这篇文章是与 Arup 的 Richard Alexander 和 Mark Hallows 共同撰写的。
奥雅纳 是一个由致力于可持续发展的设计师、顾问和专家组成的全球集体。 数据是奥雅纳为客户提供咨询服务的基础,提供世界一流的收集和分析,提供洞察力以产生影响。
这里提出的解决方案是指导弹性城市设计的决策过程。 为设计决策提供更可持续的选择,可以减少整体城市热岛效应,并改善空气质量、水质、城市声学、生物多样性和热舒适度等生活质量指标。 确定城市环境中需要干预的关键区域,使奥雅纳能够提供业内最佳指导,并为全球公民创造更好的生活质量。
城市热岛描述了城市地区与周围农村环境相比对温度的影响。 了解城市热岛效应如何影响我们的城市可以改进设计,减少城市高温对居民的影响。 城市热岛效应影响人类健康、温室气体排放和水质,并导致能源消耗增加。 对于城市当局、资产所有者和开发商来说,了解对人口的影响是改善生活质量和自然生态系统的关键。 精确建模 UHI 是一项复杂的挑战,奥雅纳目前正在利用地球观测数据和 亚马逊SageMaker.
这篇文章展示了 Arup 如何与 AWS 合作进行地球观测分析 Amazon SageMaker 地理空间功能 从卫星图像中解锁 UHI 见解。 SageMaker 地理空间功能使数据科学家和机器学习 (ML) 工程师可以轻松使用地理空间数据构建、训练和部署模型。 SageMaker 地理空间功能可让您高效转换和丰富大规模地理空间数据集,利用预先训练的 ML 模型加速产品开发和洞察时间,并使用 3D 加速图形和内置可视化在交互式地图上探索模型预测和地理空间数据工具。
解决方案概述
最初的解决方案侧重于伦敦,在 2022 年夏季的热浪期间,英国卫生安全局 预计超额死亡人数为 2,803 人 都是由于热引起的。 确定城市环境中人们可能更容易受到城市热岛效应影响的区域,使公共服务能够在影响最大的地方提供直接援助。 这甚至可以在高温事件发生之前进行预测,从而减少极端天气的影响并为城市居民带来积极的成果。
地球观测(EO)数据用于在城市规模上进行分析。 然而,总规模对大地理区域的数据存储、组织和查询的传统方式提出了挑战。 Arup 通过与 AWS 合作并使用 SageMaker 地理空间功能来应对这一挑战,以实现城市规模及更广泛的分析。 随着地理区域发展到洛杉矶或东京等更大的大都市区,需要更多的存储和计算来进行分析。 AWS 基础设施的弹性非常适合对任何规模的城市环境进行 UHI 分析。
解决方案:UHeat
Arup 使用 SageMaker 进行开发 优热,一种数字解决方案,可分析城市的大片区域,以识别导致气温升高的特定建筑物、结构和材料。 UHeat 结合使用卫星图像和开源气候数据来进行分析。
Arup 的一个小团队进行了初步分析,在此期间需要对其他数据科学家进行有关 SageMaker 工具和工作流程的培训。 过去,使用内部工具让数据科学家加入新项目需要花费数周的时间。 现在,使用 SageMaker 只需要几个小时。
任何 EO 分析的第一步都是收集和准备数据。 借助 SageMaker,Arup 可以访问地理空间数据提供商目录中的数据,包括 哨兵2 数据,用于伦敦分析。 内置地理空间数据集访问可以节省数周的时间,否则会浪费在从各种数据提供商和供应商收集和准备数据的过程中。 EO 图像通常由小块组成,为了覆盖伦敦大小的区域,需要将这些小块组合起来。 这被称为 地质马赛克,可以使用 SageMaker 中的托管地理空间操作自动创建 地球马赛克地球观测工作.
