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

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 l'homme et les animaux. Environ dix millions de tonnes de déchets plastiques aboutissent chaque année dans les océans du monde entier. Cela correspond à environ un chargement de camion par minute. On trouve des restes de sacs, d'emballages jetables ou de bouteilles de boisson partout dans le monde, de l'Arctique à la mer du Nord et à la mer Baltique, en passant par les grands fonds.

Les déchets flottant à la surface de l'eau ont déjà été enregistrés par voie aérienne dans le passé, mais les résultats précédents étaient principalement basés sur des mesures limitées dans le temps et l'espace. C'est là qu'intervient le projet commun PlasticObs+. L'objectif à long terme est d'équiper les avions de surveillance, qui sont déjà couramment utilisés dans le monde, d'une technologie de capteurs assistée par l'IA et de développer ainsi un système de mesure capable d'enregistrer la charge de déchets plastiques dans l'environnement depuis le ciel. Il serait ainsi possible, pour la première fois, de réaliser un inventaire continu et complet, fournissant des informations sur le type, la quantité et la taille des déchets, ainsi que sur les sources possibles de pollution. Cela constituerait une base scientifique pour lancer des mesures, des lois et des investissements en vue de la collecte, du recyclage et, en fin de compte, de 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'intelligence artificielle. Les deux premiers doivent reconnaître les déchets plastiques pendant le survol et examiner de plus près les points chauds. Un troisième système, qui classe les déchets en fonction de leur type, de leur taille et de leur quantité, sera utilisé ultérieurement au sol. Enfin, un système de retour d'information incluant l'expertise humaine dans la visualisation des images permettra d'améliorer continuellement les premiers systèmes et d'optimiser leurs prédictions.

Les chercheurs du DFKI obtiennent les données nécessaires à leurs systèmes d'intelligence artificielle lors de vols d'essai effectués dans le nord de l'Allemagne par l'université des sciences appliquées Jade de Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth à l'aide de son avion de recherche. Un capteur placé sous le nez de l'avion prend des images d'ensemble de la région. Sur ces images, l'IA doit reconnaître en quelques secondes les points chauds en matière de déchets, afin qu'un second capteur, situé plus en arrière sous le fuselage, prenne des photos détaillées de ces points. Selon Mattis Wolf et Christoph Tholen, chercheurs au DFKI, la difficulté réside dans le fait que "d'une part, nous survolons une vaste zone et le capteur de vue d'ensemble prend une image à faible résolution de la scène, et d'autre part, l'évaluation doit être effectuée en quelques secondes, mais avec un degré élevé de précision".

Un premier test a eu lieu l'année dernière 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 champ à des hauteurs comprises entre 15 et 100 mètres, puis l'avion de recherche l'a survolé à des hauteurs comprises entre 150 et 1 200 mètres. Le terrain d'essai consistait en une disposition précise de différents types de plastique, tels que des couvercles de café en PP noir, des boîtes à lunch en PS blanc et crème, ainsi que des sacs poubelles en LDPE bleu et transparent. L'équipe a fixé les conteneurs en groupes de différentes tailles sous des filets afin d'éviter toute dérive. La principale question à laquelle les chercheurs souhaitaient répondre dans le cadre de cette campagne était la suivante : À 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 que les résultats obtenus jusqu'à présent sont positifs, car "ils ont montré que le plastique peut être détecté avec une précision satisfaisante aux hauteurs que nous visions".

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 partir de 750 mètres, le LDPE-transparent et le PP-noir étant particulièrement affectés.

Les chercheurs ont consigné ces résultats et d'autres encore 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, explique : "Pour connaître les performances de l'IA, les images de l'avion ont été examinées indépendamment par cinq personnes, qui ont indiqué si elles contenaient du plastique ou non." La précision de l'IA était de 93,3 %, tandis que celle des images étiquetées par des humains était de 92,6 %.

Bien que le consortium ait encore beaucoup de travail à accomplir avant la fin du projet au printemps 2025, les chiffres prouvent que la télédétection aéroportée combinée aux méthodes d'IA fonctionne et peut être un outil important pour s'attaquer au problème mondial des déchets plastiques. PlasticObs+ s'inscrit dans le droit fil d'initiatives politiques telles que la directive-cadre "Stratégie pour le milieu marin" 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 protection de la nature, de la sécurité 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 du BMUV AI Lighthouses for Environment, Climate, Nature and Resources (Phares AI pour l'environnement, le climat, la nature et les ressources).

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 maritime aéroportée, contribue à une méthode qui génère des images détaillées à haute résolution sur la base de données multi-capteurs. Optimare se charge 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 stationnaires, 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 redécollé de Wilhelmshaven et survolé une zone du nord de l'Allemagne où des festivals avaient déjà eu lieu. D'autres essais sur le terrain ont eu lieu près de Friedeburg, dans le district de Wittmund, en Basse-Saxe, où les chercheurs ont installé un tapis de litière artificielle sur deux lacs, semblable à celui de Spiekeroog. "Nous utilisons ces données pour entraîner nos modèles d'IA, que nous testerons ensuite sur la côte allemande avec l'avion de recherche", explique Wolf, qui est notamment chargé, dans le cadre du projet, d'améliorer l'efficacité des réseaux neuronaux profonds lents et gourmands en ressources informatiques, afin que les systèmes d'IA trouvent et enregistrent de manière fiable les points chauds en matière de déchets en quelques secondes pendant le survol. Dans une dernière étape, le système sera finalement installé et testé dans des avions de surveillance des marées noires, probablement au Brésil.