Da extreme Wetterereignisse aufgrund des Klimawandels weltweit häufiger auftreten, wächst der Bedarf an weiterer Forschung zu unserem sich zunehmend erwärmenden Planeten. Klimaforschung umfasst nicht nur die Untersuchung dieser Ereignisse selbst, sondern auch die Ermöglichung derselben Forschung durch externe Wissenschaftler. Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) stellen ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erreichung dieser Ziele dar.
Im Jahr 2023 entwickelte die NASA in Zusammenarbeit mit IBM Research ein KI-gestütztes Geodatenmodell. Dieses Modell, das auf umfangreichen, weit verbreiteten NASA-Daten der Satelliten harmonisiertes Landsat und Sentinel-2 (HLS) basiert, dient als Grundlage für verschiedene KI-basierte Studien zur Bewältigung von Umweltproblemen. Gemäß den Prinzipien der offenen Wissenschaft ist das Modell für alle frei zugänglich.
Kernmodelle dienen als Grundlage, auf der Wissenschaftler vielfältige Anwendungen entwickeln und so leistungsstarke und effektive Lösungen entwickeln können. „Kernmodelle kennen nur das, was in den Daten repräsentiert ist“, erklärte Manil Muskie, Leiter der Datenanalyse im Büro des Chief Science Data Officer (OCSDO) der NASA. „Sie sind wie ein Schweizer Taschenmesser – vielseitig einsetzbar.“
Sobald ein Basismodell erstellt ist, kann es anhand weniger Daten trainiert werden, um eine spezifische Aufgabe zu erfüllen. Das Interagency Implementation and Advanced Concepts Team (IMPACT) und andere Beteiligte haben die Leistungsfähigkeit des Geodaten-Basismodells bereits demonstriert, indem sie es verfeinert haben, um Brandnarben zu erkennen, Überschwemmungsgebiete zu bestimmen und Anbauflächen sowie andere Landnutzungskategorien zu klassifizieren.
Dieses Bild, aufgenommen am 14. März 2024 vom Operational Land Imager-2 (OLI-2) an Bord von Landsat 9, zeigt rechteckige Garnelenteiche entlang der Küste Nordperus. NASA Earth Observatory/Lauren Dauphin
Angesichts des enormen Rechenaufwands, der für die Erstellung des ersten Basismodells erforderlich war, war eine Partnerschaft für den Erfolg unerlässlich. Die NASA stellte in diesem Fall die Daten und wissenschaftliche Expertise bereit, während IBM Rechenleistung und Expertise in der Optimierung von KI-Algorithmen beisteuerte. Das gemeinsame Engagement des Teams für Open Science, mit dem Ziel, die Forschungsergebnisse zugänglich zu machen, gewährleistet, dass das Modell möglichst vielen Forschern von Nutzen sein wird.
„Uns war von Anfang an klar, dass wir den Aufbau eines umfangreichen Basismodells nicht allein bewältigen konnten“, sagte Maskey. „Alles, was wir mit unseren Basismodellen gemacht haben, war öffentlich zugänglich – von den Trainingsdaten, dem Code, den Empfehlungen und den Modellgewichten bis hin zur Feinabstimmung der Trainingsdaten und den Publikationen. Diese Transparenz ermöglicht es Forschern, nachzuvollziehen, warum bestimmte Datenelemente oder Modellarchitekturen verwendet wurden.“
Aufbauend auf dem Erfolg ihres Geodaten-Basismodells setzen NASA und IBM Research ihre Zusammenarbeit fort, um ein neues, ähnliches Modell für Wetter- und Klimastudien zu entwickeln. Zur Umsetzung dieses Modells kooperieren sie mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), NVIDIA und mehreren Universitäten.
Diesmal dient die Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA-2) als primärer Datensatz – eine umfassende Sammlung atmosphärischer Reanalysedaten, die den Zeitraum von 1980 bis heute abdeckt. Wie das Geodatenmodell wird auch das meteorologische und Klimamodell im Rahmen eines Open-Science-Ansatzes entwickelt und wird in Kürze öffentlich zugänglich sein.
