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          研究人員利用AI和衛星幫助預測火山爆發

          時間:2019-3-9, 來源:互聯網, 資訊類別:行業知識

          導讀:火山學家們正將衛星對地面運動的測量與人工智能相結合,以更準確地監測——并最終預測——火山爆發。

          盡管大約有8億人生活在距火山100公里以內的地區,但人類對這些潛在的自然災害很少進行持續監測。但是,英國布里斯托爾大學的火山學家Juliet Biggs說,新興的方法使研究人員能夠時刻關注火山。

          她的團隊將于3月20日在新墨西哥州圣達菲舉行的一次會議上展示他們的工作成果,該工作使用機器學習來發現火山周圍地表變形的形成。

          Biggs和她的同事借助執行歐洲哨兵1號(Sentinel-1)任務的兩顆衛星的雷達觀測。根據它們環繞地球的位置,探測器每隔6天、12天或24天收集一次關于世界火山的數據。當它們反復經過同一地點時,衛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間的推移而改變——例如,當巖漿在火山下發生變化時,地面會上升或下降。

          但這些數據也存在問題。大氣中的水蒸氣可以模擬地面變化的信號,研究人員在進行雷達觀測時必須考慮到這一點。當科學家們試圖在近乎實時的情況下工作時,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的團隊在開始研究哨兵1號發來的2017年11月印度尼西亞巴厘島阿貢火山爆發的圖像時,對這些水蒸氣造成的挑戰有了初步的了解。兩個月前,該地區發生了數百次小地震,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雜化。但是,當Biggs和她的同事們設計出一種方法來校正大氣信號時,他們發現阿貢火山北側的地面上升了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》上發表報告稱,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中移動。研究小組并沒有試圖預測阿貢火山的噴發,但是他們“從這個例子中學到了很多”,Biggs說。

          布里斯托爾大學的地球物理學家Fabien Albino是該研究小組的成員,他現在正在開發一種方法,可以在近乎實時的天氣模型的幫助下,快速糾正大氣折射引起的圖像崎變。

          如果它能預測某一特定區域的大氣干擾,那么他就能從衛星雷達數據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生的變化的方法。

          Biggs 和她的同事們現在正努力加快對全球火山的監測。他們已經創建了一個神經網絡,該網絡已經掃描了3萬多張哨兵1號收集的圖像,其中包括900多座火山,并標記了約100幅圖像以供進一步研究。研究小組去年報告稱,其中至少有39個是對實際地面變形的準確探測。 Biggs 說,通過使用一種算法對數據進行初步排序,研究人員可以節省更多的時間來更好地跟蹤感興趣的火山。

          該團隊還在對模擬火山爆發產生的合成數據進行神經網絡訓練。布里斯托爾大學的電氣工程師Pui Anantrasirichai將在圣達菲會議上介紹這項工作。

          其他預測火山爆發的方法

          在利茲大學,由地球物理學家Andrew Hooper領導的一個小組正在開發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的團隊那樣對哨兵1號的雷達圖像進行分類,而是使用了一種搜索衛星數據變化的技術。如果火山的地面已經發生變形,Hooper的方法可以在變形開始加速、減速或以其他方式發生變化時發出信號。這將使研究人員能夠在很長一段時間內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,但是這兩個小組的最終目標都是“隨時處理所有火山的數據”,Hooper說。

          Biggs和Hooper計劃在一個全球火山地面變形數據庫上測試他們的方法,該數據庫由英國地震、火山和構造觀測與建模中心(Centre for Observation and Modelling of, volcano and Tectonics)主辦。但由于數據庫存在一些技術問題,研究人員尚未對他們的技術進行并排比較。

          其他科學家,如紐約康奈爾大學伊薩卡分校的火山學家 Matt Pritchard,正在試圖開發一種算法,利用諸如地表溫度、火山灰和氣體排放等其他衛星數據來發現火山的變化。 Pritchard與Biggs等人合作,希望利用機器學習技術,對美國宇航局的Terra和Aqua衛星17年來的數據進行篩選。


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