KR100573797B1

KR100573797B1 - 도로결빙구간 위험지도 제작방법

Info

Publication number: KR100573797B1
Application number: KR1020060002896A
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 도로결빙구간 위험지도 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (a) Landsat 위성(S101)으로부터 다중파장대역의 영상을 취득하는 단계(S102); (b) 상기 다중파장대역 영상(S201)을 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환시키고(S203), 상기 방사휘도 값 영상이 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)를 통해 켈빈온도 값 영상으로 변환시킨 다음(S205), 상기 켈빈온도 값 영상이 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 통해 섭씨 온도 영상자료(S207)을 생성하는 단계; (c) 상기 섭씨온도 영상자료(S403)는 결빙위험성이 높은 온도를 설정하여 공간질의를 통해 결빙위험 구간을 추출(S404)하여 결빙위험 구간자료를 결정(S406)하는 단계; 및 (d) 상기 레스터 형태의 결빙위험 구간자료를 폴리곤 벡터 형태의 결빙위험 구간자료로 변환하고, 지도 도식을 규격을 적용(S407)하여 도로결빙구간 위험지도를 생성하는 단계를 포함하는 도로결빙구간 위험지도 제작방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 도로결빙구간 위험지도는 겨울철 도로결빙으로 인해 발생하는 위험지구를 명확히 파악할 수 있어 겨울철 도로결빙으로 인한 인명 및 피해를 최소화할 수 있으며, 주기적으로 많은 조사 인원 없이 도로갱신에 따른 결빙구간 위험지도를 제작할 수 있어 경제적으로 효율적이며, 도로관련 연구에 유용한 새로운 유형의 자료를 제공하는 효과가 있다.

Landsat 위성, 열적외선영역(thermal band, 10.4~12.5㎛), 동절기, 도로, 결빙, 지표면 온도지도

Description

도로결빙구간 위험지도 제작방법 {Method for Manufacturing Road Freezing Section Risk Map}

도 1은 도로결빙구간 위험지도 제작방법을 나타내는 흐름도를 도시한 것이다.

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

도 3은 도로결빙 위험구간 지도 제작 개념도를 도시한 것이다.

도 4는 Landsat 위성으로부터 취득된 열적외선대역 영상을 이용해 도로결빙구간 위험지도를 제작하는 공정을 도시한 것이다.

도 5는 제작된 도로결빙구간 위험지도 유형을 도시한 것이다.

발명의 분야

발명의 배경

도로 결빙구간을 구하여 위험구간을 확인하고자 하는 시도는 오래전부터 있어왔으나 결빙구간을 확인하는 과정이 쉽지 않거나 결과에 대한 신뢰성이 부족하였다. 크게 두 가지로 구분되는데 하나는 결빙으로 인한 사고발생지역을 조사하여 지도에 표기는 방법이고, 다른 하나는 지표면 결빙구간을 추정할 수 있는 모델을 이용하여 결빙구간을 추출하는 방법이다. 과거 사고가 발생했던 지역을 조사하여 표기하는 방법은 도로 결빙으로 인한 사고가 한번 발생했던 장소에서 지속적으로 발생할 가능성이 높기 때문에 현실적이고 명확한 방법이나 매년 새로운 도로가 건설 됨을 감안하면 조사과정이 복잡하고 많은 인력의 투입이 요구되며, 사고를 미리 방지하지 못하는 단점이 있다. 또한, 모델(model)을 이용하여 결빙구간을 추출하는 방법은 도로 결빙빙과 관련된 요인들을 종합적으로 검토하여 모델을 수립하고 결빙구간을 추출하는 방법으로 빠른 결빙구간 추출이 가능하나 만들어진 모델의 신뢰성이 불확실하며 모델과 관련된 자료 구축을 위해 비용 및 시간이 많이 투자되는 문제점을 갖고 있다.

이에, 본 발명자들은 종래 기술의 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 센서는 지표면 온도를 추출할 수 있는 열적외선영역 (10.4~12.5㎛) 영상자료를 이용할 경우 광범위한 지표면의 온도 분포 및 결빙이 우려되는 공간을 구할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 겨울철 도로결빙으로 인해 발생하는 위험지구를 명확히 파악할 수 있는 도로결빙구간 위험지도 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 영상 (S201)을 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환시키고(S203), 상기 방사휘도 값 영상이 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)를 통해 켈빈온도 값 영상으로 변환시킨 다음(S205), 상기 켈빈온도 값 영상이 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 통해 섭씨 온도 영상자료(S207)을 생성하는 단계; (c) 상기 섭씨온도 영상자료(S403)는 결빙위험성이 높은 온도를 설정하여 공간질의를 통해 결빙위험 구간을 추출(S404)하여 결빙위험 구간자료를 결정(S406)하는 단계; 및 (d) 상기 레스터 형태의 결빙위험 구간자료를 폴리곤 벡터 형태의 결빙위험 구간자료로 변환하고, 지도 도식을 규격을 적용(S407)하여 도로결빙구간 위험지도를 생성하는 단계를 포함하는 도로결빙구간 위험지도 제작방법를 제공한다.

