機(jī)器學(xué)習(xí)尋找越戰(zhàn)中未爆炸的炸彈

未爆炸炸彈（Unexploded Ordnance， UXO）對沖突后社區(qū)構(gòu)成了重大威脅，目前定位炸彈的工作依賴于時(shí)間密集和危險(xiǎn)的現(xiàn)場查找。

超高分辨率（VHR）亞米衛(wèi)星圖像可以提供一種低成本、高效率的方法，來自動檢測彈坑并估算未爆炸炸彈的密度。由于炸彈坑比流星隕石坑要小，并且由于炸彈坑復(fù)雜的地形環(huán)境和外觀變化，所以利用以往尋找流星隕石坑的機(jī)器學(xué)習(xí)方法并不適合尋找炸彈坑。

根據(jù)俄亥俄州立大學(xué)政治學(xué)助理教授 Erin Lin 與俄亥俄州立大學(xué)土木、環(huán)境和大地工程助理教授秦榮軍共同發(fā)表在《美國科學(xué)公共圖書館》雜志（PLOS ONE）上的一項(xiàng)研究，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的兩階段框架來嘗試應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

該研究所提出的方法，將炸彈坑檢測率提高了 160％ 以上。對比分析表明，該方法明顯優(yōu)于典型的物體識別算法，可用于廣域炸彈坑檢測。

而該模型結(jié)合解密的記錄和排雷報(bào)告，發(fā)現(xiàn)在柬埔寨某村莊附近仍有 44％ 至 50％ 的炸彈未爆炸。

和平時(shí)期的隱患

未爆炸彈藥是指在武裝沖突期間部署但沒有引爆的軍事爆炸物，例如手榴彈、炸彈、迫擊炮彈和集束彈藥。未爆炸彈藥對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、人類健康和政府反應(yīng)能力構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，未爆炸彈藥每年奪走 15，000 至 20，000 人的生命，每天平均有超過兩名平民被未爆彈藥炸死或炸傷，其中 28％ 的傷亡是兒童。而全球估計(jì)至今仍有 400 萬到 600 萬顆流散爆炸物尚未被發(fā)現(xiàn)。

柬埔寨的炸彈隱患是世界上最高的。越南戰(zhàn)爭期間，美國向柬埔寨投放了約 50 萬噸炸藥。在柬埔寨，所有 24 個(gè)省都有未爆炸彈藥和地雷污染的區(qū)域，2001 年，幾乎所有柬埔寨村莊的一半都報(bào)告了某種形式的未爆炸物隱患。

當(dāng)前的清理方法，要求排雷人員手動搜索場地，依靠金屬和雷達(dá)探測器找到可能的炸彈，并使用鐵鍬仔細(xì)地挖出可疑爆炸物，過程費(fèi)力、危險(xiǎn)且通常效率低下。

更打擊人的是，2016 年聯(lián)合國的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，過去一年中清理的埋雷區(qū)域中有近一半實(shí)際上“沒有地雷或數(shù)量非常有限” 。

兩階段框架的提出

在這項(xiàng)最新研究中，研究人員利用人工智能從衛(wèi)星圖像中檢測越戰(zhàn)時(shí)期柬埔寨的炸彈坑，希望它能幫助找到未爆炸的炸彈。

遙感分析提供了一種定位未爆炸彈藥的潛在方法，美國空軍解密的越戰(zhàn)轟炸記錄也提供了很大幫助。為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員還開發(fā)了一種新的遙感方法，來計(jì)算每個(gè)有效目標(biāo)區(qū)域中的炸彈坑數(shù)量。

然后，用已知的每個(gè)有效目標(biāo)區(qū)域中的炸彈總數(shù)（解密數(shù)據(jù)提供的信息），減去了已經(jīng)引爆的炸彈數(shù)量，就可以估算出仍下落不明并可能藏在該區(qū)域的炸彈數(shù)量。

其實(shí)，之前尋找彈坑的算法，借鑒了成熟的隕石坑識別方法，通過掃描衛(wèi)星圖像，尋找外層空間行星表面上的大型圓形坑。但是，炸彈坑和流星隕石坑之間還是有很大的差異。

