Recibido 20 de Enero 2021 | Arbitrado y aceptado 21
de Enero 2021 | Publicado el 23 de Febrero 2022 RESUMEN La
contaminación por el derrame de petróleo en la costa peruana causada por
el buque de bandera italiana Mare Doricum, propiedad de la empresa española
Repsol no solo afectó gravemente a la flora y fauna marina sino también a
cientos de familias de pescadores peruanos dejándolos sin trabajo. por
ello la vigilancia de los efectos de estos incidentes es muy importante
para la salud pública y el cuidado del medio ambiente. Las misiones
satelitales son una herramienta muy eficiente para identificar
contaminantes como los derrames de petróleo. Este estudio tiene como
objetivo detectar el área del derrame de petróleo utilizando el sensor
multiespectral Landsat 8. Para detectar el derrame de petróleo con mayor
precisión se realizó diversos preprocesamientos a la imagen satelital
Landsat 8 como la conversión a reflectancia, normalización con el método
Bandmax-min de la imagen de la zona afectada y finalmente se realizó los
métodos de análisis de componentes principales (ACP) y la Fracción de
Mínimo Ruido (MNF por sus siglas en inglés). Todos los resultados fueron
analizados mediante la programación del software libre R, dichos
resultados experimentales indicaron claramente que el método MNF es el más
adecuado para detectar el derrame de petróleo con mayor precisión a través
de imágenes multiespectrales Landsat 8. Palabras
clave: Landsat
8, derrame de petróleo, Repsol, normalización, procesamiento de imágenes,
ACP y MNF. ABSTRACT Pollution by oil spill on the Peruvian coast
caused by the Italian flagship Mare Doricum, owned by the Spanish company
Repsol not only seriously affected Flora and Fauna Marina but also
hundreds of Peruvian fishermen families leaving them without work.
therefore, monitoring the effects of these incidents is very important for
public health and care for the environment. Satellite missions are a very
efficient tool to identify pollutants such as oil spills. This study aims
to detect the oil spill area using the Multispectral Landsat sensor 8. To
detect the oil spill more precisely, various preprocessing was performed
on the Landsat Satellite image as the conversion to reflectance,
standardization with the BANDMAX method. min of the image of the affected
area and finally the principal component analysis (ACP) and the Minimum
Noise Fraction (MNF) methods were performed. All results were analyzed by
programming free Software R, such experimental results clearly indicated
that the MNF method is the most suitable for detecting the oil spill more
accurately through multispectral Landsat 8 images. Keywords: Landsat
8, oil spill, Repsol, normalization, image processing, ACP and MNF. RESUMO Palavras-chave: Landsat 8, derramamento de óleo,
Repsol, normalização, processamento de imagens, ACP e MNF.
A poluição causada
pelo derramamento de óleo na costa peruana causado pelo navio de bandeira
italiana Mare Doricum, propriedade da empresa espanhola Repsol, afetou
gravemente a flora e a fauna marinha, mas também centenas de famílias de
pescadores peruanos, deixando-os sem trabalhar. portanto, monitorar os
efeitos desses incidentes é muito importante para a saúde pública e o
cuidado com o meio ambiente. As missões de satélite são uma ferramenta
muito eficiente para identificar poluentes como derramamentos de óleo. O
objetivo deste estudo é detectar a área do derramamento de óleo utilizando
o sensor multiespectral Landsat 8. Para detectar o derramamento de óleo com
maior precisão, diversos pré-processamentos foram realizados na imagem do
satélite Landsat 8, como conversão para refletância, foram realizados a
normalização com o Bandmax-min da imagem da área afetada e por fim os
métodos de análise de componentes principais (ACP) e da fração de ruído
mínimo (MNF). Todos os resultados foram analisados pela programação do
software livre R, estes resultados experimentais indicaram claramente que
o método MNF é o mais adequado para detectar o derramamento de óleo com maior
precisão através de imagens multiespectrais Landsat 8.
