The major driver of global warming has been identified as the anthropogenic release of greenhouse gas (GHG) emissions from industrial activities. The quantitative monitoring of these emissions is mandatory to fully understand their effect on the Earth's climate and to enforce emission regulations on a large scale. In this work, we investigate the possibility to detect and quantify industrial smoke plumes from globally and freely available multi-band image data from ESA's Sentinel-2 satellites. Using a modified ResNet-50, we can detect smoke plumes of different sizes with an accuracy of 94.3%. The model correctly ignores natural clouds and focuses on those imaging channels that are related to the spectral absorption from aerosols and water vapor, enabling the localization of smoke. We exploit this localization ability and train a U-Net segmentation model on a labeled sub-sample of our data, resulting in an Intersection-over-Union (IoU) metric of 0.608 and an overall accuracy for the detection of any smoke plume of 94.0%; on average, our model can reproduce the area covered by smoke in an image to within 5.6%. The performance of our model is mostly limited by occasional confusion with surface objects, the inability to identify semi-transparent smoke, and human limitations to properly identify smoke based on RGB-only images. Nevertheless, our results enable us to reliably detect and qualitatively estimate the level of smoke activity in order to monitor activity in industrial plants across the globe. Our data set and code base are publicly available.


翻译:全球升温的主要驱动因素已被确定为工业活动产生的温室气体人为排放。对这些排放进行定量监测是必须的,以便充分了解其对地球气候的影响,并大规模执行排放条例。在这项工作中,我们调查是否可能从欧空局哨兵2号卫星免费提供的全球多波段图像数据中检测和量化工业烟羽。我们使用经过修改的ResNet-50,可以检测不同尺寸的烟流,准确度为94.3%。模型正确地忽略了自然云,并侧重于与气溶胶和水蒸气的光谱吸收有关的成像渠道,使烟雾能够本地化。我们利用这种本地化能力,并在我们的数据的标签子样本中培训一个U-Net分解模型,由此得出了0.608的交汇(IoU)度测量标准,以及检测任何烟羽流的总体准确度为94.0%;平均而言,我们的模型可以将烟雾覆盖的区域复制成5.6%的图像,从而能够实现烟雾的本地化。我们模型的性能主要限于我们不易变的地面测量活动,同时测量了人类的地面数据,从而确定我们无法测量的地面活动。

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