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Assessing Environmental Oil Spill Based on Fluorescence Images of Water Samples and Deep Learning

环境科学 深度学习 采出水 计算机科学 人工智能 石油工程 卷积神经网络 石油 机器学习 工艺工程 环境工程 工程类 化学 有机化学
作者
D. P. Liu,Ming Liu,Guangyu Sun,Zhiguo Zhou,Dongfang Wang,Fang He,Jinxing Li,Juan Xie,Ryan Gettler,Eric L. Brunson,Jeffery A. Steevens,Dongkuan Xu
出处
期刊:Journal of Environmental Informatics [International Society for Environmental Information Sciences]
被引量:10
标识
DOI:10.3808/jei.202300491
摘要

Measuring oil concentration in the aquatic environment is essential for determining the potential exposure, risk, or injury for oil spill response and natural resource damage assessment. Conventional analytical chemistry methods require samples to be collected in the field, shipped, and processed in the laboratory, which is also rather time-consuming, laborious, and costly. For rapid field response immediately after a spill, there is a need to estimate oil concentration in near real time. To make the oil analysis more portable, fast, and cost effective, we developed a plug-and-play device and a deep learning model to assess oil levels in water using fluorescent images of water samples. We constructed a 3D-printed device to collect fluorescent images of solvent-extracted water samples using an iPhone. We prepared approximately 1,300 samples of oil at different concentrations to train and test the deep learning model. The model comprises a convolutional neural network and a novel module of histogram bottleneck block with an attention mechanism to exploit the spectral features found in low-contrast images. This model predicts the oil concentration in weight per volume based on fluorescence image. We devised a confidence interval estimator by combining gradient boosting and polymodal regressor to provide a confidence assessment of our results. Our model achieved sufficient accuracy to predict oil levels for most environmental applications. We plan to improve the device and iPhone application as a near-real-time tool for oil spill responders to measure oil in water.
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