Nuove frontiere

Così il Deep learning aiuta a combattere l’inquinamento (doloso) degli oceani

Oggi, grazie al cloud, gli esperti possono capire se le scie che vengono avvistate in acqua sono processi naturali o sono frutto di atti criminali. E’ il risultato dell’attività di Skytruth, organizzazione no-profit che punta a utilizzare le immagini satellitari per stimolare le persone a proteggere l’ambiente

Pubblicato il 24 Ago 2021

SCYTRUTH

La tecnologia viene sempre più in soccorso dell’ambiente. Oggi, grazie al cloud, gli esperti possono capire se le scie che vengono avvistate in acqua sono processi naturali o sono frutto di atti criminali, come sversamento di sostanze nocive, consentendo di portare il fatto all’attenzione dell’opinione pubblica, per pretendere da governi e istituzioni che l’ambiente sia rispettato. E’ il risultato dell’attività di Skytruth, organizzazione no-profit che punta a utilizzare le immagini satellitari per stimolare le persone a proteggere l’ambiente.

L’idea di combattere lo scarico in mare di petrolio è venuta dopo che Skytruth ha contribuito a fondare il Global Fishing Watch, una piattaforma che utilizza i dati satellitari per monitorare l’attività di pesca nell’oceano.
Le chiazze di petrolio stanno infatti inquinando gli oceani e le attività di pesca commerciale stanno decimando le popolazioni ittiche.

Merito del Deep learning

Ma come funziona nel concreto il progetto? Grazie alla maggiore disponibilità di immagini satellitari (il programma AWS Open Data Sponsorship Program include i dati radar del satellite Copernicus Sentinel-1), Skytruth è in grado di mostrare al mondo ciò che prima era nascosto. Ma il vero segreto sta nel Deep Learning.
Il deep learning è un approccio al machine learning per cui il modello è addestrato a “imparare” qualcosa, a riconoscere un suono o un discorso, per esempio quando si chiede ad Alexa di riprodurre la propria canzone preferita. I modelli di deep learning sono potenti strumenti multiuso che possono anche riconoscere le immagini, identificare sport si sta praticando in base al movimento di un cellulare in tasca, o generare script di film da una singola battuta. Più si “allena” un modello di deep learning, più diventa accurato.

Nel caso dello scarico di acque di sentina, il modello di deep learning lavora per identificare le caratteristiche specifiche di una chiazza di petrolio in un’immagine satellitare, scartando foto con macchie simili ma di diversa natura. Skytruth ha iniziato a costruire un modello di machine learning come partecipante al 2020 AWS Imagine Grant. Soprannominato “Cerulean“, il modello è l’esempio di come una piccola organizzazione no-profit possa utilizzare il machine learning per gestire una quantità insormontabile di dati.

Attività illegali immortalate dal satellite

Quello che vedete è un’immagine satellitare radar di Sentinel-1 scattata sopra il Mare delle Andamane al largo della costa della Thailandia. Cos’è quella linea scura a forma di freccia?

L’immagine è stata scattata in un’area altamente trafficata, una buona ipotesi è che la linea sia la scia di una nave, che è parzialmente corretta. Ma c’è anche qualcosa di illegale.
Questa nave sta riversando in mare le sue acque reflue oleose, o bilge water. Questi rifiuti contengono una combinazione tossica di olio, lubrificanti, grasso, liquidi detergenti e una lunga lista di altri metalli e prodotti chimici nocivi. L’immagine mostra come la chiazza di petrolio segua la rotta della nave, partendo dal fondo dell’immagine, nel punto più largo della linea scura in cui ha avuto inizio lo scarico, e si estende fino a dove si restringe, punto in cui la nave svuota la sentina.

“Non ci si può voltare dall’altra parte”, ha dichiarato John Amos, presidente di Skytruth, un’organizzazione no-profit che punta a utilizzare le immagini satellitari per stimolare le persone a proteggere l’ambiente. Vogliamo portare all’attenzione delle persone questioni ambientali che stanno passando inosservate, come lo scarico illegale dell’acqua di sentina con una foto, in modo che possano vederlo”.

