海洋のプラスチック廃棄物を航空機から検出するための AI システム

ドローン画像は、シュピーカーオーグのビーチでの鳥瞰図からのテスト設定を示しています。

ロバート・クレル、エバーウェイヴ

汚染を監視するために世界中の水域上空を定期的に飛行する航空機は、将来的には公海、沿岸海域、海岸での石油や化学薬品の流出だけでなく、水面に浮遊するプラスチック廃棄物も検出できるようになるかもしれない。 PlasticObs+ プロジェクトでは、ドイツ人工知能研究センター (DFKI) が主導するコンソーシアムが、これまでのように水中のプラスチックを選択的ではなく継続的に検出する、より大規模な隣接する海域の初の航空機モニタリングの開発に取り組んでいます。 。 最初の結果が入手可能になりました。

海域のプラスチック廃棄物は、海洋生態系、ひいては人間や動物にとって不可欠な資源を危険にさらすため、引き続き地球規模で差し迫った環境問題となっています。 毎年約1,000万トンのプラスチック廃棄物が世界の海に流れ込んでいます。 これは、1 分あたり約 1 台のトラックの積載量に相当します。 残り物の袋、使い捨て包装、飲料ボトルは、北極海から深海、北海やバルト海に至るまで、世界中で見つかります。

水面に浮遊するゴミは、これまでにも空気によって記録されてきましたが、これまでの発見は主に、時間と空間が限られた測定に基づいていました。 ここで、PlasticObs+ 共同プロジェクトが登場します。長期的な目標は、すでに世界中で日常的に使用されている監視航空機に AI 支援センサー技術を装備し、プラスチック廃棄物の負荷を記録できる測定システムを開発することです。空気からの環境で。 このようにして、継続的かつ包括的なインベントリが初めて可能になり、廃棄物の種類、量、サイズ、および考えられる汚染源に関する情報が提供されます。 これは、プラスチック廃棄物の収集、リサイクル、そして最終的には防止のための対策、法律、投資を開始するための科学的根拠を提供するでしょう。

オルデンブルクの海洋知覚研究部門が代表を務める DFKI の任務には、合計 4 つの AI システムの開発が含まれます。 最初の 2 つは、上空飛行中にプラスチック廃棄物を認識し、ホットスポットを詳しく調べることです。 廃棄物を種類、サイズ、量に応じて分類する 3 番目のシステムは、後に地上で使用される予定です。 最後に、画像を表示する人間の専門知識を含むフィードバック システムは、最初のシステムを継続的に改善し、予測を最適化するのに役立ちます。

DFKI の研究者は、ジェイド応用科学大学ヴィルヘルムスハーフェン/オルデンブルク/エルスフレトが研究用航空機を使って実施する、ドイツ北部でのテスト飛行から AI システムのデータを取得しています。 航空機の機首の下にあるセンサーが、その地域の概要画像を撮影します。 これらでは、AI が数秒以内に廃棄物のホットスポットを認識し、機体の下のさらに奥にある 2 番目のセンサーがそれらの詳細な写真を撮影する必要があります。 DFKIの研究者であるマティス・ウルフ氏とクリストフ・トーレン博士は、課題は「一方では私たちは広範囲の上空を飛行しており、概観センサーは現場の低解像度の画像を撮影しているが、他方では評価が不十分であることだ」と述べている。数秒以内に高い精度で実行されます。」

最初のテストは昨年シュピーカーオーグ島で行われた。 プロジェクトコンソーシアムは、海岸と塩性湿地にプラスチック試験場を配置した。 まず、ドローンが高度 15 ～ 100 メートルでフィールド上空を飛行し、次に調査用航空機が高度 150 ～ 1,200 メートルでフィールド上空を飛行しました。 テストフィールドは、黒の PP コーヒー蓋、PS 白とクリーム色のランチボックス、LDPE 青と透明の廃棄物袋など、さまざまな種類のプラスチックを正確に配置して構成されました。 チームは漂流が起こらないように、さまざまなサイズのコンテナをネットの下に固定した。 このキャンペーンで研究者らが答えたかった主な質問は、「ドローンまたは航空機のセンサーはどの高さからプラスチック廃棄物を確実に検出できるのか」というものだった。 プロジェクトリーダーのウルフ氏と同僚のトーレン氏は、「我々が目指していた高さで満足のいく精度でプラスチックを検出できることが示された」ため、これまでの結果は肯定的だと考えている。

