Più di tre quarti delle comunità dell'Alaska non hanno accesso ad autostrade o strade. In queste regioni remote, i piccoli aerei sono l'autobus di una città, ambulanza, e consegna del cibo, l'unico mezzo per far entrare e uscire persone e cose.

Per quanto di routine possa essere il volo quotidiano, può essere pericoloso. Questi velivoli di piccole dimensioni (o dell'aviazione generale) sono generalmente pilotati a vista, da un pilota che guarda dai finestrini della cabina di pilotaggio. Se compaiono temporali o nebbia improvvisi, un pilota potrebbe non essere in grado di vedere una pista, aereo nelle vicinanze, o terreno in salita. Nel 2018, la Federal Aviation Administration (FAA) ha riportato 95 incidenti aerei in Alaska, compresi diversi incidenti mortali avvenuti in regioni remote in cui la scarsa visibilità potrebbe aver avuto un ruolo.

"I piloti dell'aviazione generale in Alaska devono essere consapevoli delle condizioni previste durante la pianificazione prevolo, ma anche di eventuali mutamenti rapidi delle condizioni durante il volo, "dice Michael Matthews, un meteorologo al MIT Lincoln Laboratory. "Ci sono alcune regole, come se non si potesse volare con meno di tre miglia di visibilità. Se è peggio, i piloti devono volare su strumenti, ma hanno bisogno di essere certificati per questo."

I piloti controllano le condizioni meteorologiche attuali o previste prima di volare, ma la mancanza di stazioni di osservazione meteorologica automatizzate in tutta la boscaglia dell'Alaska rende difficile sapere esattamente cosa aspettarsi. Aiutare, la FAA ha recentemente installato 221 web cam vicino a piste e passi di montagna. I piloti possono guardare i feed di immagini online per pianificare il loro percorso. Ancora, è difficile esaminare quelle che potrebbero essere centinaia di immagini e stimare fino a che punto si può vedere.

Così, Matthews ha lavorato con la FAA per trasformare queste web cam in sensori di visibilità. Ha sviluppato un algoritmo, denominata Visibility Estimation through Image Analytics (VEIA), che utilizza il feed di immagini di una telecamera per determinare automaticamente la visibilità dell'area. Queste stime possono quindi essere condivise tra i previsori e con i piloti online in tempo reale.

Occhi allenati

Nel concetto, l'algoritmo VEIA determina la visibilità allo stesso modo degli umani. Cerca "bordi" stazionari. Per gli osservatori umani, questi bordi sono punti di riferimento di distanze note da un aeroporto, come una torre o la cima di una montagna. Sono addestrati a interpretare quanto bene possono vedere ogni marcatore rispetto a su un chiaro, giorno soleggiato.

Allo stesso modo, all'algoritmo viene prima insegnato come appaiono i bordi in condizioni chiare. Il sistema esamina le immagini degli ultimi 10 giorni, un lasso di tempo ottimale perché qualsiasi lasso di tempo più breve potrebbe essere distorto dal maltempo e quello più lungo potrebbe essere influenzato dai cambiamenti stagionali, secondo Matteo. Utilizzando queste immagini di 10 giorni, il sistema crea un'immagine composita "chiara". Questa immagine diventa il riferimento con cui viene confrontata un'immagine corrente.

Per eseguire un confronto, un algoritmo di rilevamento dei bordi (chiamato filtro Sobel) viene applicato sia all'immagine di riferimento che a quella corrente. Questo algoritmo identifica i bordi persistenti:l'orizzonte, edifici, fianchi delle montagne e rimuove i bordi fugaci come automobili e nuvole. Quindi, il sistema confronta le resistenze del bordo complessive e genera un rapporto. Il rapporto viene convertito in visibilità in miglia.

Lo sviluppo di un algoritmo che funziona bene con le immagini di qualsiasi webcam è stato impegnativo, dice Matteo. In base a dove sono posizionati, alcune telecamere potrebbero avere una vista di 100 miglia e altre solo 100 piedi. Altri problemi derivavano da oggetti permanenti che erano molto vicini alla telecamera e dominavano la visuale, come una grande antenna. L'algoritmo doveva essere progettato per guardare oltre questi oggetti vicini.

"Se sei un osservatore sul Monte Washington, hai un occhio allenato per cercare cose molto specifiche per ottenere una stima della visibilità. Dire, gli impianti di risalita di Attitash Mountain, e così via. Non volevamo creare un algoritmo addestrato in modo così specifico; volevamo che questo stesso algoritmo si applicasse ovunque e su tutti i tipi di bordi, "dice Matteo.

Per convalidare le sue stime, l'algoritmo VEIA è stato testato rispetto ai dati delle stazioni di osservazione della superficie automatizzate (ASOS). Queste stazioni, di cui circa 50 in Alaska, sono dotati di sensori in grado di stimare la visibilità ogni ora. L'algoritmo VEIA, che fornisce preventivi ogni 10 minuti, era più preciso del 90% nel rilevare condizioni di scarsa visibilità rispetto ai dati ASOS co-localizzati.

Piloti informati

La FAA prevede di testare l'algoritmo VEIA nell'estate 2020 su un sito web sperimentale. Durante il periodo di prova, i piloti possono visitare il sito web sperimentale per vedere le stime di visibilità in tempo reale insieme alle immagini della telecamera stessa.

"Per di più, le stime VEIA possono essere inserite in modelli di previsione meteorologica per migliorare le previsioni, "dice Jenny Colavito, chi è il capo progetto di ricerca sul soffitto e sulla visibilità presso la FAA. "Tutto ciò porta a tenere i piloti meglio informati sulle condizioni meteorologiche in modo che possano evitare di incappare in pericoli".

La FAA sta esaminando l'utilizzo di telecamere meteorologiche in altre regioni, a partire dalle Hawaii. "Come l'Alaska, Le Hawaii hanno terreni e condizioni meteorologiche estreme che possono cambiare rapidamente. Prevedo che l'algoritmo VEIA verrà utilizzato insieme alle telecamere meteorologiche alle Hawaii per fornire quante più informazioni possibili ai piloti, " aggiunge Colavito. Uno dei principali vantaggi di VEIA è che non richiede sensori specializzati per svolgere il suo lavoro, solo il feed di immagini dalle web cam.

Matthews ha recentemente accettato un premio R&D 100 per l'algoritmo, nominato uno dei 100 prodotti più innovativi al mondo sviluppati nel 2019. Come ricercatore nella gestione del traffico aereo da 28 anni, è entusiasta di aver ottenuto questo onore.

"Alcuni passi di montagna in Alaska sono come autostrade, soprattutto d'estate, con il numero di persone che volano. Puoi trovare innumerevoli storie di terribili incidenti, persone che fanno solo le cose di tutti i giorni:una famiglia che va a una partita di pallavolo, " Matthews riflette. "Spero che VEIA possa aiutare le persone a vivere la propria vita in modo più sicuro".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.