Barriere coralline: mappatura 3D grazie all’Intelligenza Artificiale

Le distese di corallo che fanno da sfondo alle più belle immagini subacquee sono grandi colonie di piccolissimi invertebrati marini dallo scheletro calcareo, chiamati Polipi.

Anche noti come Antozoi, i coralli vivono da millenni sul fondo del mare e hanno un ruolo cruciale nella salute del pianeta: nonostante ricoprano meno dello 0,1% della superficie degli oceani, queste enormi e antichissime colonie raggruppate su barriere calcaree forniscono rifugio e habitat a quasi un terzo delle specie marine conosciute.

Gravemente minacciati dall’aumento delle temperature e dall’inquinamento di matrice antropica, i coralli stanno soffrendo di un pericoloso fenomeno noto come sbiancamento. Quelli del Mar Rosso, però, sembrano più resistenti agli stress legati al clima.

Così il Transnational Red Sea Center (TRSC) ha deciso di esplorarne i segreti, iniziando da un’attenta mappatura 3D delle barriere coralline. A rendere possibile tutto ciò ci ha pensato DeepReefMap, un sistema di Intelligenza Artificiale sviluppato dai ricercatori dell’EPFL.

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L’Intelligenza Artificiale subito in azione per la tutela dei coralli

L’importanza ecologica dei coralli è tale che l’impatto della loro salute si estende anche alle popolazioni umane di diversi Paesi del mondo. Secondo una ricerca della United States National Oceanic and Atmospheric Administration, mezzo miliardo di persone fa affidamento sulle barriere coralline per la sicurezza alimentare e il reddito derivante dalle attività turistiche.

Quando però la temperatura del mare aumenta, le alghe simbiotiche che forniscono nutrimento ai coralli (e conferiscono loro le caratteristiche colorazioni) vengono espulse, e la colonia di polipi sbiancata è destinata a morire.

In risposta a questo drammatico fenomeno, organizzazioni come il TRSC stanno conducendo studi approfonditi nel tentativo di svelare i segreti delle specie di corallo presenti nel Mar Rosso, che appaiono particolarmente resistenti allo stress climatico.

L’iniziativa, guidata dal Laboratorio di Geochimica Biologica del Politecnico Federale di Losanna e dal TRSC, è servita come banco di prova per DeepReefMap, un sistema di Intelligenza Artificiale sviluppato presso il Laboratorio di Scienze Computazionali Ambientali e Osservazione della Terra (ECEO) dell’EPFL.

La nuova IA è in grado di produrre centinaia di metri di mappe 3D in pochi minuti a partire da immagini catturate con telecamere normalmente disponibili in commercio, ed è in grado di classificare i diversi coralli.

“Con questo nuovo sistema chiunque può partecipare alla mappatura delle barriere coralline del mondo“, spiega Samuel Gardaz, coordinatore dei progetti TRSC, “questo stimolerà davvero la ricerca in questo campo, riducendo il carico di lavoro, la quantità di attrezzature e la logistica e i costi legati all’IT”.

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Mappare centinaia di metri di barriera corallina in pochi minuti

Come si legge nello studio appena pubblicato su “Methods in Ecology and Evolution”, “una sezione video di 100 metri acquisita in 5 minuti di immersione con una telecamera economica di livello consumer può essere trasformato in modo completamente automatico in una nuvola di punti semantica in 5 minuti”.

Una vera rivoluzione per la mappatura delle barriere coralline, che tradizionalmente richiede ingenti risorse, molto tempo e il lavoro di uno specialista. Queste limitazioni limitano fortemente, e in alcuni casi impediscono del tutto, il monitoraggio delle barriere coralline da parte di Paesi che non dispongono delle risorse e delle competenze tecniche necessarie.

Grazie al nuovo sistema di Intelligenza Artificiale sviluppato dai ricercatori dell’EPFL, in futuro i dati potranno essere raccolti da chiunque, anche dai subacquei ricreativi, purché dotati di una telecamera.

Basterà che nuotino lentamente sopra una barriera corallina riprendendo le immagini mentre procedono in avanti. Serviranno giusto buone bombole e una batteria molto durevole, per mappare centinaia di metri di barriera corallina.

Per riuscire a fotografare aree più estese, i ricercatori svizzeri hanno sviluppato una struttura in PVC dotata di sei telecamere (tre sul davanti e tre sul retro) che possono essere azionate dalla stessa persona. E quest’apparecchio esiste anche in versione low cost, per includere anche le squadre subacquee che operano con budget limitati.

“Una vera rivoluzione nel mondo della conservazione degli ecosistemi“, afferma Guilhem Banc-Prandi, borsista di ricerca presso il Laboratorio di Geochimica Biologica del Politecnico di Losanna e direttore scientifico del TRSC.

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Un gemello digitale della barriera di corallo per agevolarne la tutela

A differenza dei vecchi programmi di mappatura 3D, DeepReefMap non ha problemi con la scarsa illuminazione e la diffrazione tipici delle immagini subacquee: le reti neurali profonde, infatti, possono adattarsi a queste condizioni. Inoltre, i programmi già esistenti funzionano soltanto con immagini ad alta risoluzione.

“Sono anche limitati quando si tratta di scala: a una risoluzione in cui è possibile identificare i singoli coralli, le mappe 3D più grandi sono lunghe diversi metri, il che richiede un’enorme quantità di tempo di elaborazione“, spiega Devis Tuia, professore all’ECEO. “Con DeepReefMap, siamo limitati soltanto dal tempo che il subacqueo può rimanere sott’acqua“.

“Il nostro obiettivo era quello di sviluppare un sistema che si rivelasse utile per gli scienziati che lavorano sul campo e che potesse essere diffuso in modo rapido e capillare“, spiega Jonathan Sauder, che ha lavorato allo sviluppo di DeepReefMap per la sua tesi di dottorato.

“Il nostro metodo non richiede hardware costoso”, sottolinea il ricercatore, “è sufficiente un computer con un’unità di elaborazione grafica di base. La segmentazione semantica e la ricostruzione 3D avvengono alla stessa velocità della riproduzione del video”.

“Il sistema è così facile da implementare che saremo in grado di monitorare il cambiamento della barriera corallina nel tempo, in modo da identificare le aree prioritarie di conservazione“, aggiunge Banc-Prandi.

Le nuove mappe 3D saranno arricchite con altri dati, che vanno dalla genetica delle popolazioni al potenziale di adattamento dei coralli. Questo processo, spiega il direttore scientifico del TRSC, “potrebbe portare alla creazione di un vero e proprio gemello digitale della barriera corallina”.

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