随着洪水和干旱等极端天气事件在受人类影响的气候中变得越来越普遍，了解和预测水资源和系统变得比以往任何时候都更加重要。
劳拉·康登，的亚利桑那大学的助理教授 水文与大气科学，和她的团队已收到500万$通过来自美国国家科学基金会使用机器学习了合作协议，以国家的流域系统的构建模型，可以用来预测未来状况。
该项目被称为 HydroGEN 或 Hydrologic Scenario Generation，将把最好的水文科学直接交到景观管理者、资源管理者和政策制定者的手中，以便他们做出明智的决定。
普林斯顿大学土木与环境工程教授、联合首席研究员里德·麦克斯韦 (Reed Maxwell) 表示，水资源管理政策与地下、溪流和河流中水的实际数量和位置之间的知识差距并不是遥远未来的问题。它现在正在发生。“决策者盲目飞行，因为他们没有正确的工具来做出他们需要的决定。”
根据普林斯顿高草地环境研究所综合地下水建模中心的负责人麦克斯韦的说法，HydroGEN 将通过将抽象机器学习和建模与实际问题相结合来提供新的水文数据。建模中心为 HydroGEN 和 HydroFrame 提供建模和技术支持，HydroFrame 是 Maxwell 和 Condon 合作的国家级水文建模平台，构成 HydroGEN 的基础。
Condon 是该项目的首席研究员，该项目是美国国家科学基金会 融合加速器计划的一部分，旨在支持跨学科努力以快速解决现实世界的问题。
2020 年 9 月，来自全国各地的 29 个团队获得了第一阶段资金，以开发两个领域的解决方案——人工智能驱动的数据共享和建模，以及量子技术。在过去的九个月里，团队参与了密集的创新课程，以将他们的想法发展成原型。在第一阶段结束时，团队参加了正式的第二阶段提案和推介演讲。氢和另一个亚利桑那大学的研究小组，通过领导的材料科学与工程助理教授Zheshen张被称为量子传感器的 10 个项目被选中进入第二阶段。到第二阶段结束时，团队有望开发出有影响力的可持续解决方案，以满足社会需求并继续提供超出 NSF 支持的价值。
“融合方法与以人为本的设计和以解决方案为中心的研究等创新概念相结合，对于解决大规模的国家挑战非常重要，”NSF 融合加速器项目负责人道格拉斯·莫恩说。“NSF Convergence Accelerator 是一个年轻的项目，但我们已经看到像 HydroGEN 这样的团队应用我们的项目基础来推进他们的解决方案。我们很高兴欢迎 HydroGEN 进入第二阶段并指导团队和他们的解决方案产生积极影响关于我们的环境和美国公众。”
该团队还包括普林斯顿统计和机器学习中心联合任命的天体物理学助理教授 Peter Melchior。
“在当今复杂多变的世界中，解决方案越来越需要来自学科的融合和多元化的思想家聚集在一起，”亚利桑那大学校长 罗伯特 C 罗宾斯说。“我们需要能够直接将科学与决策者联系起来并加快创新步伐的工具。HydroGEN 将成为一个平台，可以帮助水资源管理人员利用可用的最佳科学做出决策。”
能够模拟快速变化的生态系统的先进水文模型通常仅用于学术环境，因为它们构建起来既耗时又昂贵，并且需要广泛的专业知识。决策者使用的许多工具都依赖于基于过去观察到的行为的简化和假设。
HydroGEN 通过使用机器学习来弥合这一差距，允许任何用户构建快速运行但科学严谨的模型。
“我们的团队在构建真正先进的水文模型方面拥有专业知识，这些模型涵盖了全国范围内从基岩到树梢的所有内容，”康登说。“我们对正在变化和发展的水文系统进行建模，但这些系统很难构建，并且需要大量的计算资源。”
资源和景观管理者、政策制定者和公众将能够使用这些模型来预测季节性到年度时间尺度的河流流量、土壤湿度和地下水。Condon 说，这些信息对于管理野火、为农业抽水和其他重要的水资源管理决策至关重要。
构建一个可以处理该方法所需的模型和大数据传输的平台是一项重大挑战。因此，康登和她的团队与CyVerse合作，这是一个由亚利桑那州领导的 NSF 资助的组织，致力于为生命科学家提供计算基础设施来处理和分析大型数据集。
“我们的大学校长始终牢记第四次工业革命，这一切都由机器学习和人工智能推动，” CyVerse 联合首席研究员兼UArizona 数据科学研究所所长Nirav Merchant说。“通过 CyVerse 用于协作数据管理和开放科学培训机会的网络基础设施，亚利桑那大学正在成为许多这些计划的中心，包括最近资助的弹性农业人工智能研究所。如果你想加速农业或空间科学，我们的研究人员处于最前沿。”
Merchant 还是 HydroGEN 项目的联合首席研究员。
该团队还与一家位于圣巴巴拉的公司 ViQi 合作，该公司提供基于 Web 的可视化，使 3D 模型和地理空间数据具有交互性。
“他们的工作将使模型提供的信息易于查看、理解和解释，”Merchant 说。“我们不想让体验变得愚蠢，但我们确实想让它变得透明。我们的用户将做出非常重要的决定，他们希望有信心做出这些决定。”
“鉴于这种情况，我们很高兴参与如此重要的项目，并期待为系统用户提供易于使用和透明的体验，他们需要根据所提供的信息做出有影响力的决策，”说ViQi 总裁 Kris Kvilekval。
在接下来的 24 个月中，HydroGEN 团队将参加 NSF Convergence Accelerator II 期课程，重点关注创业概念，包括产品开发、知识产权、财务资源、在 NSF 资金之外创造可持续影响以及交流和外展。
