环境项目

Earth Engine 可绘制森林消失情况动态地图

2016 年 12 月
一位技术人员站在数据中心的墙壁前。

2005 年,一位名叫 Rebecca Moore 的 Google 工程师收到了一份通知,得知她家附近的圣克鲁兹山区将开展一项伐木计划。随信寄来的黑白地图模糊不清,让人完全看不出这项计划有哪些危害。不满之余,Moore 决定将这项计划的详细资料与 Google 地球中的 3D 卫星图像结合在一起,绘制一份新地图。后来,Moore 绘制的地图清楚地呈现了这项计划的实际危害,从中不仅可以看到将遭到砍伐的 1000 英亩森林的确切位置、会给水资源和古老的红杉带来的威胁,甚至可以看出,伐木作业车途经的狭窄山路上有些弯道存在导航盲区,会对附近走路上学的孩子造成安全隐患。

这份地图引起了社区对该计划的密切关注,最终促使加利福尼亚州山林管理局判定伐木计划不合规。在该地区取得的成就只是 Moore 和 Google 地球团队所迈出的关键步骤之一,他们面对更大的挑战:如果可以如此快速有效地直观呈现对一个地区造成的影响,那我们是否能够以高分辨率监控全球森林变化情况

航拍视图:绿色林地

在 2013 年之前,这个问题的答案是否定的。一直以来,环保主义者都在设法提高公众对森林砍伐问题的认识,并为此付出了长久的努力;但是导致森林消失的原因非常复杂,而且相关信息通常既不准确也不完整,甚至已经过时。早在数十年前,NASA 卫星就拍摄过森林覆盖情况的图像,但分辨率不高,全球获取的数据也不一致,还必须通过特定的硬件才能查看,因此尽管热带国家、倡导组织以及其他群体迫切需要这类数据,但却无从获取。

我们缺少的是一个无需大量技术资源便能让所有人利用卫星图像的平台。在 2009 年于哥本哈根召开的联合国气候变化会议 (COP15) 上,当 Moore 带领的团队首次向世人展示 Google Earth Engine 时,这个缺憾终于得到弥补。他们当时展示的是一个原型,该原型采用了 Google 的数据、存储空间和计算能力,不仅能够分析全球规模的大型数据集(例如长久以来无法被善加利用的 NASA 图像),而且“只需几分之一秒的时间即可直观呈现森林变化情况”。1

这项突破引起了 Matt Hansen 的注意,他是来自马里兰大学的一位遥感科学家,现在是该项目的主要协作者。Hansen 回忆道,在 Google 涉足该领域之前,关于地球表面的地图大多数都“模糊不清,简直就是一团糟”。2由于非常看好 Earth Engine 原型的发展潜力,Hansen 开始与 Google 工程师合作,在一片辽阔的土地上对该平台进行测试。他们选择了墨西哥作为测试地区,当时 Google Earth Outreach 正在那里启动。最后他们制作出整个墨西哥的森林地图,30 米的分辨率是当时所有其他机构能够达到的最高分辨率的 1000 倍。在那之后,该团队认为绘制全球地图势在必行。

航拍视图:南美洲
显示 2014 年亚马逊森林消失情况的 Global Forest Watch 界面

要完成这项工作,关键因素是云技术。要为地球上的所有陆地表面绘制高分辨率地图,需要 PB 级的数据处理能力,而这样的计算能力是远非一台机器能够做到的。为了绘制全球森林地图,Earth Engine 使用了基于云的服务器网络,让 10000 台计算机并行运作来共同处理 65 万张图片。3如果只用 1 台计算机进行这项工作,将需要花费 15 年才能完成,而 Google Earth Engine 只花费了几天的时间。Moore 说道:“在执行这项运算时,我们把 Google 的灯都调暗了。”4

这项成果是地理科学界的一项突破。马里兰大学/Google 整理的数据集是第一份全面反映全球森林变化情况的高分辨率地图。2013 年,通过同行评审期刊《科学》中的一篇论文首次公开发布之后,该平台荣获一片赞誉,例如,该平台所采用的系统化地图绘制技术被誉为“世界生态系统领域的人类基因组计划”5。

为了绘制全球森林地图,Earth Engine 使用了云端服务器网络,让 1 万台计算机并行工作,共同处理 65 万张图片。如果只用 1 台计算机进行这项工作,需要花 15 年才能完成。

自从首次向世人展示 Earth Engine 原型之后,Earth Engine 团队便一直致力于为热带国家/地区提供森林监测支持。6 为了全面实现这项承诺,该团队与世界资源研究所组织的联盟 Global Forest Watch (GFW) 展开了合作。通过打造更完善的平台并纳入 GFW 提供的大量关于全球伐木活动的额外数据,地图上显示出了人们之前不知道的一些森林砍伐非常严重的地区,其中包括马达加斯加、西非部分国家/地区、东南亚的湄公河地区以及南美洲的大查科地区。森林保护倡导者也惊讶地发现,在 2012 年,印度尼西亚已经超过巴西,成为全球范围内雨林消减速度最快的国家/地区。

GFW 不仅在重要的国际气候会议上提供这些分析洞见,而且还主动监控、调查受影响的社区并直接与这些社区合作,例如,帮助 United Cacao 等控股公司履行可持续发展承诺,以及协助制定森林保护法律(包括菲律宾的红树林保护法案和印度尼西亚打击非法用火的防雾霾条约)。

GFW 的一大优势是速度。该团队采用了云计算技术,其数据一直都非常新,并且在日常工作中,该团队都是近乎实时地生成数据:2016 年,GFW 推出了 GLAD(全球陆地分析与探索)快讯服务,该服务可及时提供有关森林消失情况的最新信息。过去,森林消失情况往往要过好多年才会被发现,发现时损失已然造成很久;但是现在,在全球几个计划扩大湿润热带雨林面积的试验区,GLAD 快讯服务都能在森林破坏发生后的几周内发布警报信息。有了如此快的信息更新频率,再加上足以监测小型农耕活动的高清分辨率,森林管理机构和执法机关便能在保护濒危森林的斗争中多出几分胜算。

globalforestwatch.org

1http://blog.google.org/2009/12/earth-engine-powered-by-google.html

2http://america.aljazeera.com/articles/2013/11/14/scientists-googlecreatehighresmapofchangesinworldsforests.html

3这些图片提取自 12 年间的 Landsat 卫星图像,是跟踪 2000 年至 2012 年期间森林变化情况的第一份地图。Earth Engine 中包含的完整 Landsat 目录涵盖超过 40 年的图像。

4http://www.nytimes.com/2013/11/15/science/earth/new-interactive-tool-helps-track-earths-forests.html?_r=0

5http://www.nytimes.com/2013/11/15/science/earth/new-interactive-tool-helps-track-earths-forests.html?_r=0

6http://blog.google.org/2009/12/earth-engine-powered-by-google.html