KR100573789B1

KR100573789B1 - Ｌａｎｄｓａｔ 위성영상을 이용한 지표면 온도지도제작방법

Info

Publication number: KR100573789B1
Application number: KR1020060002893A
Authority: KR
Inventors: 이재식; 이채연
Original assignee: (주)한성개발공사
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2006-04-24

Abstract

본 발명은 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (a) Landsat 위성(S101)으로부터 다중파장대역의 영상을 취득하는 단계(S102); (b) 상기 다중파장대역 영상을 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환시키고(S203), 상기 변환된 방사휘도 값 영상을 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)를 통해 켈빈온도 값 영상으로 변환시킨 다음(S205), 상기 변환된 켈빈온도 값 영상으로부터 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 통해 섭씨온도 영상자료(S207)를 생성하는 단계; (c) (ⅰ) 상기 섭씨온도 영상자료(S401)를 레스터를 벡터로 변환하는 알고리즘(S402)을 통해 온도속성을 가진 벡터형태의 등온선(S403)으로 변환시키고, (ⅱ) 변환된 벡터형태의 등온선으로부터 일반화 과정(S404)을 통해 일반화된 등온선 자료를 결정하는 단계(S406); 및(d) 상기 결정된 등온선 자료에 지도 도식 규격을 적용(S407)하여 지표면 온도지도를 생성하는 단계를 포함하는 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도의 제작방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도는 지표면 특성과 온도 분포에 대한 방대한 정보를 제공하며, 동일한 시간에 촬영된 온도자료와 지표면 자료를 이용하여 지표면의 온도분포 원인을 시각적 정보를 통해 구체적으로 파악하여 국토이용관련 활용범위가 넓어져 다양한 국토 관련 사업에 유용하게 사용된다.

Landsat 위성, 국토이용, 열적외선영역(thermal band, 10.4~12.5㎛), vectorize, spline, 온도지도

Description

Ｌａｎｄｓａｔ 위성영상을 이용한 지표면 온도지도 제작방법 {Method for Manufacturing Ground Temperature Map Using Landsat satellite Image Data}

도 1은 지표면 온도지도 제작방법을 나타내는 흐름도를 도시한 것이다.

도 2는 Landsat 위성영상의 열적외선대역 밴드를 이용한 지표면 온도자료를 제작하는 흐름도를 도시한 것이다.

도 3은 동일한 위치의 지표면 영상자료와 지표면 온도자료(Raster)를 비교한 예이다.

도 4는 섭씨온도자료로부터 지표면 온도지도를 제작하는 공정을 도시한 것이다.

도 5는 일반화가 약하게 이뤄진 등온선자료와 강하게 이뤄진 등온선자료를 비교한 예이다.

도 6은 제작된 지표면 온도지도 유형을 도시한 것이다.

발명의 분야

발명의 배경

종래에는 지표면으로부터 등온선도(Thermal contour map)를 제작하기 위해 몇몇 측정소로부터 동일한 시기에 취득되어진 온도자료를 해당 위치에 입력한 후 측정이 이뤄지지 않은 장소의 온도를 보간(Interpolation) 기법을 사용하여 추정하고 등온선도를 제작하였다. 이러한 방법은 측정거리로부터 멀어 질수록 추정된 온 도의 값이 불확실해지며, 거리를 제외한 온도분포에 영향을 미치는 주변요소를 배재함으로써 국지적인 온도분포를 표현할 수 없으며, 온도를 측정하는 관측소의 거리가 멀어져 그 사이에서 발생하는 다양한 온도변화를 반영할 수 없고, 측정소를 늘려 정확도를 향상시키려고 해도 적절한 측정소를 선택하는 부분이 복잡하고, 투입 비용에 비해 결과가 뚜렷하게 향상되지 않는 문제점을 갖고 있다.

