文/溫淑

　　來源：智東西（ID:zhidxcom）

　　看點(diǎn)：解讀被蘋果獨(dú)占的 Dark Sky 背后技術(shù)：AI 精準(zhǔn)預(yù)測 10 分鐘后會(huì)不會(huì)下雨。

　　智東西 4 月 8 日消息，近期，CNN 等多家媒體報(bào)道了蘋果公司對(duì)天氣應(yīng)用 Dark Sky 的收購，稱蘋果計(jì)劃在 7 月前把該款 App 從安卓平臺(tái)下架。這是蘋果首次收購第三方天氣應(yīng)用。

　　粗略統(tǒng)計(jì)，僅與 iOS13 系統(tǒng)兼容的天氣 App 就有 100 多個(gè)，蘋果自家也有天氣應(yīng)用。在這種前提下，Dark Sky 憑借什么優(yōu)勢得到科技巨頭蘋果的青睞？被納入到 iOS 閉環(huán)生態(tài)之中？

　　傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)播報(bào)未來 24 小時(shí)天氣，不夠準(zhǔn)確也已過時(shí)，而在開源的世界里，播報(bào)未來 10 分鐘的天氣變化并不是難題。

　　Dark Sky 正是一款以分鐘級(jí)別準(zhǔn)確預(yù)測用戶所在地未來一小時(shí)降雨情況的應(yīng)用。隨時(shí)隨地，只要用戶打開應(yīng)用，它會(huì)迅速基于用戶定位播報(bào)天氣。比如，當(dāng)前地區(qū) 5 分鐘后有強(qiáng)降雨、將持續(xù) 15 分鐘等。

　　正如其所標(biāo)榜的那樣，Dark Sky 是目前“最準(zhǔn)確的超本地化天氣信息來源”App。

　　有趣的是，Dark Sky 并不是基于氣象學(xué)方法做出天氣預(yù)測，而是別出心裁地只采用了大數(shù)據(jù)分析模型。

　　Dark Sky 的主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)也十分“特別”。三位創(chuàng)始人中，Adam Grossman 是物理學(xué)出身，Jay LaPorte 和 Jack Turner 研究計(jì)算機(jī)科學(xué)。團(tuán)隊(duì)其他成員則是網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員和后端工程師。換句話說，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都沒有氣象學(xué)背景。

　　就是這樣一群半路出家的“氣象工作者”，做出了這款倍受好評(píng)的天氣應(yīng)用。

▲Dark Sky 聯(lián)合創(chuàng)始人：Jay LaPorte（左），Adam Grossman（中），Jack Turner（右）

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　　大數(shù)據(jù)分析：剝離干擾信息，準(zhǔn)確插值預(yù)測

　　據(jù) Dark Sky 聯(lián)合創(chuàng)始人亞當(dāng)·格羅斯曼（Adam Grossman）介紹，Dark Sky 使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)均來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）。

　　NOAA 運(yùn)營著一個(gè)覆蓋面極廣的氣象監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由超過 140 個(gè)雷達(dá)組成，對(duì)美國全境和一些其他地方形成了覆蓋。法律規(guī)定美國公民可以免費(fèi)獲取這些雷達(dá)數(shù)據(jù)。

　　Dark Sky 團(tuán)隊(duì)以二進(jìn)制格式下載這些數(shù)據(jù)，之后再進(jìn)行必要的四步處理。

　　1、FANN 分離噪聲和非噪聲

　　除了有用的氣象數(shù)據(jù)，雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)還會(huì)收集到一些噪聲，比如地面反射波、蟲鳥的遷徙活動(dòng)和一些人類活動(dòng)等。這些信息有可能被誤認(rèn)為是降水信號(hào)。因此，第一步要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

　　據(jù)悉，噪聲大部分由低強(qiáng)度數(shù)據(jù)組成（即圖中淺藍(lán)色區(qū)域）。Dark Sky 團(tuán)隊(duì)會(huì)先將所有低強(qiáng)度數(shù)據(jù)不加區(qū)分地刪除。但是，除了噪聲數(shù)據(jù)以外，這一步操作也移除了風(fēng)暴前緣和后緣的有價(jià)值數(shù)據(jù)。而這部分丟失的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測降雨情況至關(guān)重要。

　　為了彌補(bǔ)這部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，Dark Sky 團(tuán)隊(duì)引入了 AI 技術(shù)，使用快速人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫（FANN）建立模型。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，噪聲數(shù)據(jù)不僅是低強(qiáng)度的，而且具有一種可識(shí)別的“紋理”。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，F(xiàn)ANN 模型能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出這種“紋理”，進(jìn)而將數(shù)以千計(jì)的雷達(dá)數(shù)據(jù)分為兩類：噪聲和非噪聲。

　　研究人員稱訓(xùn)練過程需要持續(xù)一段時(shí)間，但最終得到了一個(gè)簡潔、快速的程序。該模型可以識(shí)別 90~95% 的噪音，幾乎沒有誤報(bào)。

▲數(shù)據(jù)分離結(jié)果

　　2、CV 算法，提取風(fēng)暴速度

　　氣象系統(tǒng)是典型的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，十分混亂復(fù)雜。在進(jìn)行天氣預(yù)測時(shí)，要考慮到許多因素，比如復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)原理、地球的旋轉(zhuǎn)角度、地勢的不平坦情況、注入系統(tǒng)的太陽能等等。