En la madrugada
del 15 de enero de 2022 un derrame de petróleo causado por el buque de bandera
italiana Mare Doricum, propiedad de la empresa española Repsol, en los mares
del distrito de Ventanilla contaminó la costa central del Perú. Información
inicial indicaba que el derrame había ocurrido en Ventanilla (en la provincia
constitucional del Callao) durante las operaciones de descarga que se
realizaban en la refinería La Pampilla. El Ministerio del Ambiente de Perú
informó que al menos 11900 barriles de petróleo fueron derramados en el mar, lo
cual condujo al peor desastre ecológico de la historia del país ocasionando un
grave perjuicio no solo a la flora y fauna marina sino también a cientos de
familias de pescadores peruanos quedando sin trabajo. Por su parte, la empresa
Repsol, operadora de la Refinería La Pampilla, informó que unos 10396 barriles
podrían haberse derramado el 15 de enero. A nivel mundial, existe una
clasificación para la magnitud de derrames de petróleo; así, se tienen aquellos
catalogados como derrames pequeños (menores a 7 toneladas), derrames medianos
(entre 7 y 700 toneladas) y derrames de gran magnitud (mayores a 700 toneladas)
(ITOPF, 2020). Lo ocurrido en Ventanilla se cataloga como un derrame de gran
magnitud (equivalente a 1862 toneladas de petróleo aproximadamente). Los
derrames de petróleo pueden ocurrir a partir de grietas en los oleoductos y
plataformas de perforación de petróleo. En las zonas costeras, los derrames de
petróleo ocurren principalmente debido a descargas ilegales e incidentes con
barcos. La dispersión del derrame de petróleo en las áreas costeras debe ser
monitoreada antes y después de este evento para asegurar que la costa esté a
salvo de contaminantes.
Se han
desarrollado varias técnicas para monitorear los derrames de petróleo, como
sondeos visuales con aeronaves, radiómetros de microondas (MWR), escáner de
línea infrarroja (IR), sensor de fluoro láser (LFS), radar aerotransportado
lateral (SLAR), radar de apertura sintética (SAR ), y sensores ópticos (como
Landsat, Sentinel 2, Advance Spaceborne Thermal Emission and Reflection
Radiometer (ASTER)) (Misra y Balaji 2017; Montali et al. 2006; Solberg et al.
2007; Trivero et al. 2007; Gade 2015; Gade et al. 1998, 2013; Shuchman et al.
2004; Richards 1999). A partir de estas técnicas, los sensores satelitales de
teledetección que trabajan con diferentes anchos de banda en el espectro
electromagnético, como el visible, el infrarrojo cercano, el infrarrojo de onda
corta, el infrarrojo térmico (sensores ópticos) y el radar (SAR), se pueden
usar de manera más eficiente debido al monitoreo continuo y amplia cobertura
global de la Tierra.
Dado que
las imágenes multiespectrales son convenientes y baratas para detectar derrames
de petróleo, se han propuesto muchos métodos basados en imágenes
multiespectrales. Arslan, N. (2018) evaluó derrames de petróleo utilizando
sensores multiespectrales Landsat 8 y se aplicó diferentes técnicas de
procesamiento de imágenes a las bandas Landsat 8, como la fracción mínima de
ruido (MNF), la morfología y los filtros de convolución para resaltar el área
del derrame de petróleo en la costa de la bahía de Ildir (Izmir, Turquía).
Bayramov et al. (2018) utilizó los sensores satelitales Sentinel-1, Landsat-8,
Radarsat, Envisat y ERS para monitorear derrames de petróleo en el Mar Caspio.
