澳大利亞的一支研究小組正在利用技術(shù)監(jiān)測全球氣候變化，并追蹤其對全球最大的生物體造成的影響。

▲ 圖左為AIMS船，研究小組利用它測試大堡礁上的無人機與高光譜相機，圖右則為安裝在無人機上的高光譜相機（左圖來源/Scott Bainbridge, AIMS; 右圖來源/QUT）

統(tǒng)計數(shù)字向我們揭示了鮮為人知的事實。全球知名的大堡礁總長達2300公里，其中包括2900座珊瑚礁，面積超過34萬4千平方公里，這使其成為世界上最大的生物有機體以及聯(lián)合國教科文組織認(rèn)定的世界遺產(chǎn)。

來自布里斯班昆士蘭科技大學(xué)（簡稱QUT）的一組研究人員，正在監(jiān)測位于澳大利亞東北部海岸附近的珊瑚礁，旨在尋找由工業(yè)活動以及全球變暖等各類環(huán)境壓力引發(fā)的礁體變白跡象——這種跡象，意味著珊瑚礁正在失活解體。

這支研究小組由昆士蘭科技大學(xué)副教授Felipe Gonzalez領(lǐng)導(dǎo)，其亦在與澳大利亞海洋科學(xué)研究所（簡稱AIMS）合作——該研究所多年以來一直負(fù)責(zé)監(jiān)測珊瑚礁的健康狀況。AIMS方面利用飛機、水下裝置與NASA衛(wèi)星圖像收集特定珊瑚礁健康狀況的數(shù)據(jù)，然而，這些方法各自存在不同的缺點，其中衛(wèi)星圖像的分辨率相對較低，而固定翼飛機及直升機的成本則太過高昂。

因此，Gonzalez正在嘗試對商用無人機進行改裝，包括為其加裝高分辨率數(shù)碼相機與高光譜相機。監(jiān)測工作將在距離海岸線15-70公里的水域進行。無人機在礁石上方60米處飛行，并由高光譜相機拍攝距離水面3米以內(nèi)的珊瑚礁數(shù)據(jù)。這將大大擴展觀測工作的覆蓋范圍，從而為AIMS的發(fā)現(xiàn)提供重要的驗證素材。

Gonzalez解釋稱，數(shù)碼相機主要用于對進行研究的單一珊瑚礁進行傳統(tǒng)3D模型構(gòu)建。然而，這種傳統(tǒng)相機只能從三個光譜通道實現(xiàn)光線捕獲，即紅色、綠色與藍色，涵蓋電磁光譜中波長380到740納米的區(qū)間。相比之下，高光譜相機則能夠拍攝到270納米光譜帶的反射光。

如果需要投入一年甚至更長的時間才能讓該團隊確認(rèn)并向AIMS報告珊瑚礁中的某一部分正在快速分解，那么拯救工作可能根本來不及進行。

Gonzalez表示，“高光譜成像大大提高了我們根據(jù)光譜特性監(jiān)測珊瑚礁狀況的能力。這是因為構(gòu)成珊瑚礁環(huán)境的每一個組成部分——包括水、沙子與藻類等——都有著自己的光譜特征，泛白與未泛白的珊瑚也是如此。”

然而，珊瑚礁覆蓋范圍的擴大與所收集數(shù)據(jù)的豐富性又給團隊帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的AIMS潛水器能夠在運行當(dāng)中收集珊瑚礁上40個不同位點的信息，相比之下單張高光譜圖像就提供超過4000個數(shù)據(jù)點。因此，一架無人機飛行過后就能夠帶來高達數(shù)千GB的原始數(shù)據(jù)，其內(nèi)容必須進行處理與分析。在最初處理數(shù)據(jù)時，研究小組嘗試使用PC、自定義軟件工具與昆士蘭科技大學(xué)的高性能計算機。但整個過程耗時數(shù)周，期間計算機一直在不斷維持高強度運轉(zhuǎn)。

▲ 澳大利亞大堡礁潘多拉礁拍攝圖

因此，該團隊申請并成功加入贊助性質(zhì)的微軟AI for Earth計劃。此項計劃旨在為研究全球環(huán)境挑戰(zhàn)的研究人員提供軟件工具、云計算服務(wù)以及AI深度學(xué)習(xí)資源。

Gonzalez指出，“現(xiàn)在，我們能夠利用微軟通過云端提供的AI工具以補充我們的原有工具儲備，并快速標(biāo)記不同的光譜特征。因此，根據(jù)具體數(shù)據(jù)的不同，以往需要花費三到四周才能處理完成的無人機拍攝數(shù)據(jù)，如今只需要兩到三天就能消化完畢。”

這種數(shù)據(jù)處理加速效果發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。如果需要投入一年甚至更長的時間才能讓該團隊確認(rèn)并向AIMS報告珊瑚礁中的某一部分正在快速分解，那么拯救工作可能根本來不及進行。

Gonzalez同時補充稱，“由于能夠及早獲知，政府將能夠采取更快的行動以保護珊瑚礁中的瀕危區(qū)域。”

他還強調(diào)，高光譜成像的使用目前已經(jīng)成為各個領(lǐng)域中遙感工作層面的高增長方向，具體包括農(nóng)業(yè)、礦物測量、測繪以及水資源定位等等。

舉例來說，他和昆士蘭科技大學(xué)的同事們亦在利用此項技術(shù)監(jiān)測可能受病原體、真菌或者蚜蟲影響的森林、小麥作物以及葡萄園。

與此同時，在接下來的兩個月當(dāng)中，Gonzalez還將繼續(xù)處理從珊瑚礁處收集到的光譜數(shù)據(jù)；而后在今年9月，他將啟動第二輪無人機飛行掃描。

他總結(jié)道，“我們的目標(biāo)是重返A(chǔ)IMS已經(jīng)進行過變化監(jiān)測研究的四片珊瑚礁，而后將監(jiān)測擴展到新的珊瑚礁區(qū)域。”