A medida que los fenómenos meteorológicos extremos se vuelven más frecuentes en todo el mundo debido al cambio climático, aumenta la necesidad de investigar más sobre nuestro planeta, cada vez más cálido. La investigación climática implica no solo estudiar estos fenómenos, sino también permitir que investigadores externos hagan lo mismo. Los avances en inteligencia artificial (IA) representan una herramienta poderosa para lograr estos objetivos.
En 2023, la NASA colaboró con IBM Research para desarrollar un modelo geoespacial basado en IA. Desarrollado a partir de grandes cantidades de datos armonizados Landsat y Sentinel-2 (HLS) de la NASA, ampliamente utilizados, el modelo sirve de base para diversos estudios basados en IA para abordar los desafíos ambientales. De acuerdo con los principios de la ciencia abierta, el modelo está disponible gratuitamente para cualquier persona.
Los modelos básicos sirven de base para que los científicos desarrollen una amplia gama de aplicaciones, proporcionando soluciones potentes y eficaces. «Los modelos básicos solo conocen lo que se representa en los datos», explicó Manil Muskie, jefe de análisis de datos de la Oficina del Director de Datos Científicos (OCSDO) de la NASA. «Son como una navaja suiza: pueden utilizarse para una amplia variedad de propósitos».
Una vez creado un modelo base, se puede entrenar con una pequeña cantidad de datos para realizar una tarea específica. Hasta la fecha, el Equipo Interinstitucional de Implementación y Conceptos Avanzados (IMPACT) y otros participantes han demostrado las capacidades del modelo geoespacial base, perfeccionándolo para detectar cicatrices de incendios, determinar los límites de las inundaciones y clasificar cultivos y otras categorías de uso del suelo.
Esta imagen, tomada el 14 de marzo de 2024 por el Operational Land Imager-2 (OLI-2) del satélite Landsat 9, muestra estanques rectangulares de camarones a lo largo de la costa norte de Perú. Observatorio de la Tierra de la NASA/Lauren Dauphin
Dados los recursos computacionales necesarios para crear el modelo base inicial, la colaboración fue esencial para el éxito. En este caso, la NASA proporcionó los datos y la experiencia científica, mientras que IBM aportó la potencia computacional y la experiencia en la optimización de algoritmos de IA. El compromiso compartido del equipo con la ciencia abierta, con el objetivo de hacer accesible su investigación, garantiza que su modelo sea útil para el mayor número posible de investigadores.
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«Desde el principio reconocimos que construir un modelo base a gran escala no sería algo que pudiéramos hacer solos», afirmó Maskey. «Todo lo que hicimos con nuestros modelos base estuvo disponible públicamente: desde los datos de preentrenamiento, el código, las recomendaciones y las ponderaciones del modelo hasta el ajuste de los datos de entrenamiento y las publicaciones. La transparencia permite a los investigadores rastrear por qué se utilizaron ciertos elementos de datos o arquitecturas de modelos».
Basándose en el éxito de su modelo geoespacial de referencia, la NASA e IBM Research continúan colaborando para desarrollar un nuevo modelo similar para estudios meteorológicos y climáticos. Para implementar este modelo, colaboran con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), NVIDIA y varias universidades.
En esta ocasión, el conjunto de datos principal será el Análisis Retrospectivo de la Era Moderna para Investigación y Aplicaciones, Versión 2 (MERRA-2), una colección completa de datos de reanálisis atmosférico que abarca desde 1980 hasta la actualidad. Al igual que el modelo geoespacial, el modelo meteorológico y climático se está desarrollando mediante un enfoque de ciencia abierta y estará disponible públicamente próximamente.
En esta imagen de Europa, incluida Polonia, tomada desde la Estación Espacial Internacional, el cielo nocturno está iluminado por luces. NASA
Para cubrir todos los aspectos de las ciencias de la Tierra se requerirán múltiples modelos base entrenados con diferentes tipos de conjuntos de datos. Sin embargo, Muskie cree que estos futuros modelos podrían algún día combinarse en un único modelo integral, creando un «gemelo digital» de la Tierra que permitirá un análisis y una predicción sin precedentes de todo tipo de eventos climáticos y ambientales.
Independientemente de las innovaciones que nos depare el futuro, los modelos geoespaciales y climáticos de la NASA e IBM impulsarán avances sin precedentes en las ciencias de la Tierra. Si bien las potentes herramientas de inteligencia artificial (IA) mejorarán la eficiencia de los investigadores, el compromiso del equipo con los principios de la ciencia abierta amplía las posibilidades de descubrimiento, permitiendo que cualquiera pueda aplicar estas herramientas de forma práctica y allanando el camino para una investigación pionera que contribuirá a un mejor cuidado del planeta.
En lo que respecta a la IA, abundan las esperanzas y los temores. Como experta en aprendizaje automático, Rochelle Schneider, jefa de la Unidad de Aplicaciones de IA del Φ-lab de la Agencia Espacial Europea, puede explicar por qué la IA desempeña un papel vital en la observación de la Tierra. Rochelle cuenta con una amplia experiencia extrayendo información valiosa de los datos de observación de la Tierra para la prevención de enfermedades y el desarrollo infantil.
