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人工智能+大数据 智慧环保未来很惊艳

发布时间:2019-01-23 10:28:22   来源:◎本刊记者 刘国伟    浏览次数:306

【人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量,加快发展新一代人工智能,事关我国能否抓住新一轮科技革命和产业变革的战略机遇。在环保领域,已有不少身怀人工智能和大数据技术的企业跃跃欲试。那么,人工智能等技术在环保领域的哪些方面大有用武之地?请看世界各国的一些成功案例。】

超级项目“地球人工智能”

人工智能+大数据 智慧环保未来很惊艳

美国康奈尔大学的两位工作人员,正在肯尼亚桑布鲁国家自然保护区里录制大象叫声。

人工智能(AI,Artificial Intelligence的缩写)虽然在当下风靡大江南北,但其概念尚未达成普遍共识。按照现代人工智能概念提出者约翰·麦卡锡的说法,机器未必要像人一样思考才能获得智能,重点在于让机器能解决人脑所能解决的问题。纵观天下,人脑所能解决的问题成千上万,但是有些问题真要用人脑来解决,不仅靡费时光和金钱,效果也未必佳,这时候就该人工智能登场了。美国微软公司目前主推的“地球人工智能”就是这样一个超级项目。

2017年,微软发起“地球人工智能”计划时,指出该计划主要为农业、水资源、生物多样性和气候变化这四大领域的问题提供可持续的解决方案,因为这些领域被视为涉及地球健康和人类未来的关键领域。在新加坡出生的数据科学家卓伟雄(Wee HyongTok)率领的团队,试图用人工智能、机器学习和云技术来解决当前世界上最棘手的一些问题,他们获得了微软5000万美元的资金支持,目前已取得不俗成绩。以地表覆盖遥感制图为例,这项工作的传统做法耗时耗力,但使用机器学习算法后,人工智能技术用10分钟就处理完2亿多张卫星图片,为人类应对城市化、污染、植被退化以及自然灾害等诸多环境挑战提供了极大便利。在过去,这项工作需要耗费数月才能完成。

农场节拍:帮农民规划种植方案

微软另一个著名的“农场节拍”项目,则是为数据驱动型农业而开发的,旨在帮助印度和美国的农民以更科学的方式调整种植方案,以让他们获得更好的收成。

微软还使用机器学习的方法监控野生动物的行为,并对当下的自然保护工作进行评估。微软用精密算法支持美国康奈尔大学鸟类学实验室的大象监听项目,帮助科学家研究中亚吉尔吉斯斯坦雪豹和非洲刚果大象的数量,甚至帮助研究人员和生态保护者区分森林大象的声音与热带雨林中的其他杂音。

微软的“预感”项目则分析蚊子从同一生态系统中的其他动物身上吸走的血液,来收集有价值的生态数据。该项目也用到人工智能技术。

植物医生:建全球最大病虫害数据库

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APP“植物医生”由总部位于德国柏林的匹特公司开发,这是“植物医生”的操作界面。

出于对气候变化、人口增长和粮食安全的担忧,越来越多的国家也用人工智能技术,来保障和改善农业生产环境。有国外市场研究媒体认为,这些大体可分为三类:农作物和土壤检测,即利用计算机视觉和深度学习算法来处理由无人机结合软件技术获取的农作物和土壤数据;农业机器人,即能以更高效率收获农作物和干好其他农活的智能机器人;预测分析,即利用机器学习模型跟踪和预测对农作物产量产生影响的环境因素。

2017年起,印度农民在田间地头使用的手机应用(APP)“植物医生”(Plantix),就是上述第一类农作物检测应用。该APP是总部位于德国柏林的只有30人的匹特公司为农民和园丁等开发的,能够借助图像识别,诊断植物病虫害和营养缺乏并提供可持续性的处理方案,还可为用户提供社区网络讨论问题。匹特公司凭借“植物医生”吸引了两轮风险投资,在2017年9月被《财富》杂志列为“改变世界”的6家公司之一。

“植物医生”APP开发于2016年。它利用深度学习技术,从全球上百万用户每天上传的新图像中不断学习和提高自己的诊断能力,建立起全球最大的植物病虫害数据库,对土壤营养和病虫害问题给出医治和预防措施。截至2017年底,全球155个国家的用户安装使用了该APP,受到业内主流媒体的追捧。匹特公司因此还与国际半干旱热带作物研究所(ICRISAT)、国际玉米和小麦改良中心(CIMMYT)和国际应用生物科学中心(CABI)等建立了合作关系。在印度这样一个幅员辽阔,农业饱受干旱和现代化手段缺乏等问题困扰的国家,农民们经常用不同的名词形容同一种植物病虫害,而图像识别技术显然能克服农民语言沟通上的障碍。有鉴于此,印度安得拉邦甚至把“植物医生”APP纳入到当地政府的推广服务中来。

