«Τεχνητή νοημοσύνη και δορυφορική παρατήρηση της Γης: δημιουργούν έναν ψηφιακό φλοιό της Γης»

Ο πλανήτης Γη έχει αλλάξει δραματικά τα τελευταία χρόνια: άνοδος της στάθμης της θάλασσας, αυξανόμενα επίπεδα οξίνισης των ωκεανών, ξηρασία ή συχνές και ακραίες πλημμύρες ή καύσωνες. Εν τω μεταξύ, η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού και η ανθρώπινη δραστηριότητα ενισχύουν τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Αυξάνεται η πίεση σε βασικούς πόρους, όπως το γλυκό νερό ή τα τρόφιμα, εντείνεται η πίεση στα χερσαία και θαλάσσια οικοσυστήματα, η δραματική έκρηξη της περιβαλλοντικής ρύπανσης, με επιπτώσεις στην υγεία και τη βιοποικιλότητα. Το ερώτημα είναι πώς θα παρακολουθήσουμε αυτές τις αλλαγές και, ακόμη περισσότερο, πώς θα κατανοήσουμε τις αιτίες τους, θα προβλέψουμε, θα ελαχιστοποιήσουμε ή θα προσαρμοστούμε στις επιπτώσεις τους; Θα σώσει τον πλανήτη ένα ψηφιακό δίδυμο της Γης;

Όταν πρόκειται για τα συστήματα ψηφιακού δίδυμου της Γης, οι ελπίδες και οι φόβοι περισσεύουν εξίσου. Σε αυτή τη συνέντευξη ο καθηγητής Mihai Datcu έχει τις απαντήσεις που βάζουν τα πράγματα στη θέση τους σχετικά με το πώς αυτή η μετασχηματιστική τεχνολογία βελτιώνει την πρόσβαση σε κρίσιμες πληροφορίες για το μέλλον του πλανήτη μας.

Ο καθηγητής Datcu συμμετείχε στο 44ο ετήσιο Συνέδριο «International Geoscience and Remote Sensing Symposium – IGARSS 2024» της IEEE Geoscience and Remote Sensing Society, στην Αθήνα από 7-12 Ιουλίου 2024.

Ο καθηγητής Mihai Datcu είναι συγγραφέας περισσότερων από 800 επιστημονικών δημοσιεύσεων, μεταξύ των οποίων περίπου 170 δημοσιεύσεις σε περιοδικά, καθώς και ενός βιβλίου για τη θεωρία αριθμών. Έχει διατελέσει συνδιοργανωτής διεθνών συνεδρίων και εργαστηρίων, καθώς και προσκεκλημένος συντάκτης σε ειδικά τεύχη για μεγάλα δεδομένα και κβαντική μηχανική μάθηση του IEEE και άλλων περιοδικών. Από το 1993 είναι επιστήμονας στο Γερμανικό Κέντρο Αεροδιαστημικής (DLR), Oberpfaffenhofen. Αναπτύσσει αλγορίθμους για ανάκτηση πληροφορίας με βάση μοντέλα από σήματα υψηλής πολυπλοκότητας και μεθόδους για την κατανόηση σκηνών από δεδομένα πολύ υψηλής ανάλυσης ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR) και συμβολομετρικά δεδομένα SAR. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν την Μπεϋζιανή συμπερασματολογία, τη θεωρία πληροφορίας και πολυπλοκότητας, την τεχνητή νοημοσύνη, την υπολογιστική απεικόνιση, την κβαντική μηχανική μάθηση και την εξόρυξη πληροφοριών εικόνας για εφαρμογές στην ανάκτηση πληροφοριών και την κατανόηση ραντάρ συνθετικού ανοίγματος υψηλής ανάλυσης (SAR) και οπτικής παρατήρησης. Είναι μέλος του IEEE.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, η υπερθέρμανση του πλανήτη και η κλιματική αλλαγή παράγουν απροσδόκητα αποτελέσματα, με αρνητικό τρόπο. Πώς χρησιμοποιείτε την τηλεπισκόπηση για να κατανοήσετε τις αλλαγές που υφίσταται ο πλανήτης; Η δορυφορική τηλεπισκόπηση παίζει σημαντικό ρόλο στο θέμα αυτό. Οι δορυφόροι είναι η μόνη παγκόσμια, συνεχής πηγή δεδομένων παρατήρησης της Γης (Earth Observation). Εκατοντάδες δορυφόροι καταγράφουν εικόνες παρατήρησης της γης, των ωκεανών, των πολικών περιοχών ή της ατμόσφαιρας. Για παράδειγμα, μόνο οι δορυφόροι του ευρωπαϊκού προγράμματος Copernicus που παρατηρούν κάθε σημείο της γήινης επιφάνειας έχουν καταγράψει περισσότερες από 30 εκατομμύρια εικόνες σε διάστημα μόλις λίγων ετών. Και είναι περιττό να πούμε ότι αυτά τα δεδομένα, είναι πλέον ελεύθερα και ανοιχτά προσβάσιμα. Ωστόσο, οι δορυφορικές εικόνες δεν είναι απλές φωτογραφίες. Αυτοί οι αισθητήρες μετρούν την ανάκλαση του φωτός, της υπέρυθρης ή της μικροκυματικής ακτινοβολίας της γήινης κάλυψης όπως η βλάστηση, οι αστικές περιοχές, οι λίμνες ή το χιόνι. Ωστόσο, οι μετρήσεις αυτές είναι έμμεσες. Η παρατήρηση μέσω τηλεπισκόπησης των σχετικών πληροφοριών σε εφαρμογές, όπως η υγρασία του εδάφους, η θερμοκρασία των ωκεανών ή η ποσότητα και η ποιότητα των καλλιεργειών και πώς επηρεάζονται αυτές οι παράμετροι, ενώ το κλίμα αλλάζει και οι δυσμενείς φυσικοί κίνδυνοι είναι πιο συχνά φαινόμενα. Η πρόκληση τώρα είναι πώς να εξαχθούν αυτές οι πληροφορίες από τα μεγάλα δεδομένα, ένα έργο που υπερβαίνει κατά πολύ την άμεση ανθρώπινη ικανότητα ανάλυσης.

