美高中生靠机器学习识别地面易燃物,助加州政府防范森林野火

加州前些时日野火肆虐,而火灾的地点通常很难预测,而美国学生以TensorFlow创建了模型,通过图像侦测森林地上的可燃物,以估算火灾发生的机率。 还计划与政府单位合作部局自动化量测设备,以减少人力收集数据需求。

从去年开始,加州的蒙塔维斯塔高中(Monta Vista High School)的两名学生Aditya Shah和Sanjana Shah便着手寻找降低野火威胁的方法。 Aditya Shah曾在Rancho San Antonio空地保留区待过一阵子,希望可以尽一份心力保护自然景观,而Sanjana Shah则是曾因居住的地方受野火影响而被迫撤离,两人都想找出解决办法,在森林火灾发生前降低损失。

野火带来的灾害,不仅会破坏生物自然栖地,同时也会对人与财产造成威胁。在解决野火问题上,阻止火灾发生可能的成因,比火灾发生才救火更有效率的多,虽然消防员会使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)或是其他机构的第三方天气数据来源,来预防野火发生,但很多地区的气象站缺少主动监控可能造成野火的天气属性,缺少的数据也让消防员计划与控制野火的行动更加困难。

而Aditya Shah和Sanjana Shah的解决方案,则是创建了一个TensorFlow模型,通过量测森林地上可燃物的量,以评估火灾发生的机率。他们先拍摄了Rancho San Antonio空地保留区的草丛照片,并将照片分为有绿色潮湿难以燃烧的灌木或叶子、干燥的树枝与叶子以及普通泥土或灰烬的不可燃物。他们训练了一个模型,用来分辨这些地被类型,总共使用了150个训练样本,3个类型的图片约各占三分之一,以及额外的50个图像测试数据集。

在训练上,他们挑选了以Python撰写的开源神经网络函数库Keras,在Keras训练模型有两个好处,除了允许将TensorFlow Estimator输出至各种平台与设备上执行外,还能简单快速的实例出设计原型,并在CPU或GPU上无缝运行。

尽管Aditya Shah和Sanjana Shah的方法,足以对不同类型的草丛进行分类,但是进一步的,他们还想要对象是整个Rancho San Antonio空地保留区大范围的地区进行评估。为此他们使用了高传真图像传感器,链接远程低功耗LTE,把捕捉到的图片直接传回主机中,一边执行模型外还能同时对新收到的图像进行分类。

该设备同时也会收集风速、风向、湿度和温度等其他天气指标,可以对大约100平方米的面积进行分类,以侦测地被是否有发生火灾的可能性。而他们正结合NOAA的风速和风向数据,以及即时收集到的数据,推算出火灾可能扩散的方向。

虽然目前使用图像分类和传感器的系统目前仍分开运行,但他们计划未来要将这两个系统结合在一起,除此之外,由于现在这个系统是在游戏型笔记本电脑上执行TensorFlow模型,他们还计划要将系统搬上云计算,以实现更灵活的规模扩展。在偏远的森林地区收集数据也是目前的一大挑战之一,他们正实验以无人机来搜集地面数据。

也由于加州林业与消防部(California Department of Forestry and Fire Protection,Cal Fire)现在需要靠人力测量树枝重量以量测潮湿程度,因此Aditya Shah和Sanjana Shah将继续与Cal Fire合作部局传感设备,以减少人力需求。