作者 | Michael Barnard 

編譯 | CDA數(shù)據(jù)分析師

海平面上升是一個(gè)受到廣泛研究的現(xiàn)象，這是全球變暖造成的。首先，額外的熱量使陸地冰融化。然后，水變暖，因此膨脹了一點(diǎn)。這種結(jié)合意味著隨著未來幾年全球變暖，海平面上升將加速。到2050年，我們非常有信心看到20-30厘米（8-12英寸）的海平面上升。2100的前景變化更大，因?yàn)樗鼮槲覀兲峁┝烁嗑徑庾兣目臻g，并且為發(fā)生問題提供了更多空間，但是介質(zhì)大約為一米（39英寸）。

我們認(rèn)為我們有一個(gè)很好的主意，這意味著什么，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都認(rèn)為沿線的海拔高度已被很好地理解。太糟糕了，實(shí)際上并非如此。

一項(xiàng)研究于2019年10月29日發(fā)表在《自然通訊》上，這是一本自然科學(xué)期刊，影響力非?？煽浚_(dá)到11.88，已大大改善了現(xiàn)有技術(shù)水平。這項(xiàng)研究是Scott A. Kulp和Benjamin H. Strauss 對全球海拔高度易受海平面上升和沿海洪災(zāi)影響的三倍估計(jì)。是的，不幸的是，更高的準(zhǔn)確性帶來了更高的風(fēng)險(xiǎn)。

要了解研究做了什么，知道海拔是如何衡量和溝通是很重要的。有許多數(shù)字高程模型（DEM），它們?yōu)槭澜绺鞯氐难芯咳藛T，政策制定者等提供高程。在富裕國家的許多城市地區(qū)，通過飛機(jī)和越來越多的無人機(jī)進(jìn)行的激光雷達(dá)飛越飛行，可以非常準(zhǔn)確地測量高程。在美國，大部分沿海地區(qū)都由激光雷達(dá)很好地繪制了地圖。但是，這是一個(gè)昂貴的方法來確定高程。世界上大多數(shù)海拔從評估美國宇航局的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)（SRTM）。這是在2000年捕獲的，從那時(shí)起某些人和研究人員可以使用全分辨率，但是到2014年美國白宮宣布它對所有人公開可用時(shí)，所有人都可以使用全分辨率。

SRTM數(shù)據(jù)集有什么問題？好吧，在許多葉子或建筑物茂密的地方，它從葉子或建筑物的頂部摳出，而不是從地面上掉下來。是的，在很多地方，富裕市區(qū)以外的所有人使用的SRTM數(shù)據(jù)高估了海拔。在面臨海平面上升的沿海地區(qū)，這是很大的事情。對于世界大多數(shù)地區(qū)以及美國許多地區(qū)，極端沿海水位（ECWL）暴露分析都是以SRTM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。ECWL是關(guān)于容易發(fā)生常規(guī)洪水的地區(qū)，而不是低于該地區(qū)平均海平面的地區(qū)。

Kulp和Strauss所做的就是定義并執(zhí)行一種方法來調(diào)整沿海地區(qū)的SRTM數(shù)據(jù)，以盡可能地固定數(shù)據(jù)以使其與實(shí)際海拔高度對齊。

這就是機(jī)器學(xué)習(xí)的用武之地。他們將SRTM數(shù)據(jù)作為輸入，將其輸入到多層感知器（MLP）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，并使用美國激光雷達(dá)數(shù)據(jù)用于特定區(qū)域，以訓(xùn)練它如何將SRTM高度調(diào)整為實(shí)際高度。然后，他們在美國和澳大利亞的多個(gè)地區(qū)測試了結(jié)果，以驗(yàn)證結(jié)果模型是否過擬合。我們將得到結(jié)果，隨著您對研究的深入閱讀，結(jié)果會越來越差，但這是有關(guān)在清潔技術(shù)和氣候解決方案中使用機(jī)器學(xué)習(xí)的系列文章之一，因此我們將花一些時(shí)間時(shí)間取決于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法本身。

多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一些特征。它具有輸入層，在這種情況下為SRTM中的NASA高程數(shù)據(jù)。它具有一個(gè)輸出層，即新的高程圖。它具有作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)或多個(gè)隱藏層，這些隱層獲取可用數(shù)據(jù)的每個(gè)塊，對其施加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，并提供輸出。針對大樣本量的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對輸出進(jìn)行了高度準(zhǔn)確的測試，以便訓(xùn)練模型以校正SRTM數(shù)據(jù)，使其與可用的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對齊。

