von umwelt- und naturbasierte Lösungen in Echtzeit verfügbar." Inzwischen hatte Google ab etwa 2010 bereits eine etwas ähnliche Einrichtung namens "Google Earth Engine" entwickelt, die Cloud-Computing zur numerischen Analyse großer Mengen von Satellitenbildern nutzt ; Stand 2021 heißt es auf der Projekt-Website: „Google Earth Engine kombiniert einen Multi-Petabyte-Katalog von Satellitenbildern und Geodatensätzen mit Analysefunktionen im planetaren Maßstab. Wissenschaftler, Forscher und Entwickler verwenden Earth Engine, um Veränderungen zu erkennen, Trends zu kartieren und zu quantifizieren Unterschiede auf der Erdoberfläche." Solche Initiativen können vielleicht als das "High-End" für die Aufnahme massiver, globaler Eingabedatensätze und die damit verbundene Berechnung angesehen werden; am anderen Ende der Skala hat die Entwicklung plattformübergreifender (offener) Standards für den Austausch digitalisierter geografischer Informationen durch das Open Geospatial Consortium seit den frühen 2000er Jahren Forschern, die mit minimaler Software ausgestattet sind, ermöglicht, Anfragen, Anzeigen, Überlagerungen und andere Interaktionen abzufragen mit Teilmengen von entfernten globalen Datenströmen über (zum Beispiel) Web Map Service (WMS), Web Feature Service (WFS) und Web Coverage Service (WCS), ohne dass die Daten lokal gespeichert werden müssen, die in der Lage sind, eine Art von " Macroscope"-Funktionalität zu geringen Kosten (kostenlos bei Open-Source-Lösungen wie GeoServer , MapServer und mehr) zur Anzeige von Informationen nach Wahl des Benutzers gegen eine Reihe möglicher Basiskarten.

In den Jahren 2013-2014 entwarf das New York City Department of Health and Mental Hygiene (DOHMH) sein eigenes "NYC Macroscope", ein Überwachungssystem für elektronische Gesundheitsakten von Einwohnern von New York City, das "Gesundheitsergebnisse unter der erwachsenen Bevölkerung von NYC messen" soll aktiv ärztliche Hilfe suchen". Die Indiana University School of Informatics and Computing führt über ihr Cyberinfrastructure for Network Science Center auch ein Mapping-Outreach-Programm mit dem Titel "Places and Spaces: Mapping Sciences" durch, das in ihrem Programm 2016 "acht interaktive Makroskope" umfasste, begleitet von der folgenden Definition: "Macroscopes sind Softwaretools, mit denen sich Menschen auf Muster in Daten konzentrieren können, die zu groß oder komplex sind, um sie ohne Hilfe zu sehen. Die Welt ist ein komplexer Ort, und Makroskope helfen uns, diese Komplexität zu verstehen und zu bewältigen. Sie sind visuelle Linsen, mit denen wir Muster und Trends erkennen können in großen Datenmengen." Eine andere Initiative, die als "Makroskop" bezeichnet wurde, ist das Ocean Biogeographic Information System (OBIS), wie es von Vanden Berghe et al . im Jahr 2012, der schrieb: „Sein Ehrgeiz, ein ‚Makroskop‘ (DE ROSNAY, 1979) für die marine Biodiversität zu werden, wird es uns ermöglichen, die Komplexität der Vergangenheit und die Eigenheiten einzelner Datensätze zu sehen, um das ‚große Bild‘ des Meereslebens klarer zu sehen.“ , eine Schlüsselaktivität für dieses Projekt ist die Umwandlung von Daten, die zuvor in unterschiedlichen und manchmal unzugänglichen Formen vorhanden waren, in ein einziges, standardisiertes Format, um den Zugriff zu erleichtern und nach Wunsch zusammenfassende Informationen zu erstellen.

Ein vermeintliches "Makroskop" einer anderen Art ist die Global Database of Events, Language, and Tone (GDELT-Projekt), die (die meisten) der Nachrichtenmedien der Welt überwacht und "Billionen von Datenpunkten" erstellt und dann eine "Echtzeit-Synthese globaler gesellschaftlicher das Verhalten in eine umfangreiche quantitative Datenbank zu skalieren, die eine Echtzeitüberwachung und analytische Untersuchung dieser Trends ermöglicht." Laut der Website des Projekts erstellt eines seiner Ergebnisse, der GDELT Global Knowledge Graph (GKG), "eine Liste aller Personen, Organisationen, Unternehmen, Standorte und mehrere Millionen Themen und Tausende von Emotionen aus jedem Nachrichtenbericht, wobei einige der die ausgefeiltesten Algorithmen für benannte Entitäten und Geokodierungen, die es gibt, die speziell für die laute und ungrammatikalische Welt entwickelt wurden, die die Nachrichtenmedien der Welt sind."

