Sistemas de IA para la detección aérea de residuos plásticos en los océanos

La imagen del dron muestra la configuración de prueba a vista de pájaro en la playa de Spiekeroog.

Robert Krell, onda eterna

Las aeronaves que sobrevuelan rutinariamente cuerpos de agua en todo el mundo para monitorear la contaminación podrían en el futuro no solo detectar derrames de petróleo y químicos en alta mar, en aguas costeras y en playas, sino también desechos plásticos flotando en la superficie del agua. En el proyecto PlasticObs+, un consorcio liderado por el Centro Alemán de Investigación para la Inteligencia Artificial (DFKI) está trabajando para desarrollar el primer monitoreo aéreo de áreas marinas contiguas más grandes que detecta plástico en las aguas de forma continua y no selectiva, como ha sido el caso hasta ahora. . Los primeros resultados ya están disponibles.

Los desechos plásticos en las aguas continúan siendo un problema ambiental global y apremiante, ya que ponen en peligro el ecosistema marino y, por lo tanto, un recurso vital para humanos y animales. Alrededor de diez millones de toneladas de desechos plásticos terminan en los océanos del mundo cada año. Esto corresponde a aproximadamente una carga de camión por minuto. Las bolsas sobrantes, los envases desechables o las botellas de bebidas se pueden encontrar en todo el mundo, desde el Ártico hasta las profundidades del mar, los mares del Norte y Báltico.

La basura que flota en la superficie del agua ya ha sido registrada por el aire en el pasado, pero los hallazgos anteriores se basaron principalmente en mediciones limitadas en el tiempo y el espacio. Aquí es donde entra en juego el proyecto conjunto PlasticObs+. El objetivo a largo plazo es equipar los aviones de vigilancia, que ya se utilizan habitualmente en todo el mundo, con tecnología de sensores compatible con IA y, por lo tanto, desarrollar un sistema de medición que pueda registrar la carga de residuos plásticos. en el medio ambiente desde el aire. De esta forma, sería posible por primera vez un inventario continuo y completo, proporcionando información sobre el tipo, la cantidad y el tamaño de los residuos, así como las posibles fuentes de contaminación. Esto proporcionaría una base científica para iniciar medidas, leyes e inversiones para la recolección, el reciclaje y, en última instancia, la prevención de los desechos plásticos.

Las tareas del DFKI, representado por el departamento de investigación Marine Perception en Oldenburg, incluyen el desarrollo de un total de cuatro sistemas de IA. Los dos primeros son para reconocer los desechos plásticos durante el sobrevuelo y observar más de cerca los puntos críticos. Un tercer sistema, que clasifica los residuos según tipo, tamaño y cantidad, se utilizará posteriormente en el terreno. Finalmente, un sistema de retroalimentación que incluya la experiencia humana en la visualización de las imágenes ayudará a mejorar continuamente los primeros sistemas y optimizar sus predicciones.

Los investigadores de DFKI obtienen los datos para sus sistemas de IA de vuelos de prueba en el norte de Alemania, que la Universidad de Ciencias Aplicadas de Jade Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth lleva a cabo con su avión de investigación. Un sensor debajo de la nariz del avión toma imágenes generales de la región. En estos, la IA debe reconocer los puntos críticos de desechos en segundos, de modo que un segundo sensor, ubicado más atrás debajo del fuselaje, tome fotografías detalladas de ellos. El desafío, dicen los investigadores de DFKI Mattis Wolf y el Dr. Christoph Tholen, es que "por un lado, estamos volando sobre un área grande y el sensor general está tomando una imagen de baja resolución de la escena, pero por otro lado la evaluación tiene llevarse a cabo en segundos pero con un alto grado de precisión".

