微軟用AI繪製高解析度地圖 及時給地球「診病」以預防自然災害

5月27日，一場暴雨在不到3個小時的時間裡，在馬里蘭州的埃利科特市(Ellicott City)降下了6英寸多的雨水，造成一人死亡，主要街道變成了V級河流急流，汽車像橡皮鴨一樣顛簸。

美國國家氣象局(National Weather Service)估計，這種風暴在1000年內發生的可能性為一次。

然而，「這是過去三年里發生的第二次。」環保組織切薩皮克保護協會的保護技術總監傑夫·艾倫比(Jeff Allenby)說。

在埃利科特市，洪水並不是什麼新鮮事，在這裡，兩條支流匯入了Patapsco河。

但艾倫比說，隨著開發項目覆蓋了曾經是「森林的天然海綿」的土地、屋頂和草坪，洪水變得越來越嚴重。

就在5月27日洪水發生的前幾天，美國國土安全部(Department of Homeland Security)在2016年洪災的基礎上，選擇了埃利科特城(Ellicott city)作為試點項目，通過自動感測器向居民發送更好的洪水預警。

最近，艾倫比開發了另一種工具來幫助預測、計劃和準備抵禦未來的洪水：一種史無前例的高解析度地圖，能顯示地面上的建築、路面、樹木和草坪————從紐約州北部到弗吉尼亞州南部10萬平方英里的區域，這些區域的排水溝一直延伸到切薩皮克灣。

這張地圖是在人工智慧技術的幫助下產生的，它顯示的最小物體只有3英尺(約1米)高，比之前使用的地圖精確了1000倍。

要理解其中的區別，想像一下，之前的地圖等於在擁擠的城市街道上，用一張只能顯示沃爾瑪(Walmart)大小物品的地圖來識別優步司機。

在微軟(Microsoft)和佛蒙特大學(University of Vermont)的幫助下，製作這張地圖耗時一年，耗資350萬美元。

艾倫比的團隊仔細研究了空中圖像、道路圖和分區圖，以建立規則、分類對象和清除錯誤。

「我們一完成第一個數據集，」艾倫比說，「每個人都開始問『你打算什麼時候再做一次?』」

他們希望保持地圖是最新的。

回到人工智慧技術的話題。微軟幫助艾倫比的團隊訓練其人工智慧來識別自己的對象。

即使有一個強大的數據集，訓練演算法也不容易。

這需要定期的「像素窺視」————手動放大對象以驗證和修改自動結果。

隨著每一次修正，演算法提高了識別水道、樹木、田野、道路和建築物的能力。

隨著相關新數據的出現，切薩皮克保護協會計劃使用它的人工智慧來更新地圖，比最初耗費數百萬美元的勞動密集型工作可以更頻繁、更容易。

現在，微軟正在更廣泛地提供這一工具。只要花42美元，任何人都可以通過微軟的AI for Earth平台上運行2億張航拍圖片，並在10分鐘內生成一幅高解析度的美國地圖。

在這個國家的其他地方，這種演算法還沒有經過當地條件的訓練，結果就不那麼精確了————一棵紅木樹或樹形仙人掌可能會看起來像一棵柳樹。

圖：在人工智慧的幫助下，馬里蘭州埃利科特市周圍的土地使用地圖(左)提供了比之前(右)更多的細節。

(圖源：WIRED)

對於一個沉迷於地理位置和地圖服務的社會來說————物理世界每天都在數字世界中展開————這項成就似乎並不具有開創性。

然而，直到最近，高解析度的數據和人工智慧才出現，使得這些地圖在環保方面具有成本效益，尤其是對非營利的保護組織。

有了微軟的提議，全球範圍內的人工智慧將成為一種商品。

艾倫比說，在設計雨水管理系統時，詳細、最新的信息是最重要的。

他說，「用人工智慧的力量來觀察這些系統，可以開始預測什麼時候會發生洪水」。

位於埃利科特市的非營利組織「流域保護中心」在2001年的一項研究中報告說，當10%的天然土地得到開發時，河流的健康狀況就會下降，並開始失去控制徑流的能力。

在比例為20%的時候，與未開發土地時相比，徑流量增加了一倍。

艾倫比指出，近年來，埃利科特市的鋪砌表面和建築物佔地面積近年來已經達到了19%。

艾倫比說，更詳細的地圖將使規劃人員能夠跟上土地使用的變化，並規劃能夠容納更多水的排水系統。

最終，該地圖將提供「實時指示板」和自動警報，當新的土地開發威脅到暴雨水管理能力時，作為一個警告系統。

華盛頓特區的城市林業局(Urban Forestry Administration)利用這張新地圖在該地區尋找積水的無樹木覆蓋區域，從而確定在哪裡植樹。

今年早些時候，切薩皮克保護協會開始與愛荷華州和亞利桑那州的保護組織合作，開發針對這些景觀的演算法訓練集。

高解析度成像和感測器技術、人工智慧和雲計算的結合，讓自然資源保護主義者對地球的健康有了更深入的了解。

這一結果是對地球生命體征的一種近乎實時的解讀，一旦病人病情惡化，就會發出預警和警報。

其他人則在世界各地應用這些技術。

全球森林監察(GFW)，世界資源研究所建立的保護項目,從2016年開始提供月度和每周森林砍伐警報，由Maryland大學開發並維護。

根據該組織的網站，這些演算法分析衛星圖像，當它被刷新時，就會檢測出「可能預示即將砍伐森林的模式」。

利用GFW的移動應用軟體，森林觀察者、志願者和森林管理員們來到這些樹上，驗證在印度尼西亞的Leuser生態系統中自動發出的警報。該地稱自己是「世界上最後一個在野外發現猩猩、犀牛、大象和老虎的地方」。