首先，炸彈坑會隨著時(shí)間流逝經(jīng)歷各種程度的侵蝕，周圍植物也會生長變化，這與流星隕石坑不同，流星隕石坑位于缺乏大氣和植被的地外表。

第二，從遙感角度看，彈坑的尺寸相對較小，通常直徑只有 3 至 12 米。這比流星撞擊坑要小得多，隕石坑的直徑可達(dá) 3000 米。由于隕石坑檢測方法是從粗粒度的黑白圖像中檢測出圓形，因此可能會漏掉尺寸較小、形狀不完美、與周圍地形融為一體、或附近有干擾物體（如植物或水）的彈坑。

炸彈坑（左）與流星隕石坑（右）

為了有效檢測到直徑為 3 至 12 米的物體，研究人員需要處理超高分辨率（VHR）衛(wèi)星圖像。鑒于炸彈坑檢測是針對目標(biāo)的學(xué)習(xí)任務(wù)，可獲得的樣本相對較少，研究人員開發(fā)了一個(gè)兩階段的框架。

彈坑探測兩級框架的工作流程

在第一階段，通過使用滑動窗口技術(shù)從 100 平方公里的研究區(qū)域中提取出第一道候選彈坑，其中矩形區(qū)域在固定寬度和高度的圖像上滑動。

然后將補(bǔ)丁分類為潛在的隕石坑或拒絕的候選坑。具體來說，典型的特征提取器將定向梯度直方圖（HOG）與基于支持向量機(jī)（SVM）的光譜直方圖特征向量進(jìn)行分類。

但是，潛在的隕石坑候選可能包含許多誤報(bào)。因此，第二階段涉及多方法過程，以從候選池中除去非炸彈坑口。

第一階段 83% 的候選隕石坑在第二階段改進(jìn)后被丟棄

新方式效果顯著

研究人員從柬埔寨 Kampong Trabaek 鎮(zhèn)附近 100 平方公里區(qū)域的商業(yè)衛(wèi)星圖像開始，該地區(qū)是美國空軍 1970 年 5 月至 1973 年 8 月地毯式轟炸的目標(biāo)。

研究地點(diǎn)的衛(wèi)星圖像（100 平方公里）

研究人員通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析衛(wèi)星圖像，以尋找炸彈坑存在的證據(jù)。炸彈坑的數(shù)量能夠讓研究人員知道實(shí)際上有多少炸彈已經(jīng)爆炸，在哪里爆炸。然后，他們可以就可以確定還剩下多少枚未爆炸的炸彈，以及可能發(fā)現(xiàn)這些炸彈的特定區(qū)域。

俄亥俄州立大學(xué)政治學(xué)助理教授 Erin Lin 表示，到目前為止，在柬埔寨發(fā)現(xiàn)并安全清除未爆炸炸彈和地雷的嘗試，并沒有達(dá)到所需的效果。

Erin Lin 教授說，“迫切需要的服務(wù)與應(yīng)用之間存在脫節(jié)，部分原因是我們無法準(zhǔn)確地確定最需要排雷的地方。這就是我們的新方法可能會有所幫助的地方?！?/p>

Erin Lin 教授解釋說：“幾十年來，炸彈坑周邊長滿草和灌木，會受到侵蝕，所有這些都會改變炸彈坑的形狀和外觀?！倍芯咳藛T開發(fā)的計(jì)算機(jī)算法，考慮了炸彈坑的新特征，包括形狀、顏色、紋理和大小。與傳統(tǒng)方法相比，該方法將真正的炸彈檢測提高了 160％ 以上。

研究人員還獲得了解密后的軍事數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明，在本研究分析的區(qū)域內(nèi)投放了 3205 枚炸彈。這些信息與排雷報(bào)告和研究結(jié)果相結(jié)合，表明該地區(qū)仍有大約 1405 到 1618 枚未爆炸的地毯炸彈未被發(fā)現(xiàn)，大約是投向那里的炸彈的 44％ 到 50％。

而且這項(xiàng)研究涉及的大部分土地都是農(nóng)業(yè)用地，這意味著當(dāng)?shù)剞r(nóng)民有遭受炸彈爆炸的危險(xiǎn)，危險(xiǎn)并不是假設(shè)而是真實(shí)存在的。

研究人員援引聯(lián)合國的一份報(bào)告，該報(bào)告批評柬埔寨國家排雷機(jī)構(gòu)把重點(diǎn)放在有未爆地雷的風(fēng)險(xiǎn)最小或沒有地雷的地區(qū)，從而展現(xiàn)了迅速進(jìn)展的景象。

Erin Lin 教授表示：“排雷的過程既昂貴又費(fèi)時(shí)，但是我們的模型可以幫助確定應(yīng)首先排雷的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)?！?/p>