Da extreme Wetterereignisse aufgrund des Klimawandels weltweit zunehmen, ist auch der Bedarf an weiterer Erforschung unseres sich erwärmenden Planeten gestiegen. Für die NASA umfasst die Klimaforschung nicht nur die Durchführung von Studien zu diesen Ereignissen, sondern auch die Befähigung externer Forscher, dasselbe zu tun. Die von der Agentur vorangetriebenen Bemühungen um künstliche Intelligenz (KI) bieten ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erreichung dieser Ziele.
Im Jahr 2023 arbeitete die NASA mit IBM Research zusammen, um ein KI-Geodatengrundlagenmodell zu erstellen. Das Modell basiert auf riesigen Mengen der weit verbreiteten harmonisierten Landsat- und Sentinel-2-Daten (HLS) der NASA und bietet eine Grundlage für eine Vielzahl von KI-gestützten Studien zur Bewältigung von Umweltherausforderungen. Das Modell steht im Einklang mit den Prinzipien der offenen Wissenschaft kostenlos erhältlich damit jeder darauf zugreifen kann.
Grundlagenmodelle dienen als Grundlage, auf der Wissenschaftler vielfältige Anwendungen entwickeln können, die leistungsstarke und effiziente Lösungen ermöglichen. „Foundation-Modelle wissen nur, welche Dinge in den Daten dargestellt sind“, erklärte Manil Maskey, Leiter der Datenwissenschaft im Office of the Chief Science Data Officer (OCSDO) der NASA. „Es ist wie ein Schweizer Taschenmesser – es kann für viele verschiedene Dinge verwendet werden.“
Sobald ein Basismodell erstellt wurde, kann es anhand einer kleinen Datenmenge trainiert werden, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen. Bisher haben das Interagency Implementation and Advanced Concept Team (IMPACT) und seine Mitarbeiter die Leistungsfähigkeit des Geodaten-Grundlagenmodells demonstriert, indem sie es verfeinerten, um Brandnarben zu erkennen, Hochwasser abzugrenzen und Nutzpflanzen- und andere Landnutzungskategorien zu klassifizieren.
Aufgrund der für die Erstellung des ersten Fundamentmodells erforderlichen Rechenressourcen war für den Erfolg eine Partnerschaft erforderlich. In diesem Fall brachte die NASA die Daten und das wissenschaftliche Wissen ein, während IBM die Rechenleistung und das Fachwissen zur Optimierung von KI-Algorithmen einbrachte. Das gemeinsame Engagement des Teams, ihre Forschung durch Open-Science-Prinzipien zugänglich zu machen, stellt sicher, dass ihr Modell für möglichst viele Forscher nützlich sein kann.
„Um ein maßstabsgetreues Fundamentmodell aufzubauen, haben wir schon früh erkannt, dass es für eine einzige Institution nicht machbar ist, es zu bauen“, sagte Maskey. „Alles, was wir an unseren Basismodellen gemacht haben, war für die Öffentlichkeit zugänglich, von Pre-Training-Daten, Code, Best Practices, Modellgewichtungen, Feinabstimmung von Trainingsdaten bis hin zu Veröffentlichungen. Es herrscht Transparenz, sodass Forscher nachvollziehen können, warum.“ Bestimmte Dinge wurden in Bezug auf Daten oder Modellarchitektur verwendet.
Nach dem Erfolg ihres Geodaten-Grundlagenmodells setzen die NASA und IBM Research ihre Partnerschaft fort, um ein neues, ähnliches Modell für Wetter- und Klimastudien zu entwickeln. Sie arbeiten mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), NVIDIA und mehreren Universitäten zusammen, um dieses Modell zum Leben zu erwecken.
Diesmal wird der Hauptdatensatz die Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA-2) sein, eine riesige Sammlung atmosphärischer Reanalysedaten, die von 1980 bis heute reicht. Wie das Geodaten-Grundlagenmodell wird auch das Wetter- und Klimamodell mit einem Open-Science-Ansatz entwickelt und wird in naher Zukunft der Öffentlichkeit zugänglich sein.
Um alle Aspekte der Geowissenschaften abzudecken, wären mehrere Grundlagenmodelle erforderlich, die auf verschiedenen Arten von Datensätzen trainiert werden. Maskey glaubt jedoch, dass diese zukünftigen Modelle eines Tages zu einem umfassenden Modell zusammengefasst werden könnten, was zu einem „digitalen Zwilling“ der Erde führen könnte, der beispiellose Analysen und Vorhersagen für alle Arten von Klima- und Umweltereignissen ermöglichen würde.
Welche Innovationen die Zukunft auch bereithält, die Geodaten- und Klimagrundlagenmodelle der NASA und IBM werden beispiellose Sprünge in der Geowissenschaft ermöglichen. Obwohl leistungsstarke KI-Tools die Arbeit von Forschern verbessern werden, erweitert das Engagement des Teams für offene Wissenschaft die Möglichkeiten für Entdeckungen, indem es jedem ermöglicht, diese Tools in die Praxis umzusetzen und den Weg für bahnbrechende Forschung zu ebnen, die zu einem besseren Schutz des Planeten beiträgt.