Del mismo modo, Pashayev et al. (2018) rastrearon derrames de petróleo de
petróleo en el Mar Caspio. Yu Mo,
Michael S. Kearney and J. C. Alexis Riter (2017) desarrollaron un método para
el monitoreo de derrames de petróleo de Deepwater Horizon en las marismas
saladas de Luisiana utilizando imágenes Landsat. Min-Sun Lee et al. (2016) lograron detectar
derrames de petróleo en la bahía de Gwangyang en la costa sur de Corea a partir
de los datos OLI de DubaiSat-2 y Landsat 8 utilizando canales VIS/NIR con alta
resolución espacial y clasificaron los derrames de petróleo en dos tipos, como
petróleo espeso y petróleo similar a una película. Bahaa Mohamadi, Zhong Xie and
Fujiang Liu (2015), monitorearon derrames de petróleo en el delta del Níger con
imágenes Landsat 7 y Landsat 8 utilizando un modelo de evaluación de riesgos de
derrames de petróleo basado en el Sistema de Información Geográfica. Qianguo
Xing (2015) demostró que las imágenes TIR de Landsat 8 también podrían usarse
para detectar derrames de petróleo. Dominique Dubucq (2016) descubrió que las
imágenes de datos multiespectrales en el infrarrojo cercano (NIR) y el
infrarrojo de onda corta (SWIR) eran competentes para la detección de derrames
de petróleo.
La
principal motivación en este estudio es desarrollar una detección basado en
datos Landsat 8 para que la ubicación del derrame de petróleo pueda
monitorearse con alta precisión. Esta investigación propuso la Fracción mínima
de ruido (MNF sus siglas en inglés) después de haber realizado un
preprocesamiento de imágenes a nivel de reflectancia y normalización a los
datos con el fin de detectar la región del derrame de petróleo. Se analizó el
área afectada utilizando la imagen de Landsat 8 descargada de la página oficial
de la USGS. Todos los análisis fueron procesados en el software libre R.
2. Área
de estudio
En esta
investigación se utilizó la imagen satelital Landsat 8 Nivel 1 descargada de la
página web oficial de la USGS el 01 de febrero del 2022 de la zona afectada por
el derrame de petróleo en la costa del Perú (en las playas de Tomaycalla y
Pasamayo hasta la comunidad ecológica Eco Truly Park). Los datos originales
contienen 11 bandas. Después de la corrección atmosférica, se mantuvieron 8
bandas (Costera - Aerosoles, azul, verde, rojo,
Infrarrojo cercano, Infrarrojo de onda corta 1, Infrarrojo de onda corta 2 y
Cirrus) las cuales fueron utilizadas convenientemente en este estudio
dado que tienen 30m de resolución espacial en un rango de 0.435 a 2.294
en las
imágenes de reflectancia. Los datos de reflectancia fueron los datos de entrada
legales de esta investigación.
Figura 1. Zona de estudio visualizada en Google
Maps.
3. Metodología
de trabajo
Primeramente,
se descargó la imagen satelital Landsat 8 colección 2 nivel 1 (sensor OLI) en
la zona afectada por el derrame de petróleo en la página oficial de la USGS. Se
procedió a convertir la imagen a reflectancia, luego se utilizó la
normalización de Bandmax-min y finalmente de utilizaron los métodos de Análisis
de Componentes Principales (ACP) y Fracción Mínima de Ruido (MNF por sus siglas
en inglés) para poder detectar el derrame de petróleo en la zona afectada.
Figura 2. Flujo de trabajo utilizado en el estudio.
Procesamiento
de datos Landsat 8
Conversión
de la imagen a Reflectancia con la Corrección DOS1
El Dark
Object Subtraction (DOS) o substracción de objeto oscuro es una familia de
correcciones atmosféricas basadas en imagen. Chavez (1996) explica que “la
suposición básica es que en la imagen algunos píxeles están completamente en
sombra, y sus radiancias recibidas en el satélite se deben a la dispersión
atmosférica (efecto bruma). Esta suposición es combinada con el hecho de que
muy pocos elementos en la
superficie de la Tierra tienen un color negro absoluto, por lo tanto, una
reflectancia asumida de uno por ciento es mejor que un cero por ciento”. Es
importante mencionar que la exactitud de las técnicas basadas en imagen es
generalmente menor que las correcciones basadas en medidas físicas, pero son
muy útiles cuando no están disponibles las mediciones atmosféricas que puedan
mejorar la estimación de la reflectancia de la superficie terrestre. El efecto
bruma es dado por (Sobrino, et al., 2004):
(1)
donde:
= “radiancia que corresponde a un
valor digital para el cual la suma de todos los píxeles con valores digitales
menores o iguales a este valor es igual al 0.01% de todos los píxeles de la
imagen considerada” (Sobrino, et al., 2004, p. 437), por lo tanto, la radiancia
obtenida con ese valor de conteo digital (
).