이에, 본 발명자들은 종래기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 최근 지구자원을 탐사하기 위해 올려진 Landsat-7 위성의 경우 관측폭이 185㎞*185㎞로 매우 넓고, 이 위성에 탑재된 TM 센서에는 촬영된 지표면 온도를 추출할 수 있는 열적외선영역(10.4~12.5㎛) 영상자료를 이용할 경우 위성영상 획득 당시의 광범위한 지표면의 온도 분포를 구할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 지표면 특성과 온도 분포에 대한 방대한 정보가 담긴 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도 및 그 제작방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) Landsat 위성(S101)으로부터 다중파장대역의 영상을 취득하는 단계(S102); (b) 상기 다중파장대역 영상을 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환시키고 (S203), 상기 변환된 방사휘도 값 영상을 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)를 통해 켈빈온도 값 영상으로 변환시킨 다음(S205), 상기 변환된 켈빈온도 값 영상으로부터 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 통해 섭씨온도 영상자료(S207)를 생성하는 단계; (c) (ⅰ) 상기 섭씨온도 영상자료(S401)를 레스터를 벡터로 변환하는 알고리즘(S402)을 통해 온도속성을 가진 벡터형태의 등온선(S403)으로 변환시키고, (ⅱ) 변환된 벡터형태의 등온선으로부터 일반화 과정(S404)을 통해 일반화된 등온선 자료를 결정하는 단계(S406); 및(d) 상기 결정된 등온선 자료에 지도 도식 규격을 적용(S407)하여 지표면 온도지도를 생성하는 단계를 포함하는 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도의 제작방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 다중파장대역 영상은 열적외선 대역 영상 또는 가시영역대의 파장대를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 일반화 과정은 (ⅰ) 특정 크기 이하의 불필요한 등온선 정보를 제거하는 단계 및 (ⅱ) spline 알고리즘을 이용하여 선형을 단순화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 지표면 온도지도 제작방법을 나타낸 흐름도를 도시한 것으로, Landsat위성(S101)로부터 다중파장대역의 영상을 취득한 다음(S102), 이중 열적외선 대역 영상을 이용해 지표면온도변환(섭씨온도) 알고리즘(S103)을 이용해 지표면 온도자료(S104)를 제작하고 이를 일반화 과정을 거쳐(S105) 온도지도를 만들고, 또 는 지표면 영상지도와 결합하여 지표면정보를 함께 제공하는 지표면 온도지도를 제작한다.

본 발명에 따른 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도를 제작하기 위하여, 우선 다음과 같은 지표면 온도 변환 알고리즘을 통해 섭씨온도 영상자료를 제작한다. (도 2)

TM 센서 열적외선영역 자료를 이용하여 지표면 온도를 계산할 경우 위성에 탑재된 센서가 흑체(Black body)에 접해 있다는 가정 하에서 계산되며 Landsat 7호의 TM 센서에 의해 취득된 밴드 6-2(high gain) 영상은 60m*60m의 공간해상도를 가지고 있다. Landsat 7호의 Band6-2(high gain)영상의 지표면 온도변환을 위해서는 위성에 기록된 수치값(digital number, DN)을 센서에 의해 관측된 방사휘도로 변환해야 한다. Landsat 5호의 수치값을 방사휘도로 변환하기 위해서는 식(1)과 같이 열적외선영역 밴드의 Qcal-to-radiance 변환이 필요하다.

(1)

여기서,

Lλ: 센서에 의해 관측된 방사휘도 W/(㎡.sr.㎛)

Qcal : 화소의 값으로 정량화하여 보정한 수치(Digital Number, DN)

Qcalmin : LMINλ에 대응하는 수치값(DN=0)

Qcalmax : LMAXλ에 대응하는 수치값(DN=255)

LMINλ : DN(λ)값이 0일 때의 방사휘도

LMAXλ : DN(λ)값이 255일 때의 방사휘도

만약 변환수식에 Grescale과 Brescale 정보가 제공될 경우 다음과 같이 적용할 수 있다.

(2)

여기서,

상기 Grescale 및 Brescale은 National Landsat Archive Production System(NLAPS)에서 제공하는 자료의 헤더파일(.hl)과 자료의 처리단계에 대한 레포트(.wo)의 값을 참조하여 사용한다. NLAPS에 의하면 LMAXλ는 1.23788, LMINλ는 15.303, Grescale은 0.055158, Brescale은 1.2378 이다. Landsat 7호의 수치값(Digital Number, DN)을 방사휘도 단위(radiance unit)로 되돌리기 위해서는 식(3)이 필요하다.

(3)

식 (3)의 변환수식은 다음과 같이 적용할 수 있다.

