Oil spill detection using optical sensors: a multi-temporal approach

Oil pollution is one of the most destructive consequences due to human activities in the marine environment. Oil wastes come from many sources and take decades to be disposed of. Satellite based remote sensing systems can be implemented into a surveillance and monitoring network. In this study, a multi-temporal approach to the oil spill detection problem is investigated. Change Detection (CD) analysis was applied to MODIS/Terra and Aqua and OLI/Landsat 8 images of several reported oil spill events, characterized by different geographic location, sea conditions, source and extension of the spill. Toward the development of an automatic detection algorithm, a Change Vector Analysis (CVA) technique was implemented to carry out the comparison between the current image of the area of interest and a dataset of reference image, statistically analyzed to reduce the sea spectral variability between different dates. The proposed approach highlights the optical sensors’ capabilities in detecting oil spills at sea. The effectiveness of different sensors’ resolution towards the detection of spills of different size, and the relevance of the sensors’ revisiting time to track and monitor the evolution of the event is also investigated

Верификация разливов нефти на водных поверхностях по аэрофотоснимкам на основе методов глубокого обучения

The article solves the problem of verifying oil spills on the water surfaces of rivers, seas and oceans using optical aerial photographs, which are obtained from cameras of unmanned aerial vehicles, based on deep learning methods. The specificity of this problem is the presence of areas visually similar to oil spills on water surfaces caused by blooms of specific algae, substances that do not cause environmental damage (for example, palm oil), or glare when shooting (so-called look-alikes). Many studies in this area are based on the analysis of synthetic aperture radars (SAR) images, which do not provide accurate classification and segmentation. Follow-up verification contributes to reducing environmental and property damage, and oil spill size monitoring is used to make further response decisions. A new approach to the verification of optical images as a binary classification problem based on the Siamese network is proposed, when a fragment of the original image is repeatedly compared with representative examples from the class of marine oil slicks. The Siamese network is based on the lightweight VGG16 network. When the threshold value of the output function is exceeded, a decision is made about the presence of an oil spill. To train the networks, we collected and labeled our own dataset from open Internet resources. A significant problem is an imbalance of classes in the dataset, which required the use of augmentation methods based not only on geometric and color manipulations, but also on the application of a Generative Adversarial Network (GAN). Experiments have shown that the classification accuracy of oil spills and look-alikes on the test set reaches values of 0.91 and 0.834, respectively. Further, an additional problem of accurate semantic segmentation of an oil spill is solved using convolutional neural networks (CNN) of the encoder-decoder type. Three deep network architectures U-Net, SegNet, and Poly-YOLOv3 have been explored for segmentation. The Poly-YOLOv3 network demonstrated the best results, reaching an accuracy of 0.97 and an average image processing time of 385 s with the Google Colab web service. A database was also designed to store both original and verified images with problem areas.В статье решается задача верификации разливов нефти на водных поверхностях рек, морей и океанов по оптическим аэрофотоснимкам с использованием методов глубокого обучения. Особенностью данной задачи является наличие визуально похожих на разливы нефти областей на водных поверхностях, вызванных цветением водорослей, веществ, не приносящих экологический ущерб (например, пальмовое масло), бликов при съемке или природных явлений (так называемые «двойники»). Многие исследования в данной области основаны на анализе изображений, полученных от радаров с синтезированной апертурой (Synthetic Aperture Radar (SAR) images), которые не обеспечивают точной классификации и сегментации. Последующая верификация способствует сокращению экологического и материального ущерба, а мониторинг размеров площади нефтяного пятна используется для принятия дальнейших решений по устранению последствий. Предлагается новый подход к верификации оптических снимков как задачи бинарной классификации на основе сиамской сети, когда фрагмент исходного изображения многократно сравнивается с репрезентативными примерами из класса нефтяных пятен на водных поверхностях. Основой сиамской сети служит облегченная сеть VGG16. При превышении порогового значения выходной функции принимается решение о наличии разлива нефти. Для обучения сети был собран и размечен собственный набор данных из открытых интернет-ресурсов. Существенной проблемой является несбалансированность выборки данных по классам, что потребовало применения методов аугментации, основанных не только на геометрических и цветовых манипуляциях, но и на основе генеративной состязательной сети (Generative Adversarial Network, GAN). Эксперименты показали, что точность классификации разливов нефти и «двойников» на тестовой выборке достигает значений 0,91 и 0,834 соответственно. Далее решается дополнительная задача семантической сегментации нефтяного пятна с применением сверточных нейронных сетей (СНС) типа кодировщик-декодировщик. Для сегментации исследовались три архитектуры глубоких сетей, а именно U-Net, SegNet и Poly-YOLOv3. Лучшие результаты показала сеть Poly-YOLOv3, достигнув точности 0,97 при среднем времени обработки снимка 385 с веб-сервисом Google Colab. Также была спроектирована база данных для хранения исходных и верифицированных изображений с проблемными областями

