研之成理：
冰解凍釋 —— 利用人工智能自動觀測冰雪圈退化概況
劉琳 教授
地球系統科學課程
冰解凍釋 —— 利用人工智能自動觀測冰雪圈退化概況
2020年6月20日，千里之外、北極圈以北的維爾霍揚斯克小鎮 (Verkhoyansk) ，衛星錄得攝氏38度歷史高溫，重燃大眾對冰雪圈 (Cryosphere) 劇變的關注。過去數十年間，冰雪圈，亦即涵蓋地球表面下的冰凍地方，包括冰川、冰架、海冰、多年凍土等，一直為全球變暖付上沉重代價。冰雪圈地球物理學家、地球系統科學課程劉琳教授，透過近年炙手可熱的人工智能技術，成功開發一套有效分析衛星照片的系統，讓科學家迅速監測全球冰雪圈的情況，有別長久以來學界依賴人力的遙感觀測工作。
冰雪圈危機
全球暖化問題日益嚴重，冰雪圈的結構首當其衝受到不可逆轉的影響。劉教授指出，雖然冰雪圈的變化對香港的影響看似遙不可及，但原來我們的生活早已因其而受影響，例如夏天愈來愈熱、在冬季時「打風」，或是遇上嚴寒冬天等等反常天氣。
在地球物理學家眼中，這些現象並不是那麼直觀。冰雪圈的變化並非限於極地，冰川融化後會導致海平面上升，造成沿海低窪地區水浸，甚至淹沒，意大利的威尼斯便是最佳例證，而香港亦有可能遇上類似情況。冰雪圈融化的冰水亦會影響洋流運動及深一層的大氣環流，誘發全球極端天氣、氣候反常等現象，影響生態系統平衡。另一方面，凍土層解凍，其蘊藏的大量有機碳，以二氧化碳和甲烷形式釋放到大氣中，加劇全球暖化的惡性循環。即使凍土層未有完全融化或是全年解凍，只要未凍結的水體增加，便足以活化原先在凍土中休眠的細菌、真菌、病毒等微生物。冰雪圈變化所造成的漣漪效應，對人類的影響實在是難以估計。
劉教授早前運用了其團隊研發的人工智能深度學習技術，分析格陵蘭島雅各布港冰川 (Jakobshavn Isbrae) 的衛星照片。
冰川與海匯合的地方在短短五年間出現「前端崩解 (Calving Front)」（圖中紅線），其變化對整個冰蓋的穩定性至關重要，也反映到全球暖化對冰雪圈退化的影響。（影片截圖由受訪者提供）
地球科學家的研究「神器」
地球科學家的研究對象是地球系統各部份之間的互動，包括大氣圈、水圈、冰雪圈等等，了解其變化需透過分析遙感觀測 (Remote sensing) 所得出的衛星照片。在中大聯合書院和新亞書院之間的山頭，屹立住一個巨型白色球體，俗稱「UC波」，正是衛星遙感地面接收站，它也是香港唯一的國家級衞星遙感基地。
屹立在中大、全港唯一的國家級衛星遙感基地，俗稱「UC波」。
研究凍土層變化的傳統方式，受到多種條件限制。以西藏高原為例，其偏遠以及極端環境令科學家難以經常登上相關地帶，或是只可在一年中的夏季進行實地考察，觀察凍土改變。但即使登上地帶，礙於人手所限，科學家也難以作出大範圍的觀測，得出準確的凍土變化結果。遙感觀測得出的衛星照片此時大派用場，讓科學家可以持續觀察整遍地區的地貌改變。
利用人工智能觀測凍土變化
然而，當遇上在短時間內，因凍土退化而形成的冰融喀斯特地形 (Thermokarst)，當中牽涉的變化可能只是一至兩米，考起用以偵測的傳統軟件之外，其範圍之大也難以一一用人手分析。隨著人工智能的發展漸趨成熟，劉教授便想到用它取代原先動員大量人力的衛星照片分析工作。但是人工智能也不是坐享其成的神仙棒，系統事前需透過無數的監督學習 (Supervised learning) ，才能掌握相關技巧，自動化完成工作。電腦的分析並非百分百準確，但劉教授指出，利用人工智能分析衛星相片可降低原有方法的人為誤差。
開發人工智能自動觀測工具過程充滿挑戰。傳統人工智能深度學習框架DeepLab，在處理圖片上有一定局限，因為本身的開發用途是用於分析日常圖像，例如分辨貓和狗；若直接把其應用在衛星圖片上，圖片上的毫釐之差跟實際情況卻有很大出入。劉教授近期發表的一篇學術文章，便是關於他成功研發的深度學習方法「DeepThaw」。「DeepThaw」現時能準確分析衛星圖片中二百多種冰融喀斯特地形及變化，背後也經一番努力。系統需先分析海量西藏高原凍土的衛星圖片，再透過劉教授等一眾專家的專業知識進行訓練及修正，最後他們還會實地覆檢圖片中目標範圍的凍土退化情況。反覆的學習和人工修正大大提升系統的準確度，達到自動化分析凍土衛星圖片的目標，也是人工智能成功應用在地貌科研的一大里程碑。這個概念獲得 2019-2020 研究資助局優配研究金 (GRF) 的支持，劉教授希望系統未來可擴大應用範圍，由現在覆蓋西藏高原 1%，提升至 10% 甚至更高。
劉教授在西藏高原考察因凍土退化而形成的冰融喀斯特地形。
人工智能大大提升科學家研究的效率，未來也許會取代一定人手。過往的凍土地形分析，可能用上十天的人手，工作自動化後只需兩小時便準確完成，劉教授笑指：「有些人可能面臨失業危機，不過科學家可以投放更多時間，透過更頻密的自動化衛星圖片監測，更容易了解凍土退化的機理，以便及早作出介入和預警」。
解救全球暖化危機
在2015年，聯合國氣候峰會通過了《巴黎協定》，規範各國進一步降低溫室氣體排放量。然而，減慢全球暖化的步伐，仍取決於各國政府的立場。劉教授也提到，包括他在內的科學家致力參與和發佈的研究成果，會收錄在聯合國政府氣候變遷專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change) 每隔五至七年整理一次的綜合評估報告，報告旨在向世界提供針對現代氣候變化的科學觀點，是各國決策者制定氣候相關法案時的重要參考指標。劉教授也樂於在公眾媒體中分享他的研究成果，希望喚起大眾對冰雪圈退化的關注，重視綠色生活，合力減低碳足跡，為環境保護出一分力。
文：熊思敏 | 編輯：宋嘉恩
