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画一座冰山,看它沉浮!从简笔画到数据科学,Kaggle冰川图像分类比赛如何征服“轮船克星”?

简介: 画一座冰山,看它沉浮!从简笔画到数据科学,Kaggle冰川图像分类比赛如何征服“轮船克星”?
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提到冰山,我们最先想到的是什么?

很多人会说是泰坦尼克号。1912年4月10日,作为当时世界上最大的船舶,泰坦尼克号在其处女航途中撞上冰山后沉没,2224名船上人员中有1514人罹难,成为近代史上最严重的和平时期船难。

其实被冰山摧毁的轮船不止泰坦尼克一艘,作为水手口中的“轮船克星”,冰山可以说是海洋运输中的极端危险因素。

其原因可以用一个耳熟能详的成语来解释——冰山一角。

因为冰山多为密度较低的纯水而海水密度相对较高,这导致冰山约有90%体积沈在海水表面下,看着浮在水面上的形状并猜不出水下的形状,一不小心就会刮擦到附件航行的船只。

形状各异的冰山如何漂浮?这个问题也吸引了很多学者。

一家软件公司的产品开发主管 Joshua Tauberer 发布了一款网页应用Iceberg,可以让你可以穷尽自己的想象,随手画一个二维简笔的“冰山”,看它如何漂浮并到达一个最终的稳定状态。

整个页面简单的似乎有些许枯燥,但是玩上之后,简直停不下来!

Iceberg网站(点击阅读原文即可尝试):
https://joshdata.me/iceberger.html

文摘菌:“我画我自己”

著名的冰山照片原来是假的

我们先来看一张完整显示冰山海面以上和海面以下部分的照片。

是不是看着很熟悉?

无论是心理学、成功学,还是文学、社会学,经常用这种长条状的冰山模型来解释“冰山一角”的理论,遗憾的是,理论可能是正确的,但是这张图却可能是假的。

我们可以在Iceberg上画一下试试。

无论初始状态如何,一个长条状的圆柱形冰山总是会回到长边与海平面大致平行的状态。

这背后的原理也有人研究过,密歇根大学安娜堡分校地球物理学荣誉教授就发表过一篇文章,就揭示了这一现象背后的物理学原理。

理想状态来说,在液体中的漂浮物只要满足重心(整个物体的质量中心)和浮力中心(仅被淹没部分的质量中心)垂直对齐时,就可以达到稳定状态。

因此,将冰山抽象为一个圆柱体来说,可以漂浮的状态只有两种:圆柱体的旋转轴要么垂直于水面,要么平行于水面。

埃德加·吉尔伯特(Edgar Gilbert)则在1991年证明,为了保持圆柱形轴垂直于水面的稳定平衡,必须满足以下条件:

ρ(1−ρ)(2H/D)2<0.5

ρ是漂浮物的密度,对于冰山而言,ρ=0.9,方程要求H(圆柱体轴长)/D(底面直径)<1.1785。

显然,那些一眼看上去H(圆柱体轴长)和D(底面直径)就大于1.2的柱形冰山,就是艺术创作而非真实存在的。

当然,Iceberg是一个二维的抽象演示,对于真正的三维物体而言,也许可以在极端特殊的情况下,找到一个这样的视图。

与冰山有关的数据科学和气候问题

关于冰山,除了其有趣的漂浮状态引发的讨论,还有一些其他的有趣方面。

比如既然冰山对船舶航行的威胁如此之大,就需要动用国际力量检测会对船舶航行的安全影响的冰山。

国际冰巡逻队(International Ice Patrol)负责监测北大西洋中来自北冰洋的冰山,记录其出现与行踪;南极冰山由国家冰中心(National Ice Center)对每一边长于10英里的冰山进行命名和检测。

当然,有了卫星图像的帮助,现代冰山的监测还可以通过判读卫星图像来实现。

比如 Kaggle 上的冰川图像分类大赛,曾是 Kaggle 最火的单项比赛,拥有史上最多参赛队伍,其主要任务就是解决一个图像二分类问题——在卫星图像中将船和冰山区分开来。

这项比赛最终结果是 David Austin 和 Weimin Wang 组成的队伍一举拔得头筹,获得 25000 美元奖金。据介绍,他们的解决方案能有效应用于实际生活,保证舰船在危险的水域更加安全地航行,降低船和货物的损伤,避免人员伤亡。

有意思的是,Kaggle比赛经典的Logo也是一座几何构图的冰山。

除了航行安全,冰山还和全球气候有关。

谢菲尔德大学的研究人员在《Nature Geoscience》上发表的一篇文章显示,巨型冰山的融水可以直接影响南大洋的环流和上面的气候。

这里所说的“巨型”冰山的长度至少为18公里,在任何时候,都有几十座这样的冰山漂浮在南大洋上,而且它们个体可以存活长达十年。

数据显示,这些巨型冰山大约占南极洲排放的冰量的一半,每年约1000立方公里——相当于刚果河的年流量。

研究表明,当南极冰盖慢慢滑向海洋时,它们沿着大陆的基岩碰撞,吸收铁和其他营养物质,这些营养物质被禁锢在冰中。当冰山融化时,它们将这些化学物质释放到海洋中,从而促进浮游植物的生存,这些浮游植物的光合作用则可以吸收二氧化碳。

橙色区域为叶绿素,浮游植物光合作用的直接产物,显示了在这座巨大冰山周围数百公里范围内生命的繁荣。

这种影响可能会在冰山漂浮通过之后持续长达一个月,这对周围海洋的影响远远大于以前有限的观测研究所发现的,并可能提供多达10-20%的净碳被浮游植物吸收。

这么说来,由全球变暖造成的冰川消融,反过来也会成为对全球变暖的一个小小的制约。

相关报道:
https://joshdata.me/iceberger.html
https://www.iflscience.com/environment/revealed-how-giant-icebergs-breathe-life-remote-oceans/
https://cloud.tencent.com/developer/article/1166329

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