Rochelle, ¿cómo definirías el papel de la IA en la sociedad?
— La inteligencia artificial utiliza computadoras y máquinas para realizar tareas o funciones repetitivas que pueden automatizarse. Esto nos permite trabajar con mayor eficiencia y centrarnos en actividades que requieren habilidades humanas esenciales, como la inteligencia emocional, las relaciones humanas y la intuición.
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¿Qué opina de la idea de que la IA provocará la pérdida de empleos?
— Bueno, la IA, sin duda, transformará la sociedad, pero también creará innumerables oportunidades para nuevas carreras. Por lo tanto, debemos ver la IA como una herramienta que facilita o mejora las capacidades y tareas humanas, no como algo que nos reemplazará en el mercado laboral. Debemos inspirar a la próxima generación de profesionales para que aprovechen las ventajas de trabajar con tecnologías de IA. Por ejemplo, como parte del programa de Observación de la Tierra de la ESA, capacitamos a jóvenes científicos e ingenieros para que utilicen herramientas de aprendizaje automático para mejorar su comprensión y procesamiento de datos.
Rochelle Schneider. ESA
¿Puede explicar cómo contribuye la IA a la observación de la Tierra?
— La inteligencia artificial (IA) está contribuyendo enormemente a la observación de la Tierra. Varios satélites están equipados con computadoras basadas en IA para filtrar y procesar datos, y existen numerosas aplicaciones que utilizan la IA para generar información crucial para los usuarios finales.
La visión artificial ilustra claramente la contribución de la IA. Extraemos numerosas características de imágenes satelitales, como la vegetación o las minas de carbón, y si bien las computadoras llevan mucho tiempo haciéndolo, tradicionalmente han utilizado algoritmos o modelos fijos para detectar los objetos deseados.
Gracias a la IA, el modelo evoluciona y aprende continuamente a medida que llegan nuevos datos, lo que revoluciona nuestra necesidad de detección automatizada. Con la generación diaria de grandes volúmenes de datos de observación de la Tierra, la automatización impulsada por IA desempeña un papel fundamental en la monitorización de la Tierra.
Por ejemplo, en el proyecto Conectividad Infantil, implementado por la ESA en colaboración con Giga, evaluamos el acceso de los jóvenes a internet. Como parte de este proyecto, utilizamos algoritmos de inteligencia artificial para reconocer edificios escolares con base en datos de Copernicus Sentinel-2. Solo en Brasil, pudimos identificar 65.000 escuelas incorrectamente registradas en la base de datos de UNICEF.
La previsión también cobra cada vez mayor importancia. En otra importante iniciativa, implementada conjuntamente con UNICEF, nuestros modelos de IA basados en el clima lograron predecir brotes de dengue con un mes de antelación.
¿Cómo está impactando el desarrollo de la inteligencia artificial al sector espacial comercial?
— La observación comercial de la Tierra está creciendo exponencialmente, y la inteligencia artificial también desempeña un papel importante en este ámbito. En los últimos años han surgido numerosas empresas en Europa, muchas de las cuales cuentan con el apoyo del programa InCubed de la Agencia Espacial Europea.
Estas empresas utilizan el procesamiento de datos satelitales impulsado por inteligencia artificial para sus clientes, proporcionando información en tiempo real a departamentos gubernamentales, agencias de respuesta a desastres e industrias como las compañías de seguros.
El satélite Φsat-2 está equipado con un sistema integrado para procesar imágenes de una cámara multiespectral mediante inteligencia artificial. El satélite ya cuenta con aplicaciones de IA que eliminarán las nubes de las imágenes, crearán mapas de calles y detectarán barcos. Además, Φsat-2 permite a las empresas comerciales descargar y lanzar sus aplicaciones en el espacio.
Esperamos que Φsat-2 y otros satélites con IA incorporada creen muchos nuevos modelos de negocio y oportunidades comerciales, incluso para empresas fuera de la industria espacial.
Una última reflexión sobre la IA: ¿cómo ve su contribución a la observación de la Tierra en el futuro?
— Creo que veremos la interacción de la IA y muchas otras tecnologías emergentes en todos los ámbitos de la vida. Por ejemplo, en el campo de la observación de la Tierra, actualmente trabajamos en el proyecto Destination Earth: un gemelo digital del planeta impulsado por IA que monitorizará los efectos de los impactos naturales y antropogénicos y predecirá fenómenos extremos.
Llevando esto un paso más allá, podemos imaginar un gemelo digital de la Tierra en el metaverso, una experiencia inmersiva que proporciona interacciones y simulaciones mejoradas a través de la realidad extendida: una combinación de realidad aumentada y virtual.
De manera más general, las herramientas de IA se integrarán cada vez más en las operaciones centrales de la ESA y en las actividades de observación de la Tierra, lo que mejorará significativamente nuestros esfuerzos por crear una sociedad verde y sostenible al proporcionarnos información más valiosa para la toma de decisiones y la gestión necesaria del planeta.
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