Oversikt Miljøovervåkning av havet Hvordan lære datamaskinen å se oljesøl Anne H. Schistad Solberg Insitutt for informatikk, Universitetet i Oslo E-mail: anne@ifi.uio.no Radaravbildning Eksempler på radarbilder av havet Hvordan opptrer oljesøl i radarbilder Hvordan kan vi skrive et program som finner oljesøl automatisk Demonstrasjon av et system for oljesøldeteksjon INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 1 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 2 Bakgrunn - oljesøl Oljeutslipp i forbindelse med skipstrafikk Lettvint og billig vask av tanker 600 000 tonn/år i Middelhavet (= 10 ganger Exxon-Valdez) Trussel mot miljø, turisme og fiske Eksempler på radarbilder Hvordan avbildes havet? Hva skjer når overflaten er dekket av olje? Hvordan kan vi skille mellom oljesøl og andre objekter i radarbildene? INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 3 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 4
Radaravbildning - mikrobølger Sender ut elektromagnetisk energi med bølgelengde f.eks. 5cm (C-bånd) Måler røffheten på overflaten Kan se gjennom skyer fordi mikrobølger trenger gjennom skyene Radaravbilding av hav og olje Utsendt energi Energi reflektert tilbake til radaren INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 5 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 6 SAR-bilde fra kysten av Sørvestlandet Oljesøl lineært, regulær form Lookalikes mindre regulære INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 7 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 8
Bilde med lite vind mange lookalikes Andre fenomener - lookalikes Oljesøl Andre mørke strukturer opptrer ofte, spesielt i lite vind. INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 9 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 10 Typisk bilde i lite vind Hva kan vi se i radarbilder fra havet? Oljesøl Skip, evt. med kjøvannsstripe Oljeplattformer Bølger Områder med vindvariasjoner Vindfronter Strømskjær Naturlig overflatefilm Andre oseanografiske fenomener INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 11 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 12
Radarsatellitter for miljøovervåkning av havet Utslippskilder ERS-1/ERS-2: Europeisk (ESA), operativ siden 1991. Et bilde dekker ca. 100x100 km 2 Et punkt (piksel) i bildet dekker 100x100m. http://earth.esa.int/ers/ RADARSAT: Kanadisk, skutt opp i 1995. http://www.rsi.ca/ ENVISAT ASAR: Ny europeisk satellitt, skytes opp mars 2002. http://earth.esa.int/envisat/ Disse satellittene kan gi nesten daglig dekning av et gitt område (dekningsgrad avhenger av breddegrad). Lyse punkter: skip eller oljeplattformer Til venstre: utslipp fra kilder som ligger stille Til høyre: utslipp fra skip i fart INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 13 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 14 Utvikling over tid Algoritme for å finne oljesøl Finne mørke flekker på bildet Avgjøre om flekkene er olje eller lookalikes Vind, strøm og bølger forstyrrer den lineære formen over tid Vesentlig forandring av formen over tid Olje? Lookalike? Skip som holder på å slippe ut olje INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 15 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 16
Hvordan finne mørke flekker i bildet? Histogram Histogram Terskling Matematisk verktøykasse Støyfjerning Adaptivitet Tabell over forekomster av ulike verdier i bildet INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 17 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 18 Terskling Støyfjerning Hvis verdi < t, sett lik 0. Hvis verdi >=t, sett lik 255 Terskel t Tersklet bilde Glatting: ny verdi i hvert punkt er gjennomsnitt av 9 naboverdier INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 19 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 20
Adaptiv terskling Fra bilde til objekter Terskel t1 t2 Følg kanten av mørke objekter og lag en liste over dem Objektnr. 1 2 Egenskaper (f.eks. areal) 35 55 3 46 4 70 5 106 t3 6 7 14 32 8 77 Enkel terskling Adaptiv terskling 9 36 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 21 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 22 Egenskaper for objekter Klassifikasjon bygge database areal = 270 bredde = 30 konturregularitet = 0.765432 langstrekthet = 0.789653 antall flekker i nærhet = 6 avstand til skip = 46.68 Vindnivå Geografisk posisjon Statistisk modell for oljesøl og lookalikes gradient = 0.458965 kontrast = 213.9875 homogenitet i omgivelsene Hundrevis av bilder med oljesøl og lookalikes Apriori kunnskap: Forventet antall lookalikes Forventet antall oljesøl Oljesøl mer regulære i formen enn lookalikes Mistenkelig hvis skip finnes like ved en flekk INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 23 INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 24
Klassifikasjon oljesøl eller ikke? areal = 270 bredde = 30 konturregularitet = 0.765432 langstrekthet = 0.789653 antall flekker i nærhet = 6 avstand til skip = 46.68 gradient = 0.458965 kontrast = 213.9875 homogenitet i omgivelsene Oljesøl Lookalikes Sannsynlighet for oljesøl Sannsynlighet for lookalike Databaser med tidligere observerte oljesøl og lookalikes P1>P2? INSTITUTT FOR INFORMATIKK Fagped - 25 Olje Lookalike