輸入層不僅比圖片還復(fù)雜。研究人員從各種數(shù)據(jù)集中獲得了目標(biāo)位置已知屬性的23維向量。這些變量包括ICESat提供的鄰里海拔值，土地坡度，人口密度，植被密度，冠層高度以及與冰雪覆蓋的局部SRTM偏差。他們在這23個(gè)變量的5100萬個(gè)樣本上訓(xùn)練了該模型。輸出層很簡單，實(shí)際上只是該位置的SRTM錯(cuò)誤的預(yù)測。

值得在該位置戳一下。2014年之前，大多數(shù)SRTM發(fā)布的數(shù)據(jù)的分辨率約為90米（295英尺）。最新的可用數(shù)據(jù)，例如2000年高分辨率GPS的解鎖，分辨率更高，約30米（98英尺）。但是，許多其他數(shù)據(jù)集的分辨率差別很大。例如，人口數(shù)據(jù)的規(guī)模為一千米（0.62英里），但即使有所不同。許多數(shù)據(jù)管理用于對齊23個(gè)輸入變量。由于存在分辨率差異，它們的輸出分辨率約為90米（295英尺），類似于2014年前的SRTM數(shù)據(jù)。

與所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，幾乎沒有辦法知道它們在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的作用。我們真正能做的就是比較輸出的準(zhǔn)確性以達(dá)到置信度。

所得的數(shù)據(jù)集CoastalDEM比SRTM準(zhǔn)確得多，尤其是在水邊。在美國，海拔1-20米（3.3-65.6英尺）的平均SRTM誤差為3.7米（12英尺）。在澳大利亞，高度為2.5米（8.2英尺）。在全球范圍內(nèi)，分辨率較低的ICESat約為1.9米（6.2英尺）。在針對美國沿海城市進(jìn)行測試時(shí)，CoastalDEM可以將誤差從4.7米（15.5英尺）降低到小于0.06 m（2.4英寸）。請記住，對于富裕國家的城市來說，極端沿海水位（ECWL）暴露分析已被激光雷達(dá)數(shù)據(jù)所限制，因此這并不意味著紐約將更快地進(jìn)入水下。

但這確實(shí)意味著世界上許多其他城市也將成為。而且，許多沒有用激光雷達(dá)繪制的海岸線早就面臨更大的麻煩。

讓我們看看佛羅里達(dá)州南部。這是到2050年海平面上升風(fēng)險(xiǎn)的傳統(tǒng)模型。

看起來很合理。但是，讓我們看一下使用CoastalDem更新的調(diào)整后的地圖。

哎呀。多了很多紅色。對于佛羅里達(dá)州南部來說，那紅色非常糟糕。請注意，這里不是很多人的聚集地，而是一個(gè)好消息，但是它覆蓋了許多大沼澤地，它們過濾了流入比斯坎含水層的水，為佛羅里達(dá)州南部的淡水供應(yīng)補(bǔ)充了水。

讓我們向南看，在Key West及其附近的鑰匙。

佛羅里達(dá)礁島礁最高海拔為1.8米（6英尺）。到2050年，Keys的大部分地區(qū)，特別是最南端的地區(qū)，將被定期淹沒。由于沿海平原的人口密度大，美國極端沿海水位（ECWL）風(fēng)險(xiǎn)評估中的大多數(shù)錯(cuò)誤都在佛羅里達(dá)州。

但是美國并不是影響最大的地方。除其他外，美國所有城市都已經(jīng)在使用精確的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行ECWL評估。問題在于人口稠密的外國城市。

較深的品紅色僅來自CoastalDEM的預(yù)測。淺紫色是SRTM和CoastalDEM都在做出的預(yù)測。黃色斑點(diǎn)是SRTM在另一個(gè)方向上出錯(cuò)的區(qū)域，CoastalDEM認(rèn)為沒有威脅。

珠江三角洲有4200萬人。孟加拉國總?cè)丝?.64億，在氣候變化加劇的2017年季風(fēng)中洪水泛濫，使該國三分之一的人口泛濫，使4100萬人流離失所。

借助新的CoastalDEM，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的對沿海極端水位風(fēng)險(xiǎn)暴露的預(yù)測要高得多。傳統(tǒng)模型顯示，到2050年，將有2.5億人處于危險(xiǎn)之中。有了CoastalDEM，又有1億人處于危險(xiǎn)之中。到2100年，將有6.3億人遭受潮汐的定期洪水襲擊。

就像到目前為止該系列中的其他文章所強(qiáng)調(diào)的那樣，機(jī)器學(xué)習(xí)正在幫助我們快速規(guī)劃和估算商業(yè)太陽能，發(fā)現(xiàn)植樹的機(jī)會以減輕變化并維持我們使用的水的純度。并且，當(dāng)然，可以用單手機(jī)器人解決Rubik的立方體。但是，如本案例研究所示，這也闡明了我們面臨的氣候變化風(fēng)險(xiǎn)等級。