Και πώς ακριβώς αντιμετωπίζουμε αυτή την πρόκληση; Έχουμε μια μέθοδο που εφευρέθηκε από τον Ερατοσθένη πριν από 2000 χρόνια. Εκείνη την εποχή, η μέτρηση της περιφέρειας της Γης ήταν αδύνατη. Όμως ο Ερατοσθένης χρησιμοποίησε μια έμμεση παρατήρηση, τις σκιές που έριχνε ο ήλιος πάνω σε έναν κατακόρυφο στύλο σε διάφορες γεωγραφικές τοποθεσίες, και με υπολογισμούς υπολόγισε -με εξαιρετικά ακριβή τρόπο- την περιφέρεια της Γης. Στην σημερινή παρατήρηση της Γης, ακολουθούμε το ίδιο μοτίβο: από έμμεση, απομακρυσμένη δορυφορική παρατήρηση εξάγουμε τις τιμές των παραμέτρων που μας ενδιαφέρουν. Σήμερα, αυτό καθίσταται εφικτό χάρη στη διαθεσιμότητα των υπολογιστών υψηλής απόδοσης και τη ραγδαία εξέλιξη της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ) ως επίκεντρο μιας νέας επανάστασης που ενισχύεται από τις μεθόδους Μηχανικής και Βαθιάς Μάθησης (DL), οι οποίες προωθούνται από τα Μεγάλα Δεδομένα. Μεγάλα δεδομένα είναι η διαδικασία συλλογής μεγάλου όγκου δεδομένων μέσω δορυφορικών αισθητήρων, αλλά και επιτόπιων παρατηρήσεων, ανθρώπων ή IoT, για να απαριθμήσουμε μόνο μερικές μορφές. Η Τεχνητή Νοημοσύνη είναι η σύγκλιση θεωρητικών μεθόδων και εργαλείων για τη μετατροπή των Μεγάλων Δεδομένων σε χρήσιμες πληροφορίες και γνώσεις για τη λήψη αποφάσεων, την επαλήθευση υποθέσεων, την κατανόηση εννοιών ή την πραγματοποίηση προβλέψεων.

Θα μπορούσατε να γίνετε πιο συγκεκριμένος ως προς το πώς εμπλέκεται η ΤΝ στον τομέα της ειδικότητάς σας; Ενώ οι δορυφορικές εικόνες δεν είναι φωτογραφίες και ο στόχος της ανάλυσης των δεδομένων Παρατήρησης της Γης, είναι η εξαγωγή φυσικών παραμέτρων και η κατανόηση των αιτιών, αναπτύσσεται ένας νέος τομέας ΤΝ. Η τεχνητή νοημοσύνη έχει το ρόλο να περιηγείται σε μεγάλα παγκόσμια σύνολα δεδομένων και να εντοπίζει παρόμοια φαινόμενα, όπως οι δασικές πυρκαγιές. Αναλύει το πλαίσιο, όπως το ανάγλυφο -π.χ. το είδος της βλάστησης, η θερμοκρασία και η υγρασία, οι υδάτινοι πόροι, η παρουσία οικισμών ή βιομηχανικών εγκαταστάσεων- και εξάγει τους δείκτες κινδύνου αλλά και τους βασικούς παράγοντες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποφυγή περαιτέρω καταστροφών. Έτσι, οι απαιτήσεις της ανάλυσης δορυφορικών δεδομένων Παρατήρησης της Γης, προωθούν νέες θεωρητικές μελέτες, που αναδύονται σε έναν νέο πολύ διεπιστημονικό κλάδο της ΤΝ.

