Τα drones και οι υπερυπολογιστές της ιταλικής ENEA φέρνουν επανάσταση στην απογραφή της Adelia με ακριβείς αλγόριθμους και εικόνες υψηλής ανάλυσης

Στην πιο απομακρυσμένη και αφιλόξενη ήπειρο του πλανήτη, η ιταλική επιστήμη κάνει ένα ιστορικό βήμα μπροστά. Για πρώτη φορά, η τεχνητή νοημοσύνη χρησιμοποιείται στον Νότιο Πόλο για την αυτοματοποιημένη παρακολούθηση της άγριας ζωής. Το ENEA, μέσω ενός πειραματικού έργου για την απογραφή των πιγκουίνων Adélie, έχει ενσωματώσει drones, νευρωνικά δίκτυα και υπερυπολογιστές στην παγωμένη καρδιά της Ανταρκτικής, φέρνοντας επανάσταση στη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της βιοποικιλότητας στις πολικές ζώνες.
Το σύστημα, που χρησιμοποιείται στη Βάση Mario Zucchelli, η οποία βρίσκεται στον Κόλπο Terra Nova εντός των ορίων του Ross Dependency της Νέας Ζηλανδίας, επέτρεψε μια φωτογραφική απογραφή υψηλής ακρίβειας: το 97% των ενήλικων δειγμάτων και το 89% των νεοσσών ταυτοποιήθηκαν σωστά μέσω αυτοματοποιημένης επεξεργασίας. Οι ορθοφωτογραφίες γεωαναφοράς πολύ υψηλής ανάλυσης (1 cm/px) δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας τα drones που παρείχαν στην αποστολή, ικανά να λειτουργούν ακόμη και κάτω από -30°C και σε μεγάλα υψόμετρα, ώστε να μην ενοχλούν τα ζώα.

«Η ακρίβεια είναι εκπληκτική και καταδεικνύει πώς η τεχνολογία μπορεί να τεθεί στην υπηρεσία της βιολογίας χωρίς να επηρεάσει το οικοσύστημα»,

εξηγεί ο Riccardo Scipinotti, ερευνητής της ENEA και επικεφαλής της ιταλικής αποστολής που εργάζεται αυτή τη στιγμή στην ιταλο-γαλλική βάση Concordia, σε υψόμετρο πάνω από 3.000 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.

Ένας υπερυπολογιστής αποκρυπτογραφεί εικόνες από drone

Το βασικό στοιχείο του έργου είναι ο υπερυπολογιστής CRESCO, που λειτουργεί στο κέντρο ENEA στο Portici, κοντά στη Νάπολη, ο οποίος επέτρεψε την εκπαίδευση ενός νευρωνικού δικτύου ικανού να διακρίνει αυτόνομα τους ενήλικους πιγκουίνους από τα νεοσσούς τους. Για να το πετύχουν αυτό, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει πάνω από 400 εικόνες που συλλέχθηκαν στις προηγούμενες οκτώ εκστρατείες στην Ανταρκτική, δημιουργώντας ένα σύνολο δεδομένων αντιπροσωπευτικό των διαφορετικών περιβαλλοντικών και συμπεριφορικών συνθηκών των ζώων.

«Το νευρωνικό δίκτυο τροφοδοτήθηκε με περισσότερα από 3.000 δείγματα φωτογραφημένα από διάφορες γωνίες και με διαφορετικές εκθέσεις. Αυτό έκανε τον αλγόριθμο ισχυρό και προσαρμόσιμο.»

τονίζει Σαμουήλ Πιερατίνι, εμπειρογνώμονας του Ιταλικού Εθνικού Οργανισμού για τις Νέες Τεχνολογίες, την Ενέργεια και τη Βιώσιμη Οικονομική Ανάπτυξη για συστήματα ΤΠΕ.

«Το σύστημα αναλύει εικόνες που λαμβάνονται σε δύο στρατηγικά στάδια του καλοκαιριού στην Αυστραλία: στα μέσα Νοεμβρίου, όταν τα αυγά εκκολάπτονται, και τον Ιανουάριο, όταν τα κοτόπουλα κινούνται ελεύθερα στις αποικίες».

Το πλεονέκτημα έναντι της χειροκίνητης καταμέτρησης είναι τεράστιο: εξοικονόμηση χρόνου, δυνατότητα κάλυψης δυσπρόσιτων περιοχών και μηδενική παρέμβαση στα ζώα. Στην πράξη, ολόκληρο το οικοσύστημα παρατηρείται από απόσταση, με την ακρίβεια ενός ψηφιακού μεγεθυντικού φακού.

Ένα ιπτάμενο εργαστήριο που σκέφτεται σε πραγματικό χρόνο

Η φιλοδοξία της επόμενης φάσης του έργου είναι ακόμη πιο οραματική: να ενσωματωθεί απευθείας στα drones μια «λιτή» τεχνητή νοημοσύνη, ικανή να επεξεργάζεται δεδομένα σε πραγματικό χρόνο χωρίς την ανάγκη μετάδοσης σε υπολογιστικά κέντρα.
Αυτό θα επέτρεπε την άμεση συλλογή δεδομένων και πολύ ταχύτερη επιστημονική απόκριση, ιδανική για εξελισσόμενα σενάρια όπως αυτά που σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή.

