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遙瞰洪濤 AI讓我們在太空監測洪水

儀表下游 2021年07月22日 16:40:27來源:儀表網 32283
摘要西班牙巴倫西亞大學圖像處理實驗室的研究人員與英國牛津大學、歐洲航天局合作,開發了一個基于神經網絡的洪水監測模型,可以在太空監測洪水。

  【儀表網 儀表下游】導讀:洪澇災害依然是人類面臨的主要自然災害。據聯合國統計,洪水災害發生次數約占全部自然災害發生次數的三分之一。近日,千年一遇的洪水橫掃西歐,暴雨已導致200多人死亡,超千人失蹤。在我國,多地受到洪水威脅,河北易水河流域遭遇1963年以來最大洪水,河南鄭州多條城市道路成河……
 
  西班牙巴倫西亞大學圖像處理實驗室的研究人員與英國牛津大學、歐洲航天局合作,開發了一個基于神經網絡的洪水監測模型,可以在太空監測洪水。這將有助于應急防洪抗災。日前,相關研究在《科學報告》上發表。隨著技術進步,人類認識和應對自然災害的能力越來越強。防災減災是人與自然災害的抗爭,也是人與自然和諧共處的主動探索。
 
  “星載”處理新方案
 
  6月30日,一套被稱為“世界洪水(World Floods)”的人工智能(AI)洪水監測系統,由意大利航空航天企業D-Orbit公司搭載“獵鷹9號”從卡納維拉爾角發射升空。世界洪水系統旨在通過衛星遙感和人工智能技術,提供近實時的地形圖并突破技術障礙,加速人類對洪澇災害事件的反應速度。該系統采用先進的人工智能算法,使數據能夠在衛星上進行處理。這種星載處理解決方案通過深度神經網絡技術,對大圖像進行分析處理,轉換成數據量較小的最終產品來減少傳輸量。
 
  目前,D-Orbit公司已發射了6顆衛星。這些小型的納米衛星重約1公斤,可以組成一個較大的立方體衛星。其中承載“世界洪水”系統的衛星,軌道處理服務采用耐輻射芯片進行迭代升級,從而可以實現人工智能的高級算法。
 
  研究者認為,在洪水監測方面,從太空觀察地球可以為地面決策提供寶貴的信息。這種立方體衛星可以將衛星重返周期從幾天減少到幾個小時。同時,星載處理方式可突破衛星功率和帶寬的限制,從而縮短人們獲得洪水數據的時間。
 
  “軟硬結合”是亮點
 
  將遙感技術和人工智能技術結合,用于監測洪澇災害是可行的。將遙感和人工智能技術結合起來監測洪水,包括應用于洪水災害應急方面,技術上并不復雜,我國也有很多類似的實踐。
 
  通常衛星遙感監測洪水需要一個較長的過程。首先要通過衛星采集數據,然后把數據傳回地面,由技術人員或人工智能系統進行數據分發,用戶從網上下載相關數據后,再由洪水監測人員做淹沒范圍等方面的分析,然后形成“最終產品”,提供給決策者參考。
 
  由于數據量通常較大,衛星下行傳輸和預處理分發的時間會比較長。如果傳輸很暢通,可能半天時間就能拿到數據,但有時候數據量特別大,而且數據下載和預處理流程復雜,也會出現延時一兩天才能提取到洪水淹沒信息的情況,這取決于當時的具體情況。
 
  不管國內還是國外,不同機構、不同人所使用的人工智能算法存在一定差異,但基本上的思路都是一樣的。不論遙感技術還是人工智能技術,在災害監測方面的應用已經比較多了,而且技術都比較成熟。
 
  借助衛星遙感技術,人們通過對比正常情況和洪水爆發時的圖像,采用人工智能技術解析出洪水范圍,這種方式較好兼顧了監測精度和效率。
 
  洪水監測“唯快不破”
 
  應急監測的關鍵不是看精度有多高,而是看反應有多快,這也是衛星遙感和AI結合的優勢。洪水,特別是山洪應急處理一定要快,這也要求地面相應的配套工作能跟上,監測到洪水后,相應的決策、救災方面的工作也要跟上。
 
  衛星遙感監測地面有個重返周期的問題,這和衛星軌道有關。目前,衛星差不多10來天繞地球一圈,有時候某地突發洪水,恰好有衛星經過,就能較快獲得數據。
 
  如果多顆衛星組網,形成衛星群,數據獲取頻次會大大提高。隨著我國發射的衛星越來越多,衛星網絡逐步完善,監測效率也會迅速提高。世界洪水系統目前還面臨一定的挑戰。因為衛星比較小,它還要完成其他任務,所以做模型的時候,如果處理的數據量過大,就會帶來芯片的高能耗問題,有可能會影響衛星的運行壽命。
 
  多手段結合顯優勢
 
  將人工智能技術應用于防洪抗災,世界各國都有過成功的嘗試。谷歌曾利用降雨、河流水位、洪水模擬等數據,利用機器學習創建過預測模型,可以使系統“提前一倍的時間”,同時還能向人們提供有關洪水深度等信息。美國Chesapeake保護協會也曾在微軟和佛蒙特大學的幫助下,開發出一種AI地圖,并用來預測、計劃和應對洪水。
 
  去年8月,阿里巴巴達摩院曾升級遙感AI技術,開發出應用于防汛的水體識別算法,支持水利部相關監測與分析工作。在重點超警戒水位區,處理影像數量比平時提升5倍,影像分析速度提升百倍。
 
  遙感和人工智能技術已經在防洪抗災中發揮了重要作用,尤其在大范圍水情監測上更顯優勢。但在小區域、快速反應方面,遙感技術還有待提高。在洪水應急監測中,目前已經實現衛星遙感、無人機、導航定位和地面水文監測站等多種監測手段的綜合使用。
 
  對小范圍來說,無人機非常便捷,能夠快速獲取堤防損毀情況,而且我國在水利部門也配備了無人機系統,防汛隊伍也具備操作無人機或無人機組網的能力。但無人機觀測范圍、觀測時間有限,而且遇到較大風雨等惡劣天氣,無人機也無法執行任務,所以通常是多種手段結合來應對洪水。
 
  資料來源:中國科學報

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