Citizens and stakeholders’ engagement for monitoring and awareness of hydrological cycle

Abstract

Citizen Science is a set methodological approaches that aims to involve citizens in the development of knowledge and in raising awareness of common interest issues, often confined within groups of experts and specific academic and research entities. Multidisciplinary and transdisciplinary are two of the main characteristics that distinguish citizen science as a distinct field of inquiry. It means that application of citizen science covers various subject areas across environmental and social sciences, integrating different scientific background and research design that require recruitment and engagement of a wide range of actors (experts, stakeholders, citizens) that share common goals and interests on specific issues. Citizen science involves the use of crowdsourcing models and participative approaches for the sharing of ideas, the development of projects and the organization of volunteers in research projects. New developments in Information and Communication Technologies (ICT), remote sensing and data processing pave the way to new crowdsourcing activities for social engagement, volunteers’ recruitment and organization. In particular, social media systems allow connecting and organizing people within online communities. In this way, citizen science encourages dialogue and the exchange of information between citizens and experts, in order to increase awareness on public interest issues and in decision-making processes. The engagement of the volunteers is not limited to data collection only but extends to the definition of research problems and the production of results for understanding the phenomena. The application of Citizen Science offers to the hydrologists and water management scientists new research skills for implementing analytical models through the integration of traditional data collection methods with information provided by volunteer citizens, using their own personal mobile devices or by means of guided procedures through digital and web-based tools. The advantage offered by personal mobile devices is the ability to offer a continuous flow of data, constantly updated and with a widespread geospatial coverage, at low cost. Data methods collection and citizen engagement are often entrusted to the development of digital platforms, in which voluntary users collect and send information under the supervision of institutions and experts. Citizens’ engagement in scientific research and knowledge production activities, however, can present strong risks linked to sociocultural factors such as personal perceptions, human behavior of the volunteers, motivations and interests at the base of participation and validity of social engagement methods. Based on these assumptions, the research project aims to investigate on citizen science s innovative approach to face water challenges with support of digital technologies and predefined procedures to engage and training volunteers in data collection activities and increase public awareness in hydrological monitoring and water resource management. The research efforts cover different level of investigation: • Technological level: design and development of technologies suitable for data collection, data validation and volunteers’ engagement. • Organizational level: implementation of methods and techniques that support recruitment, participation and coordination of people within groups or communities. • Socio-cultural level: methods of access and inclusion of volunteers on the basis of variables related to the level of education and training, to the geographical and social context of origin. This PhD thesis deals with the application of citizen science principles for the organization of volunteers in early-stage projects, in order to provide findings and define procedures for citizen engagement in hydrological monitoring. To reach this goal, three main research questions are formulated: • RQ1: What essential characteristics distinguish citizen science? • RQ2: What insights can be grasped for integrating citizen science in organization and management of volunteers? • RQ3: How can citizen science (crowdsourcing and participatory approaches) support the advanced of hydrological and socio-environmental sciences? To answer the research questions, a transdisciplinary research design is structured, combining social and hydrological sciences: 1. Meta-literature review on Citizen science topic. 2. Definition of procedures to support first-hand citizen science activities. 3. Design and development of exploratory case studies to testing citizen science principles in real context. 4. Results interpretation. The meta-literature review is aimed at building the theoretical framework for applying citizen science principles in empirical case studies. In this stage, research highlights concepts, methodologies, and tools that distinguish citizen science. In the second stage, research efforts are aimed at designing methodological procedures to start citizen science initiatives through volunteers’ recruitment and training. In the third stage, two explanatory case-studies are selected to develop the empirical activity of this research. Both case-studies are aimed at monitoring different stages of water cycle (water level estimation and rainfall) through direct observation of trained volunteers, pursuing same goals: (1) test methods and procedures useful for dealing with the lack of data in the monitoring of hydrological processes and in the management of water resources; (2) test citizens' ability to provide valid data by comparing observations with official or expert data; (3) understand the limitations and issues of starting citizen science communities. In the fourth stage, comparative mixed methods are designed for evaluating volunteers’ performance and reliability of their observations. Findings from case-studies reveal promising results in volunteers’ observations to be integrated in hydrological models monitoring. Otherwise, empirical research reveals strong limitations in terms of engagement and long-term participation, due to personal motivations and interests. Engagement and long-term participation are critical points that require more investigation, not possible in early stage of citizen science projects. However, findings of this research identify in development of digital tools (smartphone apps, web-based platforms) a possible solution to reduce gap in engagement and motivation issues, supported by strategic and continuous communication campaigns. The dissertation of this thesis is structured as a collection of four papers that summarize the research outcomes. First two papers compose the theoretical framework at the base of research activities. Last two papers compose the empirical part that states the closed or ongoing citizen science projects under the coordination of researchers from University of Tuscia and Water Resources Research and Documentation Center of University for Foreigners of Perugia.

