SDSC研究人员与联合国儿童基金会利比里亚学校项目合作

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超过38,000名儿童被迫参加了利比里亚的第二次内战，这场内战持续了14年，在2003年结束前夺去了约25万人的生命。这个西非国家正在缓慢地重建包括教育在内的基础设施。

为此，联合国儿童基金会(UNICEF)一直在与圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)以及加州大学圣地亚哥分校其他部分的研究人员合作，确定利比里亚现有学校的位置，以便为他们提供资源，并与政策制定者合作，规划该国未来的学校。

SDSC团队最近展示了他们的发现在11号IEEE/ACM实用程序和云计算国际会议2018年12月．这次演讲的重点是他们对深度学习的使用人工智能的一个分支领域，利用计算模型可以自动从数据中学习模式，而不是显式编程。深度学习中的“深度”指的是模型中相互连接的处理单元的多层，允许它在多个且日益复杂的抽象级别上学习数据的表示。

在这个特殊的项目中，深度学习究竟是如何工作的，它是如何确定学校的位置的?

SDSC高级数据科学家Mai Nguyen解释说:“使用一种称为卷积神经网络(CNN)的特定类型的深度学习模型，我们从卫星图像瓦片中提取了显著特征。”“然后，我们应用聚类分析将图像块组织成集群，将具有相似特征的块分组在一起。然后，使用地面真实数据(由联合国儿童基金会提供的现场信息)(如果有的话)或通过对聚类内容的目视检查来识别大多数图像瓦片包含学校的聚类。然后，这些学校集群被用来确定一个地区学校的可能位置。”

在这种情况下，学校的实际位置可能不准确或过时，深度学习与聚类分析相结合是必要的。这是许多应用程序的情况，在这些应用程序中，地面真相数据通常不充分、不可靠或完全缺失。

SDSC研究人员使用的方法提供了一种专注于感兴趣的地区(学校可能位于这些地区)的方法，同时丢弃了数据中的绝大多数“噪声”或不准确之处。Nguyen说，在测试区域，这种方法只考虑该区域总图像块的不到2%，就能定位80%的学校——这大大减少了搜索空间。

“这项工作是我们利用高分辨率卫星数据和深度学习所做的一系列研究的后续工作，与SDSC数据科学中心一起大像素计划SDSC首席数据科学官、数据科学中心负责人Ilkay Altintas说。

阿尔廷塔斯也是美国国家科学基金会资助的联合项目负责人认知硬件和软件生态系统社区基础设施(CHASE-CI)这是一个通过Kubernetes在高速公路上管理的用于机器学习和存储的快速图形处理单元(GPU)设备网络太平洋研究平台．

Altintas补充说:“在我们的指尖上拥有高通研究所的CHASE-CI平台(gpu)、可扩展的机器学习工具和高带宽数据传输，是加速这类研究的理想选择。”

下一步是将这种方法应用于更大的、地理上不同的区域，以测试其稳健性和对不同环境的可移植性。SDSC的研究人员还计划研究图像数据的使用，包括额外的光谱波段，以及更高的时间分辨率，以提高他们的方法在定位学校时的精度和稳健性。

对联合国儿童基金会和其他组织来说，寻找利比里亚学校并为其提供援助一直是一项挑战。联合国儿童基金会和其他组织包括一个小型基层组织，该组织总部设在圣地亚哥，由利比里亚裔美国人玛丽亚·哈里斯领导。在得知SDSC使用卫星图像定位学校的相关工作时，哈里斯欣喜若狂。

哈里斯说:“这项研究中的地区都是难以置信的农村和未开发地区，因为在战争期间，几乎所有人都离开去了更安全的地方。”“留在这些县的唯一的人是那些因为这样或那样的原因无法离开的人。但他们也有受教育的权利。”

哈里斯一生的大部分时间都生活在利比里亚，1988年，她领导了在蒙罗维亚建立一所小学和中学的努力。1990年，学校建筑被叛军严重破坏，在多年的战争中又被破坏了三次。在学校重建期间，哈里斯的家被用作附近孩子的学校。

2000年，哈里斯参加了在伦敦举行的世界幼儿教育组织会议，并从那里前往美国寻求庇护。她在圣地亚哥勤奋工作，帮助利比里亚社区成员重建这所学校。这所学校于2007年完工。哈里斯继续帮助这所学校，现在正在建立一个名为利比里亚毅力协会的非营利组织，因为运营成本仍然具有挑战性。不过，她很庆幸蒙罗维亚至少还有一所正常运作的学校。

她说:“一旦这些SDSC研究人员提供的信息可以与实地数据相关联，利比里亚毅力协会等组织就可以更有效地帮助学校教师，并向这些更偏远的地区运送物资。”

蒙罗维亚圣保罗长老会学校的科学教师Melvin Gartei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。”“虽然我们最大的挑战是根本性问题，比如学生们挨饿，但我们非常欢迎联合国儿童基金会和其他组织提供学习工具，帮助这些儿童有朝一日摆脱极端贫困。希望像SDSC这样的项目能够绘制出工作学校的场地，然后可以与组织合作，帮助我们建造科学实验室等东西，因为我们的学校系统很少有科学实验室。”

“听说我们的工作将有助于利比里亚教育界，这正是我们想听到的，”大型像素倡议协调员杰西卡·布洛克(Jessica Block)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。”

这项研究得到了SDSC数据科学中心和CI、信息技术研究和SEES危险项目下的NSF-1331615以及CHASE-CI下的NSF-1730158的部分支持。联合国儿童基金会支持该项目并提供学校数据。数字地球赞助了大像素计划，该计划提供了访问全球技术还有使用的机会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普华永道（普华永道）.