KR101116462B1 - 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치 - Google Patents

원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법은 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계와, S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계와, S2단계에서 분석된 상관관계와, S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도,엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계와, S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계와, S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치는 원격탐사 데이터의 영상밴드를 이용하여 실측된 수계와 영상밴드 사이의 상관관계를 도출하고, 도출된 상관관계를 통하여 수계의 전 지역의 수질평가를 가능하게 하는 효과가 있다.
원격탐사, 수질모니터링, 부영양화지수, 총인 농도, 엽록소 a 농도

Description

원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WATER QUALITY MONITORING USING REMOTE SENSING TECHNIQUE}
본 발명은 수질 모니터링 방법 및 수질 모니터링 장치에 관한 것이다. 구체적으로 원격탐사 자료를 이용하여 수질을 모니터링 하는 방법 및 장치에 관한 분야이다.
종래의 광역 수계에 대한 수질 검사방식은 주로 지형이나 수계 특성상 몇 개의 주요 조사지점을 대상으로 측정된 수질자료로부터 평가하고 있는 실정이다.
이러한 수질 검사방식은 수계 전반에 대한 종합적인 수질을 파악하기 어려운 문제가 있었으며, 종합적인 수질을 파악하기 위해서는 수계 전반을 대상으로 하는 수질조사가 수행되어야 하므로 상당한 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치는 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
첫째, 원격탐사 데이터를 이용하여 수계 전반의 종합적인 수질평가 및 모니터링이 가능하게 하고자 한다.
둘째, 수질평가의 인자별로 수계 전반의 평가가 가능하게 하고자 한다.
셋째, 상시적인 수질 모니터링이 가능하게 하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법은 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용하는 것으로 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계와, S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계와, S2단계에서 분석된 상관관계와, S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계와, S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계와, S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함한다.
이때, S2단계에서, 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도, 총인(T-P) 농도 또는 정규수질평가지수(normalized water quality assessment index) 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, S2단계에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 1을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112009077478512-pat00001
SDT : 실측데이터의 투명도
Figure 112009077478512-pat00002
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00003
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1, a2 : 모회귀계수
또한, S2단계에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 2를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
[수학식 2]
Figure 112009077478512-pat00004
Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도
Figure 112009077478512-pat00005
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00006
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00007
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1, a2 : 모회귀계수
또한, S2단계에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 3을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
[수학식 3]
Figure 112009077478512-pat00008
TP : 실측데이터의 총인 농도
Figure 112009077478512-pat00009
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1 : 모회귀계수
또한, S5단계에서 기준값을 입력받고, S4단계에서 결정된 부영양화지수와 비교하여, 부영양화지수가 기준값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 부영양화지수가 기준값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단하는 것이 바람직하다.
또한, S5단계에는 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송하는 S6단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, S1단계는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 S1a 단계와, S1a단계를 거친 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 S1b단계와, S1b단계를 거친 영상데이터로부터 영상데이터 내 영상밴드의 밝기값을 정규화하는 S1c단계와, S1c단계를 거친 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정을 수행하는 S1d단계를 포함한다.
또한, S1c단계에서 S1b단계를 거친 영상데이터가 단일영상데이터인 경우, 영상데이터 내 밴드 사이의 밝기값 히스토그램을 조정하여 정규화하는 것이 바람직하다.
또한, S1c단계에서 S1b단계를 거친 영상데이터가 다중영상데이터인 경우, 다중영상데이터 내에서 의사불변형상(pseudo-invariant features)을 선정하여 다중 영상데이터 간 정규화를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, S1d단계를 거친 영상데이터의 수계(水系)영역을 추출하는 S1e단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, S1e 단계는 S1d단계를 거친 영상데이터의 근적외선 영역의 밴드를 이용하는 것이 바람직하다.
원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용하는 것으로, 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 영상밴드 추출부와, 영상밴드 추출부에서 추출된 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부와, 상관관계 분석부에서 분석된 상관관계를 이용하여, 영상밴드가 추출된 영상데이터의 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 부영양화지수 결정부와, 기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 부영양화지수 결정부에서 결정된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력하는 수질평가부와, 수질평가부에서 출력된 수질을 전송하는 전송부를 포함한다.