La citizen science è un insieme di approcci metodologici che mira al coinvolgimento dei cittadini nello sviluppo di conoscenza e nella sensibilizzazione su questioni di interesse comune, spesso confinate all’interno di gruppi di esperti e di specifiche istituzioni accademiche e di ricerca. La multidisciplinarietà e al transdisciplinarietà sono due delle caratteristiche principali che contraddistinguono la citizen science come campo di indagine distinto. Ciò significa che l’applicazione della citizen science copre varie aree tematiche delle scienze ambientali e sociali, integrando diversi background scientifici e progetti di ricerca che richiedono il reclutamento e il coinvolgimento di un’ampia gamma di attori (esperti, stakeholder, cittadini) che condividono obiettivi e interessi comuni su questioni di carattere ambientale, economico e sociale. La citizen science prevede l’utilizzo di tecniche di crowdsourcing e approcci partecipativi per la condivisione di idee, lo sviluppo di progetti e l’organizzazione di volontari in attività di ricerca scientifica. I nuovi sviluppi nelle tecnologie dell’informazione e della comunicazione (ICT), nel telerilevamento e nell’elaborazione dei dati offrono opportunità per il coinvolgimento e l’organizzazione dei volontari. In particolare, i sistemi di social media consentono di coordinare le persone all’interno di comunità online. In questo modo, la citizen science incoraggia il dialogo e lo scambio di informazioni tra cittadini ed esperti, al fine di aumentare la consapevolezza su questioni di interesse pubblico e nei processi decisionali. L’impegno dei volontari non si limita alla sola raccolta di dati, ma si estende alla definizione di problemi di ricerca e alla produzione di risultati per la comprensione dei fenomeni. L'applicazione della citizen science offre agli idrologi e agli scienziati che si occupano di gestione delle risorse idriche nuove capacità di ricerca per l’implementazione di modelli analitici attraverso l’integrazione dei metodi tradizionali di raccolta dei dati con le informazioni fornite dai cittadini volontari, per mezzo di dispositivi mobili personali o di procedure guidate supportate da strumenti digitali o web. Il vantaggio offerto dai dispositivi mobili personali è la capacità di offrire un flusso continuo di dati, costantemente aggiornati e con una copertura geospaziale diffusa, a basso costo. La raccolta dei dati e il coinvolgimento dei cittadini sono spesso affidati allo sviluppo di piattaforme digitali, in cui utenti volontari raccolgono e inviano informazioni sotto la supervisione di istituzioni ed esperti. Il coinvolgimento dei cittadini nelle attività di ricerca scientifica e di produzione di conoscenza, tuttavia, può presentare forti rischi legati a fattori socioculturali come le percezioni personali, il comportamento, le motivazioni e gli interessi alla base della partecipazione e la validità dei metodi di coinvolgimento sociale. Partendo da questi presupposti, il progetto di ricerca si propone di studiare l’approccio innovativo della citizen science per affrontare le sfide dell’idrologia con il supporto di tecnologie digitali e procedure predefinite per coinvolgere e formare volontari nelle attività di raccolta dati e aumentare la pubblica consapevolezza nel monitoraggio idrologico e nella gestione delle risorse idriche. Gli sforzi di ricerca coprono diversi livelli di indagine: • Tecnologico: progettazione e sviluppo di tecnologie adatte alla raccolta dei dati, alla loro validazione e al coinvolgimento dei volontari. • Organizzativo: implementazione di metodi e tecniche che supportano il reclutamento, la partecipazione e il coordinamento delle persone all’interno di gruppi e comunità. • Socioculturale: modalità di accesso e inclusione dei volontari sulla base di fattori sociali e culturali (istruzione e formazione), al