オブジェクトの色とサイズ、および背景が重要な役割を果たしていることがわかりました。 たとえば、芝生の上では、700 メートル以上離れた場所から黒い PP コーヒーの蓋を除いて、あらゆる種類のプラスチックを高精度で検出できました。 砂の上では、あらゆる種類のプラスチックの精度が 750 メートルで低下し、LDPE 透明と再び PP 黒が特に影響を受けます。

研究者らは、これらおよびその他の結果を論文に記録し、最近アイルランドのリムリックで開催されるOCEANSカンファレンス2023で発表します。 科学出版物にも寄稿したキャロリン・レルシュコ氏は、「AIがどのように機能したかを調べるために、飛行機からの画像を5人がそれぞれ独立して検査し、プラスチックが含まれているかどうかラベルを付けた」と述べている。 AI の精度は 93.3% でしたが、人間がラベル付けした画像の精度は 92.6% でした。

プロジェクトが2025年春に終了するまで、コンソーシアムにはまだやるべきことがたくさんあるが、数値は、AI手法と組み合わせた航空機リモートセンシングが機能し、世界のプラスチック廃棄物問題に取り組む上で重要なツールとなり得ることを証明している。 PlasticObs+ は、海洋汚染を軽減し、海洋を保護することを目的とした EU 海洋戦略枠組み指令や国連の持続可能な開発目標などの政策イニシアチブに沿っています。 このプロジェクトは連邦環境・自然保護・原子力安全・消費者保護省（BMUV）から3年間で190万ユーロの資金提供を受けており、環境、気候、自然、資源のためのBMUV資金提供イニシアチブ「AI Lighthouses for Environmental, Climate, Nature and Resources」の一環である。

DFKI に加えて、他の 3 つのパートナーが PlastiObs+ に関与しています。 ジェイド応用科学大学ヴィルヘルムスハーフェン/オルデンブルク/エルスフレトは、航空画像を撮影するための測定プラットフォームとして特別に設計された航空機を研究目的に使用しています。 ブレーマーハーフェンの Optimare Systems GmbH は、空中海洋監視用のセンサー システムとミッション機器の開発と生産を中核事業としており、マルチセンサー データに基づいて高解像度の詳細な画像を生成する手法に貢献しています。 Optimare は、このテクノロジーとその航空機への搭載も担当します。 everwave GmbH は、革新的な廃棄物収集船や固定河川プラットフォームを使用して、世界中の水域や海岸でプラスチック廃棄物を収集、分別、リサイクルしています。海洋を保護するためのプラスチックのより持続可能な使用について一般の人々に情報を提供し、意識を高めています。

PlasticObs+ プロジェクトの次のステップの 1 つは、より多くのデータを収集することです。 この目的を達成するために、ジェイド応用科学大学の研究機が最近ヴィルヘルムスハーフェンから再び離陸し、以前に祭りが開催されたドイツ北部の地域上空を飛行した。 さらなる実地試験はニーダーザクセン州ヴィットムント地区のフリーデブルク近郊で行われ、研究者らは以前にシュピーカーオーグにあったものと同様の人工ゴミカーペットを２つの湖に敷いた。 「私たちはこのデータを使って AI モデルをトレーニングし、その後調査用航空機を使ってドイツの海岸でテストします」と、特に計算量が多く低速なディープ ニューラル ネットワークの開発などを担当するプロジェクトの責任者であるウルフ氏は説明します。効率的であるため、AI システムは上空飛行中にゴミのホットスポットを数秒で確実に見つけて記録します。 最終段階では、このシステムは最終的に、おそらくブラジルで油流出監視機に設置され、テストされる予定です。

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