또한, 상관관계 분석부에서 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도 또는 총인(T-P) 농도 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 4를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
[수학식 4]
Figure 112009077478512-pat00010
SDT : 실측데이터의 투명도
Figure 112009077478512-pat00011
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00012
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1, a2 : 모회귀계수
또한, 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 5를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
[수학식 5]
Figure 112009077478512-pat00013
Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도
Figure 112009077478512-pat00014
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00015
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00016
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1, a2 : 모회귀계수
또한, 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 6을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
[수학식 6]
Figure 112009077478512-pat00017
TP : 실측데이터의 총인 농도
Figure 112009077478512-pat00018
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1 : 모회귀계수
여기서, 영상밴드 추출부는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 기하보정처리부와, 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 대기보정처리부와, 영상데이터로부터 영상데이터 내 밴드의 밝기값을 정규화하는 정규화처리부와, 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정처리부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치는 원격탐사 데이터의 영상밴드를 이용하여 실측된 수계와 영상밴드 사이의 상관관계를 도출하고, 도출된 상관관계를 통하여 수계의 전 지역의 수질평가를 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 투명도, 엽록소 a, 총인 농도 등과 같은 수질평가의 인자별로 수계 전반의 수질평가가 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 평가된 수질정보를 사용자에게 전송할 수 있도록 함으로써 상시적인 수질 모니터링이 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법에 관하여 구체적으로 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법의 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터로부터 영상밴드를 결정하는 방법에 관한 순서도이다.
본 발명에 따른 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정하는 S1단계는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정한다.
이러한 영상밴드의 결정방법은 다양한 방법으로 수행될 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 영상밴드 결정방법은 도 2에 도시된 보정순서에 따라 수행된다.
우선 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정(S1a단계)하고, 영상데이터의 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환한 뒤 반사도로 변환하여 절대 대기보정(S1b)하며, 영상밴드 내 밝기값을 정규화하고(S1c단계), 방사보정(S1d)을 수행하여 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정한다.
기하보정(S1a단계)은 인공위성 또는 항공기를 통해 촬영된 영상데이터에 포 함되어 있는 기하학적 왜곡을 제거하는 보정으로, 명확하게 식별되는 지상기준점(Ground Control Points, GCPs)을 선정하여 1:5000 수치지형도나 GPS 측량 등을 통해 3차원 좌표를 취득한 후 아핀변환(affine transformation) 등을 통해 영상데이터의 기하학적 왜곡을 제거한다.
절대 대기보정(S1b단계)은 영상데이터에 포함되어 있는 대기에 의한 영향을 제거하는 보정으로, 원격탐사 영상데이터의 각 픽셀의 밝기값(Digital Number; DN)으로부터 센서에서 감지한 방사휘도(radiance)를 계산하고 이를 다시 수계영역에 대한 비율표면 반사도(reflectance)로 변환한다.
이러한 방사휘도 전환은 수학식 1에 의해 수행되며, 반사도 전환은 수학식 2에 의해 수행된다.
Figure 112009077478512-pat00019
여기서
QCAL : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 측정값(quantized calibrated pixel value in DN)
QCALMAX : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 최대 측정값(maximum quantized pixel value(DN=225) corresponding to Lmax)
Lmax : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 최대 측정값에 대해 조정된 분광스펙트럼(spectral radiance that is scaled to QCALMAX)
Lmin : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 최소 측정값에 대해 조정된 분광스펙트럼(spectral radiance that is scaled to QCALMIN)
를 의미한다.
Figure 112009077478512-pat00020
여기서,
θ : 원격데이터를 획득한 시점에서 태양의 고도
ESUN : 평균태양조도
D : 태양과 지구 사이의 정규화된 거리
를 의미한다.