contesto geografico e sociale di provenienza. Questa tesi di dottorato si occupa dell’applicazione di principi di citizen science per l’organizzazione dei volontari in progetti in fase iniziale, al fine di fornire indicazioni e definire procedure per il coinvolgimento dei cittadini nel monitoraggio idrologico. Per raggiungere questo obiettivo, sono state formulate tre domande di ricerca principali: • RQ1: Quali caratteristiche essenziali contraddistinguono la citizen science? • RQ2: Quali spunti si possono cogliere per integrare la citizen science nell’organizzazione e nella gestione dei volontari? • RQ3: Come può la citizen science supportare l’avanzamento delle scienze idrologiche e socio-ambientali? Per rispondere alle domande di ricerca, è stata impostata e seguita una procedura di ricerca transdisciplinare che combina le scienze sociali e idrologiche: 1. Revisione della letteratura sul tema della citizen science. 2. Definizione di procedure a supporto di attività allo stadio iniziale di citizen science. 3. Progettazione e sviluppo di casi di studio esplorativi per testare i principi di citizen science in un contesto reale. 4. Interpretazione dei risultati. La revisione della letteratura è finalizzata a costruire il quadro teorico per l’applicazione dei principi di citizen science nei casi di studio esplorativi. In questa fase, la ricerca evidenzia i concetti, le metodologie e gli strumenti più comuni nell’ambito della citizen science. Nella seconda fase, gli sforzi della ricerca sono finalizzati alla progettazione di procedure metodologiche per avviare iniziative di citizen science attraverso il coinvolgimento e la formazione dei volontari. Nella terza fase, sono stati selezionati due casi di studio esplorativi per sviluppare l’attività empirica della ricerca. Entrambi i casi di studio sono finalizzati al monitoraggio di diverse fasi del ciclo idrico (stima dei livelli idrici e osservazioni delle precipitazioni) attraverso l’osservazione diretta di volontari formati, perseguendo obiettivi comuni: (1) testare metodi e procedure utili per affrontare la mancanza di dati nel monitoraggio dei processi idrologici e nella gestione delle risorse idriche; (2) testare la capacità dei cittadini di fornire dati validi confrontando le osservazioni con i dati ufficiali o degli esperti; (3) comprendere i limiti e le problematiche dell’avvio di comunità di citizen science. Nella quarta fase, sono stati progettati metodi misti comparativi per valutare le prestazioni dei volontari e l’affidabilità delle loro osservazioni. Le conclusioni dei casi di studio rivelano risultati promettenti nelle osservazioni dei volontari da integrare nel monitoraggio dei modelli idrologici. Ciononostante, la ricerca empirica rivela forti limiti in termini di coinvolgimento e partecipazione a lungo termine, dovuti a motivazioni e interessi personali. Il coinvolgimento e la partecipazione a lungo termine sono punti critici che richiedono ulteriori indagini, non possibili nelle fasi iniziali dei progetti di citizen science. Tuttavia, le conclusioni di questa ricerca individuano nello sviluppo di strumenti digitali (applicazioni per smartphone, piattaforme web) possibili soluzioni per ridurre il divario in termini di coinvolgimento e motivazione, con il supporto di campagne di comunicazione strategiche e continue. La dissertazione di questa tesi è strutturata come una raccolta di quattro articoli che riassumono i risultati della ricerca. I primi due articoli compongono il quadro teorico alla base dell’attività di ricerca. Gli ultimi due articoli compongono la parte empirica dedicata a riportate i progetti di citizen science conclusi o in corso sotto il coordinamento scientifico di ricercatori dell’Università della Tuscia e del Water Resources Research and Documentation Center dell’Università per Stranieri di Perugia.