编译感兴趣区域的EO数据后,可以提取分析的关键影响参数。 对于 UHI,奥雅纳需要能够获取有关建筑几何形状、建筑材料、人为热源以及现有和规划的绿地覆盖范围的参数数据。 使用 Sentinel-2 等光学图像,可以计算土地覆盖类别,包括建筑物、道路、水、植被覆盖、裸露地面以及每个表面的反照率(反射率测量)。
计算卫星图像中不同波段的值可以将它们用作 苏维埃预警系统 模型,它提供了计算UHI效应的严格方法。 然后,SUEWS 的结果将通过 Arup 现有的地理空间数据平台进行可视化。 通过调整特定位置的反照率等值,奥雅纳能够测试缓解策略的效果。 通过对不同的建筑材料、覆层或屋顶进行建模,可以在模拟中进一步完善反照率性能。 Arup 发现,在伦敦的一个地区,在高峰条件下,将反照率从 0.1 增加到 0.9 可能会使环境温度降低 1.1°C。 在更大的关注区域,该模型还可用于预测热岛效应以及气候预测,以量化热岛效应的规模。
利用来自 Sentinel-2 等来源的历史数据,可以完成时间研究。 这使得 Arup 能够在感兴趣的时期(例如 2022 年伦敦夏季热浪)可视化 UHI 效应。 这 城市热力快照 奥雅纳完成的研究揭示了城市热岛效应如何推高伦敦、马德里、孟买和洛杉矶等城市的气温。
收集感兴趣领域的数据
SageMaker 通过提供地理空间数据提供商目录,消除了手动收集地球观测作业 (EOJ) 数据的复杂性。 截至撰写本文时, 美国地质勘探局陆地卫星, 哨兵1, 哥白尼DEM, NAIP:国家农业影像计划及 哨兵2 数据可直接从目录中获取。 您也可以自带 环境 当需要更高分辨率和更高频率的图像时,实验室数据。 内置地理空间数据集访问可以节省数周的时间,否则会因从各种数据提供商和供应商收集数据而损失。 需要提供感兴趣的多边形区域的坐标以及收集 EO 图像的时间范围。
Arup 的下一步是将这些图像组合成覆盖整个感兴趣区域的更大的单个光栅。 这被称为 镶嵌 并通过传递支持 GeoMosaic配置 致贤者 启动地球观测作业 API。
我们提供了一些代表 Arup 所采取步骤的代码示例:
这可能需要一段时间才能完成。 您可以像这样检查您的工作状态:
重采样
接下来,对栅格进行重新采样,以标准化所收集图像的像素大小。 您可以使用 重采样配置 通过提供像素边长的值来实现这一点:
确定覆盖范围
通过应用归一化植被指数 (NDVI) 可以确定植被等土地覆盖范围。 实际上,这可以根据反射的红光和近红外光的强度来计算。 要将此类计算应用于 SageMaker 中的 EO 数据, 带数学配置 可以提供给 启动地球观测作业 API:
我们可以在 SageMaker 地理空间功能可视化工具中可视化波段数学作业输出的结果。 SageMaker 地理空间功能可以帮助您在底图上叠加模型预测,并提供分层可视化,使协作更加轻松。 GPU 驱动的交互式可视化工具和 Python 笔记本提供了一种无缝方式,可以在单个窗口中探索数百万个数据点,并就见解和结果进行协作。
准备可视化
作为最后一步,Arup 通过将各种波段和计算波段组合成一个来准备可视化 的GeoTIFF。 对于带堆叠,SageMaker EOJ 可以通过 堆栈配置 对象,其中可以根据输入图像的分辨率设置输出分辨率:
最后,输出的 GeoTIFF 可以存储起来供以后使用 亚马逊简单存储服务 (Amazon S3) 或使用 SageMaker 地理空间功能进行可视化。 通过将输出存储在 Amazon S3 中,Arup 可以在新项目中使用分析结果,并将数据合并到新的推理作业中。 在 Arup 的案例中,他们在现有的地理信息系统可视化工具中使用经过处理的 GeoTIFF 来生成与其产品设计主题一致的可视化效果。
结论
通过利用 SageMaker 的原生功能,Arup 能够在几个小时内对城市规模的城市热岛效应进行分析,而以前需要花费数周时间。 这有助于奥雅纳帮助其客户更快地实现可持续发展目标,并缩小应应用城市热岛影响缓解策略的重点领域,从而节省宝贵的资源并优化缓解策略。 该分析还可以集成到未来的地球观测工具中,作为大型风险分析项目的一部分,并帮助奥雅纳的客户预测城市热岛效应在不同情况下的影响。
奥雅纳等公司正在通过云利用地球观测数据来解锁可持续性。 立即在 SageMaker 控制台上探索 SageMaker 地理空间功能,释放地球观测数据在可持续发展项目中的可能性。 要了解更多信息,请参阅 Amazon SageMaker 地理空间功能,或者亲自尝试 指导解决方案.
作者简介
Richard Alexander 是 Arup 位于布里斯托尔的地理空间数据副科学家。 他在建立成功的团队以及在多个环境领域领导和交付地球观测和数据科学相关项目方面拥有良好的记录。
马克·哈洛斯 是 Arup 驻伦敦的遥感专家。 马克为广大客户提供地球观测和地理空间数据分析方面的专业知识,并利用传统机器学习和深度学习技术提供见解和思想领导力。
托马斯·阿特里 是位于伦敦的 Amazon Web Services 的高级解决方案架构师。 Thomas 目前为电力和公用事业行业的客户提供帮助,并运用他对可持续发展的热情帮助客户构建能效应用程序,并就使用云技术支持可持续发展项目提供建议。
塔玛拉·赫伯特 是英国 AWS 专业服务的高级应用程序开发人员。 她专门为各种客户构建现代且可扩展的应用程序,目前主要关注公共部门内的客户。 她积极参与构建解决方案并推动对话,使组织能够在云中和通过云实现其可持续发展目标。
阿尼鲁德·维斯瓦纳坦 – 是 SageMaker 地理空间 ML 团队的高级技术产品经理 - 外部服务。 他拥有卡内基梅隆大学机器人学硕士学位和沃顿商学院 MBA 学位,并被评为 50 多项专利的发明人。 他喜欢长跑、参观美术馆和百老汇演出。
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- Sumber: https://aws.amazon.com/blogs/machine-learning/designing-resilient-cities-at-arup-using-amazon-sagemaker-geospatial-capabilities/
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