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”？

大数据文摘出品

作者：王烨

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”

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。

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。

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