人工智能造福地球：NASA的人工智能和开放科学如何应对气候变化

由 Gotthew · 2024年4月23日

在这张从国际空间站拍摄的欧洲（包括波兰）影像中，灯光照亮了夜空。
影像来源：NASA

随着全球气候变化导致极端天气事件的增加，对我们这个变暖星球的研究需求也随之增加。对NASA而言，气候研究不仅包括对这些事件的研究，还包括授权外部研究者进行相同的研究。该机构主导的人工智能（AI）努力为实现这些目标提供了一个强大的工具。

2023年，NASA与IBM研究院合作创建了一个AI地理空间基础模型。该模型根据NASA广泛使用的Harmonized Landsat Sentinel-2（HLS）数据上，为各种AI驱动的研究提供了基础，以应对环境挑战。遵循开放科学原则，该模型可供任何人免费访问。

基础模型作为一个基线，使科学家可以开发出多样化的应用程序，实现强大而高效的解决方案。“基础模型只知道数据中所表示的事物。”NASA首席科学数据官办公室（OCSDO）的数据科学负责人曼尼尔·马斯基（Manil Maskey解释道）。“它就像一把瑞士军刀——可以用于多种不同的用途。”

一旦创建了基础模型，就可以在少量数据上进行训练，以执行特定任务。迄今为止，联合机构实施与高级概念团队（IMPACT）及其合作者已通过微调该地理空间基础模型，展示了其检测火灾痕迹、划定洪水区域以及分类作物和其他土地使用类别的能力。

2024年3月14日，地球资源卫星9号上的二代陆地成像仪（OLI-2）拍摄了秘鲁北部海岸的矩形池塘。
影像来源：NASA Earth Observatory / Lauren Dauphin

由于创建初始基础模型所需的计算资源，合作伙伴关系是成功的必要条件。在这个案例中，NASA提供了数据和科学知识，而IBM提供了计算能力和AI算法优化专业知识。团队共同致力于通过开放科学原则使他们的研究可被广泛访问，这确保了他们的模型可以对尽可能多的研究者所用。

“要在大规模上构建基础模型，我们很早就意识到单一机构来建立它是不可行的。”马斯基说道。“我们在基础模型上所做的一切都向公众开放，从预训练数据、代码、最佳实践、模型权重、微调训练数据到出版物。有透明度，研究者可以追溯为什么会使用特定的数据或模型架构。”

继地理空间基础模型成功之后，NASA和IBM研究院正在继续合作，创建一个新的、类似的模型用于天气和气候研究。他们正在与橡树岭国家实验室（ORNL）、NVIDIA和几所大学合作，将这一模型变为现实。

这次，主要数据集将是现代研究与应用回顾分析第2版（MERRA-2），这是一个从1980年至今的庞大大气再分析数据集。与地理空间基础模型一样，天气和气候模型也在以开放科学的方式开发，并将在不久的将来向公众开放。

要涵盖地球科学的所有方面，需要在不同类型的数据集上训练几个基础模型。然而，马斯基认为，这些未来的模型可能有一天会合并成一个综合模型，从而产生一个地球的“数字双胞胎”，为各种气候和环境事件提供无与伦比的分析和预测。

不管未来有什么创新，NASA和IBM的地理空间及气候基础模型将使地球科学实现前所未有的飞跃。虽然强大的AI工具将加强研究人员的工作，但该团队对开放科学的奉献精神增加了发现的可能性，允许任何人将这些工具付诸实践，为开创性的研究铺平道路，以帮助更好地保护地球。

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