2018 haben 3 Partnerorganisationen – das Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen (UNDP), die Umwelt der Vereinten Nationen (UN Environment) und das Sekretariat der Konvention über die biologische Vielfalt – das „UN Biodiversity Lab“ (UNBL) ins Leben gerufen ( https:// unbiodiversitylab.org/ ), beschrieben als „ erhöhter Zugang zu Big Data für nachhaltige Entwicklung“ in Form von globalen Geodaten zu Schutzgebieten, gefährdeten Arten, menschlichen Auswirkungen auf natürliche Systeme, Wassereinzugsgebieten für wichtige Städte und mehr. Die im Oktober 2021 veröffentlichte Version 2.0 der UNBL enthält Berichten zufolge „über 400 Geodatenebenen zu Biodiversität, Klimawandel und Entwicklung“ und bietet auch Arbeitsbereiche, in denen Benutzer auf nationaler Ebene ihre eigenen Daten hochladen können, um Karten für Berichtszwecke zu erstellen und landesweite Biodiversitätsplanung und -überwachung.

Einige der oben beschriebenen Ansatzunterschiede sind leichter zu verstehen, wenn das Makroskop als besonderes Beispiel der "Wertschöpfungskette von Big Data" (mit besonderem Fokus auf Erd- und/oder Biosphärenbeobachtungen) interpretiert wird, die, wie in Chen et al. (2014) lassen sich in vier Phasen unterteilen, nämlich Datengenerierung, Datenerfassung (auch bekannt als Datenmontage), Datenspeicherung und Datenanalyse. Für einige Arbeiter wie M. Dornelas et al. , ist das Makroskop die Summe der Datenerfassungssysteme (das Generierungselement), die den Inhalt liefern, der für die spätere Analyse benötigt wird, obwohl auch "eine Reihe von domänenspezifischen Datenregistern" erwähnt werden, die dann die Inhalte zu entdecken. Für andere wie OBIS ist der Hauptaufwand für die Konstruktion des Makroskops die Datenassemblierungskomponente, die dann die integrierte Analyse zuvor unterschiedlicher Datensätze ermöglicht (OBIS-Daten können dann entweder mit den mitgelieferten Tools angezeigt oder auf das eigene System des Benutzers heruntergeladen werden für zusätzliche Visualisierung und Analyse); Für Einrichtungen, die daran interessiert sind, Muster in den Daten zu entdecken (und mit ausreichender Rechenleistung), ist das Makroskop die Suite von zeitlichen und räumlichen Analyse- und Filterwerkzeugen ("Linsen" in der Terminologie des Indiana University Cyberinfrastructure for Network Science Center). die angewendet werden können, sobald die Daten zusammengestellt sind. Da das Makroskop in Analogie zum Mikroskop im Wesentlichen eine Methode zur Visualisierung von Objekten ist, die zu groß sind, um in einem herkömmlichen Sichtfeld vollständig gesehen zu werden, ist wahrscheinlich keiner dieser Ansätze falsch, da die Unterschiede in der Betonung insofern komplementär sind, als jeder in der Lage ist, Beitrag zu dem resultierenden "virtuellen Instrument", das dieses Konzept vorsieht. Ein zu beobachtender Trend ist jedoch die Erhöhung der Basisdatensatzgröße und der gewünschten Abtastdichte, wobei die heutigen "Makroskope" auf Arrays von feinskaligen/hochaufgelösten Daten aufgebaut sind, die als unerwünschte Details verworfen worden wären (und das "große Bild" verschleiern). ) in den ursprünglichen Konzepten von Odum und de Rosnay.

Gegensätzliche Terminologie

Der Begriff makroskopische Skala unterscheidet sich in seiner Verwendung vom oben diskutierten wissenschaftlichen Konzept; im Wesentlichen deckt es jeden Gegenstand ab, der groß genug ist, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, mit anderen Worten, ohne dass ein Mikroskop sichtbar gemacht werden muss. Einige Autoren verwenden "makroskopische" auch als Teil eines Kontinuums von sukzessiv größeren Skalentypen, beginnend mit mikroskopischen, dann makroskopischen, dann mesoskopischen und schließlich megaskopischen Skalen. Im Gegensatz dazu ist Makrofotografie (kurz für makroskopische Fotografie) ein Begriff, der verwendet wird, um Fotografien zu umfassen, bei denen das Motiv vergrößert (überlebensgroß) erscheint, genau genommen auf der Filmebene, aber in der Praxis im Allgemeinen, wenn sie als Abzug oder auf einem Bildschirm reproduziert werden im Bereich von x1 bis x10 Vergrößerung; während ein Makroskop auch eine Bezeichnung für eine Art von Lichtmikroskopen ist, die früher von den europäischen Herstellern Wild Heerbrugg und Leica Microsystems vertrieben wurden , optimiert für Makro- und Mikrofotografie im 8- bis 40-fachen Vergrößerungsbereich. Eine andere Verwendung des Begriffs "Makroskop", der Odums Popularisierung des Wissenschaftskonzepts vorausgeht, findet sich in dem gleichnamigen Science-Fiction- Buch des Romanciers Piers Anthony von 1969 , in dem sein imaginäres Instrument eine Art Superteleskop ist, fähig auf die Richtung des Benutzers überall in Raum und Zeit zu fokussieren.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links

"Reflexionen zu "The Macroscope" - ein Werkzeug für das 21. Jahrhundert?" - Gastbeitrag von Tony Rees auf der "iPhylo"-Blog-Site von R. Page, 7. Oktober 2021, plus zugehörige Diskussion
Google Earth-Engine
Microsoft Planetencomputer
UN Biodiversitätslabor (UNBL)

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