(4)

여기서,

Lλ : 센서에 의해 관측된 방사휘도 mW/(㎡.sr.㎛)

gain : 정량화한 gain(gain 수치는 Level 1G 영상 헤더자료에 기록) in mW/(㎡.sr.㎛)

offset : 정량화한 bias(offset 수치는 Level 1G 영상 헤더자료에 기록) in mW/(㎡.sr.㎛)

Qcal : 수치로 정량화하여 보정한 화소값(DN)

Qcalmin : LMINλ 에 대응하는 최소로 정량화하여 보정된 화소값(DN=0)

(LPGS products: 1, NLAPS products: 0)

Qcalmax : LMAXλ 에 대응하는 최대로 정량화하여 보정된 화소값(DN=255)

= 255

LMINλ : 분광휘도, Qcalmin 으로 정량화 in mW/(㎡.sr.㎛)

LMAXλ : 분광휘도, Qcalmax 으로 정량화 in mW/(㎡.sr.㎛)

Landsat 7 위성의 TM 센서에 따르면 LMINs 및 LMAXs는 Qcalmin, Qcalmax와 같이 각각 0에서 255까지 표현되는 분광휘도이다. LPGS(Level 1 Product Generation System)는 Qcalmin 값으로 1을 사용하는 반면, NLAPS 자료는 Qcalmin 값으로 0을 사용한다. 하나의 Lmin/Lmax 가 각각의 gain에 주어지며 이 수치들은 TM 센서의 신뢰도가 떨어질수록 점점 올라간다. 사용되어질 열적외선대역 영상(high gain) LMINs는 3.2, LMAXs는 12.65이다. Landsat 위성의 TM 센서에 의해 관측된 열적외선 대역 영상으로부터 구해진 방사휘도의 각 화소의 수치들은 다음의 식(5)을 통해 물리적 해석이 가능한 지표면 온도(켈빈온도) T로 변환된다.

(5)

여기서,

T : 지표면온도 K

K2 : 2차 보정상수 1,260.56 mW/(㎡.sr.㎛)

K1 : 1차 보정상수 K

Lλ : 2-3식으로 계산된 방사휘도

Landsat 5 위성의 TM 센서와 보정상수 1차 보정상수 K1은 607.76, 2차 보정상수 K2는 1260.56이며, Landsat 7 TM 센서의 1차 보정상수 K1은 666.09, 2차 보정상수 K2는 1282.71이다. 다시 켈빈온도를 섭씨온도로 변환해야 하는 데, 섭씨온도는 1기압에서 물의 어는점을 0λ로, 끓는점을 100λ로 하여 그 사이를 100등분한 온도로 단위 기호는 λ이다. 지표면 온도 K를 일상생활에서 사용하는 섭씨온도(λ)로 변환하기 위해서 식(6)과 같이 절대온도에 273.15를 더해준다.

섭씨온도(λ) = 절대온도(K)+273.15 (6)

이와 같은 과정을 거쳐 섭씨온도로 나타나는 지표면 온도자료는 실제 지상에서 측정한 온도와 2~5λ 정도 차이를 보인다. 따라서 촬영당시의 측정된 온도자료들을 검토하여 온도차의 평균값을 영상으로부터 추출한 온도자료로부터 보정하여 최종적으로 지표면 온도자료를 구한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 도 2는 입력영상인 Landsat 열적외선 대역 위성영상으로부터 섭씨온도를 구하는 과정을 도시하고 있다. Landsat 열적외선 대역 영상(S201)이 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환되고(S203), 이는 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)에 의해 켈빈온도 값 영상으로 변환되며(S205), 이 영상이 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 거쳐 섭씨온도 영상자료(S207)가 생성된다. 생성된 영상의 지표면 영상자료(S301)와 함께 온도정보를 제공하는 자료(S302)로 사용된다.

생성된 지표면 온도자료를 지도로서 제작하기 위해서는 축척의 결정이 요구되며, 온도자료의 해상도는 60m*60m로 45cm*55cm의 지도에 들어갈 화소의 양을 결정하여야 하는데 출력 품질을 감안한다면 약 1/200,000 축척으로 지도 제작이 이뤄져야하나 일반적으로 1/50,000 축척에서 온도가 유용하게 사용될 수 있으며 등온선도로 변환된 온도지도는 화소의 크기에 큰 영향을 받지 않아 1/50,000으로 제작이 가능하다.

