XPRIZE与Esri合作应对海洋制图挑战

概述

几千年来，围绕着占地球71％的海底深处居住的问题一直围绕着一个谜。水手和早期的制图师曾想象过海底有怪物。

背景

时至今日，海洋深处仍有大部分地方未作图、未观察和未勘探。地图制作者在高分辨率下仅覆盖了不到10％的海底，科学家在描述海洋的物理，生物，地质，化学和考古方面还有许多工作要做。这意味着海洋比我们自己的月亮更像是一个谜。

"对于我们来说，我们的星球是未知的实体。这就像住在三层楼的房子里，我们只知道一楼的东西。

为了解决这一缺陷，XPRIZE作为其XPRIZE海洋计划的一部分，提出了一系列针对海洋的挑战。在2015年，该小组创建了壳牌海洋探索XPRIZE，这项历时 3年、耗资700万美元的国际竞赛挑战了使用自主机器人绘制海底图的团队。

这项挑战要求无人远洋船只在24小时内绘制4,000平方公里深达4,000米，分辨率为5米的海底地图。

"最终目标是创建整个海洋的高分辨率海底图。"Virmani指出，依靠当前的技术和方法，如果没有最新挑战带来的自治平台的好处，制图工作可能需要200至600年的时间。

富格罗海底地形图

团队应对挑战

由于距离遥远以及将制图仪送入海洋环境所涉及的风险和成本，海底制图需要花费很长时间。其中的挑战包括：海洋压力和温度都很高，盐水腐蚀了设备，超过200米的深度都没有光，猛烈的风暴很难避免。

这项XPRIZE挑战的重点是寻找新的制图方法，从数据收集的角度消除人类，以减少这些极端情况，并为科学家提供发现的信息。

来自日本、挪威、德国和加纳等25个以上国家的32个小组对这一挑战做出了回应。一些是初中学生，而其他则是毕生的海洋测绘专家。大多数团队使用声纳（一种从海底反射声波的传感技术）来测量3D模型的距离，而来自瑞士的一个人团队则使用激光雷达，该激光雷达用激光代替了声音。每个团队采用不同的方法，每个团队都面临重大挑战。

为了说明挑战的难易程度，原计划在波多黎各进行测试，但当飓风艾尔玛和玛丽亚于2017年秋天袭击该岛时，XPRIZE不得不提出一项新计划。XPRIZE员工没有在试验场上召集团队进行试验，而是访问了每个团队进行早期试验，并为最终试验寻找了新的地点。

"我们在世界各地搜寻了一个可行的地点-斐济、萨摩亚和澳大利亚等地点，因为我们需要靠近港口，并且海洋深度为4,000米，" Prize Operations技术负责人Andrew Remsen说。"我们拥有这个巨大的地球，但是按照这些标准，适合的位置确实缩小了我们的星球。"

经过一连串的探索和找寻，最后一轮测试被转移到了希腊。

地图帮助团队监控海上无人机器人的性能和进度

加快海底制图步伐

壳牌海洋探索XPRIZE挑战旨在推动自主海洋技术的整个领域。

墨西哥湾漏油事件发生后，第一个海洋XPRIZE就发起了。第一个挑战带来的技术创新帮助采油团队将油的清理速度提高了四倍，有些团队的油水分离成功率高达99％。第二项竞赛旨在从海洋中收集实验室质量的pH测量值，从而产生精确且价格合理的pH传感器。

在发起"壳牌海洋探索"竞赛之前，XPRIZE与Esri专家合作访问了准确的基线图和提供工具，以判断四个竞赛标准：验证最终的图是否具有高分辨率，量化每个团队在24小时内捕获的面积，比较每个团队的地图的准确性，并确保每个团队都符合4,000米的深度要求。

"我们需要Esri的帮助来确定评估每个团队的努力的指标，了解他们给我们的地图区域，并在将团队的地图与底图进行比较时创建准确性指标，" Remsen说。

每个团队都可以访问ArcGIS Online的地图和数据，以评估自己的表现并提交他们收集的数据。

"这次制图比赛是XPRIZE一项更广泛的海洋计划的一部分，" Virmani说，"我们的最终目标是建立健康、有价值且被理解的海洋。为了使健康，您需要珍惜它。要珍惜某些东西，您需要能够理解它。地图是了解我们星球的基本方法之一。"

团队在这里可以看到集中关注的问题

迄今为止，大多数海底地图（称为测深图）是从卫星获得的，这些卫星结合了信号和对地球重力场的理解，从而对海底山脉和海沟的位置进行了有根据的猜测。然而，研究人员可以通过直接从水面舰艇和潜艇进行测量获得更准确的地图。更好的海洋地图对于广泛的用途至关重要。

Virmani说："这些新技术将使人们能够发现新的海洋物种，水下资源，地质特征以及探索深海的更安全方法，同时阐明深海之谜并发现自黎明以来仍然未知的事物。"

可达成的态度

2019年5月，XPRIZE宣布了壳牌海洋探索XPRIZE奖的获得者。

日本海洋基金会总测深图（GEBCO）日本基金会校友团队在该团队的工作基础上获胜，该团队开发了自主和无人水面航行器（USV）的组合，该船可运输较小的自主水下航行器（AUV）。USV充当母舰，定位船只并充当数据收集平台和电信枢纽，以将数据传输到岸上。

团队的概念创建了一个安全且经济高效的海底制图平台，该平台可在高达4,500米的深度运行，并可自动启动和回收AUV。

大奖获得者团队为此次比赛而建造的低成本无人水面舰艇SeaKit

团队项目协调员Richelle Wigley博士感谢XPRIZE对团队工作的认可。

威格利说："我们所有人都非常高兴。" "达到这一点是真正的国际努力。我们多元化的国籍，背景和专长是我们最大的财富，也是我们做到这一点的原因。"

日本基金会承诺将奖金再投资于其"海床2030"项目，目标是到2030年绘制整个海床。

"自主的海洋测绘曾经是一个遥不可及的事情，但是现在这是一项全球努力。"Virmani说，看到这项技术的首次应用使她感到自豪和兴奋。2017年2月，GEBCO-NF Alumni的水面船还只是工程图；到2017年11月，它已经通过成功的现场测试取得了进展；一年后，USV表现完美。

Virmani说："当我们开始这样做时，有不止一个人告诉我们这是无法实现的。" "现在，三年后，凭借许多坚持不懈的精神和我们必须尝试的态度，这些团队向人们表明，只要动脑子，就可以实现大胆的目标。"

数据获取

上文中提到的海底高程数据可以通过水经注万能地图下载器进行下载，如下图所示。

海底高程数据

结语

就现在的科学技术条件下，科学家探索和了解海洋仍然面临着巨大的挑战。极端和危险的海洋条件要求使用机器人进行更快、更安全的海底测绘。对于整个团队收集各种海洋数据，可以通过GIS帮助他们验证和综合信息。

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