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UNIVERSITY OF THE BUNDESWEHR MUNICH
一種新的機器學習系統可以通過單張合成孔徑雷達（SAR）圖像繪制出城市環境的高度圖，從而有可能加快災害的規劃以及響應速度。
德國慕尼黑聯邦國防軍大學的航空工程師們聲稱（https://spectrum.ieee.org/topic/aerospace/），他們的SAR2Height框架是首個能從單個合成孔徑雷達衛星提供完整 —— 即使并不完美的 —— 三維城市地圖的系統。
當地震摧毀一座城市時，信息的供應可能無法滿足所有求。當所有基本服務中斷后，我們很難評估災害到底造成了多大的破壞，或者哪里最需要人道主義援助。
“Being able to produce 3D from [synthetic aperture radar] alone would really be a revolution.”
—CARL PUCCI, EO59
使用激光雷達系統（https://spectrum.ieee.org/tag/Lidar）進行空中勘測是三維測繪的黃金標準，但這種激光測距系統的購買和操作成本都很高，這還是在不考慮重大災難帶來額外后勤困難的情況下。
遙感或許是另一種選擇，但如果該地區被云層或煙霧遮擋，光學衛星圖像幾乎毫無用處。
而合成孔徑雷達無論白天黑夜，無論天氣如何，都能發揮作用。合成孔徑雷達是一種有源傳感器，它利用衛星向地球表面發射的信號反射—即"合成孔徑 "部分來自于雷達利用衛星自身的運動，來模擬更大的天線，從而捕捉波長相對較長的反射信號。目前有數十顆政府和商業合成孔徑雷達衛星在地球軌道上運行，其中許多衛星可以在數小時內完成對新地點的成像任務。
然而，合成孔徑雷達圖像本質上仍然是二維的，在解讀時可能比普通照片更加棘手。這在一定程度上是由于一種被稱為 "雷達停頓（https://natural-resources.canada.ca/maps-tools-and-publications/satellite-imagery-and-air-photos/tutorial-fundamentals-remote-sensing/microwave-remote-sensing/radar-image-distortions/9325）"的效應造成的，在這種效應下，未損壞的建筑物看起來會向傳感器方向傾斜。
"高度本身就是一個超級復雜的話題。” 慕尼黑聯邦國防軍大學教授Michael Schmitt說："關于高度的定義有一百萬種，將衛星圖像轉化為有意義的世界幾何中的有意義高度是一項非常復雜的工作。”
Schmitt和他的同事Michael Reclastarted首先從TerraSAR-X衛星上獲取了51個城市的合成孔徑雷達圖像，TerraSAR-X衛星是一個是德國公共航空航天中心與私營企業—空中客車防務與航天公司的合作項目。
研究人員隨后獲得了這些城市的高質量高度圖，其中大部分由激光雷達勘測生成，但也有一些由攜帶立體相機的飛機或無人機生成。下一步是在高度圖和合成孔徑雷達圖像之間進行一對一、像素到像素的映射，在此基礎上訓練深度神經網絡。
結果令人驚嘆，Schmitt說："我們純粹在 TerraSAR-X 圖像上訓練了我們的模型，但開箱即用，它在其他商業衛星的圖像上也能很好地工作"。他說到，這個模型只需要幾分鐘就能運行，它可以預測合成孔徑雷達圖像中建筑物的高度，精確度約為3米—這是典型建筑物的單層高度。
這意味著該系統應該能夠發現城市中幾乎每一棟遭受重大破壞的建筑物。
休斯頓大學地球傳感系統工程教授Pietro Milillo希望在美國國家航空航天局資助的地震恢復項目中使用Schmitt和Recla的模型（https://link.springer.com/article/10.1007/s10518-024-01877-1）。他說：“我們可以將應用從建筑物高度圖變為建筑物倒塌概率圖。”本月晚些時候，Milillo打算前往去年造成2900多人死亡的摩洛哥地震現場，驗證他的應用（https://www.reuters.com/world/africa/morocco-earthquake-death-toll-passes-2800-survivors-camp-outdoors-2023-09-11/）。
“There are a million definitions of what height is, and turning a satellite image into a meaningful height...is a very complicated endeavor.”
—MICHAEL SCHMITT, UNIVERSITY OF THE BUNDESWEHR MUNICH
但Schmitt警告說，人工智能模型還遠不夠完美。它很難準確預測摩天大樓的高度，而且偏向于北美和歐洲城市。這是因為發展中國家的許多城市沒有定期的激光雷達測繪飛行來提供代表性的訓練數據。激光雷達飛行與合成孔徑雷達圖像之間的間隔時間越長，建造或更換的建筑物就越多，模型預測的可靠性就越低。
即使在那些較富裕的國家，"我們也確實依賴于政府執行激光雷達任務并公開數據的緩慢重訪周期，"弗吉尼亞海灘一家專門從事合成孔徑雷達軟件的公司EO59的創始人Carl Pucci說，"這太厲害了。如果僅憑合成孔徑雷達就能制作3D圖像，那將是一場真正的革命。
Schmitt說，SAR2Height模型現在包含了來自 177個城市的數據，并在不斷改進。"我們已經非常接近于通過單張合成孔徑雷達圖像重建實際的建筑模型。但你必須記住，我們的方法永遠不會像傳統的立體或激光雷達那樣精確。它永遠只是一種最佳猜測，而不是高精度測量。”
在一場大地震發生后的混亂中，即使是一個最具可能的猜測也比什么都不知道要好。
供稿：胡樂
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