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2017年起,APP“植物医生”被引入印度,并广受印度农民欢迎。

农场直击:精确显示农场亏损及原因

瑞士作物保护和种子生产商先正达开发的APP——“农场直击(FarmShots)”,它不同于“植物医生”,其特色是利用高分辨率卫星和无人机成像设备搜集数据,并分析、传送植物的健康状况,甚至能精确显示农场出现的亏损以及具体原因。该APP甚至可以安装在签有数据协议的拖拉机上,用类似平板电脑的界面跟踪农场各部门使用的种子、肥料、水、除草剂和杀虫剂的数量,有效避免资源浪费和不必要的成本支出。值得一提的是,中国化工已经在2017年斥资430亿美元收购了先正达。

杰斐逊项目:人工智能守护乔治湖

位于美国纽约州的乔治湖因其旖旎的风光,被称为“全美湖泊女王”,是北美著名的旅游胜地。多年来,环保组织和研究机构对乔治湖宝贵的淡水资源不断进行监测和保护。

过去30多年来,许多专家关注着这个湖泊,发现它的藻类和化学物质水平变化很大。其中一个重要原因是冬季附近公路上使用的融雪盐进入湖里,这对整个湖泊的生态系统产生了不利影响。为了科学准确地对乔治湖的现状进行评估和管理。2014年伊始,美国IBM公司和伦斯勒理工学院合作开展了治理乔治湖的“杰斐逊”项目,收集、筛选大量数据并开展分析。

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2014年伊始,美国IBM公司和伦斯勒理工学院合作开展了治理乔治湖的“杰斐逊”科研项目。

60多名专家和学者参与该项目,他们耗费18个月时间从湖面浮标和取样站中的传感器获得了海量数据,精细程度前所未有。利用这些数据,专家们每天精确记录降水、风速和温度信息,详细计算出流入湖泊的径流数量,还对湖泊中受盐度影响最大的6个地区的盐分水平进行测量。团队采用图像识别软件来研究湖内浮游生物,最终发现湖水生态和各种威胁因素之间的相关性。该成果不仅有助于乔治湖水资源的保护,也有助于为世界各地淡水水体的保护探出新路。

牡蛎的互联网:让养殖户减少损失

在澳大利亚的塔斯马尼亚,由于担心养殖区受到工业污染物影响,每当天降大雨后,养殖场都要按政府要求关闭养殖区,这给养殖产业带来不利影响。为此,澳大利亚耶尔德农业科技公司用人工智能和物联网技术开发出“牡蛎的互联网”系统。该系统利用遍布河口的实时传感器持续监控养殖区周围的水质,获得的数据发往微软的“天蓝(Azure)”云计算平台,再通过机器学习和分析,为养殖户和监管机构提供预测。该解决方案为牡蛎养殖户显著减少了因降雨造成的养殖区关闭时间,养殖户由此每年多出了4周的正常养殖时间。

易鸟:观鸟者绘制的鸟类全景图

2013年的一个早晨,退休的美国野生生物学家鲍勃·马丁卡在蒙大拿州的草原上,用望远镜发现一棵杨树上落了12只大蓝鹭,然后他掏出自己的智能手机,他没有打电话而是把鸟群的数量和品种信息输入一个APP,系统又将信息传送给位于纽约的研究人员。他使用的APP来自业内鼎鼎大名的鸟类保护项目“易鸟(eBird)”,这是美国康奈尔大学的非营利组织鸟类学实验室承担的研究项目。

无数如鲍勃·马丁卡这样的观鸟者用自己的肉身做了该实验室的“生物传感者”,他们上报看到鸟类的时间、地点、数量和种类。马丁卡目击的12只大蓝鹭不过是沧海一粟,但集腋成裘,数百万份这样的信息会为科学家绘出一幅巨大的全景图。

自从2002年项目启动以来,“易鸟”的鸟类活动数据每天都在增长中。截至本文发稿,该数据库里的鸟类图片有9800066张,音频412627份,视频57993份,记录了分布在200多个国家和地区的10万多个物种。《环境与生活》杂志记者发现,易鸟网站上也有中国观鸟者的活跃身影,迄今中国提供最多记录的是一位注册名为Qin Huang的网友,他留下了942条完整记录。

