麥姆斯咨詢(xún)：利用激光雷達(dá)（LiDAR）和人工智能（AI）的自動(dòng)化工具，可以幫助應(yīng)急管理人員決策、規(guī)劃路線、量化城市道路損壞情況。

在上方的激光雷達(dá)地圖中，人工智能算法識(shí)別出了道路（紅色）。通過(guò)將此地圖與OpenStreetMaps（簡(jiǎn)稱(chēng)OSM，是一個(gè)網(wǎng)上地圖協(xié)作計(jì)劃，目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)內(nèi)容自由且能讓所有人編輯的世界地圖）匹配，用戶(hù)可以在整個(gè)區(qū)域內(nèi)，繞過(guò)被系統(tǒng)認(rèn)為無(wú)法通行的道路規(guī)劃路線，這里的覆蓋范圍可達(dá)約400平方英里。

想象一下在被颶風(fēng)襲擊后，倒塌的樹(shù)木和房屋堵塞道路，橋梁被毀，部分道路被沖毀。應(yīng)急管理人員很快就會(huì)面臨一大堆問(wèn)題：如何將物資運(yùn)送到目標(biāo)地區(qū)？疏散幸存者的最佳路線在哪里？哪些道路因損壞而無(wú)法通車(chē)？

由于沒(méi)有關(guān)于公路交通網(wǎng)絡(luò)狀況的具體數(shù)據(jù)，應(yīng)急管理人員往往不得不根據(jù)不完整的信息給出答復(fù)。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室的人道主義援助和救災(zāi)系統(tǒng)小組希望利用其機(jī)載激光雷達(dá)平臺(tái)，結(jié)合人工智能算法，填補(bǔ)這一信息空白。

“對(duì)于真正的大規(guī)模災(zāi)難，盡早了解整個(gè)交通系統(tǒng)的狀況至關(guān)重要。”該小組研究人員Chad Council說(shuō)，“通過(guò)利用我們的人工智能激光雷達(dá)方案，可以確定道路的狀況是否可通行，制定最佳的路線規(guī)劃，獲得量化的道路損壞情況。只要放飛我們的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，然后運(yùn)行它，就可以獲知一切。”

自2017年颶風(fēng)季以來(lái)，該小組一直在受災(zāi)城鎮(zhèn)上空飛行其先進(jìn)的激光雷達(dá)平臺(tái)。其激光雷達(dá)的工作原理是在一定區(qū)域的上空自上向下發(fā)射激光脈沖，然后測(cè)量反射光子回到傳感器所需要的時(shí)間。利用這些數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制的三維“點(diǎn)云”地圖，可以獲得區(qū)域內(nèi)每一條道路、樹(shù)木、建筑精確到約一英尺的3D地圖。

到目前為止，他們已經(jīng)繪制了卡羅萊納州、佛羅里達(dá)州、德克薩斯州和整個(gè)波多黎各的大片區(qū)域。在這些地區(qū)遭受颶風(fēng)襲擊后，研究小組立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了人工篩選，以幫助聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）發(fā)現(xiàn)并量化道路的損壞情況，以及其它任務(wù)。該研究小組現(xiàn)在的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)人工智能算法，使這些過(guò)程自動(dòng)化，并能自動(dòng)規(guī)劃繞過(guò)損壞道路的路徑。

檢測(cè)路況

據(jù)Council稱(chēng)，災(zāi)后的交通網(wǎng)絡(luò)信息常常會(huì)從各個(gè)來(lái)源以碎片化形式涌向應(yīng)急管理人員，例如衛(wèi)星圖像、民航巡邏隊(duì)拍攝的航空照片，以及經(jīng)審查來(lái)源的眾包信息。

“因?yàn)槭転?zāi)情況復(fù)雜，這些獲取數(shù)據(jù)的各種途徑和努力都很重要。眾包可能會(huì)是最快的信息渠道，有冗余也是好事。但當(dāng)我們遇到像‘瑪麗亞’颶風(fēng)這樣的大規(guī)模災(zāi)難時(shí)，這些不同的來(lái)源的信息可能會(huì)瞬間堵爆，并且不夠完整，還很難融合。”他補(bǔ)充說(shuō)。

這種時(shí)候，我們的激光雷達(dá)平臺(tái)可以作為一種全方位的“眼睛”，提供一大片區(qū)域的完整地圖，具備道路狀況的詳細(xì)信息。該實(shí)驗(yàn)室的激光雷達(dá)平臺(tái)非常先進(jìn)，因?yàn)樗褂昧藢?duì)單光子敏感的蓋革模式激光雷達(dá)。因此，當(dāng)系統(tǒng)從上空飛過(guò)時(shí)，其傳感器可以收集無(wú)數(shù)從樹(shù)葉的間隙中穿過(guò)的光子。然后，可以將這些樹(shù)葉從激光雷達(dá)地圖中濾除，從而顯示原本從空中看不到的道路。