Верификация разливов нефти на водных поверхностях по аэрофотоснимкам на основе методов глубокого обучения

В статье решается задача верификации разливов нефти на водных поверхностях рек, морей и океанов по оптическим аэрофотоснимкам с использованием методов глубокого обучения. Особенностью данной задачи является наличие визуально похожих на разливы нефти областей на водных поверхностях, вызванных цветением водорослей, веществ, не приносящих экологический ущерб (например, пальмовое масло), бликов при съемке или природных явлений (так называемые «двойники»). Многие исследования в данной области основаны на анализе изображений, полученных от радаров с синтезированной апертурой (Synthetic Aperture Radar (SAR) images), которые не обеспечивают точной классификации и сегментации. Последующая верификация способствует сокращению экологического и материального ущерба, а мониторинг размеров площади нефтяного пятна используется для принятия дальнейших решений по устранению последствий. Предлагается новый подход к верификации оптических снимков как задачи бинарной классификации на основе сиамской сети, когда фрагмент исходного изображения многократно сравнивается с репрезентативными примерами из класса нефтяных пятен на водных поверхностях. Основой сиамской сети служит облегченная сеть VGG16. При превышении порогового значения выходной функции принимается решение о наличии разлива нефти. Для обучения сети был собран и размечен собственный набор данных из открытых интернет-ресурсов. Существенной проблемой является несбалансированность выборки данных по классам, что потребовало применения методов аугментации, основанных не только на геометрических и цветовых манипуляциях, но и на основе генеративной состязательной сети (Generative Adversarial Network, GAN). Эксперименты показали, что точность классификации разливов нефти и «двойников» на тестовой выборке достигает значений 0,91 и 0,834 соответственно. Далее решается дополнительная задача семантической сегментации нефтяного пятна с применением сверточных нейронных сетей (СНС) типа кодировщик-декодировщик. Для сегментации исследовались три архитектуры глубоких сетей, а именно U-Net, SegNet и Poly-YOLOv3. Лучшие результаты показала сеть Poly-YOLOv3, достигнув точности 0,97 при среднем времени обработки снимка 385 с веб-сервисом Google Colab. Также была спроектирована база данных для хранения исходных и верифицированных изображений с проблемными областями