반사로도 변환하는 과정에서 수계의 부유물질, 온도, 생물량과 같은 생물리적 인자를 정확하게 추출하기 위해 원격탐사데이터 수집 당시의 대기 상황을 현장 에서 분광복사계(spectroradiometer)와 같은 탐측장비를 통해 수집하고, 원격탐사데이터로부터 대기의 흡수 및 산란 특성을 추정하는 방사전달모델을 이용하여 원격탐사데이터의 절대 대기보정(S1b단계)을 수행한다.
정규화(S1c단계)는 영상데이터 내 영상밴드의 밝기값을 동일한 대기 조건이나 같은 센서로 취득된 자료의 형태로 보정하는 것이다.
영상테이터가 단일영상데이터인 경우, 대기 산란효과로 인하여 가시광선 영역에서 최소 밝기값이 증가하면서 발생한 대기효과를 영상데이터 내 영상 밴드들 간의 밝기값 히스토그램의 조정을 통해 정규화한다.
영상데이터가 다중영상데이터인 경우, 영상데이터 내에서 기준 영상데이터와 적절한 의사불변형상(Pseudo-Invariant Features, PIF)을 선정한 후, 다중시기의 원격탐사 자료별로 서로 다른 태양고도, 대기조건, 지표면 피복 상태 등으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 기준영상데이터의 PIF와 기준영상데이터와 다른 시기 영상데이터의 PIF 간의 분광특성을 선형 회귀분석을 통해 정규화(Normalization)를 수행한다.
이때, 다중영상영상데이터의 상관관계는 상호 대응하는 화소단위로 계산하거나 정방형의 다중 화소 격자(grid)들의 평균 밝기값을 계산하여 수행한다.
선형 회귀모델식의 계수는 최소제곱법(Least Square Method)으로 추정하고 결정계수를 이용하여 상관성을 평가한다.
최소 제곱법에 의한 잔차와 과대 오차 추정은 신뢰도가 높은 표준잔차(Standardized residual)를 이용하여 과대오차를 제거하는 통계적인 기법을 수행한다.
방사보정(S1d단계)는 태양의 고도, 지형, 안개, 에어로졸 등의 대기 조건, 센서의 반응 등과 같은 여러 가지 영향 인자로 인해 나타나는 영상데이터의 왜곡을 보정하는 것을 말한다.
본 실시예의 방사보정(S1d단계)은 정규화된 원격탐사 영상데이터에 대해 각 영상밴드에서 표준적인 동일 대상물(깊은 물 지역과 같은 어두운 대상물)를 선정, 추출하고, 아래의 수학식 3과 같이, 주변의 히스토그램을 분석하여 최소 밝기값을 결정한 뒤, 이를 원래 밝기값에서 차감하여 대기 산란의 영향을 줄이는 어두운 대상물 추출(Dark Object Subtraction, DOS)기법으로 대기효과에 의한 왜곡을 감소시킨다.
Figure 112009077478512-pat00021
여기서,
BVmin : 최소 밝기값
BVinput : 영상데이터의 밝기값
BVoutput : 방사보정된 영상데이터의 밝기값
을 의미한다.
앞에서 언급한 S1a ~ S1d 단계로 이루어진 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정하는 S1단계에는 영상데이터의 수계(水系)영역을 추출하는 S1e단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명에 있어 S1e단계는 영상데이터에서 수계영역을 추출하는 단계로, 영상데이터에는 수계영역을 포함한 지리적데이터가 존재하므로 영상의 가시적인 판별효과를 향상시키고 분석을 보다 용이하게 수행하기 위해서는 영상데이터로부터 수계영역의 데이터만을 추출하는 것이 바람직하다.
이러한 S1e 단계는 다양한 방식으로 수행될 수 있으나, 본 발명에 따른 S1e단계는 S1d단계를 거친 영상데이터의 근적외선 영역의 밴드를 이용하여 수계영역을 추출한다.
