Faculty of Science, The Chinese University of Hong Kong (CUHK) - 刘琳 教授 (地球系统科学课程)

中大理学人

研之成理:
冰解冻释 —— 利用人工智能自动观测冰雪圈退化概况

 

刘琳 教授

地球系统科学课程

 

冰解冻释 —— 利用人工智能自动观测冰雪圈退化概况
2020年6月20日,千里之外、北极圈以北的维尔霍扬斯克小镇 (Verkhoyansk) ,卫星录得摄氏38度历史高温,重燃大众对冰雪圈 (Cryosphere) 剧变的关注。过去数十年间,冰雪圈,亦即涵盖地球表面下的冰冻地方,包括冰川、冰架、海冰、多年冻土等,一直为全球变暖付上沉重代价。冰雪圈地球物理学家、地球系统科学课程刘琳教授,透过近年炙手可热的人工智能技术,成功开发一套有效分析卫星照片的系统,让科学家迅速监测全球冰雪圈的情况,有别长久以来学界依赖人力的遥感观测工作。

 

冰雪圈危机
全球暖化问题日益严重,冰雪圈的结构首当其冲受到不可逆转的影响。刘教授指出,虽然冰雪圈的变化对香港的影响看似遥不可及,但原来我们的生活早已因其而受影响,例如夏天愈来愈热、在冬季时「打风」,或是遇上严寒冬天等等反常天气。

在地球物理学家眼中,这些现象并不是那么直观。冰雪圈的变化并非限于极地,冰川融化后会导致海平面上升,造成沿海低洼地区水浸,甚至淹没,意大利的威尼斯便是最佳例证,而香港亦有可能遇上类似情况。冰雪圈融化的冰水亦会影响洋流运动及深一层的大气环流,诱发全球极端天气、气候反常等现象,影响生态系统平衡。另一方面,冻土层解冻,其蕴藏的大量有机碳,以二氧化碳和甲烷形式释放到大气中,加剧全球暖化的恶性循环。即使冻土层未有完全融化或是全年解冻,只要未冻结的水体增加,便足以活化原先在冻土中休眠的细菌、真菌、病毒等微生物。冰雪圈变化所造成的涟漪效应,对人类的影响实在是难以估计。

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刘教授早前运用了其团队研发的人工智能深度学习技术,分析格陵兰岛雅各布港冰川 (Jakobshavn Isbrae) 的卫星照片。
冰川与海汇合的地方在短短五年间出现「前端崩解 (Calving Front)」(图中红线),其变化对整个冰盖的稳定性至关重要,也反映到全球暖化对冰雪圈退化的影响。(影片截图由受访者提供)

 

地球科学家的研究「神器」
地球科学家的研究对象是地球系统各部份之间的互动,包括大气圈、水圈、冰雪圈等等,了解其变化需透过分析遥感观测 (Remote sensing) 所得出的卫星照片。在中大联合书院和新亚书院之间的山头,屹立住一个巨型白色球体,俗称「UC波」,正是卫星遥感地面接收站,它也是香港唯一的国家级卫星遥感基地。

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屹立在中大、全港唯一的国家级卫星遥感基地,俗称「UC波」。


研究冻土层变化的传统方式,受到多种条件限制。以西藏高原为例,其偏远以及极端环境令科学家难以经常登上相关地带,或是只可在一年中的夏季进行实地考察,观察冻土改变。但即使登上地带,碍于人手所限,科学家也难以作出大范围的观测,得出准确的冻土变化结果。遥感观测得出的卫星照片此时大派用场,让科学家可以持续观察整遍地区的地貌改变。

 

利用人工智能观测冻土变化
然而,当遇上在短时间内,因冻土退化而形成的冰融喀斯特地形 (Thermokarst),当中牵涉的变化可能只是一至两米,考起用以侦测的传统软件之外,其范围之大也难以一一用人手分析。随着人工智能的发展渐趋成熟,刘教授便想到用它取代原先动员大量人力的卫星照片分析工作。但是人工智能也不是坐享其成的神仙棒,系统事前需透过无数的监督学习 (Supervised learning) ,才能掌握相关技巧,自动化完成工作。电脑的分析并非百分百准确,但刘教授指出,利用人工智能分析卫星相片可降低原有方法的人为误差。

开发人工智能自动观测工具过程充满挑战。传统人工智能深度学习框架DeepLab,在处理图片上有一定局限,因为本身的开发用途是用于分析日常图像,例如分辨猫和狗;若直接把其应用在卫星图片上,图片上的毫厘之差跟实际情况却有很大出入。刘教授近期发表的一篇学术文章,便是关于他成功研发的深度学习方法「DeepThaw」。「DeepThaw」现时能准确分析卫星图片中二百多种冰融喀斯特地形及变化,背后也经一番努力。系统需先分析海量西藏高原冻土的卫星图片,再透过刘教授等一众专家的专业知识进行训练及修正,最后他们还会实地覆检图片中目标范围的冻土退化情况。反覆的学习和人工修正大大提升系统的准确度,达到自动化分析冻土卫星图片的目标,也是人工智能成功应用在地貌科研的一大里程碑。这个概念获得 2019-2020 研究资助局优配研究金 (GRF) 的支持,刘教授希望系统未来可扩大应用范围,由现在覆盖西藏高原 1%,提升至 10% 甚至更高。

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刘教授在西藏高原考察因冻土退化而形成的冰融喀斯特地形。


人工智能大大提升科学家研究的效率,未来也许会取代一定人手。过往的冻土地形分析,可能用上十天的人手,工作自动化后只需两小时便准确完成,刘教授笑指:「有些人可能面临失业危机,不过科学家可以投放更多时间,透过更频密的自动化卫星图片监测,更容易了解冻土退化的机理,以便及早作出介入和预警」。

 

解救全球暖化危机
在2015年,联合国气候峰会通过了《巴黎协定》,规范各国进一步降低温室气体排放量。然而,减慢全球暖化的步伐,仍取决于各国政府的立场。刘教授也提到,包括他在内的科学家致力参与和发布的研究成果,会收录在联合国政府气候变迁专门委员会 (Intergovernmental Panel on Climate Change) 每隔五至七年整理一次的综合评估报告,报告旨在向世界提供针对现代气候变化的科学观点,是各国决策者制定气候相关法案时的重要参考指标。刘教授也乐于在公众媒体中分享他的研究成果,希望唤起大众对冰雪圈退化的关注,重视绿色生活,合力减低碳足迹,为环境保护出一分力。

文:熊思敏  |   编辑:宋嘉恩