為了提供交通網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，需要首先利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)運(yùn)算激光雷達(dá)地圖。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)現(xiàn)和提取道路，并確定道路寬度。然后，利用人工智能算法搜索這些道路并標(biāo)記道路無(wú)法通行的異常。例如，向上延伸并穿過(guò)道路的一組激光雷達(dá)點(diǎn)，很可能是一棵倒下的樹(shù)木；路面高度的突然下降，很可能是道路上出現(xiàn)的坑洞或被沖毀的區(qū)域。

然后將提取的道路網(wǎng)絡(luò)及其標(biāo)記的異常，與該區(qū)域的OpenStreetMap開(kāi)放路網(wǎng)合并。應(yīng)急管理人員就可以使用這個(gè)系統(tǒng)來(lái)規(guī)劃路線，或者在其他情況下，識(shí)別那些與道路網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)的孤立社區(qū)。該系統(tǒng)可以為應(yīng)急管理人員顯示兩個(gè)指定地點(diǎn)之間最佳的路線，并在無(wú)法通行的道路周?chē)业嚼@行路線。用戶(hù)還可以設(shè)定道路偏好等級(jí)，根據(jù)設(shè)定，系統(tǒng)還可以提供穿過(guò)停車(chē)場(chǎng)或田野的特殊路線。

這一從提取道路到發(fā)現(xiàn)損壞再到規(guī)劃路線的過(guò)程，可以應(yīng)用于單個(gè)社區(qū)或整個(gè)城市范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

速度和精確度如何？

為了了解這個(gè)系統(tǒng)的工作速度，在最近的一次測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)利用這款激光雷達(dá)平臺(tái)，飛行探測(cè)了250平方英里的區(qū)域（面積大約相當(dāng)于伊利諾伊州芝加哥市），然后處理數(shù)據(jù)，在36小時(shí)內(nèi)得到了基于人工智能的分析結(jié)果。

當(dāng)然，精確度和速度同樣重要。“隨著我們將人工智能技術(shù)引入決策支持，現(xiàn)在我們正在開(kāi)發(fā)衡量算法性能的指標(biāo)。”Council說(shuō)。

為了規(guī)劃道路，該算法需要確定激光雷達(dá)點(diǎn)云中的某個(gè)具體點(diǎn)是“道路”還是“非道路”。研究小組基于50000平方米的郊區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該算法進(jìn)行了性能評(píng)估，結(jié)果顯示，當(dāng)前算法提供了87%的真實(shí)準(zhǔn)確率（即正確標(biāo)記了某個(gè)點(diǎn)為“道路”）。誤報(bào)通常來(lái)自幾何形狀看上去像道路，但實(shí)際不是道路的區(qū)域。

負(fù)責(zé)算法測(cè)試工作的Dieter Schuldt說(shuō)：“由于我們可以利用另一個(gè)用于識(shí)別道路一般位置的數(shù)據(jù)源OpenStreetMaps，因此可以排除這些誤報(bào)，從而獲得道路網(wǎng)絡(luò)的高精度3D點(diǎn)云圖。”

對(duì)于檢測(cè)道路損壞的算法，團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步匯總地面真實(shí)數(shù)據(jù)以評(píng)估其性能。與此同時(shí)，初步結(jié)果來(lái)看是有希望的。最近，他們的道路破損發(fā)現(xiàn)算法對(duì)馬薩諸塞州貝德福德的一條可能堵塞的道路進(jìn)行了標(biāo)記，道路顯示出一個(gè)10 m x 7 m x 1 m的坑。該鎮(zhèn)的公共工程部門(mén)以及實(shí)地考察證實(shí)，確實(shí)是因?yàn)槭┕ざ氯说缆贰?/p>

左圖中，人工智能算法標(biāo)記了激光雷達(dá)地圖中的道路異常。查看標(biāo)記區(qū)域的橫截面，可以看到一個(gè)尺寸為10 m x 7 m x 1 m的坑。該地區(qū)的地面實(shí)況證實(shí)了激光雷達(dá)地圖的異常標(biāo)記。

“我們實(shí)際上并沒(méi)有預(yù)料到這次測(cè)試能夠捕捉到堵塞道路的例子，這是一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)。”對(duì)這項(xiàng)研究有貢獻(xiàn)的Bhavani Ananthabhotla說(shuō)，“通過(guò)附加的道路實(shí)際注釋?zhuān)覀兿Ｍ粌H能夠評(píng)估并改善算法性能，而且能夠更好地根據(jù)區(qū)域應(yīng)急管理需要調(diào)整未來(lái)的模型，包括告知路線規(guī)劃和維修成本估算。”

該團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)測(cè)試、訓(xùn)練和調(diào)整他們的算法，以提高準(zhǔn)確性。他們希望這些技術(shù)能夠很快被應(yīng)用以幫助解決災(zāi)后恢復(fù)的重要問(wèn)題。

Council說(shuō)：“我們把激光雷達(dá)想象成一個(gè)3D信息框架，其他數(shù)據(jù)可以信賴(lài)地疊加在上面。其可信賴(lài)度越高，應(yīng)急管理人員以及社區(qū)就越有可能利用它來(lái)做出最佳決策。”