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中国使用“易鸟”APP上传观鸟记录的前16名。

系统将这些数据分门别类整理,以求从杂乱的数据中找出规律。系统也在一边运行,一边学习、测试、调整,从而变得越来越完善。根据这些海量数据绘制的鸟类活动“热度图”,用深浅不一的色彩在黑色地图上表现鸟类活动在时间和空间中的分布,看起来非常直观和震撼。康奈尔鸟类实验室的主任约翰·菲茨帕特里克认为,“易鸟”彻底改变人类观察动物种群方式,并带来惊喜。之前,人们认为一种叫圃拟鹂的鸟在美国只有一个种群,但是“易鸟”生成的“热度图”显示,这种鸟的分布地带有明显的分界线,因此专家认为它们应该是两个遗传学上相互独立的种群。

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一辆斯巴鲁车上的“易鸟”APP操作界面。

鼻涕机器人:从鲸肺中分析环境毒素

多年来,鲸类保护专家的一项困难工作就是从鲸类身上取得肺内细胞。有了它,科学家就可以分析DNA、细菌和病毒等,从而找出被鲸类吸入的环境毒素。不过,更重要的是可以分析鲸类的激素水平,因为激素能反映其生育周期信息,揭示人类在鲸类的自然栖息地活动给它们带来多大压力。但难就难在,以往研究人员是骑着轰鸣的摩托艇,手握采样镖追上并射击这些对声音极其敏感的庞然大物,用给鲸类造成痛苦的侵入式方法取得样本细胞。

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手握“鼻涕机器人”无人机的科研人员

几年前,鲸类研究员伊恩·科尔目送一条被采完组织样本的鲸游入深海后就在想,一定有更便利的方法来完成采样任务。他灵光一闪,随后在美国马萨诸塞州的机器人俱乐部里的大学生和中小学生的帮助下,改装了一架价格便宜的四螺旋桨无人机来研究鲸类。用无人机来观察鲸类绝非蹭热点,而是因为在茫茫大海中跟踪和观察海洋动物要比在陆地上难得多,成本也更高。科尔的无人机从鲸类喷出的水柱(“鼻涕”)中采集了大量数据。在给这架无人机起名时,一名学生脱口而出:“鼻涕机器人(SnotBot)!”这个名字于是被正式采用了。

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一架“鼻涕机器人”无人机正在观察水中的蓝鲸母子

在具体操作上,“鼻涕机器人”会在鲸类浮出水面换气时飞到其上空,伸出器皿采集其喷出的“鼻涕”。之后,无人机再用AI技术来分析收集的数据,识别特定的鲸类并实时评估它们的健康状况,同时收集视频和图像,这样并不会干扰鲸类的日常生活。“鼻涕机器人”一经使用就有惊艳的表现。科尔前往阿拉斯加观察驼背鲸时,每隔18分钟收集一次样本,在一天之内就完成了在费用高昂的科考船上可能需要几周时间才能完成的工作。“鼻涕机器人”给各国科学家留下深刻印象。如今的科尔已是环保组织“海洋联盟”的领导人,“海洋联盟”的理念是“通过研究和公众教育来保护鲸类和我们的海洋”。科尔表示,为了让所有人都能近距离观察鲸类,他愿意向公众开放“鼻涕机器人”技术。

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在美国阿拉斯加海域,一架“鼻涕机器人”无人机飞临一头鲸的上空采样。

ET城市脑:助力城市环境与管理

2017年7月,国务院在印发《新一代人工智能发展规划》时,将“建立安全便捷的智能社会”视为规划的重点任务。该规划明确指出:“围绕城市管理、环境保护等社会治理的热点难点问题,促进人工智能技术应用,推动社会治理现代化。”中国在迈向经济大国的过程中积累了许多环境问题,这些问题非一朝一夕能够解决,亟需人工智能技术的介入和支持。

2018年7月清华大学发布的《中国人工智能发展报告2018》指出,中国人工智能在科技产出和人才投入、产业发展和市场应用以及社会认知和综合影响等方面,具有抢眼表现。在产品领域,阿里云推出的“ET城市脑”就使用了人工智能技术,目前该技术被马来西亚用于环境保护和交通治理等领域。

2018年4月,“酷哇”机器人于长沙橘子洲公园发布了全球首台具备全路况清扫、智能路径规划的无人驾驶扫地车,并展示了道路清扫的实测效果,将人工智能技术和产品首次应用到城市环卫的具体场景。我们有理由相信,人工智能技术在解决环境问题方面的能力未来还将继续攀升。

(本文写作中参考了美国《纽约时报》、海洋联盟、微软公司、易鸟等网站的信息,在此一并致谢。)

本刊原创,转载请联系《环境与生活》杂志。

责编:郑挺颖

网编:崔悦