Remote detection of floating marine litter using satellite imagery

Abstract

Floating marine litter, and plastic litter in particular, represents a persistent and spatially dynamic pressure on marine and coastal environments. While traditional monitoring approaches provide valuable local observations, their limited spatial and temporal coverage, their inherent costs and their dependence on both human and non-human resources, constrains the systematic assessment of floating debris distribution and variability. Satellite remote sensing offers a complementary perspective, enabling repeated, large-scale observations of the sea surface; however, the systematic detection and monitoring of floating marine litter in coastal environments remain challenging. Floating marine debris detection using satellite remote sensing is constrained by a combination of spectral ambiguity, sub-pixel mixing, and strong environmental variability. Previous studies have demonstrated the general feasibility of detecting floating plastics, however significant gaps remain in the experimental characterisation of plastic spectral behaviour under realistic conditions, the quantification of detection limits at the pixel level, and the translation of these insights into operational monitoring systems. This dissertation investigates the potential and limitations of optical satellite remote sensing for the detection and monitoring of floating marine litter. The dissertation follows a progression from experimental observation and characterisation to operational framework development. The dissertation is composed around three main objectives. The first objective establishes an experimentally based understanding of the spectral characteristics of floating plastics and their separability from other surface features. The second objective quantifies detection limits and sensor capabilities at the sub-pixel level, providing empirical constraints for practical application. The final objective integrates these findings into an operational detection and monitoring framework, supporting the transition of floating matter remote sensing from exploratory studies toward systematic applications. Objective 1 – Determine whether floating plastics exhibit a distinct spectral signature under near-realistic marine conditions and assess its suitability for reliable spectral classification. (Chapter 2)Chapter 2 aims To experimentally establish the spectral signature of floating plastics under realistic marine conditions and to assess their spectral separability from surrounding water and other common floating matter types. This objective was addressed through a controlled longterm field experiment involving the deployment of large-area artificial floating plastic targets, designed to fully cover a satellite pixel. Multisensor observations, including Sentinel-2 multispectral imagery, UAV-based RGB and hyperspectral data, and in situ measurements, were acquired over several months. The analysis focused on characterising the spectral response of floating plastics, quantifying their variability, and examining the influence of environmental factors such as biofouling and partial submersion. Spectral comparison and separability analyses were conducted against natural floating materials, including woody debris, marine mucilage, and pollen, in order to identify fundamental limitations and ambiguities in purely spectral discrimination approaches.Objective 2 – Determine the minimum detectable plastic abundance fraction in a mixed pixel for the most widely used multispectral sensors. (Chapter 3)Chapter 3 aims to quantify the minimum detectable fraction of floating plastics within mixed satellite pixels and to evaluate the suitability of commonly used multispectral satellite sensors for operational detection applications. This objective was addressed through experimental analysis of mixed-pixel scenarios, combining controlled target deployments with satellite observations at varying spatial resolutions and band configurations. Sub-pixel detection capabilities were assessed using partial unmixing methodologies, allowing estimation of plastic abundance fractions within individual pixels. Detection thresholds were systematically evaluated under different environmental conditions, including varying degrees of biofouling and submersion. The analysis provided empirical constraints on minimum detectable fractions and highlighted sensor-specific limitations, thereby informing the realistic operational use of multispectral satellite data for floating plastic monitoring.Objective 3 – Develop a scalable operational detection framework using artificial intelligence and spectral information. (Chapter 4)Chapter 4 aims to develop and demonstrate an operational framework for the detection and monitoring of floating matter and debris using satellite remote sensing. Building on the experimental findings of the previous objectives, this objective focused on integrating machine learning–based image segmentation and spectral analysis into a scalable processing framework. The framework was designed to operate on large satellite datasets, accommodate diverse floating matter types, and operate under varying environmental and observational conditions. Its performance was evaluated across multiple study areas and event types, focusing on extreme environmental events, demonstrating its applicability for systematic monitoring rather than case-specific analysis. Overall, this thesis provides experimentally based insight into the spectral behaviour and detectability of floating marine litter and floating matter in general, and advances the transition of satellite-based marine litter detection from exploratory analyses toward more operationally mature applications.