Mostrare al mondo ciò che prima era nascosto

Skytruth spera di fissare queste immagini nella mente dei politici, dei consigli d’amministrazione e di chiunque possa fare la differenza per affrontare le questioni ambientali. Per Amos e il team di Skytruth, questo significa rivelare come le chiazze di petrolio stiano inquinando gli oceani e come l’attività di pesca commerciale stia decimando le popolazioni ittiche. L’organizzazione no-profit vuole anche mostrare come le pratiche minerarie stiano intasando i fiumi e distruggendo la regione degli Appalachi degli Stati Uniti orientali e la foresta pluviale amazzonica del Sud America.

Grazie alla maggiore disponibilità di immagini satellitari, Skytruth è in grado di mostrare al mondo ciò che prima era nascosto.

Chiazze di petrolio catturate da immagini satellitari e mappate nella seconda metà del 2020 in Indonesia
Le corrispondenti immagini satellitari delle chiazze trovate nelle acque indonesiane

“Più volte ho visto immagini che mostravano queste inspiegabili chiazze di petrolio nell’oceano”, continua Amos. “Ma senza piattaforme petrolifere nei paraggi e con una striscia dritta come un righello nell’acqua. Quindi qual è la causa? Con l’avvento dei sistemi radar civili, come il Sentinel-1, è stato finalmente possibile capirne molto di più, in quanto i radar sono strumento ideale per rilevare le chiazze d’olio in mare.” Il team di Skytruth possedeva le immagini ma non il personale necessario per esaminarle e individuare il passaggio di navi che scaricavano petrolio in mare. Il team ha capito che il machine learning, in particolare un modello “deep neural network”, era particolarmente adatto per trovare le linee incriminate.

Ogni giorno, migliaia di nuove immagini satellitari sono disponibili su cloud e centinaia di quelle immagini inquadrano parti dell’oceano. Nei prossimi anni altri satelliti verranno mandati in orbita così che potranno essere scattate decine di migliaia di nuove immagini oceaniche, quotidianamente. Scaricare e guardare manualmente tali immagini richiederebbe un esercito di stagisti o volontari addestrati. Skytruth non ha un esercito, ma ha Jona Raphael, esperto di machine learning sviluppatore capo di Cerulean.

Raphael sta addestrando il modello a identificare i segnali spia di una macchia di petrolio nelle immagini. Uno degli ostacoli maggiori è insegnare al modello a non confondere elementi nell’oceano che possano sembrare acque di sentina, come le fioriture di alghe naturali, la risalite di olio da un giacimento sottomarino o un naufragio.
“Questa tecnica di rilevamento si basa sul fatto che la banda radar che questi satelliti utilizzano per la cattura di immagini, la banda C, è molto sensibile alla condizione della superficie dell’oceano” spiega Raphael. Quando il vento soffia, la banda C ha all’incirca la stessa lunghezza d’onda e altezza delle increspature di una superficie oceanica incontaminata (circa 5 centimetri). La chiazza d’olio impedisce tali increspature, permettendo al radar di rilevare i rifiuti sulla superficie dell’oceano.
“Il vento non può innescare quelle increspature quando c’è olio sull’acqua,” continua Amos. “L’olio è effettivamente scivoloso. La tensione della superficie, cioè la connessione meccanica tra il vento e l’acqua, è inferiore a quella naturale e quindi il vento non ha la stessa capacità di smussare la superficie dell’oceano.”

In altre parole, il petrolio disperso nell’oceano pare liscio e nero nell’immagine satellitare perché l’onda radar rimbalza sul petrolio al posto di essere assorbita dalle increspature in mare. Rilevando acqua innaturalmente liscia in linea retta, il modello di machine learning rileva ciò che crede sia una chiazza di petrolio.

Più immagini, più precisione

Attualmente, più della metà delle immagini identificate da Cerulean sono infatti macchie di petrolio. Ma la bellezza dei modelli di deep learning è che imparano. Più immagini analizza, più il modello diventa preciso. Nel 2020, Cerulean ha identificato correttamente 130 casi di scarico di acqua di sentina ogni mese, ma tenendo conto della limitata copertura degli oceani del mondo, questa cifra suggerisce che il numero effettivo di scarico di rifiuti è vicino a 800 al mese, secondo il team di Skytruth. Le chiazze finora individuate, sono localizzate prevalentemente nel sud-est asiatico, vicino alla costa africana e nel Mediterraneo orientale.
“Un tasso di accuratezza del 80-90% sarebbe davvero un bel risultato, e ci arriveremo”, afferma Raphael. “E una volta raggiunto, saremo pronti a condividere il nostro lavoro con il mondo esterno.”

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