영상데이터에 있어서, 수역(水域)과 육역(陸域)의 경우, 영상밴드 중 근적외선영역의 밴드의 자료의 대비가 뚜렷하므로, 근적외선 영역의 밴드 자료를 이용하여 마스크 필터링(mask filtering)과 이웃 화소들의 밝기값을 고려하여 컨볼루션 필터링(convolution filtering)을 수행하여 영상으로부터 수계 영역을 추출한다
앞에서 언급된 S1단계를 거친 영상데이터는 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 양 데이터 사이의 상관관계를 분석하는 S2단계를 수행하게 된다.
본 발명에 있어 영상데이터와 실측데이터의 비교는 각 데이터에 포함되어 있는 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인농도와 같은 비교대상 인자 중 적어도 어느 하나를 선정하여 수행하게 된다.
비교대상 인자가 투명도인 경우, 영상데이터와 실측데이터의 비교를 통해 얻어지는 상관관계분석은 수학식 4를 이용하여 수행된다.
Figure 112009077478512-pat00022
여기서
SDT : 실측데이터의 투명도
Figure 112009077478512-pat00023
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00024
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1, a2 : 모회귀계수
를 의미한다.
이러한 수학식 4에 의하여 모회귀계수 a0, a1, a2가 결정된다.
모회귀계수 a0, a1, a2가 결정되면, 수학식 4는 BandBlue와 BandRed의 함수식으로 표현되며, S3단계에서 실측되지 않은 수계에 관한 S1단계를 거친 영상밴드를 BandBlue와 BandRed의 함수식에 대입하면 실측되지 않은 수계의 투명도를 획득할 수 있다.
비교대상 인자가 엽록소 a 농도인 경우, 영상데이터와 실측데이터의 비교를 통해 얻어지는 상관관계분석은 수학식 5를 이용하여 수행된다.
Figure 112009077478512-pat00025
여기서,
Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도
Figure 112009077478512-pat00026
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00027
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-pat00028
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1, a2 : 모회귀계수
를 의미한다.
이러한 수학식 5에 의하여 모회귀계수 a0, a1, a2가 결정된다.
모회귀계수 a0, a1, a2가 결정되면, 수학식 5는 BandBlue와 Bandgreen 및 BandNIR의 함수식으로 표현되며, S3단계에서 실측되지 않은 수계에 관한 S1단계를 거친 영상밴드를 BandBlue와 Bandgreen 및 BandNIR의 함수식에 대입하면 실측되지 않은 수계의 엽록소 a의 농도를 획득할 수 있다.
또한, 비교대상 인자가 총인 농도인 경우, 영상데이터와 실측데이터의 비교를 통해 얻어지는 상관관계분석은 수학식 6을 이용하여 수행된다.
Figure 112009077478512-pat00029
여기서,
TP : 실측데이터의 총인 농도
Figure 112009077478512-pat00030
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
a0, a1 : 모회귀계수
를 의미한다.
이러한 수학식 6에 의하여 모회귀계수 a0, a1가 결정된다.
모회귀계수 a0, a1가 결정되면, 수학식 6은 Bandred의 함수식으로 표현되며, S3단계에서 실측되지 않은 수계에 관한 S1단계를 거친 영상밴드를 Bandred의 함수식에 대입하면 실측되지 않은 수계의 총인 농도를 획득할 수 있다.
S3단계를 통하여 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도에 관한 데이터가 결정되면, 다음과 같은 S4단계를 통하여 영상데이터의 부영양화지수를 결정할 수 있다.
칼슨(Carlson)이나 아이자키(Aizaki) 등이 제안한 부영양화지수(Trophic State Index; TSI)의 대수 변환식을 이용하여 선택된 인자에 따라 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도, 총질소 농도 등을 정량적으로 결정할 수 있다.
수계의 부영양화지수가 결정되면, S5단계에서 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가할 수 있게 된다.
부영양화지수를 통한 수질의 평가는 S5단계에서 부영양화와 빈영양화의 경계값인, 기준값을 입력받고, S4단계에서 결정된 부영양화지수와 비교하여, 부영양화 지수가 기준값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 부영양화지수가 기준값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단하는 방법을 통해 수행된다.
이 경우 기준값은 하나의 정량화된 값을 나타낼 수도 있으나, 상한과 하한을 갖는 범위로 나타낼 수도 있다.
