2018年5月27日美國馬里蘭州埃利科特市一場暴雨襲來，在不到3小時的時間里降水量超過超過6英寸，造成一人死亡。主要街道變成了急流，汽車像水中的橡皮鴨一樣漂浮不定。國家氣象局將這種暴雨的概率稱為千年一遇，然而，“這是過去三年中第二次發生這種情況，”環境保護組織切薩皮克保護協會保護技術主任杰夫·艾倫比(Jeff Allenby)如是指出。
埃利科特市發洪水并不是什么新鮮事，這里有兩條支流與帕塔普斯科河匯合。但艾倫比表示，隨著開發項目覆蓋了曾經是“森林天然海綿”的土地、山坡和草坪，洪水變得越來越嚴重。就在5月27日洪水發生的幾天前，美國國土安全部根據其2016年的洪水發生情況，選擇了埃利科特市開展試點項目，通過自動傳感器為居民提供更好的洪水預警。
最近，艾倫比開發了另一種工具來幫助預測，計劃和應對突如其來的洪水：這是一張獨一無二的高分辨率地圖，顯示出地面建筑物，人行道，樹木和草坪等信息數據——這張地圖涵蓋了從紐約州北部到弗吉尼亞州南部10萬平方英里區域，一直延伸至切薩皮克灣。在人工智能的幫助下，航拍圖像生成地圖能夠顯示的物體小至3平方英尺，比洪災預測著以前使用的地圖精確約1,000倍。為了理解這種差異，你想象一下，此前就是試圖在擁擠的城市街道上使用只能顯示沃爾瑪超市大小的地圖來識別Uber司機。
在微軟和佛蒙特大學的幫助下，繪制這張地圖耗時一年，耗資350萬美元。艾倫比的團隊仔細研究航拍圖像，道路圖和分區圖，以建立規則，分類對象和清楚錯誤。 “一旦我們完成了第一個數據集，”艾倫比說，“每個人都開始問’你打算什么時候再做一次?’”從而保持地圖持續更新。
這多虧了人工智能。微軟幫助艾倫比的團隊訓練其人工智能來自動識別物體。即使擁有強大的數據集，訓練算法并不容易。這項工作需要定期進行“像素窺視” ——手動放大對象以驗證和修改機器的識別結果。通過多次訓練，該算法提高了識別水道、樹木、田野、道路和建筑物的能力。隨著相關新數據的出現，切薩皮克保護協會計劃使用人工智能來更新地圖，比最初耗費數百萬美元的勞動密集型工作更頻繁、更容易。
人工智能是如何預防自然災害的
圖示：馬里蘭州埃利科特市附近的一幅土地開發地圖，是在人工智能(左)的幫助下生成的，比它的前身(右)提供了更多的細節。
現在，微軟正在向更多人提供這一工具。只需花上42美元，任何人都可以通過微軟的AI for Earth平臺運行2億張航拍圖像，并在10分鐘內生成關于整個美國的高分辨率地圖。當然，在美國的其他地方，由于人工智能算法沒有在當地條件下進行訓練，結果就沒有那么精確 ——一棵紅木樹或仙人掌看起來就像柳樹或橡樹。
對于一個癡迷于地理位置和地圖服務的社會來說——現實世界每天都在數字世界中展開——這一成就似乎并不具有開創性的意義。而現在，特別對于非盈利組織的環境目的來說，高分辨率數據和人工智能更具有成本效益。隨著微軟的倡導，人工智能在全球范圍內即將成為商品。
艾倫比說，在設計雨水管理系統時，最新的詳細信息至關重要。他說：“用人工智能的力量觀察這些系統，可以顯示出何時會出現洪水”。位于埃利科特市的非營利組織“流域保護中心”在2001年的一項研究報告中指出，當10%的自然土地得到開發時，河流的健康狀況就會下降，并開始失去控制徑流的能力。如果開發的自然土地達到20%，徑流量與未開發的土地相比會增加一倍。艾倫比指出，埃利科特城的鋪砌表面和建筑物占地面積近年來已經達到了19%。
艾倫比說，更詳細的地圖將使規劃人員能夠跟上土地利用的變化，并規劃可以容納更多水量的排水系統。最終，當新開發項目有可能威脅到暴雨管理能力時，該地圖的警報系統將提供“實時儀表板”和自動警報。華盛頓特區的城市林業局利用新的地圖，通過在該地區搜尋沒有樹木覆蓋的地區來確定植樹位置。今年早些時候，切薩皮克保護協會開始與愛荷華州和亞利桑那州的保護組織合作，開發針對當地景觀的算法訓練集。
高分辨率成像和傳感器技術、人工智能以及云計算的結合使環保人士能夠更深入地了解地球的健康狀況。其結果是近乎實時地讀出地球的生命體征，每當環境出現惡化時，就會發出警報。