Auf diesem Bild von Europa, einschließlich Polen, aufgenommen von der Internationalen Raumstation, ist der Nachthimmel von Lichtern erhellt. NASA
Um alle Aspekte der Geowissenschaften abzudecken, werden mehrere Basismodelle benötigt, die mit unterschiedlichen Datensätzen trainiert werden. Muskie ist jedoch überzeugt, dass diese zukünftigen Modelle eines Tages zu einem einzigen, umfassenden Modell kombiniert werden könnten. So entstünde ein „digitaler Zwilling“ der Erde, der beispiellose Analysen und Vorhersagen aller Arten von Klima- und Umweltereignissen ermöglichen würde.
Welche Innovationen die Zukunft auch bringen mag, die Geodaten- und Klimamodelle von NASA und IBM werden beispiellose Fortschritte in den Erdwissenschaften ermöglichen. Leistungsstarke KI-Werkzeuge werden die Effizienz der Forschenden steigern, doch das Engagement des Teams für offene Wissenschaftsprinzipien erweitert die Möglichkeiten für neue Erkenntnisse. So kann jeder diese Werkzeuge praktisch anwenden und den Weg für bahnbrechende Forschung ebnen, die zu einem besseren Schutz unseres Planeten beiträgt.
Wenn es um KI geht, gibt es sowohl Hoffnungen als auch Ängste. Rochelle Schneider, Expertin für maschinelles Lernen und Leiterin der KI-Anwendungseinheit im Φ-Labor der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), kann erklären, warum KI eine entscheidende Rolle bei der Erdbeobachtung spielt. Sie verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Gewinnung wertvoller Erkenntnisse aus Erdbeobachtungsdaten für die Krankheitsprävention und die kindliche Entwicklung.
Rochelle, wie würdest du die Rolle von KI in der Gesellschaft definieren?
– Künstliche Intelligenz nutzt Computer und Maschinen, um wiederkehrende Aufgaben oder Funktionen zu automatisieren. Dadurch können wir effizienter arbeiten und uns auf Tätigkeiten konzentrieren, die wichtige menschliche Fähigkeiten erfordern, wie emotionale Intelligenz, zwischenmenschliche Beziehungen und Intuition.
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Wie stehen Sie zu der Vorstellung, dass KI zu Arbeitsplatzverlusten führen wird?
– Nun, KI wird die Gesellschaft zweifellos verändern, aber auch unzählige neue Karrierechancen eröffnen. Daher sollten wir KI als Werkzeug betrachten, das menschliche Fähigkeiten und Aufgaben erleichtert oder verbessert, und nicht als etwas, das uns auf dem Arbeitsmarkt ersetzen wird. Wir müssen die nächste Generation von Fachkräften dazu inspirieren, die Vorteile der Arbeit mit KI-Technologien zu nutzen. Beispielsweise schulen wir im Rahmen des Erdbeobachtungsprogramms der ESA junge Wissenschaftler und Ingenieure im Umgang mit maschinellem Lernen, um ihr Verständnis und ihre Verarbeitung von Daten zu verbessern.
Rochelle Schneider. ESA
Können Sie erklären, wie KI zur Erdbeobachtung beiträgt?
– Künstliche Intelligenz (KI) leistet einen enormen Beitrag zur Erdbeobachtung. Zahlreiche Satelliten sind mittlerweile mit KI-gestützten Computern ausgestattet, um Daten zu filtern und zu verarbeiten, und es gibt zahlreiche Anwendungen, die KI nutzen, um wichtige Informationen für Endnutzer zu generieren.
Computer Vision verdeutlicht den Beitrag der KI. Wir extrahieren viele Merkmale aus Satellitenbildern, wie beispielsweise Vegetation oder Kohlebergwerke, und obwohl Computer dies schon lange tun, verwendeten sie traditionell feste Algorithmen oder Modelle, um die gewünschten Objekte zu erkennen.
