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遥瞰洪涛 AI让我们在太空监测洪水

仪表下游 2021年07月22日 16:40:27 来源:仪表网人气:13343
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  【仪表网 仪表下游】导读:洪涝灾害依然是人类面临的主要自然灾害。据联合国统计,洪水灾害发生次数约占全部自然灾害发生次数的三分之一。近日,千年一遇的洪水横扫西欧,暴雨已导致200多人死亡,超千人失踪。在我国,多地受到洪水威胁,河北易水河流域遭遇1963年以来最大洪水,河南郑州多条城市道路成河……
 
  西班牙巴伦西亚大学图像处理实验室的研究人员与英国牛津大学、欧洲航天局合作,开发了一个基于神经网络的洪水监测模型,可以在太空监测洪水。这将有助于应急防洪抗灾。日前,相关研究在《科学报告》上发表。随着技术进步,人类认识和应对自然灾害的能力越来越强。防灾减灾是人与自然灾害的抗争,也是人与自然和谐共处的主动探索。
 
  “星载”处理新方案
 
  6月30日,一套被称为“世界洪水(World Floods)”的人工智能(AI)洪水监测系统,由意大利航空航天企业D-Orbit公司搭载“猎鹰9号”从卡纳维拉尔角发射升空。世界洪水系统旨在通过卫星遥感和人工智能技术,提供近实时的地形图并突破技术障碍,加速人类对洪涝灾害事件的反应速度。该系统采用先进的人工智能算法,使数据能够在卫星上进行处理。这种星载处理解决方案通过深度神经网络技术,对大图像进行分析处理,转换成数据量较小的最终产品来减少传输量。
 
  目前,D-Orbit公司已发射了6颗卫星。这些小型的纳米卫星重约1公斤,可以组成一个较大的立方体卫星。其中承载“世界洪水”系统的卫星,轨道处理服务采用耐辐射芯片进行迭代升级,从而可以实现人工智能的高级算法。
 
  研究者认为,在洪水监测方面,从太空观察地球可以为地面决策提供宝贵的信息。这种立方体卫星可以将卫星重返周期从几天减少到几个小时。同时,星载处理方式可突破卫星功率和带宽的限制,从而缩短人们获得洪水数据的时间。
 
  “软硬结合”是亮点
 
  将遥感技术和人工智能技术结合,用于监测洪涝灾害是可行的。将遥感和人工智能技术结合起来监测洪水,包括应用于洪水灾害应急方面,技术上并不复杂,我国也有很多类似的实践。
 
  通常卫星遥感监测洪水需要一个较长的过程。首先要通过卫星采集数据,然后把数据传回地面,由技术人员或人工智能系统进行数据分发,用户从网上下载相关数据后,再由洪水监测人员做淹没范围等方面的分析,然后形成“最终产品”,提供给决策者参考。
 
  由于数据量通常较大,卫星下行传输和预处理分发的时间会比较长。如果传输很畅通,可能半天时间就能拿到数据,但有时候数据量特别大,而且数据下载和预处理流程复杂,也会出现延时一两天才能提取到洪水淹没信息的情况,这取决于当时的具体情况。
 
  不管国内还是国外,不同机构、不同人所使用的人工智能算法存在一定差异,但基本上的思路都是一样的。不论遥感技术还是人工智能技术,在灾害监测方面的应用已经比较多了,而且技术都比较成熟。
 
  借助卫星遥感技术,人们通过对比正常情况和洪水爆发时的图像,采用人工智能技术解析出洪水范围,这种方式较好兼顾了监测精度和效率。
 
  洪水监测“唯快不破”
 
  应急监测的关键不是看精度有多高,而是看反应有多快,这也是卫星遥感和AI结合的优势。洪水,特别是山洪应急处理一定要快,这也要求地面相应的配套工作能跟上,监测到洪水后,相应的决策、救灾方面的工作也要跟上。
 
  卫星遥感监测地面有个重返周期的问题,这和卫星轨道有关。目前,卫星差不多10来天绕地球一圈,有时候某地突发洪水,恰好有卫星经过,就能较快获得数据。
 
  如果多颗卫星组网,形成卫星群,数据获取频次会大大提高。随着我国发射的卫星越来越多,卫星网络逐步完善,监测效率也会迅速提高。世界洪水系统目前还面临一定的挑战。因为卫星比较小,它还要完成其他任务,所以做模型的时候,如果处理的数据量过大,就会带来芯片的高能耗问题,有可能会影响卫星的运行寿命。
 
  多手段结合显优势
 
  将人工智能技术应用于防洪抗灾,世界各国都有过成功的尝试。谷歌曾利用降雨、河流水位、洪水模拟等数据,利用机器学习创建过预测模型,可以使系统“提前一倍的时间”,同时还能向人们提供有关洪水深度等信息。美国Chesapeake保护协会也曾在微软和佛蒙特大学的帮助下,开发出一种AI地图,并用来预测、计划和应对洪水。
 
  去年8月,阿里巴巴达摩院曾升级遥感AI技术,开发出应用于防汛的水体识别算法,支持水利部相关监测与分析工作。在重点超警戒水位区,处理影像数量比平时提升5倍,影像分析速度提升百倍。
 
  遥感和人工智能技术已经在防洪抗灾中发挥了重要作用,尤其在大范围水情监测上更显优势。但在小区域、快速反应方面,遥感技术还有待提高。在洪水应急监测中,目前已经实现卫星遥感、无人机、导航定位和地面水文监测站等多种监测手段的综合使用。
 
  对小范围来说,无人机非常便捷,能够快速获取堤防损毁情况,而且我国在水利部门也配备了无人机系统,防汛队伍也具备操作无人机或无人机组网的能力。但无人机观测范围、观测时间有限,而且遇到较大风雨等恶劣天气,无人机也无法执行任务,所以通常是多种手段结合来应对洪水。
 
  资料来源:中国科学报
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