人工智能让我们更加深入的了解地球健康状况

据国外媒体报道，在人工智能的帮助下，科技公司向环保组织提供更为精确的高分辨率地图，为环保决策提供更为详细的最新信息，从而达到保护环境和预防自然灾害的目的。

▲图示：洪水肆虐后的马里兰州埃利科特市

2018年5月27日美国马里兰州埃利科特市一场暴雨袭来，在不到3小时的时间里降水量超过超过6英寸，造成一人死亡。主要街道变成了急流，汽车像水中的橡皮鸭一样漂浮不定。国家气象局将这种暴雨的概率称为千年一遇，然而，“这是过去三年中第二次发生这种情况，”环境保护组织切萨皮克保护协会保护技术主任杰夫·艾伦比（Jeff Allenby）如是指出。

埃利科特市发洪水并不是什么新鲜事，这里有两条支流与帕塔普斯科河汇合。但艾伦比表示，随着开发项目覆盖了曾经是“森林天然海绵”的土地、山坡和草坪，洪水变得越来越严重。就在5月27日洪水发生的几天前，美国国土安全部根据其2016年的洪水发生情况，选择了埃利科特市开展试点项目，通过自动传感器为居民提供更好的洪水预警。

最近，艾伦比开发了另一种工具来帮助预测，计划和应对突如其来的洪水：这是一张独一无二的高分辨率地图，显示出地面建筑物，人行道，树木和草坪等信息数据——这张地图涵盖了从纽约州北部到弗吉尼亚州南部10万平方英里区域，一直延伸至切萨皮克湾。在人工智能的帮助下，航拍图像生成地图能够显示的物体小至3平方英尺，比洪灾预测着以前使用的地图精确约1，000倍。为了理解这种差异，你想象一下，此前就是试图在拥挤的城市街道上使用只能显示沃尔玛超市大小的地图来识别Uber司机。

在微软和佛蒙特大学的帮助下，绘制这张地图耗时一年，耗资350万美元。艾伦比的团队仔细研究航拍图像，道路图和分区图，以建立规则，分类对象和清楚错误。“一旦我们完成了第一个数据集，”艾伦比说，“每个人都开始问’你打算什么时候再做一次？’”从而保持地图持续更新。

这多亏了人工智能。微软帮助艾伦比的团队训练其人工智能来自动识别物体。即使拥有强大的数据集，训练算法并不容易。这项工作需要定期进行“像素窥视”——手动放大对象以验证和修改机器的识别结果。通过多次训练，该算法提高了识别水道、树木、田野、道路和建筑物的能力。随着相关新数据的出现，切萨皮克保护协会计划使用人工智能来更新地图，比最初耗费数百万美元的劳动密集型工作更频繁、更容易。

▲图示：马里兰州埃利科特市附近的一幅土地开发地图，是在人工智能（左）的帮助下生成的，比它的前身（右）提供了更多的细节。

现在，微软正在向更多人提供这一工具。只需花上42美元，任何人都可以通过微软的AI for Earth平台运行2亿张航拍图像，并在10分钟内生成关于整个美国的高分辨率地图。当然，在美国的其他地方，由于人工智能算法没有在当地条件下进行训练，结果就没有那么精确——一棵红木树或仙人掌看起来就像柳树或橡树。

对于一个痴迷于地理位置和地图服务的社会来说——现实世界每天都在数字世界中展开——这一成就似乎并不具有开创性的意义。而现在，特别对于非盈利组织的环境目的来说，高分辨率数据和人工智能更具有成本效益。随着微软的倡导，人工智能在全球范围内即将成为商品。

艾伦比说，在设计雨水管理系统时，最新的详细信息至关重要。他说：“用人工智能的力量观察这些系统，可以显示出何时会出现洪水”。位于埃利科特市的非营利组织“流域保护中心”在2001年的一项研究报告中指出，当10%的自然土地得到开发时，河流的健康状况就会下降，并开始失去控制径流的能力。如果开发的自然土地达到20%，径流量与未开发的土地相比会增加一倍。艾伦比指出，埃利科特城的铺砌表面和建筑物占地面积近年来已经达到了19%。

艾伦比说，更详细的地图将使规划人员能够跟上土地利用的变化，并规划可以容纳更多水量的排水系统。最终，当新开发项目有可能威胁到暴雨管理能力时，该地图的警报系统将提供“实时仪表板”和自动警报。华盛顿特区的城市林业局利用新的地图，通过在该地区搜寻没有树木覆盖的地区来确定植树位置。今年早些时候，切萨皮克保护协会开始与爱荷华州和亚利桑那州的保护组织合作，开发针对当地景观的算法训练集。

高分辨率成像和传感器技术、人工智能以及云计算的结合使环保人士能够更深入地了解地球的健康状况。其结果是近乎实时地读出地球的生命体征，每当环境出现恶化时，就会发出警报。