= radiancia del objeto oscuro, con
un valor asumido de reflectancia de 0.01
En particular para imágenes Landsat se tiene que:
(2)
Las imágenes landsat 8 son convertidas a radiancia antes del cálculo DOS1.
La Radiancia de Objeto Oscuro es dada por (Sobrino, et al., 2004):
(3)
Por lo tanto, el efecto bruma es:
(4)
Existen varias técnicas DOS (ej. DOS1, DOS2, DOS3, DOS4),
basadas en diferentes asunciones acerca de ,
, y
. La técnica más simple es la
DOS1, donde se hacen las siguientes suposiciones (Moran et al., 1992):
,
y
. Por lo tanto, el efecto bruma
es:
(5)
Y la reflectancia de la superficie terrestre resultante está
dada por:
(
(6)
Los valores ESUN para sensores Landsat 8 se encuentran en la tabla 1.
Banda
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Landsat
8 OLI |
1895.33 |
2004.57 |
1820.75 |
1549.49 |
951.76 |
247.55 |
85.46 |
1723.88 |
366.97 |
Tabla 1. Valores predetermiandos de las bandas landsat 8 OLI.
Normalizacion de la imagen con el método Bandmax-min
Para el
preprocesamiento de datos de la imagen Landsat 8 después de tener la imagen
convertida a reflectancia, realizamos el método de la normalización recomendada
de Bandmax-min (Faxian Cao, et al., 2017).
(8)
Análisis de componentes principales
El
análisis de componentes principales de datos de imágenes de teledetección se ha
utilizado para varios propósitos de mapeo y extracción de información (Taylor,
1974; Fontanel et al., 1975; Blodget et al., 1978; Schowengerdt, 2012). Es una
transformación matemática que genera nuevas imágenes, denominadas componentes o
ejes, que son combinaciones lineales de las imágenes originales. ACP permite al
usuario generar un nuevo conjunto de ejes rotados; estos ejes son ortogonales
entre sí y las nuevas imágenes no tienen correlación matemática entre sí. La
mayor cantidad de la varianza total se asigna al primer componente, y la
varianza decreciente va a cada uno de los siguientes componentes. La suma de la
varianza en todos los componentes es igual a la varianza total presente en las
imágenes de entrada originales.
Uno de
los principales usos de ACP es reducir la cantidad de imágenes o variables que
se necesitan para el análisis, es decir, la reducción de la dimensionalidad.
Por ejemplo, ACP se puede aplicar a las ocho bandas reflectantes de Landsat 8 y
solo los tres primeros componentes se pueden usar para composición de color,
análisis digital y/o clasificación. Estos primeros tres componentes tendrán un
gran porcentaje de la variación total presente en las ocho bandas originales de
Landsat 8. A menudo se desea la reducción de la dimensionalidad debido al gran
volumen de datos que están presentes y las demandas computacionales o el límite
de tres bandas en la composición de colores. Sin embargo, dos problemas que se
pueden encontrar con los resultados de las imágenes ACP estándar cuando se usan
de esta manera son (1) la información que no está asignada a los primeros tres
componentes puede ser de gran interés, dependiendo del grado de correlación y
contraste espectral que existen entre las ocho bandas Landsat 8 (Chávez et al.,
1984; Williams, 1983); y (2) un compuesto de color hecho de tres de los ocho
componentes puede ser difícil de interpretar visualmente (Williams, 1983).