Dank KI entwickelt sich das Modell kontinuierlich weiter und lernt mit jedem neuen Dateneingang, wodurch sich unser Bedarf an automatisierter Erkennung grundlegend verändert. Angesichts der täglich generierten riesigen Mengen an Erdbeobachtungsdaten spielt die KI-gestützte Automatisierung eine entscheidende Rolle bei der Erdbeobachtung.
Im Projekt „Child Connectivity“, das die ESA in Zusammenarbeit mit Giga durchführt, untersuchen wir beispielsweise den Internetzugang junger Menschen. Im Rahmen dieses Projekts nutzen wir Algorithmen der künstlichen Intelligenz, um Schulgebäude anhand von Copernicus Sentinel-2-Daten zu erkennen. Allein in Brasilien konnten wir 65.000 Schulen identifizieren, die fälschlicherweise in der UNICEF-Datenbank aufgeführt waren.
Auch Prognosen gewinnen zunehmend an Bedeutung. In einer weiteren großen Initiative, die gemeinsam mit UNICEF durchgeführt wurde, konnten unsere klimabasierten KI-Modelle Denguefieber-Ausbrüche einen Monat im Voraus vorhersagen.
Wie wirkt sich die Entwicklung künstlicher Intelligenz auf den kommerziellen Raumfahrtsektor aus?
– Die kommerzielle Erdbeobachtung wächst exponentiell, und künstliche Intelligenz spielt auch hier eine bedeutende Rolle. Zahlreiche Unternehmen sind in den letzten Jahren in Europa entstanden, von denen viele vom InCubed-Programm der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gefördert werden.
Diese Unternehmen nutzen KI-gestützte Satellitendatenverarbeitung für ihre Kunden und liefern Echtzeitinformationen an Regierungsbehörden, Katastrophenschutzorganisationen und Branchen wie beispielsweise Versicherungsgesellschaften.
Der Satellit Φsat-2 ist mit einem Bordsystem zur Bildverarbeitung einer Multispektralkamera mithilfe künstlicher Intelligenz ausgestattet. Auf dem Satelliten sind bereits KI-Anwendungen installiert, die Wolken aus Bildern entfernen, Straßenkarten erstellen und Schiffe erkennen. Darüber hinaus ermöglicht Φsat-2 kommerziellen Unternehmen, ihre Anwendungen herunterzuladen und im Weltraum zu starten.
Wir gehen davon aus, dass Φsat-2 und andere Satelliten mit integrierter KI viele neue Geschäftsmodelle und kommerzielle Möglichkeiten schaffen werden, auch für Unternehmen außerhalb der Raumfahrtindustrie.
Noch ein letzter Gedanke zur KI: Wie sehen Sie ihren Beitrag zur Erdbeobachtung in der Zukunft?
– Ich denke, wir werden die Wechselwirkung von KI und vielen anderen neuen Technologien in allen Lebensbereichen erleben. Im Bereich der Erdbeobachtung arbeiten wir beispielsweise aktuell am Projekt „Destination Earth“ – einem KI-gestützten digitalen Zwilling des Planeten, der die Auswirkungen natürlicher und anthropogener Einflüsse überwachen und Extremereignisse vorhersagen soll.
Geht man noch einen Schritt weiter, kann man sich einen digitalen Zwilling der Erde im Metaverse vorstellen, ein immersives Erlebnis, das durch erweiterte Realität – eine Kombination aus Augmented und Virtual Reality – verbesserte Interaktionen und Simulationen ermöglicht.
Generell werden KI-Tools zunehmend in die Kernprozesse und Erdbeobachtungsaktivitäten der ESA integriert, wodurch unsere Bemühungen um die Schaffung einer grünen und nachhaltigen Gesellschaft erheblich verstärkt werden, indem sie uns wertvollere Informationen für die Entscheidungsfindung und das notwendige Management des Planeten liefern.
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