新的保護方案也正在向海洋領域擴散。

6月4日，保羅·艾倫慈善基金會透露了與卡內基科學研究所、昆士蘭大學、夏威夷海洋生物研究所以及私人衛星公司Planet在2020年前繪製世界所有珊瑚礁的合作夥伴關係。

正如行星副總裁安德魯·佐利(Andrew Zolli)解釋的那樣:歷史上第一次，「新的工具達到了行星水平以解決問題。」

到2017年底，私人衛星公司Planet部署了近200顆衛星，在全球形成了一條項鏈，每天將整個地球的圖像壓縮到3米解析度。

每天都有數萬億像素的像素被分析，如果沒有經過訓練的人工智慧演算法，這些像素就永遠無法轉化為有用的地圖。

該合作關係利用了卡內基研究所的計算機視覺工具和昆士蘭大學的當地條件數據，包括珊瑚、藻類、沙子和岩石。

「今天，我們對全球『漂白』事件的地理、速率和頻率一無所知，」卡耐基全球生態學系的科學家Greg Asner解釋道。

「漂白」現象是指由於氣候變化及周期性的厄爾尼諾現象而引起的海水變暖造成了大面積的珊瑚礁消失殆盡。

根據已知的數據，科學家預測，到2050年，世界上超過90%的珊瑚礁將會滅絕，而這些珊瑚礁供養了25%的海洋生物。

保羅·艾倫慈善基金會的影響董事Lauren Kickham預計，這種合作關係將使全球的珊瑚危機變得清晰起來，並使科學家能夠每天追蹤他們的健康狀況。

在另一項與Planet和卡內基研究所(Carnegie Institution)合作的珊瑚礁項目中，自然保護協會(Nature Conservancy)正在利用卡耐基的計算機視覺人工智慧(AI)開發一幅高解析度的加勒比盆地淺水地圖。

「通過了解這些生態系統是如何生活的，以及它們是如何適應的，或許不是我們這一代，但或許下一代能夠讓珊瑚礁重新回來。」大自然保護協會加勒比海珊瑚礁項目負責人路易斯·索羅扎諾(Luis Solorzano)說。

地圖服務對資源保護來說並不是一個新鮮的話題。

地理信息系統多年來一直是資源保護的主要工具，提供互動式地圖，以促進環境監測、法規執行和保護規劃。

但是，地圖服務的質量取決於底層數據，而獲取和維護這些數據可能會很昂貴。

因此，許多自然資源保護主義者會利用美國地質調查局提供的30米解析度的免費圖像。

埃利科特市和切薩皮克流域展示了應對氣候變化的挑戰以及人類活動的影響。自20世紀50年代以來，海灣的牡蠣礁減少了80%以上。

20世紀70年代，生物學家在切薩皮克灣發現了地球上最早的海洋死亡區之一。

藍蟹的數量在20世紀90年代急劇下降。

自1895年以來，海平面已經上升了一英尺多，根據美國國家海洋和大氣管理局(NOAA) 2017年的一份報告，到本世紀末，海平面可能會上升6英尺。

2012年，艾倫比加入了切薩皮克保護組織，當時科技公司提供了一筆資金，用於探索技術可以幫助保護環境的方式。

艾倫比想辦法利用技術來幫助土地管理者，就像埃利科特市的管理者一樣，改進30米解析度的圖像，聯邦應急管理局也將其用於洪水的規劃和準備。

2015年，艾倫比與佛蒙特大學————全國公認的生成縣級高解析度土地覆蓋地圖的專家聯繫，在一個更大的項目上尋找合作夥伴。

2016年，他們從一個由州和地方政府組成的財團和非營利組織那裡獲得了資金。

歷時一年的努力包括將這些不同來源的數據整合成空中圖像、道路地圖和分區圖。

當數據集彙集在一起時，一名保護委員會成員將艾倫比介紹給了微軟，後者急於展示如何利用其人工智慧和雲計算來支持資源保護。

「這是我生命中的挫敗時刻，看到我們在理解地球健康的基本信息方面落後了多少。」微軟首席環境科學家盧卡斯·約帕(Lucas Joppa)說。

「那些在社會第一線解決問題的人，比如環境可持續性領域，往往是在資源最匱乏的組織中，無法利用現有的技術。」

然而，最終的問題是，這些人工智慧地圖提供的診斷是否會及時起效，以幫助解決人類所造成的環境問題。

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