Systèmes d'IA pour la détection aéroportée des déchets plastiques dans les océans

L'image du drone montre la configuration du test depuis une vue à vol d'oiseau sur la plage de Spiekeroog.

Robert Krell, everwave

Les avions qui survolent régulièrement des plans d'eau dans le monde entier pour surveiller la pollution pourraient à l'avenir non seulement détecter les déversements d'hydrocarbures et de produits chimiques en haute mer, dans les eaux côtières et sur les plages, mais aussi les déchets plastiques flottant à la surface de l'eau. Dans le projet PlasticObs+, un consortium dirigé par le Centre allemand de recherche sur l'intelligence artificielle (DFKI) travaille à développer la première surveillance aérienne de zones marines plus vastes et contiguës qui détecte en continu le plastique dans les eaux et non de manière sélective, comme c'était le cas jusqu'à présent. . Les premiers résultats sont maintenant disponibles.

Les déchets plastiques dans les eaux continuent d'être un problème environnemental mondial et urgent, car ils mettent en danger l'écosystème marin et donc une ressource vitale pour les humains et les animaux. Environ dix millions de tonnes de déchets plastiques se retrouvent chaque année dans les océans du monde. Cela correspond à environ un chargement de camion par minute. Les sacs restants, les emballages jetables ou les bouteilles de boisson peuvent être trouvés partout dans le monde, de l'Arctique à la mer profonde en passant par la mer du Nord et la mer Baltique.

Les déchets flottant à la surface de l'eau ont déjà été enregistrés par voie aérienne dans le passé, mais les découvertes précédentes reposaient principalement sur des mesures limitées dans le temps et dans l'espace. C'est là qu'intervient le projet commun PlasticObs+. L'objectif à long terme est d'équiper les avions de surveillance, déjà couramment utilisés dans le monde entier, d'une technologie de capteurs assistée par IA et ainsi développer un système de mesure capable d'enregistrer la charge de déchets plastiques. dans l'environnement depuis l'air. De cette manière, un inventaire continu et complet serait rendu possible pour la première fois, fournissant des informations sur le type, la quantité et la taille des déchets ainsi que sur les sources possibles de pollution. Cela fournirait une base scientifique pour initier des mesures, des lois et des investissements pour la collecte, le recyclage et finalement la prévention des déchets plastiques.

Les tâches du DFKI, représenté par le département de recherche Marine Perception à Oldenburg, comprennent le développement d'un total de quatre systèmes d'IA. Les deux premiers consistent à reconnaître les déchets plastiques lors du survol et à regarder de plus près les points chauds. Un troisième système, qui classe les déchets selon leur nature, leur taille et leur quantité, sera utilisé ultérieurement sur le terrain. Enfin, un système de rétroaction intégrant une expertise humaine dans la visualisation des images permettra d'améliorer en continu les premiers systèmes et d'optimiser leurs prédictions.

Les chercheurs du DFKI obtiennent les données de leurs systèmes d'IA lors de vols d'essai dans le nord de l'Allemagne, que l'Université Jade des sciences appliquées de Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth effectue avec son avion de recherche. Un capteur sous le nez de l'avion prend des images d'ensemble de la région. Sur ceux-ci, l'IA doit reconnaître les points chauds de déchets en quelques secondes, afin qu'un deuxième capteur, situé plus en arrière sous le fuselage, en prenne des photos détaillées. Le défi, selon les chercheurs du DFKI Mattis Wolf et le Dr Christoph Tholen, est que "d'une part, nous survolons une grande zone et le capteur de vue d'ensemble prend une image basse résolution de la scène, mais d'autre part, l'évaluation a à effectuer en quelques secondes mais avec un haut degré de précision ».

Un premier test a eu lieu l'an dernier sur l'île de Spiekeroog. Le consortium du projet a aménagé un champ d'essai en plastique sur la plage et dans les marais salants. Un drone a d'abord survolé le terrain à des hauteurs comprises entre 15 et 100 mètres, puis l'avion de recherche l'a survolé à des hauteurs de 150 à 1200 mètres. Le champ de test consistait en un agencement précis de différents types de plastique tels que des couvercles à café en PP noir, des boîtes à lunch en PS blanc et crème ainsi que des sacs à déchets bleus et transparents en LDPE. L'équipe a fixé les conteneurs en grappes de différentes tailles sous des filets afin qu'aucune dérive ne puisse avoir lieu. La principale question à laquelle les chercheurs ont voulu répondre avec la campagne était : à partir de quelle hauteur les capteurs du drone ou de l'avion peuvent-ils détecter de manière fiable les déchets plastiques ? Le chef de projet Wolf et son collègue Tholen considèrent les résultats jusqu'à présent positifs, car "ils ont montré que le plastique peut être détecté avec une précision satisfaisante aux hauteurs que nous visons".

