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衛(wèi)星正在提供全球活火山數(shù)據(jù)，但研究人員一直致力于利用這些數(shù)據(jù)預(yù)測火山的危險程度。這一想法很可能很快實現(xiàn)，因為目前的新算法可以自動計算火山風(fēng)險數(shù)據(jù)信號，從而幫助科學(xué)家在幾年內(nèi)建立全球火山預(yù)警系統(tǒng)。

美國地質(zhì)調(diào)查局黃石火山觀測臺科學(xué)家Michael Poland表示，如果沒有這些算法工具，地質(zhì)學(xué)家根本無法跟上衛(wèi)星提供信息的腳步。“數(shù)據(jù)量大得驚人。”Poland說。

英國利茲大學(xué)火山學(xué)家Andrew Hooper領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了一種算法，他表示這一算法應(yīng)該能使居住在火山附近的大約8億居民受益。“海面之上有大約1400座火山可能爆發(fā)，它們當(dāng)中只有約100座火山處于監(jiān)控中，但另外大部分并沒有被監(jiān)控。”他說。

研究人員在近日舉行的美國地球物理聯(lián)盟會議(AGU)上展示了這兩種預(yù)測火山爆發(fā)的方法。

在過去的數(shù)年里，隨著歐洲空間局“哨兵”1A和“哨兵”1B衛(wèi)星的發(fā)射，火山學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了關(guān)于世界各地火山地面如何移動的頻繁而反復(fù)的數(shù)據(jù)。“哨兵”1系列衛(wèi)星使用一種被稱為雷達(dá)干涉測量的技術(shù)，該技術(shù)能夠比較發(fā)送到地球和從地球反射的雷達(dá)信號，以跟蹤地球表面的變化。

這種方法談不上新穎，但值得一提的是，每隔6天，“哨兵”1系列衛(wèi)星都會重新檢測一次地球上的每個點，該團(tuán)隊能夠迅速發(fā)布高分辨率的觀測結(jié)果。這個名為地震、火山和地質(zhì)構(gòu)造觀測和建模中心(COMET)的英國研究小組已經(jīng)開始為世界火山建立一個稱為“干涉圖”的地面運動快照數(shù)據(jù)庫。

與COMET合作的Hooper說，鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)在其他形式的模式檢測中取得的成功，用自動化檢測覆蓋這個數(shù)據(jù)庫似乎是可行的。

地面運動的變化通常能反映火山下方的巖漿移動，但不能完全預(yù)測火山爆發(fā)。與氣象衛(wèi)星可以自動檢測到的熱點或灰燼羽流不同，地面移動可以幫助預(yù)測火山爆發(fā)，而不僅僅是指示它們的發(fā)生。“移動并不總是意味著火山會爆發(fā)，但在沒有移動的情況下就直接爆發(fā)很少見。”Hooper說。

首先，研究人員必須教會算法不要將大氣變化與地面運動混淆，一些干涉圖常出現(xiàn)該問題。為此，Hooper團(tuán)隊運用了獨立組分分析技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)⑿盘柗纸獬刹煌牟糠郑豪绶謱哟髿饣蚨唐谕牧?，以及火山口或?cè)翼的地面移位。該技術(shù)使他們能夠捕捉最新的地面移動或移動速率變化，這兩者都可能是火山爆發(fā)的跡象。

與此同時，由布里斯托爾大學(xué)火山學(xué)家Juliet Biggs領(lǐng)導(dǎo)的另一個COMET團(tuán)隊使用人工智能(卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))構(gòu)建了第二種算法。

研究人員首先使用來自“哨兵”前身歐洲環(huán)境衛(wèi)星的原始干涉圖訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。盡管該算法在分析3萬個“哨兵”干涉圖方面取得了一些進(jìn)展，但預(yù)測結(jié)果仍不盡如人意。該小組的另一位火山學(xué)家Fabien Albino說，目前他們只有少數(shù)的研究例子，而對于學(xué)習(xí)型機(jī)器來說，100等于0，他們需要的是成千上萬的例子。

為了解決這一問題，Biggs和同事創(chuàng)建了一個模擬火山噴發(fā)的合成數(shù)據(jù)集。正如他們在AGU會議上報告的那樣，這些綜合數(shù)據(jù)將假陽性的比例從60%降至20%。Albino說，隨著更多案例被注入算法，趨勢只會繼續(xù)變得更好。“該系統(tǒng)會像谷歌一樣進(jìn)行調(diào)優(yōu)，(輸入)數(shù)百萬只貓和狗，然后系統(tǒng)就學(xué)會了，這是穩(wěn)定的。”

盡管COMET火山數(shù)據(jù)庫的一些技術(shù)故障使研究組無法在所有火山上接近實時地運行他們的算法，但Hooper已經(jīng)在一些特定地點運行了他們的技術(shù)，包括內(nèi)格拉火山和加拉帕戈斯群島上的沃爾夫火山。

此外，這兩種算法是互補(bǔ)的，例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能捕捉變形的緩慢變化，但獨立組分分析可以。所以，研究人員表示，COMET的預(yù)警系統(tǒng)很可能同時使用這兩種方法。

目前的挑戰(zhàn)是如何加快COMET從“哨兵”提取雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的速度。雖然這些數(shù)據(jù)可以在數(shù)小時內(nèi)從衛(wèi)星獲得，但需要數(shù)周才能完全傳輸。Hooper說，這是一項艱苦的工作，“我們相信會走得更遠(yuǎn)”。

Poland也表示，這項工作正是世界所需要的，新技術(shù)絕對可以徹底改變對這些事件的檢測。