衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的臺(tái)風(fēng)。圖片來(lái)源：unsplash

　　洪澇災(zāi)害依然是人類面臨的主要自然災(zāi)害。據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，洪水災(zāi)害發(fā)生次數(shù)約占全部自然災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的三分之一。

　　7月20日至21日，河南省黃河以北和鄭州、洛陽(yáng)、開(kāi)封、平頂山等地發(fā)生大到暴雨，局部大暴雨、特大暴雨。河南省防汛抗旱指揮部于7月20日18時(shí)將防汛應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別由Ⅳ級(jí)提升為Ⅱ級(jí)。毗鄰河南省的河北易水河流域也遭遇了1963年以來(lái)最大洪水。而就在幾天前，千年一遇的洪水橫掃西歐，暴雨已導(dǎo)致200多人死亡，超千人失蹤。

　　為更精確預(yù)測(cè)洪水，西班牙巴倫西亞大學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)室的研究人員與英國(guó)牛津大學(xué)、歐洲航天局合作，開(kāi)發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的洪水監(jiān)測(cè)模型，可以在太空監(jiān)測(cè)洪水。這將有助于應(yīng)急防洪抗災(zāi)。日前，相關(guān)研究在《科學(xué)報(bào)告》上發(fā)表。

　　隨著技術(shù)進(jìn)步，人類認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力越來(lái)越強(qiáng)。防災(zāi)減災(zāi)是人與自然災(zāi)害的抗?fàn)帲彩侨伺c自然和諧共處的主動(dòng)探索。

　　　　“星載”處理方案 

　　6月30日，一套被稱為“世界洪水（World Floods）”的人工智能（AI）洪水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由意大利航空航天企業(yè)D-Orbit公司搭載“獵鷹9號(hào)”從卡納維拉爾角發(fā)射升空。

　　“世界洪水”系統(tǒng)旨在通過(guò)衛(wèi)星遙感和人工智能技術(shù)，提供近實(shí)時(shí)的地形圖并突破技術(shù)障礙，加快人類對(duì)洪澇災(zāi)害事件的反應(yīng)速度。

　　“該系統(tǒng)采用先進(jìn)的人工智能算法，使數(shù)據(jù)能夠在衛(wèi)星上進(jìn)行處理。”該論文第一作者Gonzalo Mateo說(shuō)，“這種星載處理解決方案通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)大圖像進(jìn)行分析處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量較小的最終產(chǎn)品來(lái)減少傳輸量。”

　　目前，D-Orbit公司已發(fā)射了6顆衛(wèi)星。這些小型的納米衛(wèi)星重約1公斤，可以組成一個(gè)較大的立方體衛(wèi)星。其中，承載“世界洪水”系統(tǒng)的衛(wèi)星，其軌道處理服務(wù)首次采用耐輻射芯片進(jìn)行迭代升級(jí)，從而可以實(shí)現(xiàn)人工智能的高級(jí)算法。

　　研究者認(rèn)為，在洪水監(jiān)測(cè)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(wèi)星可以將衛(wèi)星重返周期從幾天減少到幾個(gè)小時(shí)。同時(shí)，星載處理方式可突破衛(wèi)星功率和帶寬的限制，從而縮短人們獲得洪水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間。

　　　　“軟硬結(jié)合”是亮點(diǎn) 

　　“將遙感技術(shù)和人工智能技術(shù)結(jié)合，用于監(jiān)測(cè)洪澇災(zāi)害是可行的。”中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員吳炳方對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“它只是將地面上的工作移到衛(wèi)星上，將應(yīng)急信息先提取出來(lái)，通過(guò)中繼的方式發(fā)到地面的用戶手中，縮短響應(yīng)時(shí)間。”

　　中國(guó)水利水電科學(xué)研究院防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心工程師江威告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，將遙感和人工智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)監(jiān)測(cè)洪水，包括應(yīng)用于洪水災(zāi)害應(yīng)急方面，技術(shù)上并不復(fù)雜，我國(guó)也有很多類似的實(shí)踐。

　　“‘世界洪水’系統(tǒng)的亮點(diǎn)是軟件和硬件的結(jié)合。”江威告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“其思路是把一套算法植入硬件中，把它裝到衛(wèi)星上。衛(wèi)星在空中獲得圖像后，直接智能識(shí)別洪水淹沒(méi)范圍信息，從而縮短洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)的時(shí)間。”

　　通常衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)洪水需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。首先要通過(guò)衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳回地面（下行），由技術(shù)人員或人工智能系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，用戶從網(wǎng)上下載相關(guān)數(shù)據(jù)后，再由洪水監(jiān)測(cè)人員做淹沒(méi)范圍等方面的分析，然后形成“最終產(chǎn)品”，提供給決策者參考。

　　“就像我們做飯炒菜前，要有個(gè)備料的過(guò)程，把菜擇好洗凈才能下鍋。”江威說(shuō)。“世界洪水”系統(tǒng)相當(dāng)于做了“備料”的過(guò)程，用算法把訓(xùn)練模型做好，在衛(wèi)星上對(duì)數(shù)據(jù)直接提取洪水淹沒(méi)信息。

　　“由于數(shù)據(jù)量通常較大，衛(wèi)星下行傳輸和預(yù)處理分發(fā)的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。”江威說(shuō)，“如果傳輸很暢通，可能半天時(shí)間就能拿到數(shù)據(jù)，但有時(shí)候數(shù)據(jù)量特別大，而且數(shù)據(jù)下載和預(yù)處理流程復(fù)雜，也會(huì)出現(xiàn)延時(shí)一兩天才能提取到洪水淹沒(méi)信息的情況，這取決于當(dāng)時(shí)的具體情況。”