Una primera prueba tuvo lugar el año pasado en la isla de Spiekeroog. El consorcio del proyecto dispuso un campo de prueba de plástico en la playa y en las marismas. Primero, un dron sobrevoló el campo a una altura de entre 15 y 100 metros, y luego el avión de investigación lo sobrevoló a una altura de 150 a 1200 metros. El campo de prueba consistió en una disposición precisa de diferentes tipos de plástico, como tapas de café de PP negro, loncheras de PS blancas y crema, así como bolsas de basura de LDPE azules y transparentes. El equipo fijó los contenedores en grupos de diferentes tamaños debajo de las redes para que no se produjera la deriva. La pregunta principal que los investigadores querían responder con la campaña era: ¿Desde qué alturas pueden los sensores del dron o la aeronave detectar de forma fiable los residuos plásticos? El líder del proyecto Wolf y su colega Tholen consideran que los resultados hasta ahora son positivos, porque "demostraron que el plástico se puede detectar con una precisión satisfactoria a las alturas a las que apuntábamos".

Resultó que el color y el tamaño de los objetos, así como el fondo, jugaron un papel importante. En hierba, por ejemplo, todo tipo de plástico podría detectarse con gran precisión, a excepción de las tapas de café de PP negro a más de 700 metros. En arena, la precisión de todos los tipos de plástico disminuye a 750 metros, siendo particularmente afectados el LDPE transparente y nuevamente el PP negro.

Los investigadores han registrado estos y otros resultados en un paper que presentan estos días en la OCEANS Conference 2023 en Limerick, Irlanda. Carolin Leluschko, quien también contribuyó a la publicación científica, dice: "Para averiguar cómo se desempeñó la IA, cinco personas examinaron de forma independiente las imágenes del avión y etiquetaron si contenían plástico o no". La precisión de la IA fue del 93,3 %, mientras que la precisión de las imágenes etiquetadas por humanos fue del 92,6 %.

Aunque el consorcio todavía tiene mucho trabajo por hacer antes de que finalice el proyecto en la primavera de 2025, las cifras demuestran que la teledetección aérea combinada con métodos de IA funciona y puede ser una herramienta importante para abordar el problema global de los desechos plásticos. PlasticObs+ está en línea con iniciativas políticas como la Directiva Marco de la Estrategia Marina de la UE y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU, cuyo objetivo es reducir la contaminación marina y proteger los océanos. Está financiado por el Ministerio Federal de Medio Ambiente, Conservación de la Naturaleza, Seguridad Nuclear y Protección del Consumidor (BMUV) con 1,9 millones de euros durante tres años y forma parte de la iniciativa de financiación BMUV AI Lighthouses for Environment, Climate, Nature and Resources.

Además de DFKI, otros tres socios participan en PlastiObs+. La Universidad de Ciencias Aplicadas de Jade Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth está utilizando su avión especialmente diseñado para fines de investigación, que sirve como plataforma de medición para tomar imágenes aéreas. Optimare Systems GmbH de Bremerhaven, cuyo negocio principal es el desarrollo y la producción de sistemas de sensores y equipos de misión para la vigilancia marina aerotransportada, contribuye con un método que genera imágenes detalladas de alta resolución basadas en datos de múltiples sensores. Optimare también se encarga de la tecnología y su instalación en un avión. everwave GmbH, que recolecta, clasifica y recicla desechos plásticos en aguas y costas de todo el mundo utilizando innovadores botes de recolección de desechos y plataformas fluviales estacionarias, informa al público y crea conciencia sobre un uso más sostenible del plástico para proteger los océanos.

Uno de los próximos pasos en el proyecto PlasticObs+ es recopilar más datos. Con este fin, el avión de investigación de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Jade despegó recientemente de Wilhelmshaven y sobrevoló un área en el norte de Alemania donde anteriormente se habían realizado festivales. Se llevaron a cabo más pruebas de campo cerca de Friedeburg en el distrito de Wittmund de Baja Sajonia, donde los investigadores habían colocado una alfombra de basura artificial en dos lagos, similar a la anterior en Spiekeroog. "Usamos estos datos para entrenar nuestros modelos de IA, que luego probaremos en la costa alemana con el avión de investigación", explica Wolf, quien es responsable en el proyecto de, entre otras cosas, hacer que las redes neuronales profundas lentas y computacionalmente intensivas sean más eficiente, de modo que los sistemas de IA encuentren y registren de manera confiable los puntos críticos de basura en segundos durante el sobrevuelo. En un paso final, el sistema eventualmente se instalará y probará en aviones de vigilancia de derrames de petróleo, probablemente en Brasil.

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