遥瞰洪涛 AI让我们在太空监测洪水
- 2021/7/22 16:40:27 32195
- 来源：仪表网
【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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