Il s'est avéré que la couleur et la taille des objets ainsi que l'arrière-plan jouaient un rôle important. Sur l'herbe, par exemple, tous les types de plastique ont pu être détectés avec une grande précision, à l'exception des couvercles de café en PP noir à plus de 700 mètres. Sur le sable, la précision de tous les types de plastique diminue à 750 mètres, le LDPE transparent et à nouveau le PP noir étant particulièrement touchés.

Les chercheurs ont enregistré ces résultats et d'autres dans un article qu'ils présentent ces jours-ci à la conférence OCEANS 2023 à Limerick, en Irlande. Carolin Leluschko, qui a également contribué à la publication scientifique, déclare : "Pour savoir comment fonctionnait l'IA, les images de l'avion ont chacune été examinées indépendamment par cinq personnes et étiquetées si elles contenaient ou non du plastique." La précision de l'IA était de 93,3 %, tandis que la précision des images étiquetées par les humains était de 92,6 %.

Bien que le consortium ait encore beaucoup de travail à faire avant la fin du projet au printemps 2025, les chiffres prouvent que la télédétection aérienne combinée aux méthodes d'IA fonctionne et peut être un outil important pour s'attaquer au problème mondial des déchets plastiques. PlasticObs+ est conforme aux initiatives politiques telles que la directive-cadre sur la stratégie marine de l'UE et les objectifs de développement durable des Nations unies, qui visent à réduire la pollution marine et à protéger les océans. Il est financé par le ministère fédéral de l'Environnement, de la Conservation de la nature, de la Sûreté nucléaire et de la Protection des consommateurs (BMUV) à hauteur de 1,9 million d'euros sur trois ans et fait partie de l'initiative de financement BMUV AI Lighthouses for Environment, Climate, Nature and Resources.

Outre le DFKI, trois autres partenaires sont impliqués dans PlastiObs+. La Jade University of Applied Sciences Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth utilise son avion spécialement conçu à des fins de recherche, qui sert de plate-forme de mesure pour prendre des images aériennes. Optimare Systems GmbH de Bremerhaven, dont l'activité principale est le développement et la production de systèmes de capteurs et d'équipements de mission pour la surveillance marine aéroportée, apporte une méthode qui génère des images détaillées à haute résolution basées sur des données multi-capteurs. Optimare s'occupe également de la technologie et de son installation sur un avion. everwave GmbH, qui collecte, trie et recycle les déchets plastiques dans les eaux et sur les côtes du monde entier à l'aide de bateaux de collecte de déchets innovants et de plates-formes fluviales fixes, informe le public et le sensibilise à une utilisation plus durable du plastique pour protéger les océans.

L'une des prochaines étapes du projet PlasticObs+ consiste à collecter davantage de données. À cette fin, l'avion de recherche de l'Université des sciences appliquées de Jade a récemment décollé de Wilhelmshaven et a survolé une région du nord de l'Allemagne où des festivals avaient déjà eu lieu. D'autres tests sur le terrain ont eu lieu près de Friedeburg dans le district de Wittmund en Basse-Saxe, où les chercheurs avaient disposé un tapis de litière artificielle sur deux lacs, similaire à celui de Spiekeroog auparavant. "Nous utilisons ces données pour former nos modèles d'IA, que nous testerons ensuite sur la côte allemande avec l'avion de recherche", explique Wolf, qui est responsable dans le projet, entre autres, de rendre plus intensifs et lents les réseaux de neurones profonds. efficace, de sorte que les systèmes d'IA trouvent et enregistrent de manière fiable les points chauds des déchets en quelques secondes pendant le survol. Dans une dernière étape, le système sera éventuellement installé et testé dans des avions de surveillance des marées noires, probablement au Brésil.

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