Fracción mínima de ruido
El concepto matemático de fracción
de mínimo ruido (MNF por sus siglas en inglés)
depende del método de análisis de componentes principales (ACP). En el método
MNF, la fracción de ruido se minimiza recursivamente mediante el uso de los
mismos valores y vectores propios obtenidos del ACP, lo que da como resultado
bandas de salida no correlacionadas (Green et al. 1988; Berman et al. 2012). La
mayor parte de la información se puede encontrar en las primeras bandas de
salida. Los datos comprenden dimensiones y
píxeles. Sea
el tamaño de la matriz de datos
x
con el tamaño del vector
x 1 de
,
(9)
se puede obtener de la suma de la señal (
) y el ruido (
) como:
(10)
Si no hay correlación entre la señal y el ruido, la
covarianza de se puede representar de la siguiente manera:
(11)
donde es la covarianza de
,
es la covarianza de
,
y
es la covarianza de
. Para cálculos matemáticos, las
matrices de covarianza de la señal y el ruido se diagonalizan utilizando la
matriz A con dimensión d × d que incluye los vectores propios de los datos (ecuación 12).
En esta ecuación, Λ es una matriz diagonal de valores propios
con e
es la matriz identidad. Para resolver la
ecuación 12, el método de descomposición propia generalizada se puede utilizar
para transformaciones (Green et al. 1988; Berman et al. 2011).
4.
Resultados y discusiones
Para
detectar el derrame de petróleo, las imágenes de Landsat 8 descargadas se
procesaron con la metodología dada. Para comparar las mediciones ópticas in
situ con la señal del satélite, las radiancias medidas debían convertirse en
reflectancias definida en la ecuación (6) y se puede apreciar en RGB en la
figura 3.
Figura 3. Imagen convertida a
reflectancia en la zona del derrame de petróleo.
Para
tener una mejor visualización del derrame de petróleo de procedió a mostrar
dicha conversión en el falso color utilizando las bandas 4, 5 y 7 y se puede
apreciar en la flecha verde en la figura 4.
Figura 4. zona del derrame de
petróleo: imagen convertida a reflectancia mostrado con el falso color.
Una vez
realizado la conversión en reflectancia se aplicó la normalización con el
método recomendado de Bandmax-min la cual nos permite separar mejor en grupos
los elementos que se forman de banda a banda, por ejemplo, la banda 3 vs banda
5 después de aplicar la normalización por el método Bandmax-min podemos ver
cómo se separan en dos grupos los elementos formados de banda a banda y se
muestra en la figura 5.
Figura 5. Gráfico de
la banda 3 (verde) vs banda 5 (infrarrojo cercano).
Después de la normalizar los datos procedemos aplicar los
métodos de análisis de componentes principales (ACP) y la Fracción mínima de
ruido (MNF) a las 8 bandas espectrales de la imagen Landsat 8 de resolución
espacial de 30 metros (Costera - Aerosoles, azul, verde, rojo, Infrarrojo
cercano, Infrarrojo de onda corta 1, Infrarrojo de onda corta 2 y Cirrus) para
mostrar la contribución de estas bandas en los incidentes de derrames de
petróleo. Estos métodos se pueden utilizar para distinguir el área con derrame
de petróleo que tiene un contraste diferente de las áreas circundantes. Se
seleccionaron ocho bandas de la imagen Landsat 8 como entrada, lo que resultó
en ocho bandas de salida después del procesamiento. Los resultados al aplicar
ACP se muestran en la tabla 2 con la importancia de cada componente según la
varianza y en la figura 6 se muestra los componentes principales de la zona
afectada.
|
PC1 |
PC2 |
PC3 |
PC4 |
PC5 |
PC6 |
PC7 |
PC8 |
Desviación estándar |
2.5642 |
0.9779 |
0.6699 |
0.1093 |
0.0654 |
0.0491 |
0.0324 |
0.0189 |
Proporción de varianza |
0.8219 |
0.1195 |
0.0561 |
0.0015 |
0.0005 |
0.0003 |
0.0001 |
0.0000 |
Proporción acumulada |
0.8219 |
0.9414 |
0.9975 |
0.9990 |
0.9995 |
0.9998 |
0.9999 |
1.0000 |
Tabla 2. Resumen del analisis de
ACP.
