Использование мультиспектральных индексов для диагностики пластикового мусора на спутниковых изображениях океана

Морской мусор, включая пластиковые отходы, представляет собой антропогенные загрязнения, которые попадают в морские и пресноводные экосистемы. Пластиковые отходы оказывают негативное влияние на морскую фауну, вызывая интоксикацию, удушение и гибель животных (Rochman et al., 2015). Кроме того, он способствует распространению инвазивных видов, в частности, микроводорослей-обрастателей (Vodeneeva et al., 2024), которые способствуют выбросу токсичных химических веществ в окружающую среду (Kwon et al., 2015). Таким образом, пластиковый мусор, который поступает из различных источников, в том числе через речной сток в океан, оказывает существенное отрицательное воздействие на морские экосистемы, что делает мониторинг пластиковых отходов важной экологической задачей.
Одним из наиболее распространённых методов решения проблемы выявления пластика на поверхности водоёмов с использованием данных дистанционного зондирования является применение различных спектральных индексов (Waqas et al., 2023). Однако при наличии множества таких индексов возникает вопрос о том, какой из них наиболее информативен для диагностики пластиковых загрязнений.
Данная работа посвящена сравнительному анализу существующих спектральных индексов, рассчитанных на основе спутниковых мультиспектральных изображений поверхности океана и внутренних водоёмов, с целью определения наиболее эффективного индекса для обнаружения плавающего пластикового мусора в океане. Анализ проведён на основе данных, представленных в литературе, полученных с помощью спутниковых мультиспектральных изображений пластикового мусора со спутника Sentinel-2 в ходе контролируемых натурных экспериментов. Помимо сравнения индексов между собой в контексте выявления пластикового мусора, рассматривается также возможность дифференциации пластиковых отходов от других поверхностных загрязнений, таких как деревянные фрагменты, толстые биогенные плёнки (водоросли саргассума, фитопланктон), морская слизь, нефтяные пятна и прочее.
Для мультиспектральных изображений MSI Sentinel-2 проведены расчёты широко используемых спектральных индексов, а именно Floating Debris Index (FDI), Floating Algae Index (FAI), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) и Plastic Index (PI). Показано, что в задаче обнаружения и идентификации загрязнений пластиком на поверхности воды индекс FAI показывает большую эффективность по сравнению с другими перечисленными индексами, включая Plastic Index (PI), что может быть неожиданным. Вместе с тем, применение индекса FAI не даёт возможности однозначно идентифицировать пластиковый мусор, например, при наличии нефтяных плёнок. В связи с этим, задача диагностики пластикового мусора с использованием существующих спектральных индексов на данный момент не может считаться полностью решённой и требует дальнейших исследований и усовершенствований принципов такой диагностики.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-17-00167) https://rscf.ru/project/23-17-00167/ .