Τα επιπλέοντα θαλάσσια απορρίμματα, και ιδιαίτερα τα πλαστικά απορρίμματα, αποτελούν ένα επίμονο και δυναμικό πρόβλημα για τα θαλάσσια και παράκτια περιβάλλοντα. Ενώ οι παραδοσιακές προσεγγίσεις παρακολούθησης παρέχουν πολύτιμες παρατηρήσεις, η περιορισμένη χωρική και χρονική τους κάλυψη, το εγγενές κόστος τους και η εξάρτησή τους από ανθρώπινους και μη ανθρώπινους πόρους περιορίζουν τη συστηματική παρακολούθηση των επιπλέοντων απορριμμάτων. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση προσφέρει μια συμπληρωματική οπτική, επιτρέποντας επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις της επιφάνειας της θάλασσας σε μεγάλη κλίμακα. Ωστόσο, η συστηματική ανίχνευση και παρακολούθηση των επιπλέοντων θαλάσσιων απορριμμάτων σε παράκτια περιβάλλοντα βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο .Η παρούσα διατριβή διερευνά τις δυνατότητες και τους περιορισμούς της οπτικής δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση και παρακολούθηση επιπλέοντων θαλάσσιων απορριμμάτων, μέσα από μια διαδοχική πορεία από την πειραματική παρατήρηση και την φασματική ανάλυση, έως την ανάπτυξη μεθοδολογίας εντοπισμού και παρακολούθησης σε σχεδόν επιχειρησιακό πλαίσιο. Η διατριβή οργανώνεται γύρω από τρεις κύριους στόχους, οι οποίοι επιδιώκουν να απαντήσουν σε τρία βασικά επιστημονικά ερωτήματα. Ο πρώτος στόχος οργανώνεται γύρω από μια πειραματικά τεκμηριωμένη κατανόηση των φασματικών χαρακτηριστικών των επιπλέοντων πλαστικών και της δυνατότητας διαχωρισμού τους από άλλα επιφανειακά χαρακτηριστικά και επιπλέοντα υλικά. Ο δεύτερος στόχος ποσοτικοποιεί τα όρια ανίχνευσης και τις δυνατότητες των αισθητήρων σε επίπεδο εικονοστοιχείου, διερευνώντας πρακτικούς περιορισμούς. Ο τρίτος στόχος ενσωματώνει τα ευρήματα αυτά σε ένα πλαίσιο ανίχνευσης και παρακολούθησης, με τη χρήση μηχανικής μάθησης και την ενσωμάτωση φασματικής πληροφορίας. Στόχος 1 -- Φασματικός χαρακτηρισμός και διαχωρισιμότητα των επιπλέοντων πλαστικών: Ποια είναι η φασματική υπογραφή των επιπλέοντων πλαστικών και πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φασματική ταξινόμηση; (Κεφάλαιο 2) Το Κεφάλαιο 2 αποσκοπεί στον πειραματικό προσδιορισμό της φασματικής υπογραφής των επιπλέοντων θαλάσσιων πλαστικών απορριμμάτων υπό ρεαλιστικές συνθήκες, και στην αξιολόγηση της δυνατότητας φασματικού διαχωρισμού τους από το περιβάλλον νερό και άλλους συνήθεις τύπους επιπλέουσας ύλης. Για τον στόχο αυτό πραγματοποιήθηκε ελεγχόμενο πείραμα πεδίου, το οποίο περιλάμβανε την ανάπτυξη τεχνητών επιπλέοντων πλαστικών στόχων μεγάλης επιφάνειας. Πραγματοποιήθηκαν πολυαισθητηριακές παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένων πολυφασματικών εικόνων Sentinel-2, δεδομένων RGB και υπερφασματικών δεδομένων από UAV, καθώς και επιτόπιων μετρήσεων, για διάστημα 4 μηνών. Η ανάλυση επικεντρώθηκε στον χαρακτηρισμό της φασματικής απόκρισης των επιπλέοντων πλαστικών και στη διερεύνηση της επίδρασης περιβαλλοντικών παραγόντων, όπως η βιοεπικάθηση και η μερικήβύθιση. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των φασματικών υπογραφών των πλαστικών στόχων με άλλα επιπλέοντα υλικά, όπως ξύλα, θαλάσσια βλέννα (marine mucilage) και γύρη, με στόχο την διερεύνηση της δυνατότητας φασματικού τους διαχωρισμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η βιοεπικάθηση (biofouling) και η μερική βύθιση επιδρούν σημαντικά στην φασματική απόκριση των επιπλέοντων πλαστικών. Ταυτόχρονα, αναδείχθηκαν εγγενείς περιορισμοί στη χρήση πολυφασματικών δεδομένων για τον φασματικό διαχωρισμό επιπλέοντων υλικών, καθώς πολλά από