S6단계는 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 사용자의 단말기로 전송하는 단계로, 사용자의 컴퓨터 또는 휴대폰과 같은 무선 단말기로, S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송한다.
이렇게 전송된 결과를 통해 사용자는 수계의 오염 정도를 모니터링 할 수 있다.
또한, 전송된 결과를 지형공간정보체계를 통해 시각화하여 수계의 어느 영역이 부영양화되어 있고, 어느 영역이 빈영양화 되어 있는지 모니터링할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 영상밴드 추출부(10)의 구성도이다.
본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치는 영상밴드 추출부(10)와, 상관관계 분석부(20), 부영양화지수 결정부(30), 수질평가부(40) 및 전송부(50)로 이루어진다.
본 발명에 따른 영상밴드 추출부(10)는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 기능을 한다.
영상밴드 추출부(10)에서 추출된 영상밴드는 가시광선 영역의 영상밴드와 근적외선 영역의 영상밴드를 추출한다.
이러한 기능을 수행하는 영상밴드 추출부(10)를 보다 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 영상밴드 추출부(10)는 기하보정처리부(11)와, 대기보정 처리부(12), 정규화처리부(13) 및 방사보정처리부(14)로 이루어진다.
본 발명에 따른 기하보정처리부(11)는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정 하는 것으로, 영상데이터에서 명확하게 식별되는 지상기준점(Ground Control Points; GCPs)을 선정하여 1:5000 수치지형도나 GPS 측량 등을 통해 3차원 좌표를 취득한 후 아핀변환(affine transformation) 등을 통해 영상데이터의 기하학적 왜곡을 제거한다.
본 발명에 따른 대기보정 처리부(12)는 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 것으로, 앞에서 설명한 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 영상데이터로부터 절대대기 보정을 한다.
본 발명에 따른 정규화처리부(13)는 영상데이터로부터 영상데이터 내 밴드의 밝기값을 정규화한다.
정규화처리부(13)에서 처리되는 영상데이터가 영상테이터가 단일영상데이터인 경우, 대기 산란효과로 인하여 가시광선 영역에서 최소 밝기값이 증가하면서 발생한 대기효과를 영상데이터 내 영상 밴드들 간의 밝기값 히스토그램의 조정을 통해 정규화한다.
반면에 정규화처리부(13)에서 처리되는 영상데이터가 다중영상데이터인 경우, 영상데이터 내에서 기준 영상데이터와 적절한 의사불변형상(Pseudo-Invariant Features, PIF)을 선정한 후, 다중시기의 원격탐사 자료별로 서로 다른 태양고도, 대기조건, 지표면 피복 상태 등으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 기준영상데이터의 PIF와 기준영상데이터와 다른 시기 영상데이터의 PIF 간의 분광특성을 선형 회귀분석을 통해 정규화(Normalization)를 수행한다.
이때, 다중영상영상데이터의 상관관계는 상호 대응하는 화소단위로 계산하거나 정방형의 다중 화소 격자(grid)들의 평균 밝기값을 계산하여 수행한다.
선형 회귀모델식의 계수는 최소제곱법(Least Square Method)으로 추정하고 결정계수를 이용하여 상관성을 평가한다. 최소 제곱법에 의한 잔차와 과대 오차 추정은 신뢰도가 높은 표준잔차(Standardized residual)를 이용하여 과대오차를 제거 한다.
본 발명에 따른 방사보정처리부(14)는 태양의 고도, 지형, 안개, 에어로졸 등의 대기 조건, 센서의 반응 등과 같은 여러 가지 영향 인자로 인해 나타나는 영상데이터의 외곡을 보정하는 것으로, 각 영상밴드에서 표준적인 동일 대상물(깊은 물 지역과 같은 어두운 대상물)를 선정, 추출하고, 앞에서 설명한 수학식 3을 이용하여 대기효과에 의한 왜곡을 감소시킨다.
