工人智慧之協同合作

無國界醫生組織 (Doctors Without Borders/Médecins Sans Frontières) 在七月份發表了一個新的手機軟體 MapSwipe,這個軟體的功能是讓志工可以透過手機協助預分析衛星圖 (pre-screen satellite imagery),協助醫療團隊判斷哪些偏遠地區的群聚部落,以便派人前往提供疫苗接種等醫療服務。

MapSwipe 是一個開放原始碼軟體使用方式非常簡單,透過後端系統將衛星圖切好豆腐,透過手機介面讓志工選出地圖上可能的道路或建築物。這個計畫可以與 OpenStreetMap 的 Humanitarian TeamMissing Maps Project 合作,在大型災害發生時,透過最新的衛星圖資料,讓志工可以快速的區分出尚存的建築物。然後再發布於 HOT Task Manager 上,由後續的圖客 (Mapper) 接手進行細部的地圖繪製工作。可以爭取時效由全球的志工,為地面隊伍提供更新過得地圖情報。

機械學習用於社經發展判讀

然而,這是使用工人智慧進行衛星圖,利用大量的人力來做地圖判讀。

大型的科技公司如 Facebook ,為了達成他們的連結全世界遠景,也必須找出人口分布,這是傳統的人口統計無法提供的資訊。於是他們與衛星影像公司 Digital Global 合作,利用 machine learning 的影像處理技術找出人造建築,來推算人口分布度。Facebook Connectivity Lab 的技術文章說明了技術的概念

至於非營利組織與學術界,只好利用開放的資料。類似的工作有 Arnhold Institute for Global Health 的 Senior Data Analyst, Patrick Doupe 使用 LANDSAT7 的衛星圖,計算預測特定區域社經狀態。初期的程式碼已經發布在 github 上。

Standford 大學的研究學者 Marshall BurkeStefano Ermon 的團隊,則是更的藉由分析白天和夜間的衛星影像來建立模型,因為電力的基礎設施可以反應出當地的經濟水平,然後再以地面的基礎設施作為 filters,將模型轉移成預測貧困地區 (中文)。透過這套技術,可以以衛星影像取代過往利用大量人力普查的成本,長期的觀察偏遠區域的發展現況。然而,衛星資料仍有其侷限性,研究團隊也在考慮如何蒐集行動電話的 metadata作為原始數據. 論文中以 R 3.2.4 與 Python 2.7. 實做的程式碼與配置教學已經放到 github 上。

深度學習的特徵搜尋

這些技術使用的都是 convolutional neural network,有別傳統的 Geographic Object-Based Image Analysis 技術,有更多應用場景。

像是快速搜索衛星圖中的特定影像特徵。

Terrapattern 提供了一個普羅大眾都可以輕易使用的反向搜尋引擎。透過 OSM 標籤分類衛星圖像,以 Deep Convolutional Neural Network 訓練,但他的目的不是自動區分出建築物的類型。而是讓使用者可以快速透過 Cover Tree 的依據影像特徵快速搜尋地景,最好用來搜尋哪些不容易出現在地圖上的設施,像是廢氣泳池、冷氣機組等等。同樣的技術也可以用在受災區域的空照圖,可以很快的辨識出毀損的建築與橋樑道路等。程式碼是以 MIT 授權發布,網站上的資料也很有參考價值

人工智慧實踐自動與偵錯

本文開始提到的以工人智慧方式檢測衛星影像,以便加速急難救助時候的繪圖速度,其實也可以透過人工智慧的技術加速處理。Stanford 的同學 Lars Roemheld 在他的學習課程 CS231n: Convolutional Neural Networks for Visual Recognition 的報告,詳細的描述了他嘗試的方法,以及碰到的問題

Development SeedAnand Thakker 在 2016 的 SoTM US 的演講 Skynet 則成功的展示如何利用 Machine Learning 找出道路。他提到、雖然 OSM 圖資中已經有許多的道路可以作為訓練資料,但是由於道路的寬度並未正確得標注,所以仍需要一些調整後才能正確的訓練出模型。細節請參考投影片測試資料程式碼

光是標注出路線只完成了一小份工作,人工智慧與衛星影像並無法提供路名。

Facebook 在某些區域,已經開始使用 OSM 當作地圖基本資料,作為打卡的基礎地圖,Sadi Khan, Yin Wang, Luke Walsh 等幾位 Facebook 工程師在 SoTM US 上分享了他們針對埃及所進行的一些實驗,預測可以增加 20%-30% 道路網絡,並開始測試從 POI 取出路名,然後讓使用者回報選擇正確的路名,進一步提高資訊的完整度。雖然已經匯入部份部份路網,但是由於程序問題且品質不佳,已經回退修改

其他的社群實驗還有 GeometalabSamuel Kurath 做的 Crosswalk-Detection,用於偵測馬路上的斑馬線,據說目前已經有了 98% 的準確率

在開放街圖社群已經有社群將技術用於改善圖資品質。專門做專業登山地圖軟體 Gaia GPSTrailBehind, Inc,利用 TensorFlow 開發自動偵錯工具 DeepOSM,利用衛星影像識別道路,並與現有的圖資對照是否正確。這是最早將類神經網路技術利用於 OSM 的計畫之一。

未來發展

深度學習/機械學習的進入門檻越來越低,主要的線上雲端服務供應商包含 Amazon, Microsoft Azure, Google 都陸續推出適合類神經網路計算使用的 GPU 伺服器。可以很方便的取得計算資源,進行一些實驗開發。
除此之外,DigitalGlobe, CosmiQ Works 與 Amazon 合作推出SpaceNet 資料集。這些圖資來自 DigitalGlobe 的 WorldView-2 商業衛星,50 cm 的高畫質圖資,包含八個波段多光譜影像 (8-band multispectral data)。以及 220,594 組建築物圖像可以作為人工智慧訓練資料。

從 Development Seed 的分享,社群已經開始將技術用在完善 Dar es Salaam 路網或是與 World Bank 合作。但是這些新技術在 OSM 社群中引起一些政治衝突,OSM 社群一直都是由志工徒步踏查從無到有畫出來的,這些志工很珍惜透過聚會所建立的社群,只須要宅在家裡的鍵盤畫圖活動一直都不太受到歡迎

而現在到達了一個 機械化編輯 (Robot mapping) vs 人力編輯 (Craft mapping) 的十字路口

作為一個實用主義者,我個人相信機械化編輯可以大幅降低成本的維持高品質的圖資資料,而人力編輯可以相輔相成的專注於提供本地知識。