Information Technology and Computational Intelligence Methods for Participatory Environmental Sensing Applications
Creators: name: Ρήγα, Μαρίνα Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: atmospheric environment
computational intelligence
semantic representation
decision support system
ατμοσφαιρικό περιβάλλον
υπολογιστική νοημοσύνη
σημασιολογική αναπαράσταση
σύστημα λήψης αποφάσεων

description: The aim of the present thesis was the assessment and the employment of heterogeneous sources of data related to the atmospheric environment (AE), as well as the investigation of processes relevant to the representation and the transformation of data into useful and targeted knowledge, having as end-users of the content both the practitioners (in air quality and public health) and the citizens. In a nutshell, we undertake the design and implementation of a uniform, modular and user-profile centric framework that: (a) efficiently handles the diverse nature of data and interprets the dynamics/relation that exist between the examined parameters (“turns data into information”) in different research scenarios, and (b) adequately integrates the extracted content together with the provided experts’ knowledge (“turns information into knowledge”) for targeted, user-profile driven recommendation provision (“turns knowledge into wisdom”) that can help citizens and the health sensitive groups in decision making, so as to eliminate the effects of air pollution and increase their quality of life. To achieve this, we examine the use of data in all its expressions, involving processes for their primary production, collection, modelling, and transformation, up to the semantical representation and enrichment of the derived content. Aiming to strengthen the involvement of citizens in the sensing loop (Participatory Sensing), we brought into consideration alternative channels of data reporting, such as social media, as direct, novel, and timely source of AQ-related information. We presented how Computational Intelligence methods can be applied to analyse and model unstructured/diverse content and to forecast future trends and behaviours in the domain of the AE, involving chemical, biological and physical weather data. Also, we investigated the alignment between citizens’ observations (personal feeling, topics of discussion) and the actual environmental conditions recorded from official monitoring stations. We demonstrate the extensive use of Semantic Web technologies, and more specifically of Ontologies and Semantic reasoning tools, for formalising the insights delivered by the implemented computational models together with the AE/health-related guidelines given by relevant domain experts and for inferring targeted recommendations to the citizens, i.e. the non-expert of the domain. The proposed implementation is modular and domain-agnostic, i.e., it can be easily expanded and exploited in different application contexts, like for example in pollen-related symptoms and immunotherapy, following a relevant configuration mechanism of the targeted user profiles and recommendations per use case.
description: Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση και αξιοποίηση ετερογενών πηγών περιβαλλοντικών δεδομένων, καθώς και η διερεύνηση των διαδικασιών αναπαράστασης και μετατροπής των δεδομένων σε χρήσιμη και στοχευμένη γνώση, έχοντας ως τελικούς αποδέκτες τόσο τους ειδικούς στη ποιότητα αέρα και τη δημόσια υγεία όσο και τους απλούς πολίτες. Στο πλαίσιο της εργασίας, σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε μια ενοποιημένη και επεκτάσιμη δομή η οποία: (α) χειρίζεται αποτελεσματικά την ετερογενή φύση των δεδομένων και «μεταφράζει» τις σχέσεις/συσχετίσεις που ενυπάρχουν μεταξύ των εξεταζόμενων παραμέτρων σε διαφορετικά ερευνητικά σενάρια (μετατροπή δεδομένων σε πληροφορία), και (β) ενσωματώνει επαρκώς το εξαχθέν περιεχόμενο μαζί με τη γνώση που εκφράζεται/παρέχεται με τη μορφή κανόνων (στη βάση επίσημων οδηγιών) από τους ειδικούς στον τομέα της ποιότητας αέρα και της δημόσιας υγείας (μετατροπή πληροφορίας σε γνώση), για την παροχή στοχευμένων, προσωποποιημένων συστάσεων που θα μπορούν να βοηθήσουν τους πολίτες και τις ευπαθείς ομάδες να λάβουν σωστές αποφάσεις (μετατροπή γνώσης σε σοφία), με σκοπό την αποτροπή των πιθανών επιπτώσεων της επιβαρυμένης ατμόσφαιρας στην υγεία τους και κατ’ επέκταση στην ποιότητα ζωής τους. Για να επιτύχουμε αυτό το στόχο, εξετάζουμε τη χρήση των δεδομένων σε κάθε έκφανσή τους, συμπεριλαμβανομένων των διαδικασιών πρωτογενούς παραγωγής τους, συλλογής, μοντελοποίησης και μετατροπής τους, έως την σημασιολογική τους αναπαράσταση και τον εμπλουτισμό του πραγματικού περιεχομένου τους. Στοχεύοντας στην ενίσχυση της συμμετοχής των πολιτών σε διαδικασίες παρακολούθησης και καταγραφής της ποιότητας αέρα (Συμμετοχική Περιβαλλοντική Παρακολούθηση), εξετάζουμε ως εναλλακτικό κανάλι αναφοράς δεδομένων περιβαλλοντικού χαρακτήρα τα κοινωνικά δίκτυα, και τα αξιοποιούμε ως μια άμεση, καινοτόμος και έγκαιρη πηγή πληροφοριών σχετικών τόσο με την ποιότητα αέρα όσο και με την επιρροή των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην υγεία των πολιτών. Παρουσιάζουμε τη χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης για την ανάλυση και τη μοντελοποίηση μη-δομημένου, ετερογενούς περιεχομένου, με σκοπό την πρόγνωση μελλοντικών καταστάσεων, τάσεων και συμπεριφορών στον τομέα του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος. Στη συνέχεια, εξετάζουμε το βαθμό συσχέτισης μεταξύ των αναφορών των πολιτών και των πραγματικών περιβαλλοντικών συνθηκών που καταγράφονται στο ίδιο χωροχρονικό επίπεδο από επίσημους σταθμούς αναφοράς. Επιπρόσθετα, παρουσιάζουμε την εκτενή χρήση τεχνολογιών Σημασιολογικού Ιστού (Οντολογίες, εργαλεία Σημασιολογικής Συλλογιστικής), για την αναπαράσταση της γνώσης με ενοποιημένο τρόπο. Η γνώση αυτή συμπεριλαμβάνει τόσο τις σχέσεις μεταξύ παραμέτρων και τα συμπεράσματα που παράγονται αυτοματοποιημένα από τα υπολογιστικά μοντέλα, όσο και τις επίσημες οδηγίες που παρέχονται από τους ειδικούς στην ποιότητα αέρα και τη δημόσια υγεία, στοχεύοντας έτσι σε μια αυτοματοποιημένη και προσωποποιημένη διαδικασία παραγωγής συμπερασμάτων που θα μπορεί να βοηθήσει τους μη-ειδικούς στην ποιότητα αέρα. Η προτεινόμενη υλοποίηση είναι εύκολα επεκτάσιμη και ανεξάρτητη του τομέα εφαρμογής, καθώς μπορεί να ακολουθηθεί αντίστοιχος μηχανισμός καθορισμού των εννοιών και των κανόνων συμπερασμού για προσωποποιημένη λήψη αποφάσεων σε διαφορετικό πλαίσιο, όπως για παράδειγμα την κατάλληλη ενημέρωση ατόμων αλλεργικών στη γύρη, με σκοπό την αποτροπή της έκθεσης τους σε περιοχές με αυξημένες συγκεντρώσεις γυρεόκοκκων στην ατμόσφαιρα καθώς την έγκαιρη έναρξη της ανοσοθεραπείας τους.