科技行者“AI+無人機”雙拳出擊,拯救面臨解體危機的大堡礁

“AI+無人機”雙拳出擊,拯救面臨解體危機的大堡礁

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2019年6月14日 科技行者
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澳大利亞的一支研究小組正在利用技術監測全球氣候變化,并追蹤其對全球最大的生物體造成的影響。

來源:科技行者 2019年6月14日

關鍵字:人工智能 環保 無人機

澳大利亞的一支研究小組正在利用技術監測全球氣候變化,并追蹤其對全球最大的生物體造成的影響。

“AI+無人機”雙拳出擊,拯救面臨解體危機的大堡礁

▲ 圖左為AIMS船,研究小組利用它測試大堡礁上的無人機與高光譜相機,圖右則為安裝在無人機上的高光譜相機(左圖來源/Scott Bainbridge, AIMS; 右圖來源/QUT)

統計數字向我們揭示了鮮為人知的事實。全球知名的大堡礁總長達2300公里,其中包括2900座珊瑚礁,面積超過34萬4千平方公里,這使其成為世界上最大的生物有機體以及聯合國教科文組織認定的世界遺產。

來自布里斯班昆士蘭科技大學(簡稱QUT)的一組研究人員,正在監測位于澳大利亞東北部海岸附近的珊瑚礁,旨在尋找由工業活動以及全球變暖等各類環境壓力引發的礁體變白跡象——這種跡象,意味著珊瑚礁正在失活解體。

這支研究小組由昆士蘭科技大學副教授Felipe Gonzalez領導,其亦在與澳大利亞海洋科學研究所(簡稱AIMS)合作——該研究所多年以來一直負責監測珊瑚礁的健康狀況。AIMS方面利用飛機、水下裝置與NASA衛星圖像收集特定珊瑚礁健康狀況的數據,然而,這些方法各自存在不同的缺點,其中衛星圖像的分辨率相對較低,而固定翼飛機及直升機的成本則太過高昂。

因此,Gonzalez正在嘗試對商用無人機進行改裝,包括為其加裝高分辨率數碼相機與高光譜相機。監測工作將在距離海岸線15-70公里的水域進行。無人機在礁石上方60米處飛行,并由高光譜相機拍攝距離水面3米以內的珊瑚礁數據。這將大大擴展觀測工作的覆蓋范圍,從而為AIMS的發現提供重要的驗證素材。

Gonzalez解釋稱,數碼相機主要用于對進行研究的單一珊瑚礁進行傳統3D模型構建。然而,這種傳統相機只能從三個光譜通道實現光線捕獲,即紅色、綠色與藍色,涵蓋電磁光譜中波長380到740納米的區間。相比之下,高光譜相機則能夠拍攝到270納米光譜帶的反射光。

如果需要投入一年甚至更長的時間才能讓該團隊確認并向AIMS報告珊瑚礁中的某一部分正在快速分解,那么拯救工作可能根本來不及進行。

Gonzalez表示,“高光譜成像大大提高了我們根據光譜特性監測珊瑚礁狀況的能力。這是因為構成珊瑚礁環境的每一個組成部分——包括水、沙子與藻類等——都有著自己的光譜特征,泛白與未泛白的珊瑚也是如此。

然而,珊瑚礁覆蓋范圍的擴大與所收集數據的豐富性又給團隊帶來了新的挑戰。傳統的AIMS潛水器能夠在運行當中收集珊瑚礁上40個不同位點的信息,相比之下單張高光譜圖像就提供超過4000個數據點。因此,一架無人機飛行過后就能夠帶來高達數千GB的原始數據,其內容必須進行處理與分析。在最初處理數據時,研究小組嘗試使用PC、自定義軟件工具與昆士蘭科技大學的高性能計算機。但整個過程耗時數周,期間計算機一直在不斷維持高強度運轉。

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▲ 澳大利亞大堡礁潘多拉礁拍攝圖

因此,該團隊申請并成功加入贊助性質的微軟AI for Earth計劃。此項計劃旨在為研究全球環境挑戰的研究人員提供軟件工具、云計算服務以及AI深度學習資源。

Gonzalez指出,“現在,我們能夠利用微軟通過云端提供的AI工具以補充我們的原有工具儲備,并快速標記不同的光譜特征。因此,根據具體數據的不同,以往需要花費三到四周才能處理完成的無人機拍攝數據,如今只需要兩到三天就能消化完畢。 

這種數據處理加速效果發揮著至關重要的作用。如果需要投入一年甚至更長的時間才能讓該團隊確認并向AIMS報告珊瑚礁中的某一部分正在快速分解,那么拯救工作可能根本來不及進行。

Gonzalez同時補充稱,“由于能夠及早獲知,政府將能夠采取更快的行動以保護珊瑚礁中的瀕危區域。

他還強調,高光譜成像的使用目前已經成為各個領域中遙感工作層面的高增長方向,具體包括農業、礦物測量、測繪以及水資源定位等等。

舉例來說,他和昆士蘭科技大學的同事們亦在利用此項技術監測可能受病原體、真菌或者蚜蟲影響的森林、小麥作物以及葡萄園。

與此同時,在接下來的兩個月當中,Gonzalez還將繼續處理從珊瑚礁處收集到的光譜數據;而后在今年9月,他將啟動第二輪無人機飛行掃描。

他總結道,“我們的目標是重返AIMS已經進行過變化監測研究的四片珊瑚礁,而后將監測擴展到新的珊瑚礁區域。


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