Face à la multiplication des phénomènes météorologiques extrêmes à travers le monde, conséquence du changement climatique, la nécessité d’approfondir la recherche sur notre planète qui se réchauffe s’accroît. La recherche climatique implique non seulement l’étude de ces événements, mais aussi la mise à disposition des ressources nécessaires aux chercheurs externes pour mener des recherches similaires. Les progrès de l’intelligence artificielle (IA) constituent un outil précieux pour atteindre ces objectifs.
En 2023, la NASA a collaboré avec IBM Research pour développer un modèle géospatial basé sur l’intelligence artificielle. Élaboré à partir d’immenses quantités de données HLS (Harmonized Landsat and Sentinel-2) largement utilisées par la NASA, ce modèle sert de base à diverses études utilisant l’IA pour relever les défis environnementaux. Conformément aux principes de la science ouverte, il est accessible gratuitement à tous .
Les modèles de base servent de fondement au développement d’un large éventail d’applications par les scientifiques, offrant ainsi des solutions performantes et efficaces. «Les modèles de base ne connaissent que les données qui y sont représentées», explique Manil Muskie, responsable de l’analyse des données au sein du Bureau du directeur des données scientifiques de la NASA (OCSDO). «Ils sont comme un couteau suisse: ils peuvent servir à de multiples usages.»
Une fois le modèle de base créé, il peut être entraîné sur un petit volume de données pour réaliser une tâche spécifique. À ce jour, l’équipe inter-agences de mise en œuvre et de concepts avancés (IMPACT) et d’autres participants ont démontré les capacités du modèle géospatial de base en l’affinant pour détecter les cicatrices d’incendie, déterminer les limites des zones inondables et classifier les cultures et autres catégories d’occupation des sols.
Cette image, prise le 14 mars 2024 par l’instrument OLI-2 (Operational Land Imager-2) du satellite Landsat 9, montre des bassins d’élevage de crevettes rectangulaires le long de la côte nord du Pérou. NASA Earth Observatory/Lauren Dauphin
Compte tenu des ressources informatiques nécessaires à la création du modèle de référence initial, un partenariat s’est avéré indispensable à la réussite. Dans ce cas précis, la NASA a fourni les données et son expertise scientifique, tandis qu’IBM a apporté sa puissance de calcul et son savoir-faire en matière d’optimisation des algorithmes d’IA. L’engagement commun de l’équipe en faveur de la science ouverte, visant à rendre leurs recherches accessibles, garantit que leur modèle sera utile au plus grand nombre de chercheurs possible.
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«Nous savions dès le départ que la création d’un modèle de base à grande échelle ne serait pas une tâche que nous pourrions accomplir seuls», a déclaré Maskey. «Tout ce que nous avons fait avec nos modèles de base était accessible au public: des données de pré-entraînement, au code, aux recommandations et aux pondérations du modèle, jusqu’à l’optimisation des données d’entraînement et aux publications. Cette transparence permet aux chercheurs de comprendre pourquoi certains éléments de données ou architectures de modèles ont été utilisés.»
S’appuyant sur le succès de leur modèle géospatial de référence, la NASA et IBM Research poursuivent leur collaboration au développement d’un nouveau modèle similaire pour les études météorologiques et climatiques. Pour concrétiser ce modèle, elles collaborent avec le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), NVIDIA et plusieurs universités.
Cette fois-ci, le principal jeu de données sera MERRA-2 (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2), une collection exhaustive de données de réanalyse atmosphérique couvrant la période de 1980 à nos jours. À l’instar du modèle géospatial, le modèle météorologique et climatique est développé selon une approche de science ouverte et sera accessible au public prochainement.
Sur cette image de l’Europe, y compris la Pologne, prise depuis la Station spatiale internationale, le ciel nocturne est illuminé. NASA
Couvrir l’ensemble des aspects des sciences de la Terre nécessitera de multiples modèles de base entraînés sur différents types d’ensembles de données. Cependant, Muskie estime que ces futurs modèles pourraient un jour être combinés en un seul modèle complet, créant ainsi un «jumeau numérique» de la Terre qui permettra une analyse et une prédiction sans précédent de tous les types d’événements climatiques et environnementaux.
Quelles que soient les innovations à venir, les modèles géospatiaux et climatiques de la NASA et d’IBM permettront des avancées sans précédent en sciences de la Terre. Si de puissants outils d’intelligence artificielle (IA) amélioreront l’efficacité des chercheurs, l’engagement de l’équipe envers les principes de la science ouverte élargit le champ des découvertes, permettant à chacun d’appliquer concrètement ces outils et d’ouvrir la voie à des recherches novatrices qui contribueront à une meilleure protection de la planète.
En matière d’IA, espoirs et craintes se côtoient. Experte en apprentissage automatique, Rochelle Schneider, responsable de l’unité Applications de l’IA au sein du Φ-lab de l’Agence spatiale européenne, explique le rôle crucial de l’IA dans l’observation de la Terre. Elle possède une vaste expérience dans l’extraction d’informations précieuses à partir de données d’observation de la Terre, notamment pour la prévention des maladies et le développement de l’enfant.
