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A novel deep learning method for marine oil spill detection from satellite synthetic aperture radar imagery

合成孔径雷达 遥感 环境科学 石油泄漏 卫星 深度学习 计算机科学 卷积神经网络 人工智能 地质学 工程类 环境工程 航空航天工程
作者
Xudong Huang,Biao Zhang,William Perrie,Yingcheng Lu,Cheng Wang
出处
期刊:Marine Pollution Bulletin [Elsevier]
卷期号:179: 113666-113666 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.marpolbul.2022.113666
摘要

Oil spill discharges from operational maritime activities like ships, oil rigs and other structures, leaking pipelines, as well as natural hydrocarbon seepage pose serious threats to marine ecosystems and fisheries. Satellite synthetic aperture radar (SAR) is a unique microwave instrument for marine oil spill monitoring, as it is not dependent on weather or sunlight conditions. Existing SAR oil spill detection approaches are limited by algorithm complexity, imbalanced data sets, uncertainties in selecting optimal features, and relatively slow detection speed. To overcome these restrictions, a fast and effective SAR oil spill detection method is presented, based a novel deep learning model, named the Faster Region-based Convolutional Neural Network (Faster R-CNN). This approach is capable of achieving fast end-to-end oil spill detection with reasonable accuracy. A large data set consisting of 15,774 labeled oil spill samples derived from 1786C-band Sentinel-1 and RADARSAT-2 vertical polarization SAR images is used to train, validate and test the Faster R-CNN model. Our experimental results show that the proposed method exhibits good performance for detection of oil spills with wide swath SAR imagery. The Precision and Recall metrics are 89.23% and 89.14%, respectively. The average Precision is 92.56%. The effects of environmental conditions and sensor parameters on oil spill detection are analyzed. The expected detection results are obtained when wind speeds and incidence angles are between 3 m/s and 10 m/s, and 21° and 45°, respectively. Furthermore, the computer runtime for oil spill detection is less than 0.05 s for each full SAR image, using a workstation with NVIDIA GeForce RTX 3090 GPU. This suggests that the present approach has potential for applications that require fast oil spill detection from spaceborne SAR images.
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