世界各地的其他人也在應用這些技術。全球森林觀察(GFW)是由世界資源研究所成立的一個保護組織，該組織在2016年開始提供每月和每周的森林砍伐警報，該警報由Orbital Insight開發的人工智能算法提供支持。根據該組織的網站，該算法分析衛星圖像，當它被刷新時，就會檢測出“可能表明即將發生的森林砍伐的模式”。使用GFW的移動應用程序，森林觀察者、志愿者和森林護林員就會前往警告現場，驗證諸如印度尼西亞Leuser生態系統等地方發出的自動警報，該生態系統自稱為“地球上最后一個在野外發現猩猩，犀牛，大象和老虎的地方”。”
新的保護方法也在向海洋拓展。 6月4日，保羅艾倫慈善基金會與卡內基科學研究所、昆士蘭大學、夏威夷海洋生物學研究所以及私人衛星公司Planet合作，在2020年之前繪制了涵蓋世界上所有珊瑚礁的地圖。正如Planet副總裁安德魯?佐利(Andrew Zolli)解釋的那樣：這時“歷史上第一次”，新工具達到了“從地球層面解決問題的水平”。
截至2017年底，Planet已經部署了近200顆衛星，在全球范圍內形成一條鏈路，每天將整個地球的衛星圖像壓縮至3米分辨率。每天都有數萬億像素生成，如果沒有訓練有素的人工智能算法來解釋它們，它們永遠不會轉化為有用的地圖。該合作伙伴關系利用了卡內基研究所的計算機視覺工具和昆士蘭大學的當環境數據，其中包括珊瑚，藻類，沙子和巖石的信息。
“今天，我們還不知道全球珊瑚白化事件的確切地理位置，速度和頻率，”卡內基全球生態系科學家格里格?阿斯納(Greg Asner)解釋道。根據已知情況，科學家們預測，到2050年世界上90%以上的珊瑚礁將會滅絕，而這些珊瑚礁包含著25%的海洋生物。保羅艾倫慈善基金會環境影響主管勞倫·凱克姆(Lauren Kickham)預計，這一合作關系將使人們清楚滴看到全球的珊瑚礁危機，使科學家能夠每天跟蹤珊瑚礁的健康狀況。
在另一項與Planet和卡內基研究所合作的珊瑚礁項目中，自然保護協會正在利用卡內基的計算機視覺人工智能開發了一幅關于加勒比海盆地淺水區的高分辨率地圖。“通過了解這些系統如何生存以及它們如何適應環境，也許不是我們這一代，但也許是下一代將能夠將曾經的珊瑚礁找回來，”自然保護協會加勒比海珊瑚礁項目負責人路易斯?索羅扎諾(Luis Solorzano)說。
繪圖服務對保護來說并不陌生。地理信息系統多年來一直是保護工具中的主要內容，通過提供交互式地圖，從而促進環境監測，監管執法和保護規劃。但是，繪圖服務的質量取決于底層數據，而獲取和維護質量更高的原始數據對于環保組織來說可能過于昂貴。因此，許多自然保護主義者采用了免費提供的服務，例如美國地質調查局提供的30米分辨率圖像。
埃利科特城和切薩皮克河流域展示了人類應對氣候變化的挑戰以及人類活動對環境的影響。自20世紀50年代以來，海灣的牡蠣礁已經減少了80%。生物學家在20世紀70年代就在切薩皮克灣發現了地球上第一個海洋死亡區。藍蟹數量在20世紀90年代急劇下降。自1895年以來，海平面上升了一英尺多，根據2017年國家海洋和大氣管理局(NOAA)的報告，到本世紀末，海平面可能會上升6英尺。
艾倫比于2012年加入切薩皮克保護協會，當時科技公司提供來一筆資金，用于探索技術如何幫助保護環境。艾倫比想辦法利用技術來來幫助土地管理者(就像埃利科特市的那些人一樣)，改進聯邦應急管理局曾用于洪水防范的30米分辨率航拍圖像。
2015年，艾倫比與佛蒙特大學聯系，在一個更大項目上尋找合作伙伴。而后者是全國公認的制作縣級高分辨率地圖的專家。他們在2016年從州和地方政府財團以及非營利組織獲得資金。在為期一年的努力中，涉及到整合來自航拍地圖，路線圖和分區圖表等不同來源的數據。隨著數據集匯集在一起，一名保護委員會成員將Allenby介紹給了微軟，后者急于展示如何利用其人工智能和云計算來支持環境保護事業。
“我們在看到了解有關地球健康狀況的基本信息方面遠遠落后，而看到這種能力的缺失是我人生中的挫折，”微軟負責地球人工智能的首席環境科學家盧卡斯·喬帕(Lucas Joppa)表示， “并且我也看到，那些在一線解決環境可持續性等問題的人，往往身處資源最少的組織中，卻無法利用現有的技術。”
然而，最終的問題是，這些由人工智能驅動的地圖所提供的診斷是否能夠及時起效，從而幫助解決人類造成的環境問題。
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