　　這也是一個(gè)世紀(jì)以來，氣象學(xué)家設(shè)計(jì)出了各種復(fù)雜模型，但仍無法提供準(zhǔn)確天氣預(yù)測的原因。

　　但是，Dark Sky 團(tuán)隊(duì)注意到，氣象系統(tǒng)的變化在更小的時(shí)間尺度上會(huì)趨于線性。例如，在天空飄動(dòng)的積云會(huì)更傾向于以相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)。

　　當(dāng)把時(shí)間尺度縮小時(shí)，降水帶也會(huì)更加連貫，甚至在幾分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)表現(xiàn)為線性變化。有一些情況下，這個(gè)線性過程可以持續(xù)一個(gè)小時(shí)或更久。

　　為了量化這個(gè)過程，研究人員引入了計(jì)算機(jī)視覺（CV）模型。利用開源計(jì)算機(jī)視覺庫 OpenCV 中的光流與目標(biāo)跟蹤算法，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多個(gè)雷達(dá)圖像幀進(jìn)行了比較，創(chuàng)建出了一個(gè)速度分布圖。

　　為了使結(jié)果更加直觀，研究人員用顏色替換箭頭，制作出一張三通道圖像。圖像中，紅色代表x方向的速度，藍(lán)色代表y方向的速度，綠色代表風(fēng)暴強(qiáng)度的變化。

　　3、GPU 完成預(yù)測和動(dòng)畫制作

　　研究人員會(huì)將速度圖像輸入 iPhone 或 iPad 上的 GPU，風(fēng)暴預(yù)測過程和動(dòng)畫制作過程都在 GPU 中完成。

　　研究人員指出，由于不同風(fēng)暴的特征差異、地理環(huán)境的不同等，預(yù)測結(jié)果會(huì)有所出入。例如，如果風(fēng)暴更連貫和穩(wěn)定，能夠預(yù)測的時(shí)間就會(huì)更長。

　　4、誤碼監(jiān)測

　　為了保證預(yù)測的準(zhǔn)確性，Dark Sky 團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)每一次預(yù)測進(jìn)行誤碼監(jiān)測。

　　據(jù)介紹，研究人員會(huì)用預(yù)測結(jié)果與實(shí)際天氣情況進(jìn)行對(duì)比，從而確定預(yù)測的誤差有多大。此外，研究人員還會(huì)對(duì)每個(gè)雷達(dá)站進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，從而保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　根據(jù) ForcastWatch4 月份報(bào)道，去年一年 Dark Sky 在美國加利福尼亞州圣荷西的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到了 80.91%，今年三月份達(dá)到 87.93%。

　　02

　　集成 GPS 定位，進(jìn)行微氣候調(diào)整

　　除了準(zhǔn)確的預(yù)測，Dark Sky 的另一大賣點(diǎn)是“超本地化（Hyper-local）”。為了實(shí)現(xiàn)超本地化的功能，Dark Sky 需要獲取用戶的準(zhǔn)確定位信息。

　　根據(jù)外媒 FastCompany 報(bào)道，Dark Sky 會(huì)根據(jù)地球上某個(gè)點(diǎn)的物理參數(shù)，對(duì)雷達(dá)圖像的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。這些參數(shù)包括用戶所在地的海拔、坡度、到最近水域的距離、熱島效應(yīng)情況等。

　　進(jìn)行微氣候調(diào)整后，預(yù)測結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)。例如，假如 GPS 信號(hào)顯示用戶正在湖邊，預(yù)測的氣溫可能就會(huì)略微升高，更符合用戶的體感溫度。

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　　宗旨：向用戶呈現(xiàn)所有可能性

　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，大數(shù)據(jù)分析提供了一種提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的手段，但是人類永遠(yuǎn)不可能 100% 地準(zhǔn)確預(yù)測天氣。為了向用戶傳達(dá)這種觀念，Dark Sky 中的預(yù)測結(jié)果總是以百分比形式顯示。

　　Dark Sky 聯(lián)合創(chuàng)始人格羅斯曼認(rèn)為這種顯示方式提供了一定的透明度。“（以往的）天氣預(yù)報(bào)缺少的最重要的東西是誤差和不確定性。”他說到。

　　04

　　結(jié)語：Dark Sky 指明天氣預(yù)報(bào)新思路

　　Dark Sky 按照大數(shù)據(jù)分析而非氣象學(xué)方法來做天氣預(yù)測，還集成了 GPS 定位功能，實(shí)現(xiàn)了在較短時(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)預(yù)測，由此吸引了大批受眾，被稱為最準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào) App。

　　但是，研究團(tuán)隊(duì)也指出 Dark Sky 的短板是無法進(jìn)行較長時(shí)間范圍的預(yù)測，正如創(chuàng)始人格羅斯曼所說：“我們的系統(tǒng)無法預(yù)測未來 6 個(gè)小時(shí)內(nèi)的狀況。”

　　有相關(guān)人士指出，蘋果正是看中了 Dark Sky 在短時(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)預(yù)測能力，或?qū)?Dark Sky 整合到自己的天氣應(yīng)用中。目前蘋果未就這種說法發(fā)表評(píng)論，但品牌戰(zhàn)略家、用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)師 Parker Ortolani 據(jù)此設(shè)計(jì)出了一版概念圖。

　　參考信源：CNN，F(xiàn)astCompany，phoneArena，iMore，F(xiàn)orcastWatch

總結(jié)

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