世界各地的其他人也在应用这些技术。全球森林观察（GFW）是由世界资源研究所成立的一个保护组织，该组织在2016年开始提供每月和每周的森林砍伐警报，该警报由Orbital Insight开发的人工智能算法提供支持。根据该组织的网站，该算法分析卫星图像，当它被刷新时，就会检测出“可能表明即将发生的森林砍伐的模式”。使用GFW的移动应用程序，森林观察者、志愿者和森林护林员就会前往警告现场，验证诸如印度尼西亚Leuser生态系统等地方发出的自动警报，该生态系统自称为“地球上最后一个在野外发现猩猩，犀牛，大象和老虎的地方”。”

新的保护方法也在向海洋拓展。6月4日，保罗艾伦慈善基金会与卡内基科学研究所、昆士兰大学、夏威夷海洋生物学研究所以及私人卫星公司Planet合作，在2020年之前绘制了涵盖世界上所有珊瑚礁的地图。正如Planet副总裁安德鲁·佐利（Andrew Zolli）解释的那样：这时“历史上第一次”，新工具达到了“从地球层面解决问题的水平”。

截至2017年底，Planet已经部署了近200颗卫星，在全球范围内形成一条链路，每天将整个地球的卫星图像压缩至3米分辨率。每天都有数万亿像素生成，如果没有训练有素的人工智能算法来解释它们，它们永远不会转化为有用的地图。该合作伙伴关系利用了卡内基研究所的计算机视觉工具和昆士兰大学的当环境数据，其中包括珊瑚，藻类，沙子和岩石的信息。

“今天，我们还不知道全球珊瑚白化事件的确切地理位置，速度和频率，”卡内基全球生态系科学家格里格·阿斯纳（Greg Asner）解释道。根据已知情况，科学家们预测，到2050年世界上90%以上的珊瑚礁将会灭绝，而这些珊瑚礁包含着25%的海洋生物。保罗艾伦慈善基金会环境影响主管劳伦·凯克姆（Lauren Kickham）预计，这一合作关系将使人们清楚滴看到全球的珊瑚礁危机，使科学家能够每天跟踪珊瑚礁的健康状况。

在另一项与Planet和卡内基研究所合作的珊瑚礁项目中，自然保护协会正在利用卡内基的计算机视觉人工智能开发了一幅关于加勒比海盆地浅水区的高分辨率地图。“通过了解这些系统如何生存以及它们如何适应环境，也许不是我们这一代，但也许是下一代将能够将曾经的珊瑚礁找回来，”自然保护协会加勒比海珊瑚礁项目负责人路易斯·索罗扎诺（Luis Solorzano）说。

绘图服务对保护来说并不陌生。地理信息系统多年来一直是保护工具中的主要内容，通过提供交互式地图，从而促进环境监测，监管执法和保护规划。但是，绘图服务的质量取决于底层数据，而获取和维护质量更高的原始数据对于环保组织来说可能过于昂贵。因此，许多自然保护主义者采用了免费提供的服务，例如美国地质调查局提供的30米分辨率图像。

埃利科特城和切萨皮克河流域展示了人类应对气候变化的挑战以及人类活动对环境的影响。自20世纪50年代以来，海湾的牡蛎礁已经减少了80%。生物学家在20世纪70年代就在切萨皮克湾发现了地球上第一个海洋死亡区。蓝蟹数量在20世纪90年代急剧下降。自1895年以来，海平面上升了一英尺多，根据2017年国家海洋和大气管理局（NOAA）的报告，到本世纪末，海平面可能会上升6英尺。

艾伦比于2012年加入切萨皮克保护协会，当时科技公司提供来一笔资金，用于探索技术如何帮助保护环境。艾伦比想办法利用技术来来帮助土地管理者（就像埃利科特市的那些人一样），改进联邦应急管理局曾用于洪水防范的30米分辨率航拍图像。

2015年，艾伦比与佛蒙特大学联系，在一个更大项目上寻找合作伙伴。而后者是全国公认的制作县级高分辨率地图的专家。他们在2016年从州和地方政府财团以及非营利组织获得资金。在为期一年的努力中，涉及到整合来自航拍地图，路线图和分区图表等不同来源的数据。随着数据集汇集在一起，一名保护委员会成员将Allenby介绍给了微软，后者急于展示如何利用其人工智能和云计算来支持环境保护事业。

“我们在看到了解有关地球健康状况的基本信息方面远远落后，而看到这种能力的缺失是我人生中的挫折，”微软负责地球人工智能的首席环境科学家卢卡斯·乔帕（Lucas Joppa）表示，“并且我也看到，那些在一线解决环境可持续性等问题的人，往往身处资源最少的组织中，却无法利用现有的技术。”

然而，最终的问题是，这些由人工智能驱动的地图所提供的诊断是否能够及时起效，从而帮助解决人类造成的环境问题。