PC5 PC6 PC7 PC8 PC1 PC2 PC3 PC4
Figura 6. Componentes principales aplicado a la
zona afectada por el derrame de petróleo: la primera componente se muestra como
PC1, la segunda como PC2 así sucesivamente hasta la componente PC8 y se aprecia
en flecha verde la línea el derrame de petróleo.
De la figura
6 y la tabla 2 podemos ver que a pesar que la primera componente (PC1) capta el
82.19% de la variabilidad de información se puede apreciar el derrame de
petróleo con cierta dificultad. Por otra parte, con las componentes principales
PC3, PC4, PC5, PC7 y PC8 se logra visualizar el derrame de petróleo con cierto
ruido de la imagen por lo que no se logra distinguir bien el derrame de
petróleo con el agua del mar y por último las componentes PC2 y PC6 no
distingue casi nada el derrame de petróleo debido también al ruido de la
imagen.
Figura 7. Proporción acumulada de varianza de los
componentes principales.
De la
figura 7 podemos ver que los tres primeros componentes logran capturar la
máxima variación de la información de las bandas, sin embargo, no es suficiente
para detectar con precisión al derrame del petróleo.
Los
resultados al aplicar el método MNF se muestran en la figura 8 y 9 donde se
muestra claramente cómo el primer valor propio separa de manera más precisa
respecto a los demás valores propios el ruido de la imagen del área del derrame
de petróleo en la zona afectada y se muestra con flecha verde el primer valor
propio en la figura 9 (VP1), es por esta razón que se logra distinguir el
derrame de petróleo del mar con una línea en gris, mientras que los demás
valores propios no separan casi nada dicho ruido, por ello no se puede
distinguir bien el derrame de petróleo y se aprecia también en la figura 8 en
la relación señal-ruido. De esta manera
obtenemos una mejor detección del derrame de petróleo con el método MNF la cual
podemos visualizar de manera más clara en la figura 10 donde graficamos
de otra manera el primer valor propio con la función image en R utilizando el
parámetro color de dos distintas maneras.
Figura 8. Relación señal-ruido de las 8 bandas procesadas.
VP1 VP2 VP3 VP4 VP5 VP6 VP7 VP8
Figura 9. Aplicación del MNF a la zona afectada por
el derrame de petróleo: el primer valor propio se muestra como VP1, la segunda
como VP2 así sucesivamente hasta el valor propio VP8 y se aprecia en flecha
verde la línea el derrame de petróleo.
a b
Figura 10. Visualización del derrame de petróleo en
R con el primer valor propio del método MNF: (a) con la función image y el
parámetro col = gray((0:256)/256), (b) con la función image y el parámetro
col=terrain.colors(100).
5. Conclusiones
Los
resultados experimentales indicaron que el método MNF es adecuado para detectar
el derrame de petróleo en la costa peruana (en las playas de Tomaycalla y
Pasamayo hasta la comunidad ecológica Eco Truly Park) utilizando imágenes
multiespectrales de Landsat 8, dado que este método separa el ruido de la
imagen logrando detectar de forma precisa el derrame de petróleo ocurrido en la
costa peruana causado por la empresa Repsol con el primer valor propio del
método MNF, Sin embargo, con el método de ACP se puede apreciar la zona del
derrame de petróleo con más dificultad debido a que este método no separa el
ruido de la imagen, por lo tanto no permite diferenciar de manera clara el
petróleo del agua del mar de la costa peruana, por lo tanto, se recomienda
utilizar el método MNF para este estudio.
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