Impacts of Oil Spills on Altimeter Waveforms and Radar Backscatter Cross Section

Ocean surface films can damp short capillary-gravity waves, reduce the surface mean square slope, and induce sigma0 blooms in satellite altimeter data. No study has ascertained the effect of such film on altimeter measurements due to lack of film data. The availability of Environmental Response Management Application (ERMA) oil cover, daily oil spill extent, and thickness data acquired during the Deepwater Horizon (DWH) oil spill accident provides a unique opportunity to evaluate the impact of surface film on altimeter data. In this study, the Jason-1/2 passes nearest to the DWH platform are analyzed to understand the waveform distortion caused by the spill as well as the variation of σ0 as a function of oil thickness, wind speed, and radar band. Jason-1/2 Ku-band σ0 increased by 10 dB at low wind speed (s-1) in the oil-covered area. The mean σ0 in Ku and C bands increased by 1.0-3.5 dB for thick oil and 0.9-2.9 dB for thin oil while the waveforms are strongly distorted. As the wind increases up to 6 m s-1, the mean σ0 bloom and waveform distortion in both Ku and C bands weakened for both thick and thin oil. When wind exceeds 6 m s-1, only does the σ0 in Ku band slightly increase by 0.2-0.5 dB for thick oil. The study shows that high-resolution altimeter data can certainly help better evaluate the thickness of oil spill, particularly at low wind speeds. © 2017. American Geophysical Union

Human and environmental exposure to hydrocarbon pollution in the Niger Delta:A geospatial approach

This study undertook an integrated geospatial assessment of human and environmental exposure to oil pollution in the Niger Delta using primary and secondary spatial data. This thesis begins by presenting a clear rationale for the study of extensive oil pollution in the Niger Delta, followed by a critical literature review of the potential application of geospatial techniques for monitoring and managing the problem. Three analytical chapters report on the methodological developments and applications of geospatial techniques that contribute to achieving the aim of the study. Firstly, a quantitative assessment of human and environmental exposure to oil pollution in the Niger Delta was performed using a government spill database. This was carried out using Spatial Analysis along Networks (SANET), a geostatistical tool, since oil spills in the region tend to follow the linear patterns of the pipelines. Spatial data on pipelines, oil spills, population and land cover data were analysed in order to quantify the extent of human and environmental exposure to oil pollution. The major causes of spills and spatial factors potentially reinforcing reported causes were analysed. Results show extensive general exposure and sabotage as the leading cause of oil pollution in the Niger Delta. Secondly, a method of delineating the river network in the Niger Delta using Sentinel-1 SAR data was developed, as a basis for modelling potential flow of pollutants in the distributary pathways of the network. The cloud penetration capabilities of SAR sensing are particularly valuable for this application since the Niger Delta is notorious for cloud cover. Vector and raster-based river networks derived from Sentinel-1 were compared to alternative river map products including those from the USGS and ESA. This demonstrated the superiority of the Sentinel-1 derived river network, which was subsequently used in a flow routing analysis to demonstrate the potential for understanding oil spill dispersion. Thirdly, the study applied optical remote sensing for indirect detection and mapping of oil spill impacts on vegetation. Multi-temporal Landsat data was used to delineate the spill impact footprint of a notable 2008 oil spill incident in Ogoniland and population exposure was evaluated. The optical data was effective in impact area delineation, demonstrating extensive and long-lasting population exposure to oil pollution. Overall, this study has successfully assembled and produced relevant spatial and attribute data sets and applied integrated geostatistical analytical techniques to understand the distribution and impacts of oil spills in the Niger Delta. The study has revealed the extensive level of human and environmental exposure to hydrocarbon pollution in the Niger Delta and introduced new methods that will be valuable fo

On MODIS Retrieval of Oil Spill Spectral Properties in the Marine Environment

With its two daily acquisitions and the possibility to obtain near-real-time data free of charge, the NASA Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) shows interest- ing potential as a cost-effective supplementary tool for oil spill monitoring in the marine environment. The mechanism behind MODIS oil feature detection, as well as the type of information that might be retrieved, strictly depends on the illumination condi- tions. In the presence of sunglint contamination, MODIS can just locate the oil spill as a sea surface roughness anomaly, in similarity with radar observations, and no additional spectral information can be retrieved. MODIS detection in the absence of sunglint con- tamination however might allow extraction of oil feature spectral properties, which, in turn, may help in oil discrimination and classification. Careful atmospheric correction must be applied. An example of oil spill spectral property extraction from MODIS images is here shown for the Deepwater Horizon accidental oil spill.JRC.H.1-Water Resource