τα πιο συνήθη επιπλέοντα υλικά έχουν κοινά φασματικά χαρακτηριστικά τα οποία απαιτούν υψηλό αριθμό φασματικών καναλιών για τον διαχωρισμό τους. Στόχος 2 -- Ανιχνευσιμότητα σε επίπεδο εικονοστοιχείου και καταλληλότητα αισθητήρων: Ποιο είναι το ελάχιστο ανιχνεύσιμο ποσοστό πλαστικού με τη χρήση των διαθέσιμων παθητικών οπτικών αισθητήρων; (Κεφάλαιο 3) Το Κεφάλαιο 3 αποσκοπεί στην ποσοτικοποίηση του ελάχιστου ανιχνεύσιμου κλάσματος επιπλέοντων πλαστικών σε μικτά δορυφορικά εικονοστοιχεία και στην αξιολόγηση της καταλληλότητας των διαθέσιμων πολυφασματικών δορυφορικών αισθητήρων για εφαρμογές ανίχνευσης. Πραγματοποιήθηκαν επιπλέον ελεγχόμενα πειράματα με χρήση τεχνητών επιπλέοντων στόχων μιρκής επιφάνειας με σκοπό την συλλογή δεδομένων από δύο διαφορετικούς πολυφασματικούς αισθητήρες οι οποίοι έχουν προταθεί για τον εντοπισμό πλαστικών απορριμμάτων στην επιφάνεια της θάλασσας (Sentinel-2 και Planet SuperDove). Οι δύο αυτοί αισθητήτρες παρέχουν διαφορετικές χωρικές, χρονικές και φασματικές αναλύσεις. Έγινε φασματική ανάλυση της απόκρισης μικτών εικονοστοιχείων σε διαφορετικές χωρικές αναλύσεις και πλήθος φασματικών καναλιών και διερευνήθηκε η καταλληλότητα των υπό διερεύνυση αισθητήρων. Η ανάλυση πάραξε αποτελέσματα σχετικά με τα ελάχιστα ανιχνεύσιμα κλάσματα και ανέδειξε περιορισμούς που σχετίζονται με τους συγκεκριμένους αισθητήρες, παρέχοντας πληροφορίες για τις δυναδότητες ενσωμάτωσης των συγκεκριμένων αισθητήρων σε ρεαλιστικές εφαρμογές παρακολούθησης επιπλέοντων πλαστικών απορριμμάτων. Στόχος 3 -- Ανάπτυξη επιχειρησιακού πλαισίου ανίχνευσης και παρακολούθησης: Μπορούν η μηχανική μάθηση και η φασματική πληροφορία να αξιοποιηθούν για επιχειρησιακή ανίχνευση; (Κεφάλαιο 4)Το κεφάλαιο 4 αποσκοπεί στην ανάπτυξη ενός πλαισίου ανίχνευσης και παρακολούθησης συσσωρεύσεων επιπλεόντων υλικών στην επιφάνεια της θάλασσας. Η προσέγγιση εστιάζει σε επιφανειακές συσσωρεύσεις (windrows), οι οποίες λειτουργούν ως φυσικές ζώνες συγκέντρωσης επιπλεόντων υλικών, όπως πλαστικά απορρίμματα και οργανική ύλη. Χρησιμοποιώντας πολυφασματικά δορυφορικά δεδομένα υψηλής χωρικής ανάλυσης από τον δορυφόρο Planet SuperDove, αναπτύχθηκε ένα σύστημα ανίχνευσης βασισμένο σε αρχιτεκτονική μηχανικής μάθησης τύπου UNet για τη χαρτογράφηση επιφανειακών συγκεντρώσεων σε δορυφορικές εικόνες. Το σύστημα εκπαιδεύτηκε σε ψηφιοποιημένα δεδομένα από περιοχές μελέτης στο Βορειοανατολικό Αιγαίο και τη Θάλασσα του Μαρμαρά, χρησιμοποιώντας επιπλέοντες σχηματισμούς διαφορετικής σύστασης και δεδομένα από τα Plastic Litter Projects. Η απόδοσή του μοντέλου αξιολογήθηκε σε πολλαπλές περιοχές μελέτης και γεγονότα με έμφαση σε ακραία περιβαλλοντικά φαινόμενα, εξετάζοντας την ικανότητά του μοντέλου που αναπτύχθηκε να διακρίνει επιπλέοντα υλικά από το θαλάσσιο υπόβαθρο, υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές και παρατηρησιακές συνθήκες. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ο συνδυασμός φασματικής πληροφορίας και μεθόδων μηχανικής μάθησης, μπορεί να υποστηρίξει τη συστηματική και επαναλήψιμη ανίχνευση συσσωρεύσεων επιπλέουσας ύλης και πλαστικών απορριμμάτων σε μεγάλη χωρική κλίμακα, με σκοπό την ανάπτυξη επιχειρησιακών συστημάτων δορυφορικής παρακολούθησης θαλάσσιων απορριμμάτων. Συνολικά, η παρούσα διατριβή στοχέυει στην παροχή πειραματικά τεκμηριωμένης γνώσης σχετικά με τα φασματικά χαρακτηριστικά και την ανιχνευσιμότητα των επιπλέοντων θαλάσσιων απορριμμάτων και της επιπλέουσας ύλης γενικότερα, και συμβάλλει στην εξέλιξη της δορυφορικής ανίχνευσης θαλάσσιων απορριμμάτων προς επιχειρησιακές εφαρμογές.