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sdsc研究人员与联合国儿童基金会合作开展利比里亚学校项目

深度学习卫星图像为农村教育领域提供了洞察力

验证模型的性能是通过比较其对学校位置的预测与联合国儿童基金会的数据来完成的。橙色方块表示由模型识别的瓷砖作为可能的学校位置,粉色圆圈是来自联合国儿童基金会数据的实际学校。礼貌的mai nguyen,sdsc

超过38,000名儿童被迫参加利比里亚的第二次内战,这次内战持续了14年,并在2003年结束之前夺走了约25万人的生命。西非国家慢慢地继续重建包括教育在内的基本基础设施。

为此,联合国儿童基金会(联合国儿童基金会)一直与圣地亚哥超级计算机中心(sdsc)的研究人员以及圣地亚哥的其他地方合作,以确定现有利比里亚学校的位置,以便他们能够为他们提供资源。并与决策者合作规划该国未来的学校。

sdsc团队最近提出了这个问题 他们的发现 在11日 ieee / acm实用和云计算国际会议 在2018年12月。演讲重点是他们使用深度学习,这是 人工智能的一个子领域,利用计算模型,可以自动从数据中学习模式,而不是明确编程。深度学习中的“深层”是指模型中的多层互连处理单元,它允许它在多个且越来越复杂的抽象层次上学习数据的表示。

这个特定项目的深度学习究竟是如何运作的,它是如何确定学校的位置的?

“使用一种称为卷积神经网络(cnn)的特殊类型的深度学习模型,我们从卫星图像块中提取了显着的特征,”高级sdsc数据科学家mai nguyen解释道。 “然后,我们应用聚类分析将图像切片组织成聚类,其中具有相似特征的切片组合在一起。然后使用地面实况数据(由unicef提供的现场信息)(如果可用)或通过目视检查群集内容来识别包含学校的大多数图像块的簇。然后,这些学校集群被用来确定一个地区学校的可能位置。“

对于像这样的场景,学校的实际位置可能不准确或过时,深度学习与群集分析相结合是必要的。对于许多应用来说就是这种情况,其中地面实况数据通常不足,不可靠或完全丢失。

sdsc研究人员使用的方法提供了一种方法来关注可能位于学校的感兴趣区域,同时丢弃数据中的大部分“噪音”或不准确性。在测试区域,nguyen表示,这种方法能够找到80%的学校,只考虑该地区总图像瓦片的不到2% - 搜索空间显着减少。

“这项工作是我们使用高分辨率卫星数据和深度学习与sdsc数据科学中心一起进行的一系列研究的后续工作。 大像素倡议 在uc san diego的高通研究所,“silsc首席数据科学官兼数据科学中心负责人ilkay altintas说。

altintas也是nsf资助的合作伙伴 认知硬件和软件生态系统社区基础设施(chase-ci),一个快速图形处理单元(gpu)设备网络,用于通过高速kubernetes管理的机器学习和存储 太平洋研究平台(prp).

altintas补充说:“通过(gpus),高级机器学习工具和高带宽数据传输,在高通公司拥有chase-ci平台,这是加速此类研究的理想选择。”

下一步是将这种方法应用于更大和地理位置不同的区域,以测试其对不同环境的稳健性和可转移性。 sdsc研究人员还计划研究图像数据的使用,包括额外的光谱带,以及更高的时间分辨率,以提高他们的方法在学校定位的精确性和稳健性。

寻找和向利比里亚学校提供援助一直是联合国儿童基金会和其他组织的挑战,例如一个小型基层组织,该组织位于圣地亚哥,由利比里亚裔美国人马利亚哈里斯领导。在了解了将卫星图像用于定位学校的sdsc工作后,哈里斯欣喜若狂。

哈里斯说:“这项研究的领域非常农村和未开发,因为在战争期间,几乎每个人都离开了更安全的地方。” “在这些县中唯一留下的人是那些因某种原因不能离开的人。但他们也有受教育的权利。“

哈里斯一生大部分时间都住在利比里亚,于1988年在蒙罗维亚建立了一所小学和中学。1990年,学校大楼遭到叛乱分子的严重破坏,在战争的多年中又遭到了三次破坏。在学校重建的这些年里,哈里斯家庭将成为附近儿童的学校。

2000年,哈里斯参加了在伦敦召开的世界童年教育大会,并从那里前往美国寻求庇护。她在圣地亚哥努力工作,帮助她的利比里亚社区成员重建学校,该学校于2007年完成。哈里斯继续为学校提供帮助,现在正在建立一个非营利组织,称为利比里亚坚持不懈的协会,因为运营成本仍然是具有挑战性的。但是,她很感激至少在蒙罗维亚有一所运作良好的学校。

“一旦来自这些sdsc研究人员的信息可以与地面数据相关联,诸如利比里亚坚持不懈协会等团体可以更有效地帮助学校教师并向这些偏远地区提供物资,”她说。

“我们很高兴听到这个项目能够更好地帮助利比里亚学校的发展和可持续发展,”蒙罗维亚圣保罗长老会学校的科学教师梅尔文加特说。 “虽然我们面临的最大挑战是诸如饥饿的学生等基本问题,但我们非常欢迎来自联合国儿童基金会和其他团体的学习工具,以帮助这些儿童有朝一日超越极端贫困。希望像sdsc这样能够制定工作学校网站的项目可以与组织合作,帮助我们建立像科学实验室这样的东西,因为它们在我们的学校系统中很少可用。“

“听说我们的工作将有利于利比里亚的教育界,这正是我们想要听到的,”大像素计划协调员杰西卡·布洛克说。 “我们的目标是推进和应用这些技术,以发现世界需要的洞察力。我们希望每个人都能使用这些工具。“

这项研究部分得到了sdsc的数据科学中心和信息技术研究ci下的nsf-1331615的支持,并且看到了灾害程序和nsf-1730158 for chase-ci。联合国儿童基金会支持该项目并提供学校数据。 DigitalGlobe公司 赞助了大像素计划,提供访问权限 全球底图 并有机会使用 地理空间大数据平台 (gbdx)在2018年可持续发展挑战期间。在这项工作中开发的初步方法得到了支持 普华永道 (普华永道)。


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