Oil Pollution Detection in Aquatic Ecosystems Using UAVS and Multispectral Imaging Based on Deep Learning Technologies

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

This paper presents a deep learning-based algorithm for identifying oil pollution on water surfaces using multispectral images from a 5-channel camera obtained from unmanned aerial vehicles (UAVs). The algorithm, based on the Unet architecture with the efficientnet-b0 encoder, demonstrates high segmentation accuracy and is part of an environmental monitoring system. Using data on natural and controlled oil spills, as well as organic discharges, the method has been field tested on various water bodies, which confirms its efficiency and reliability in the prompt detection of pollution. Particular attention in the article is paid to the accuracy and speed of the algorithm. The developed method has a high data processing speed and can be successfully applied in various climatic conditions. The results demonstrate that the proposed algorithm is able to automatically detect even minor pollution of water surfaces, which allows for a prompt response to environmental disasters and minimize their consequences. The proposed algorithm has shown high results. With the selected model configuration, the Dice Loss metrics were achieved at the level of 0.00265 and the IoU Score equal to 0.9971. These high values confirm the reliability and accuracy of the proposed approach, ensuring accurate identification of oil spills.

Sobre autores

Tatiana Gladkikh

Institute of Management Problems named after V.A. Trapeznikov Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: golnikt@yandex.ru
Scopus Author ID: 58043253600

research associate, postgraduate student

Rússia, Moscow

Bibliografia

  1. Amani M. et al. Remote sensing systems for ocean: A review. Part 1: Passive systems. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2022. Vol. 15. Pp. 210–234.
  2. Cheng K., Chan S., Lee J.H. Remote sensing of coastal algal blooms using unmanned aerial vehicles (UAVs). Marine Pollution Bulletin. 2020. Vol. 152. P. 110889.
  3. Ding H., Li R., Lin H., Wang X. Monitoring and evaluation on water quality of Hun River based on landsat satellite. In: Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS). 2016. Pp. 1532–1537.
  4. Eljabri A., Gallagher C. Developing integrated remote sensing and GIS procedures for oil spills monitoring at Libyan coast. WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2012. Vol. 44. Pp. 17–20.
  5. Garcia-Pineda O., Hu Ch., Sun Sh., Garsia D. Classification of oil spill thicknesses using multispectral UAS and satellite remote sensing for oil spill response. In: IGARSS. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2019. Pp. 5863–5866.
  6. Huang L., Miron A., Hone K., Li Y. Segmenting medical images: From UNet to Res-UNet and nnUNet. In: IEEE 37th International Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS). 2024. Pp. 483–489.
  7. Kirillov A. et al. Segment Anything. arXiv. 2019. doi: 10.48550/arXiv.2304.02643.
  8. Maashri A., Ghommam J., Saleem A., Nasiri N. A multi-drone system for oil spill detection: A simulation and emulation platform. In: 22nd International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS). 2022. Pp. 397–402.
  9. Mityagina M., Lavrova O. Satellite monitoring of the Black Sea surface pollution. In: IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). 2015. Pp. 2291–2294.
  10. Ofitserov V., Konushin A. High resolution image segmentation with deep learning models. International Journal of Open Information Technologies. 2024. Vol. 12 (6). Pp. 57–64. (In Rus.)
  11. Oliveira A., Pedrosa D., Santos T., Dias A. Design and development of a multi rotor UAV for oil spill mitigation. In: OCEANS. Marsel, 2019. Pp. 1–7.
  12. Prochazka A. et al. Satellite image processing and air pollution detection. In: IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. Proceedings (Cat. No.00CH37100). 2000. Vol. 6. Pp. 2282–2285.
  13. Ronneberger O., Fischer P., Brox T. U-Net: Convolutional networks for biomedical image segmentation. In: Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI). 2015. Vol. 9351. Pp. 234–241. doi: 10.1007/978-3-319-24574-4_28.
  14. Saleem A. et al. Detection of oil spill pollution in seawater using drones: Simulation & Lab-based experimental study. In: IEEE International IOT, Electronics and Mechatronics Conference (IEMTRONICS). 2021. Pp. 1–5.
  15. Tan M., Le Q.V. EfficientNet: Rethinking model scaling for convolutional neural networks. In: Proceedings of the 36th International Conference on Machine Learning. 2019. Pp. 6105–6114.
  16. Vytovtov K.A. et al. Remote monitoring of water pollution with oil products in the visible range by using UAV multispectral camera. In: International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). 2022. Pp. 1–5.
  17. Ying H. et al. Evaluation of water quality based on UAV images and the IMP-MPP algorithm. Ecological Informatics. 2021. Vol. 61. P. 101239.
  18. Antonets K.V. et al. Integrated monitoring of oil and gas pollution. International Agricultural Journal. 2021. No. 1. Pp. 49–54.
  19. Vytovtov K.A., Barabanova E.A., Gladkikh T.Ya., Novochadova A.V. Identification of oil pollution of the water surface using UAVs. Automation in Industry. 2024. No. 6. Pp. 52–56. (In Rus.)

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
2. Fig. 1. Generating a mask with the SAM model

Baixar (594KB)
3. Fig. 2. Example of images from the collected dataset

Baixar (302KB)
4. Fig. 3. Training charts of the model

Baixar (152KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».