火山學(xué)家們正將衛(wèi)星對地面運(yùn)動的測量與人工智能相結(jié)合，以更準(zhǔn)確地監(jiān)測——并最終預(yù)測——火山爆發(fā)。盡管大約有8億人生活在距火山100公里以內(nèi)的地區(qū)
火山學(xué)家們正將衛(wèi)星對地面運(yùn)動的測量與人工智能相結(jié)合，以更準(zhǔn)確地監(jiān)測——并最終預(yù)測——火山爆發(fā)。
盡管大約有8億人生活在距火山100公里以內(nèi)的地區(qū)，但人類對這些潛在的自然災(zāi)害很少進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。但是，英國布里斯托爾大學(xué)的火山學(xué)家Juliet Biggs說，新興的方法使研究人員能夠時(shí)刻關(guān)注火山。
她的團(tuán)隊(duì)將于3月20日在新墨西哥州圣達(dá)菲舉行的一次會議上展示他們的工作成果，該工作使用機(jī)器學(xué)習(xí)來發(fā)現(xiàn)火山周圍地表變形的形成。
Biggs和她的同事借助執(zhí)行歐洲哨兵1號(Sentinel-1)任務(wù)的兩顆衛(wèi)星的雷達(dá)觀測。根據(jù)它們環(huán)繞地球的位置，探測器每隔6天、12天或24天收集一次關(guān)于世界火山的數(shù)據(jù)。當(dāng)它們反復(fù)經(jīng)過同一地點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星會測量它們與地面之間的距離。這可以表明距離是否隨著時(shí)間的推移而改變——例如，當(dāng)巖漿在火山下發(fā)生變化時(shí)，地面會上升或下降。
但這些數(shù)據(jù)也存在問題。大氣中的水蒸氣可以模擬地面變化的信號，研究人員在進(jìn)行雷達(dá)觀測時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。當(dāng)科學(xué)家們試圖在近乎實(shí)時(shí)的情況下工作時(shí)，這些大氣造成的影響尤其成問題。
研究大氣折射引起的火山圖像崎變的方法
Biggs的團(tuán)隊(duì)在開始研究哨兵1號發(fā)來的2017年11月印度尼西亞巴厘島阿貢火山爆發(fā)的圖像時(shí)，對這些水蒸氣造成的挑戰(zhàn)有了初步的了解。兩個(gè)月前，該地區(qū)發(fā)生了數(shù)百次小地震，迫使14萬人疏散。
阿貢火山周圍的大氣折射引起的圖像崎變使研究小組研究火山周圍地面變形的工作復(fù)雜化。但是，當(dāng)Biggs和她的同事們設(shè)計(jì)出一種方法來校正大氣信號時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)阿貢火山北側(cè)的地面上升了10厘米，并向鄰近的一座火山傾斜。該研究小組上月在《自然通訊》上發(fā)表報(bào)告稱，地面的移動表明巖漿可能在連接兩座火山的天然管道系統(tǒng)中移動。研究小組并沒有試圖預(yù)測阿貢火山的噴發(fā)，但是他們“從這個(gè)例子中學(xué)到了很多”，Biggs說。
布里斯托爾大學(xué)的地球物理學(xué)家Fabien Albino是該研究小組的成員，他現(xiàn)在正在開發(fā)一種方法，可以在近乎實(shí)時(shí)的天氣模型的幫助下，快速糾正大氣折射引起的圖像崎變。
如果它能預(yù)測某一特定區(qū)域的大氣干擾，那么他就能從衛(wèi)星雷達(dá)數(shù)據(jù)中識別出可能由水蒸氣而非火山動蕩引起的異常信號。Albino說，這項(xiàng)工作仍處于早期階段，但它最終可能提供一種更快速地評估在阿貢火山發(fā)生的變化的方法。
Biggs 和她的同事們現(xiàn)在正努力加快對全球火山的監(jiān)測。他們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)掃描了3萬多張哨兵1號收集的圖像，其中包括900多座火山，并標(biāo)記了約100幅圖像以供進(jìn)一步研究。研究小組去年報(bào)告稱，其中至少有39個(gè)是對實(shí)際地面變形的準(zhǔn)確探測。 Biggs 說，通過使用一種算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步排序，研究人員可以節(jié)省更多的時(shí)間來更好地跟蹤感興趣的火山。
該團(tuán)隊(duì)還在對模擬火山爆發(fā)產(chǎn)生的合成數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。布里斯托爾大學(xué)的電氣工程師Pui Anantrasirichai將在圣達(dá)菲會議上介紹這項(xiàng)工作。
其他預(yù)測火山爆發(fā)的方法
在利茲大學(xué)，由地球物理學(xué)家Andrew Hooper領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組正在開發(fā)另一種方法來自動檢測潛在的干擾跡象。Hooper和他的同事沒有像Biggs的團(tuán)隊(duì)那樣對哨兵1號的雷達(dá)圖像進(jìn)行分類，而是使用了一種搜索衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化的技術(shù)。如果火山的地面已經(jīng)發(fā)生變形，Hooper的方法可以在變形開始加速、減速或以其他方式發(fā)生變化時(shí)發(fā)出信號。這將使研究人員能夠在很長一段時(shí)間內(nèi)探測到哪怕是很小的地面變化。
這是一種不同于Biggs工作的分析類型，但是這兩個(gè)小組的最終目標(biāo)都是“隨時(shí)處理所有火山的數(shù)據(jù)”，Hooper說。
Biggs和Hooper計(jì)劃在一個(gè)全球火山地面變形數(shù)據(jù)庫上測試他們的方法，該數(shù)據(jù)庫由英國地震、火山和構(gòu)造觀測與建模中心(Centre for Observation and Modelling of, volcano and Tectonics)主辦。但由于數(shù)據(jù)庫存在一些技術(shù)問題，研究人員尚未對他們的技術(shù)進(jìn)行并排比較。
其他科學(xué)家，如紐約康奈爾大學(xué)伊薩卡分校的火山學(xué)家 Matt Pritchard，正在試圖開發(fā)一種算法，利用諸如地表溫度、火山灰和氣體排放等其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)火山的變化。 Pritchard與Biggs等人合作，希望利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對美國宇航局的Terra和Aqua衛(wèi)星17年來的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。
關(guān)鍵詞： 火山爆發(fā) 人工智能 衛(wèi)星數(shù)據(jù)