«Εργαζόμαστε για την ανάπτυξη ενός υπολογιστικά ελαφρού νευρωνικού δικτύου, το οποίο μπορεί επίσης να λειτουργήσει με την περιορισμένη υπολογιστική ισχύ των drones. Στόχος είναι η παροχή πληροφοριών που έχουν ήδη υποστεί επεξεργασία στο πεδίο, μειώνοντας δραστικά τους χρόνους ανάλυσης»,

Ο Pierattini εξηγεί περαιτέρω. Στο μέλλον, ο αλγόριθμος θα βελτιωθεί ώστε να αναγνωρίζει άλλα είδη, όπως οι αυτοκρατορικοί πιγκουίνοι, που υπάρχουν σε αποικίες κοντά στη βάση Zucchelli.
Αυτή η αναβάθμιση θα μετατρέψει τα drones σε πραγματικά «ιπτάμενα εργαστήρια», ικανά να εκτελούν αυτόνομα πολύπλοκες αποστολές σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες, πολλαπλασιάζοντας τις ευκαιρίες για οικολογική έρευνα και επιτήρηση στις πιο απομακρυσμένες περιοχές της Γης.

Μια νέα εποχή για την ιταλική περιβαλλοντική επιστήμη

Το έργο ENEA αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της 40ής αποστολής του Εθνικού Προγράμματος Έρευνας στην Ανταρκτική (PNRA), που χρηματοδοτείται από το Ιταλικό Υπουργείο Πανεπιστημίων και Έρευνας.
Ο επιστημονικός συντονισμός γίνεται από το CNR, ενώ η εφοδιαστική διαχειρίζεται από την ENEA και το παγοθραυστικό Laura Bassi έχει ανατεθεί στην OGS. Ένα τέλειο παράδειγμα συνέργειας μεταξύ δημόσιων φορέων, προηγμένης τεχνολογίας και προστασίας του περιβάλλοντος.

«Η χρήση τεχνητής νοημοσύνης στην Ανταρκτική αποτελεί σημείο καμπής για την επιστημονική έρευνα: μειώνει την ανθρώπινη επίδραση στα οικοσυστήματα και αυξάνει την ακρίβεια των ανιχνεύσεων, ανοίγοντας το δρόμο για νέα μοντέλα περιβαλλοντικής παρακολούθησης»,

δηλώνει Τζορτζ Μπουντιγιόν, καθηγητής Φυσικής Ωκεανογραφίας στο Πανεπιστήμιο της Νάπολης Parthenope και εθνικός συντονιστής ωκεανογραφικών δραστηριοτήτων της PNRA.
Η εμπειρία που έχει συσσωρευτεί αυτά τα χρόνια θα μπορούσε να βρει εφαρμογή σε άλλα εύθραυστα περιβάλλοντα του πλανήτη: από τα δάση του Αμαζονίου μέχρι τους κοραλλιογενείς υφάλους, όπου η μη επεμβατική παρατήρηση είναι το κλειδί για τη μελέτη και την προστασία της βιοποικιλότητας.

Ένας αλγόριθμος που επιτέλους ψιθυρίζει στους πιγκουίνους

Η εικόνα ενός αθόρυβου drone που πετάει πάνω από μια αποικία πιγκουίνων, ενώ μια τεχνητή νοημοσύνη καταμετρά τα άτομα σε πραγματικό χρόνο, μπορεί να μοιάζει με επιστημονική φαντασία. Ωστόσο, είναι ήδη πραγματικότητα. Η Ανταρκτική, μια από τις πιο δύσκολες και ευαίσθητες περιοχές για μελέτη, γίνεται ένα προηγμένο εργαστήριο για τη δοκιμή εργαλείων που σύντομα θα μπορούσαν να είναι απαραίτητα σε άλλα απειλούμενα οικοσυστήματα.
Το έργο ENEA καταδεικνύει πώς η καινοτομία, ο σεβασμός για τη φύση και η επιστημονική συνεργασία μπορούν να δημιουργήσουν βιώσιμες και αποτελεσματικές λύσεις. Και ενώ οι πιγκουίνοι συνεχίζουν την τελετουργία επιβίωσής τους στον πάγο, ένας αλγόριθμος θα παρακολουθεί το μέλλον τους.

Ακολουθούν τρεις πληροφορίες που μπορεί να σας ενδιαφέρουν:

Προστασία των υδάτων της Ανταρκτικής και του μέλλοντος: Έρευνα Κριλ
Bouvet, το απομακρυσμένο νησί που φιλοξενεί μια παραμελημένη επέκταση ιστού
Το μεγαλύτερο παγόβουνο του κόσμου σταμάτησε στη Νότια Τζόρτζια