Starting from 2021, more demanding $\text{NO}_\text{x}$ emission restrictions were introduced for ships operating in the North and Baltic Sea waters. Since all methods currently used for ship compliance monitoring are financially and time demanding, it is important to prioritize the inspection of ships that have high chances of being non-compliant. The current state-of-the-art approach for a large-scale ship $\text{NO}_\text{2}$ estimation is a supervised machine learning-based segmentation of ship plumes on TROPOMI/S5P images. However, challenging data annotation and insufficiently complex ship emission proxy used for the validation limit the applicability of the model for ship compliance monitoring. In this study, we present a method for the automated selection of potentially non-compliant ships using a combination of machine learning models on TROPOMI satellite data. It is based on a proposed regression model predicting the amount of $\text{NO}_\text{2}$ that is expected to be produced by a ship with certain properties operating in the given atmospheric conditions. The model does not require manual labeling and is validated with TROPOMI data directly. The differences between the predicted and actual amount of produced $\text{NO}_\text{2}$ are integrated over observations of the ship in time and are used as a measure of the inspection worthiness of a ship. To assure the robustness of the results, we compare the obtained results with the results of the previously developed segmentation-based method. Ships that are also highly deviating in accordance with the segmentation method require further attention. If no other explanations can be found by checking the TROPOMI data, the respective ships are advised to be the candidates for inspection.


翻译:自2021年起,针对在北海和波罗的海水域行驶的船只引入了更严格的 $\text{NO}_\text{x}$ 排放限制。由于目前用于船只合规性监测的所有方法都需要大量资金和时间,因此重要的是优先检查可能会非法排放的船只。目前用于大规模船只 $\text{NO}_\text{2}$ 估计的最先进方法是基于TROPOMI/S5P图像上的船舶烟囱的监督机器学习分割。然而,挑战性的数据注释和验证过程中使用的不充分复杂的船舶排放代理限制了该模型用于船只合规性监测的适用性。在本研究中,我们提出了一种基于机器学习模型对TROPOMI卫星数据进行自动选择可能非法排放的船只的方法。它基于一种预测模型,该模型预测在给定大气条件下,具有特定属性的船只预计产生的 $\text{NO}_\text{2}$ 量。该模型不需要手工标注,并直接使用TROPOMI数据进行验证。预测量与实际产生的 $\text{NO}_\text{2}$ 的差异在观测中集成,并用作检查某个船只的价值度量。为确保结果的稳健性,我们将获得的结果与先前开发的基于分割的方法的结果进行比较。在根据分割方法得出的结果与这一方法结果都高度偏差的情况下,需要进一步关注相应的船只。如果在检查TROPOMI数据后没有找到其他的解释,建议检查相应的船只。

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