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AI帮忙,火山预测可能很快就会成为现实
查字典地理网 来源|2019-08-14 发表|教学分类:地理科普

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  2016年1月24日,墨西哥普埃布拉的波波卡特佩特火山喷出火山灰。

在全世界的1500座活火山中,大约其中的6%每年都会喷发,即喷发的数量为50-85座。在所有火山中,其中不到一半安装了传感器,处于良好监测状态的火山就更少了,这是因为在这种严酷的环境中维护设备非常困难,而且成本很高。处于休眠状态的火山几乎没有受到监测,然而智利的柴腾火山在休眠了8000年之后于2008年爆发,令科学家们大感意外。

现在,火山学家们正求助于卫星图像和人工智能,以更密切地监测更多的火山,并最终预测火山爆发。Mounts项目目前追踪了18座火山,其中包括危地马拉的富埃戈火山和意大利的埃特纳火山。

全球有8亿人在距活火山100公里之内生活,因此加强火山监测更加必要了。

MOUNTS项目的负责人、柏林工业大学的研究人员Sebastien Valade称,纵观历史,即使火山很危险,人类却一直在火山附近定居,很大程度是因为火山土壤非常肥沃。

最近,《遥感》杂志上发表了一篇论文,介绍了MOUNTS如何使用多套卫星数据对火山进行持续性监测,寻找通常预示火山活动改变的信号变化。不同波长的电磁波谱都可以检测到这些信号,不同的卫星图像都能将其捕获,这些信号包括地面形变、气体排放和温度上升。

不过,如此庞大并且还会定期更新的数据集很难进行人工处理。因此,该项目初始阶段的部分工作是探索机器学习算法是否可以整合到数据分析过程。研究人员开发了一种人工神经网络(AI的一种),以自动检测大规模变形事件,而大规模变形事件就是岩浆在地下移动的迹象。神经网络可以比较不同时间拍摄的两张照片,并发现其中的变化。

“我们不是要一直监测,而是希望有动静的时候系统能够告诉我们。”柏林工业大学从事MOUNTS项目的Andreas Ley说。

发现火山喷发

MOUNTS已经从最近的数次火山喷发中找到了信号,其中包括埃塞俄比亚尔塔阿雷火山,夏威夷以及意大利的火山喷发。上个月,该系统还检测到与留尼汪岛的皮顿德拉富尔奈斯火山喷发有关的形变,并向注册获取更新动态的用户发送了自动电子邮件提醒。截至目前,任何研究人员都可以免费在线获取MOUNTS的所有数据。

不过,MOUNTS项目和未来的适用案例都有需要克服的问题。人工智能会对大气中的水蒸气如何扭曲卫星图像感到困惑,也会对来自同一地区的不同季节、不同树木覆盖程度的照片进行比较感到困惑。此外,该项目还需要借助昂贵的地面传感器。

虽然卫星可在地面传感器无法使用时提供监测,但它们并不适用于所有情况。有些火山喷发可以提前两年发现,另一些却可能只提前10分钟显示喷发的迹象,但卫星图像无法及时发现这一点,因此无法及时疏散居民或向居民发出警告。

尽管如此,人工智能对火山的监测以及我们对火山爆发的了解还处于早期阶段。MOUNTS的下一步是使用人工智与来自气体排放、温度升高和地面形变的数据相结合,探索两者结合是否能产生更好的预测效果。

“我们正试图利用人工智能探测更复杂的信号,这类信号在没有人工智能的情况下更难识别。”Valade说。

必要的监测

上述进展很大程度上依赖于欧洲哨兵和美国陆地卫星等政府卫星提供的免费图像。以前,卫星图像非常昂贵,迫使研究人员只能关注几座火山。现在,研究者可以关注更多火山,英国布里斯托大学的研究者Fabien Albino称,他曾参与一个项目,该项目通过一种机器学习算法分析了 900座火山的30000张影像资料,最终将照片缩小到100张,这些照片或许能展示地面形变的信号。

“这比我们从前的能耐要强得多。” Albino说。

这些基于卫星的项目甚至可以帮助发展中国家,后者通常拥有较少的地面监测站。基于卫星图像数据的警报可促使各国在必要时部署传感器和更多的地面监测设备,从而更好地规划撤离行动。Albino说,他的团队正在与埃塞俄比亚和厄瓜多尔的同事合作,研究什么样的信息可以让这些国家更好地对潜在的威胁做出反应。

“我们无权要求地方当局疏散或不疏散居民,但我们可以向他们提供更充分的信息。”他说。

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