도 4는 섭씨온도 영상자료로부터 지표면 온도지도 생성공정을 도시하고 있다. 이미지(Raster) 형태의 섭씨온도 영상자료(S401)는 레스터를 벡터로 변환하는 알고리즘(S402)을 통해 온도속성을 가진 벡터형태의 등온선(S403)으로 변환된다. 변환된 벡터형태의 섭씨온도자료는 방대한 정보를 포함하는 반면, 소소한 정보들로 인해 지표면 온도분포 특성을 파악하기 어렵다(S501). 따라서 일반화(generalization) 과정을 통해 명료하게 만드는데, 일반화는 크게 특정 크기 이하의 불필요한 등온선 정보 제거(remove)와 spline 알고리즘을 통한 선형의 단순화로 압축된다(S404). 일반화 과정을 진행한 결과자료는 지도의 축척 및 제작목적에 맞춰 평가가 이뤄진다(S405) 평가 결과 부적합하다 판단되면 다시 일반화과정을 추가로 수행하여 불필요한 등온선 정보를 제거하고, 선형을 단순화 한다. 평가를 통해 적합하다고 판단되면(S502) 일반화된 등온선 자료가 결정된다(S406). 생성된 등온선 자료는 지도 도식 규격을 적용하게 되며(S407) 지도형식의 틀에 들어간 등온선자료는 위치, 방위, 축척, 단위, 촬영시기 등의 정보가 담겨진 지표면 온도지도로 만들어지게 된다(S408).

도 6은 일반화가 완료된 지표면 온도지도 유형을 도시하고 있다. 사용목적에 따라 등온선도 일반화를 약하게 수행하여 복잡하지만 세밀한 온도정보를 담고 있는 지표면 온도지도(S601)를 만들 수 있고, 등온선도 일반화를 강하게 수행하여 간결하지만 명확하고 거시적인 온도정보를 담고 있는 지표면 온도지도를 만들 수 있다(s602). 또한 Landsat 위성영상의 가시영역대의 파장대(Band1, Band2, Band3)을 이용하여 지표면영상지도를 제작하여 등온선도와 결합한 지표면 온도지도를 만들 수 있다(S603). 동일한 시간에 촬영된 온도자료와 지표면자료를 이용하여 지표면 온도지도 제작이 이뤄지므로 이 경우 지표면의 온도분포 원인을 시각적 정보를 통해 구 체적으로 파악하여 다양한 국토의 활용 목적에 사용할 수 있다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 지표면 특성과 온도 분포에 대한 방대한 정보가 담긴 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도 및 그 제작방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도는 Landsat 위성영상자료를 이용하여 하여 등온선도(thermal contour map)를 제작함으로써, 기존에 볼 수 없었던 새로운 형태의 자료를 생성하고, 많은 온도측정소를 필요가 없이 필요한 온도정보를 획득할 수 있다. 뿐만 아니라, Landsat위성의 가시광선대역 영상자료와 결합하여 사용하게 되면 시각적으로 지표면 정보와 온도정보를 함께 제공함으로써 국토이용관련 활용범위가 넓어져 다양한 국토관련 사업에 폭넓게 사용될 수 있으며, 봄, 여름, 가을, 겨울의 시기별로 지표면 온도지도를 생성해 활용할 경우 결과적으로 위성영상자료를 이용한 국토관련 활동영역을 확대하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

Claims

다음의 단계를 포함하는, Landsat 위성영상을 이용한 지표면 온도지도의 제작방법:

(a) Landsat 위성(S101)으로부터 다중파장대역의 영상을 취득하는 단계(S102);

(b) 상기 다중파장대역 영상을 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환시키고(S203), 상기 변환된 방사휘도 값 영상을 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)를 통해 켈빈온도 값 영상으로 변환시킨 다음(S205), 상기 변환된 켈빈온도 값 영상으로부터 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 통해 섭씨온도 영상자료(S207)를 생성하는 단계;

(c) (ⅰ) 상기 섭씨온도 영상자료(S401)를 레스터를 벡터로 변환하는 알고리즘(S402)을 통해 온도속성을 가진 벡터형태의 등온선(S403)으로 변환시키고, (ⅱ) 변환된 벡터형태의 등온선으로부터 일반화 과정(S404)을 통해 일반화된 등온선 자료를 결정하는 단계(S406); 및

(d) 상기 결정된 등온선 자료에 지도 도식 규격을 적용(S407)하여 지표면 온도지도를 생성하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 다중파장대역 영상은 열적외선 대역 영상 또는 가시영 역대의 파장대를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 일반화 과정은 (ⅰ) 특정 크기 이하의 불필요한 등온선 정보를 제거하는 단계 및 (ⅱ) spline 알고리즘을 이용하여 선형을 단순화하는 단계를 포함하는 방법.