【儀表網 儀表下游】導讀：洪澇災害依然是人類面臨的主要自然災害。據聯合國統計，洪水災害發生次數約占全部自然災害發生次數的三分之一。近日，千年一遇的洪水橫掃西歐，暴雨已導致200多人死亡，超千人失蹤。在我國，多地受到洪水威脅，河北易水河流域遭遇1963年以來最大洪水，河南鄭州多條城市道路成河……
西班牙巴倫西亞大學圖像處理實驗室的研究人員與英國牛津大學、歐洲航天局合作，開發了一個基于神經網絡的洪水監測模型，可以在太空監測洪水。這將有助于應急防洪抗災。日前，相關研究在《科學報告》上發表。隨著技術進步，人類認識和應對自然災害的能力越來越強。防災減災是人與自然災害的抗爭，也是人與自然和諧共處的主動探索。
“星載”處理新方案
6月30日，一套被稱為“世界洪水(World Floods)”的人工智能(AI)洪水監測系統，由意大利航空航天企業D-Orbit公司搭載“獵鷹9號”從卡納維拉爾角發射升空。世界洪水系統旨在通過衛星遙感和人工智能技術，提供近實時的地形圖并突破技術障礙，加速人類對洪澇災害事件的反應速度。該系統采用先進的人工智能算法，使數據能夠在衛星上進行處理。這種星載處理解決方案通過深度神經網絡技術，對大圖像進行分析處理，轉換成數據量較小的最終產品來減少傳輸量。
目前，D-Orbit公司已發射了6顆衛星。這些小型的納米衛星重約1公斤，可以組成一個較大的立方體衛星。其中承載“世界洪水”系統的衛星，軌道處理服務采用耐輻射芯片進行迭代升級，從而可以實現人工智能的高級算法。
研究者認為，在洪水監測方面，從太空觀察地球可以為地面決策提供寶貴的信息。這種立方體衛星可以將衛星重返周期從幾天減少到幾個小時。同時，星載處理方式可突破衛星功率和帶寬的限制，從而縮短人們獲得洪水數據的時間。
“軟硬結合”是亮點
將遙感技術和人工智能技術結合，用于監測洪澇災害是可行的。將遙感和人工智能技術結合起來監測洪水，包括應用于洪水災害應急方面，技術上并不復雜，我國也有很多類似的實踐。
通常衛星遙感監測洪水需要一個較長的過程。首先要通過衛星采集數據，然后把數據傳回地面，由技術人員或人工智能系統進行數據分發，用戶從網上下載相關數據后，再由洪水監測人員做淹沒范圍等方面的分析，然后形成“最終產品”，提供給決策者參考。
由于數據量通常較大，衛星下行傳輸和預處理分發的時間會比較長。如果傳輸很暢通，可能半天時間就能拿到數據，但有時候數據量特別大，而且數據下載和預處理流程復雜，也會出現延時一兩天才能提取到洪水淹沒信息的情況，這取決于當時的具體情況。
不管國內還是國外，不同機構、不同人所使用的人工智能算法存在一定差異，但基本上的思路都是一樣的。不論遙感技術還是人工智能技術，在災害監測方面的應用已經比較多了，而且技術都比較成熟。
借助衛星遙感技術，人們通過對比正常情況和洪水爆發時的圖像，采用人工智能技術解析出洪水范圍，這種方式較好兼顧了監測精度和效率。
洪水監測“唯快不破”
應急監測的關鍵不是看精度有多高，而是看反應有多快，這也是衛星遙感和AI結合的優勢。洪水，特別是山洪應急處理一定要快，這也要求地面相應的配套工作能跟上，監測到洪水后，相應的決策、救災方面的工作也要跟上。
衛星遙感監測地面有個重返周期的問題，這和衛星軌道有關。目前，衛星差不多10來天繞地球一圈，有時候某地突發洪水，恰好有衛星經過，就能較快獲得數據。
如果多顆衛星組網，形成衛星群，數據獲取頻次會大大提高。隨著我國發射的衛星越來越多，衛星網絡逐步完善，監測效率也會迅速提高。世界洪水系統目前還面臨一定的挑戰。因為衛星比較小，它還要完成其他任務，所以做模型的時候，如果處理的數據量過大，就會帶來芯片的高能耗問題，有可能會影響衛星的運行壽命。
多手段結合顯優勢
將人工智能技術應用于防洪抗災，世界各國都有過成功的嘗試。谷歌曾利用降雨、河流水位、洪水模擬等數據，利用機器學習創建過預測模型，可以使系統“提前一倍的時間”，同時還能向人們提供有關洪水深度等信息。美國Chesapeake保護協會也曾在微軟和佛蒙特大學的幫助下，開發出一種AI地圖，并用來預測、計劃和應對洪水。
去年8月，阿里巴巴達摩院曾升級遙感AI技術，開發出應用于防汛的水體識別算法，支持水利部相關監測與分析工作。在重點超警戒水位區，處理影像數量比平時提升5倍，影像分析速度提升百倍。
遙感和人工智能技術已經在防洪抗災中發揮了重要作用，尤其在大范圍水情監測上更顯優勢。但在小區域、快速反應方面，遙感技術還有待提高。在洪水應急監測中，目前已經實現衛星遙感、無人機、導航定位和地面水文監測站等多種監測手段的綜合使用。
對小范圍來說，無人機非常便捷，能夠快速獲取堤防損毀情況，而且我國在水利部門也配備了無人機系統，防汛隊伍也具備操作無人機或無人機組網的能力。但無人機觀測范圍、觀測時間有限，而且遇到較大風雨等惡劣天氣，無人機也無法執行任務，所以通常是多種手段結合來應對洪水。
資料來源：中國科學報
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