　　江威認(rèn)為，不管國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，不同機(jī)構(gòu)、不同人所使用的人工智能算法均存在一定差異，“但基本上的思路都是一樣的”。

　　“不論遙感技術(shù)還是人工智能技術(shù)，在災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用已經(jīng)比較多了，而且技術(shù)都比較成熟。”吳炳方說(shuō)。

　　“我們?nèi)ツ暝谯蛾?yáng)湖流域洪水監(jiān)測(cè)基本上也是這樣做的。”江威說(shuō)，“目前我們研制的大尺度、長(zhǎng)時(shí)序地表水體遙感產(chǎn)品，也是將人工智能和遙感技術(shù)結(jié)合開(kāi)展的。”

　　借助衛(wèi)星遙感技術(shù)，人們通過(guò)對(duì)比正常情況和洪水暴發(fā)時(shí)的圖像，采用人工智能技術(shù)解析出洪水范圍，這種方式較好地兼顧了監(jiān)測(cè)精度和效率。

　　“從發(fā)表的論文上看，‘世界洪水’系統(tǒng)主要構(gòu)建了洪水范圍圖像識(shí)別的深度學(xué)習(xí)模型，目前已經(jīng)把模型訓(xùn)練好了，但還沒(méi)有詳細(xì)描述如何將模型和硬件結(jié)合起來(lái)，使衛(wèi)星可以自動(dòng)識(shí)別洪水。”江威說(shuō)。

　　　　洪水監(jiān)測(cè)“唯快不破” 

　　“應(yīng)急監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵不是看精度有多高，而是看反應(yīng)有多快，這也是衛(wèi)星遙感和AI結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。”吳炳方說(shuō)，“洪水，特別是山洪應(yīng)急處理一定要快，這也要求地面相應(yīng)的配套工作能跟上，監(jiān)測(cè)到洪水后，相應(yīng)的決策、救災(zāi)方面的工作也要跟上。”

　　衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)地面有個(gè)重返周期的問(wèn)題，這和衛(wèi)星軌道有關(guān)。目前，衛(wèi)星差不多十來(lái)天繞地球一圈，有時(shí)候某地突發(fā)洪水，恰好有衛(wèi)星經(jīng)過(guò)，就能較快獲得數(shù)據(jù)。

　　“這就像我們乘坐公交車，有時(shí)候你剛到站，正好車來(lái)了，有時(shí)候要等很久。通常我們用‘哨兵一號(hào)’單顆衛(wèi)星每12天全球重返一次，但洪水有突發(fā)性特點(diǎn)，尤其是山洪，有時(shí)候需要幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，這種情況下，單顆遙感衛(wèi)星就沒(méi)那么及時(shí)。”

　　江威認(rèn)為，如果多顆衛(wèi)星組網(wǎng)，形成衛(wèi)星群，數(shù)據(jù)獲取頻次就會(huì)大大提高。隨著我國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星越來(lái)越多，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐步完善，監(jiān)測(cè)效率也會(huì)迅速提高。

　　“‘世界洪水’系統(tǒng)目前還面臨一定的挑戰(zhàn)。”江威說(shuō)，“因?yàn)樾l(wèi)星比較小，它還要完成其他任務(wù)，所以做模型的時(shí)候，如果處理的數(shù)據(jù)量過(guò)大，就會(huì)帶來(lái)芯片的高能耗問(wèn)題，有可能會(huì)影響衛(wèi)星的運(yùn)行壽命。”

　　　　多手段結(jié)合顯優(yōu)勢(shì) 

　　將人工智能技術(shù)應(yīng)用于防洪抗災(zāi)，世界各國(guó)都有過(guò)成功的嘗試。

　　谷歌曾利用降雨、河流水位、洪水模擬等數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)創(chuàng)建過(guò)預(yù)測(cè)模型，可以使系統(tǒng)“效率提高一倍”，同時(shí)還能向人們提供有關(guān)洪水深度等信息。

　　美國(guó)Chesapeake保護(hù)協(xié)會(huì)也曾在微軟和佛蒙特大學(xué)的幫助下，開(kāi)發(fā)出一種AI地圖，并用來(lái)預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)洪水。

　　去年8月，阿里巴巴達(dá)摩院曾升級(jí)遙感AI技術(shù)，開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于防汛的水體識(shí)別算法，支持水利部相關(guān)監(jiān)測(cè)與分析工作。在重點(diǎn)超警戒水位區(qū)，處理影像數(shù)量比平時(shí)提升5倍，影像分析速度提升百倍。

　　遙感和人工智能技術(shù)已經(jīng)在防洪抗災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，尤其在大范圍水情監(jiān)測(cè)上更顯優(yōu)勢(shì)。但在小區(qū)域、快速反應(yīng)方面，遙感技術(shù)還有待提高。

　　“在洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、導(dǎo)航定位和地面水文監(jiān)測(cè)站等多種監(jiān)測(cè)手段的綜合使用。”江威說(shuō)，“對(duì)小范圍來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)非常便捷，能夠快速獲取堤防損毀情況，而且我國(guó)在水利部門也配備了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，防汛隊(duì)伍也具備操作無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)組網(wǎng)的能力。但無(wú)人機(jī)觀測(cè)范圍、觀測(cè)時(shí)間有限，而且遇到較大風(fēng)雨等惡劣天氣，無(wú)人機(jī)也無(wú)法執(zhí)行任務(wù)，所以通常是多種手段結(jié)合來(lái)應(yīng)對(duì)洪水。”

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-021-86650-z