Rochelle, comment définiriez-vous le rôle de l’IA dans la société?
— L’intelligence artificielle utilise les ordinateurs et les machines pour effectuer des tâches répétitives ou des fonctions automatisables. Cela nous permet de travailler plus efficacement et de nous concentrer sur des activités qui requièrent des compétences humaines essentielles, telles que l’intelligence émotionnelle, les relations humaines et l’intuition.
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Que pensez-vous de l’idée que l’IA entraînera des pertes d’emplois?
— Certes, l’IA transformera sans aucun doute la société, mais elle créera aussi d’innombrables opportunités de carrière. Il faut donc la considérer comme un outil qui facilite et améliore les capacités et les tâches humaines, et non comme un substitut au marché du travail. Nous devons inciter la prochaine génération de professionnels à tirer parti des avantages des technologies d’IA. Par exemple, dans le cadre du programme d’observation de la Terre de l’ESA, nous formons de jeunes scientifiques et ingénieurs à l’utilisation d’outils d’apprentissage automatique pour améliorer leur compréhension et leur traitement des données.
Rochelle Schneider. ESA
Pouvez-vous expliquer comment l’IA contribue à l’observation de la Terre?
— L’intelligence artificielle (IA) contribue énormément à l’observation de la Terre. Plusieurs satellites sont désormais équipés d’ordinateurs dotés d’IA pour filtrer et traiter les données, et de nombreuses applications utilisent l’IA pour générer des informations essentielles pour les utilisateurs finaux.
La vision par ordinateur illustre clairement la contribution de l’IA. Nous extrayons de nombreuses caractéristiques des images satellites, telles que la végétation ou les mines de charbon, et bien que les ordinateurs le fassent depuis longtemps, ils ont traditionnellement utilisé des algorithmes ou des modèles fixes pour détecter les objets souhaités.
Grâce à l’IA, le modèle évolue et s’enrichit continuellement de nouvelles données, transformant radicalement notre besoin de détection automatisée. Face aux volumes considérables de données d’observation de la Terre générées quotidiennement, l’automatisation basée sur l’IA joue un rôle essentiel dans la surveillance de notre planète.
Par exemple, dans le cadre du projet «Connectivité des enfants», mis en œuvre par l’ESA en collaboration avec Giga, nous évaluons l’accès des jeunes à Internet. Ce projet utilise des algorithmes d’intelligence artificielle pour identifier les bâtiments scolaires à partir des données de Copernicus Sentinel-2. Au Brésil seulement, nous avons ainsi pu repérer 65 000 écoles mal référencées dans la base de données de l’UNICEF.
La prévision revêt également une importance croissante. Dans le cadre d’une autre initiative majeure, menée conjointement avec l’UNICEF, nos modèles d’IA basés sur le climat ont permis de prédire les épidémies de dengue un mois à l’avance.
Quel est l’impact du développement de l’intelligence artificielle sur le secteur spatial commercial?
— L’observation commerciale de la Terre connaît une croissance exponentielle, et l’intelligence artificielle y joue un rôle important. De nombreuses entreprises ont vu le jour en Europe ces dernières années, dont beaucoup bénéficient du soutien du programme InCubed de l’Agence spatiale européenne.
Ces entreprises utilisent le traitement de données satellitaires basé sur l’intelligence artificielle pour leurs clients, fournissant des informations en temps réel aux ministères, aux agences de gestion des catastrophes et à des secteurs tels que les compagnies d’assurance.
Le satellite Φsat-2 est équipé d’un système embarqué de traitement d’images issues d’une caméra multispectrale, utilisant l’intelligence artificielle. Des applications d’IA sont déjà installées sur le satellite; elles permettent notamment de supprimer les nuages des images, de créer des cartes routières et de détecter le trafic maritime. De plus, Φsat-2 offre aux entreprises la possibilité de télécharger et de déployer leurs applications spatiales.
Nous prévoyons que Φsat-2 et d’autres satellites dotés d’une IA embarquée créeront de nombreux nouveaux modèles économiques et opportunités commerciales, même pour des entreprises extérieures au secteur spatial.
Un dernier point concernant l’IA : quel sera, selon vous, son apport à l’observation de la Terre à l’avenir?
— Je pense que nous verrons l’interaction de l’IA avec de nombreuses autres technologies émergentes dans tous les domaines. Par exemple, dans le domaine de l’observation de la Terre, nous travaillons actuellement sur le projet Destination Terre, un jumeau numérique de la planète basé sur l’IA qui surveillera les effets des impacts naturels et anthropiques et prédira les événements extrêmes.
Allant plus loin, on peut imaginer un jumeau numérique de la Terre dans le métavers, une expérience immersive offrant des interactions et des simulations améliorées grâce à la réalité étendue — une combinaison de réalité augmentée et de réalité virtuelle.
Plus généralement, les outils d’IA seront de plus en plus intégrés aux opérations de base et aux activités d’observation de la Terre de l’ESA, renforçant considérablement nos efforts pour créer une société verte et durable en nous fournissant des informations plus précieuses pour la prise de décision et la gestion nécessaire de la planète.
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