Η σύγχρονη τεχνητή νοημοσύνη, σε συνέργεια με τα δορυφορικά δεδομένα, προσφέρει εξαιρετικές προοπτικές για την εκμάθηση των μοντέλων των αλλαγών και των επιπτώσεων της υπερθέρμανσης του πλανήτη και, συνεπώς, για την υπεράσπιση της φύσης σε παγκόσμια κλίμακα. Οι συμβατικές μέθοδοι πρέπει συνήθως να προσαρμοστούν για συγκεκριμένα περιβάλλοντα και περιοχές. Κατά συνέπεια, είναι πολύ δύσκολο να εφαρμοστεί εναρμονισμένη, μεγάλης κλίμακας ανάλυση με υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση και, ταυτόχρονα, υψηλή απόδοση και ακρίβεια. Οι τρέχουσες προσεγγίσεις που βασίζονται στην ΤΝ και βασίζονται στα δεδομένα, αποτελούν τη σημαντικότερη πρόοδο στην υποστήριξη της ανάλυσης δεδομένων Παρατήρησης της Γης, για την εκμάθηση των μοντέλων των παγκόσμιων αλλαγών.

Καθηγητή Datcu, έχετε κάνει εντυπωσιακή δουλειά στη σύνθεση των υφιστάμενων τεχνολογικών εφαρμογών, με αποκορύφωμα τη δημιουργία των συστημάτων Digital Twin Earth. Θα μπορούσε αυτό να είναι το κλειδί για ένα πιο βιώσιμο και ανθεκτικό μέλλον για τον πλανήτη μας; Η πρακτική εφαρμογή αυτού που περιέγραψα προηγουμένως μπορεί να βρεθεί στη νέα τεχνολογία των συστημάτων Digital Twin Earth (DTE). Τα DTE είναι διαδραστικά συστήματα, ένα ψηφιακό μέσο για την παρατήρηση, την κατανόηση και τη μοντελοποίηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής μέσω δορυφορικών δεδομένων και την παροχή αξιοποιήσιμων πληροφοριών στην τοπική αυτοδιοίκηση, τη βιομηχανία, την έρευνα αλλά και απευθείας στους πολίτες. Τα συστήματα DTE παρέχουν δυνατότητες απεικόνισης, παρακολούθησης και πρόβλεψης των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στα φυσικά φαινόμενα και την ανθρώπινη δραστηριότητα στον πλανήτη για την υποστήριξη της βιώσιμης ανάπτυξης με στόχο την καλύτερη προστασία του περιβάλλοντος.

Τα κλιματικά μοντέλα περιγράφουν αλλαγές σε κλίμακα χιλιάδων χιλιομέτρων και για μεγάλες χρονικές περιόδους, π.χ. για πολλές δεκαετίες. Ωστόσο, τα μέτρα προσαρμογής πρέπει να εφαρμόζονται σε κλίμακα ανθρώπινων δραστηριοτήτων, από 10m έως 1km και σε περιόδους από ημέρες έως μήνες. Τα συστήματα DTE υλοποιούν ένα εικονικό, δυναμικό μοντέλο του κόσμου, το οποίο ενημερώνεται συνεχώς, επιτρέποντας προσομοιώσεις και παρέχοντας ταυτόχρονα πιο συγκεκριμένες, τοπικές και διαδραστικές πληροφορίες σχετικά με την κλιματική αλλαγή και τον τρόπο αντιμετώπισης των επιπτώσεών της, απαντώντας σε ερωτήματα του τύπου «τι θα γινόταν αν». Για παράδειγμα, πώς θα εξελιχθεί η παραγωγή των καλλιεργειών αν η ξηρασία γίνει υπερβολική, ή πώς θα εκτιμηθούν οι ζημιές στα δάση ως αποτέλεσμα πυρκαγιών βλάστησης. Τα συστήματα DTE αποτελούν επίσης ένα εργαλείο για την αλληλεπίδραση με τους πολίτες, αυξάνοντας την ευαισθητοποίηση και ενισχύοντας τη χρήση των υφιστάμενων κλιματικών δεδομένων και των υπηρεσιών γνώσης. Αυτό είναι ένα βήμα προς μια προσέγγιση με γνώμονα τον πολίτη και με αυξημένη κοινωνική εστίαση.

Τα συζευγμένα συστήματα DTE υποστηρίζουν την προώθηση μιας προσέγγισης γεωγραφικής ποικιλομορφίας, με τη συμμετοχή διαφόρων περιοχών και κοινοτήτων, ακολουθώντας μια συστημική προσέγγιση που συγκλίνει διάφορα διατροπικά θέματα και τομείς καινοτομίας, η οποία εφαρμόζεται ως μια μεθοδολογία χωρίς αποκλεισμούς για να φέρει σε επαφή τη δημόσια διοίκηση, τον ιδιωτικό τομέα, την κοινωνία των πολιτών και, τέλος, τους πολίτες αυτοπροσώπως.

Η πηγή της παραπάνω συνέντευξης είναι το Συμπόσιο IGARSS 2024