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

본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계의 결빙위험성이 높은 온도는 0℃ 이하로 설정하여 결빙위험구간을 추출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 도로결빙구간 위험지도 제작방법을 나타낸 흐름도를 도시한 것으로, Landsat위성(S101)으로부터 다중파장대역의 영상을 취득한 다음(S102), 열적외선 대역 영상을 이용해 지표면온도변환(섭씨온도) 알고리즘(S103)을 이용해 지표면 온도자료(S104)를 제작하고, 상기 제작된 지표면 온도자료(S104)로부터 결빙위험구간을 추출하여 도로지도(S105)에 결빙위험구간을 표시한 도로결빙구간 위험지도를 제 작한다.

본 발명에 따른 도로결빙구간 위험지도를 제작하기 위하여, 우선 다음과 같은 지표면 온도 변환 알고리즘을 통해 섭씨온도 영상자료를 제작한다. (도 2)

Landsat 위성의 TM 센서 열적외선영역 영상자료를 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. 사용되얼질 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 보여준다. 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.

도 3은 도로결빙 위험구간 지도 제작 개념도이다. 도로지도와(S301) Landsat 위성을 이용해 겨울철에 촬영한 영상으로부터 만들어진 지표면 온도지도 정보로부터 결빙위험지역을 추출한 후(S302), 지표면 영상과 결합된 지표면 온도지도를 이용해 결과의 정확성 및 결빙 원인에 대하여 종합적으로 고찰한 후(S303), 지도도식규정이 적용된 도로결빙구간 위험지도를 제작한다(S304).

도 4는 Landsat 위성으로부터 취득된 열적외선대역 영상을 이용해 도로결빙구간 위험지도를 제작하는 공정을 보여주고 있다. Landsat 위성 열적외선 영상 (S401)로부터 지표면온도(섭씨온도)변환공식을 적용하여(S402) 섭씨온도자료를 생성한 후(403), 결빙위험성이 높은 온도 (예: 0λ 이하)를 설정하여 공간질의(spatial query)를 통해 결빙위험 구간을 추출한다(S404). 결빙위험 구간의 추출은 특정 온도를 기준으로 하지 않는다. 결빙위험 구간의 추출 결과를 지표면 영상자료와 결합된 지표면 온도지도를 통해서 주변지역에 비해 결빙위험성이 확연이 높은 구간이 설정되었음을 평가한다. 지표면영상자료를 참고하여 불명확한 부분을 검토하고 수정해서 위험구간을 정리하고 결빙위험 구간자료로서 결정한다(S406). 이 결빙위험 구간자료와 도로지도를 결합하면 도로가 위치하고 있는 결빙위험 구간이 명확히 나타난다. 래스터 형태의 결빙위험 구간자료를 폴리곤 벡터 형태의 결빙위험 구간자료로 변환하고, 도로지도와 결합하여 도로에 걸치지 않은 폴리곤 벡터는 제거한 후 지도도식 구정을 적용하면(S407), 최종적으로 도로결빙구간 위험지도가 생성된다(S408).

도 5는 도 5는 완성된 도로결빙 구간 위험지도를 도시한 것으로, 도로지도에 결빙위험 구간이 표시된 도로결빙구간 위험지도(S501)로 제작하여 해당 지역 운전자들이 주의하도록 하거나, 결빙방지를 위한 관리 목적으로 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 정의된다 고 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 겨울철 도로결빙으로 인해 발생하는 위험지구를 명확히 파악할 수 있는 Landsat 위성영상으로부터 만들어진 도로결빙구간 위험지도 및 그 제작방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 도로결빙구간 위험지도는 불확실한 모델을 이용한 도로결빙구간 분석 결과에 비해 명확한 원인 파악이 가능하고, 자료의 제작과정이 객관적이고 신뢰할 수 있으며, 주기적으로 많은 조사 인원 없이 도로갱신에 따른 결빙구간 위험지도를 제작할 수 있어 경제적으로 효율적이며, 도로설계, 도로결병관리계획 등 도로 관련 사업에 유용한 새로운 유형의 자료를 제공하는 효과가 있다.

Claims

다음의 단계를 포함하는, 도로결빙구간 위험지도 제작방법:

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

(b) 상기 다중파장대역 영상(S201)을 방사휘도를 구하는 알고리즘(S202)을 통해 방사휘도 값 영상으로 변환시키고(S203), 상기 방사휘도 값 영상이 절대온도를 구하는 알고리즘(S204)를 통해 켈빈온도 값 영상으로 변환시킨 다음(S205), 상기 켈빈온도 값 영상이 섭씨온도를 구하는 알고리즘(S206)을 통해 섭씨 온도 영상자료(S207)을 생성하는 단계;

(c) 상기 섭씨온도 영상자료(S403)는 결빙위험성이 높은 온도를 설정하여 공간질의를 통해 결빙위험 구간을 추출(S404)하여 결빙위험 구간자료를 결정(S406)하는 단계; 및

(d) 상기 레스터 형태의 결빙위험 구간자료를 폴리곤 벡터 형태의 결빙위험 구간자료로 변환하고, 지도 도식을 규격을 적용(S407)하여 도로결빙구간 위험지도를 생성하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 다중파장대역 영상은 열적외선 대역 영상 또는 가시영역대의 파장대를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 결빙위험성이 높은 온도는 0℃이하로 설정하여 결빙위험구간을 추출하는 것을 특징으로 하는 방법.