기하보정처리부(11)와, 대기보정 처리부(12), 정규화처리부(13) 및 방사보정처리부(14)로 이루어진 영상밴드 추출부(10)는 원격탐사에 의해 획득된 영상을 가시광선 영역의 영상밴드와 근적외선 영역의 영상밴드로 추출한다.
상관관계 분석부(20)는 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출하는 기능을 한다.
이러한 상관관계 분석부(20)는 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터 중 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 인자를 선택하여, 선택된 인자에 대응되는 상관관계식을 추출한다.
투명도가 인자로 선택되는 경우, 상관관계 분석부(20)는 앞에서 설명한 수학식 4를 이용하여 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분 석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출한다.
엽록소 a가 인자로 선택되는 경우, 상관관계 분석부(20)는 앞에서 설명한 수학식 5를 이용하여 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출한다.
총인 농도가 인자로 선택되는 경우, 상관관계 분석부(20)는 앞에서 설명한 수학식 6를 이용하여 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출한다.
본 발명에 따른 부영양화지수 결정부(30)는 상관관계 분석부(20)에서 추출된 상관관계식에 영상데이터의 영상밴드를 적용하여, 실측되지 않은 수계를 포함하는 수계 전 영역의 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도를 연산한다.
이때 연산되는 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도는 상관관계 분석부(20)에서 선택된 인자에 대응되는 것으로, 예를 들어 상관관계 분석부(20)에서 투명도를 인자로 선택한 경우, 투명도의 농도를 연산하게 된다.
연산된 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도는 칼슨(Carlson)이나 아이자키(Aizaki) 등이 제안한 부영양화지수(Trophic State Index; TSI)의 대수 변환식을 이용하여 부영양화지수로 정량화된다.
본 발명에 따른 수질평가부(40)는 기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 부 영양화지수 결정부(30)에서 정량화된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력한다.
입력된 부영화지수값은 수계의 부영양화와 빈영양화의 경계가 되는 값으로, 입력된 부영양화지수값이 부영양화지수 결정부(30)에서 정량화된 부영양화지수와 비교하여, 정량화된 부영양화지수가 입력된 부영양화지수값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 정량화된 부영양화지수가 입력된 부영양화지수값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단한다.
이러한 수질평가부(40)에서의 판단은 수계에 대응되는 원격탐사 데이터를 이용하여 수행되므로 실제 측정되지 않은 수계의 수질을 포함하여 전 영역의 수질을 평가하여 출력한다.
본 발명에 따른 전송부(50)는 부영양화지수(30)에서 정량화된 부영양화지수와 수질평가부(40)에서 출력된 수계의 수질을 사용자의 컴퓨터 또는 휴대폰과 같은 무선 단말기로 전송한다.
이렇게 전송된 결과를 통해 사용자는 수계의 오염 정도를 모니터링 할 수 있으며, 전송된 결과를 지형공간정보체계를 통해 시각화하여 수계의 어느 영역이 부영양화되어 있고, 어느 영역이 빈영양화되어 있는지 모니터링할 수도 있다.
본 발명에 따른 전송부(50)는 앞에서 설명한 것과 같이, 독립된 단말기로 정량화된 부영양화지수 및 수계의 수질 정보를 전송하나, 반드시 독립된 단말기로 정 량화된 부영양화지수 및 수계의 수질 정보를 전송할 필요는 없으며, 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치에 별도의 디스플레이부를 설치하여, 설치된 디스플레이부에 정량화된 부영양화지수 및 수계의 수질 정보를 전송할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 영상밴드를 결정하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 영상밴드 추출부의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 관한 부호의 설명>
10 : 영상밴드 추출부 11 : 기하보정처리부
12 : 대기보정처리부 13 : 정규화처리부
14 ; 방사보정처리부 20 : 상관관계 분석부
30 : 부영양화지수 결정부 40 : 수질평가부
50 : 전송부
S1 : 영상밴드 결정
S1a : 기하보정 S1b : 절대대기보정
S1c : 정규화 S1d : 방사보정
S2 : 상관관계분석
S3 : 실측되지 않는 수계의 데이터 획득
S4 : 부영양화지수 결정
S5 : 수질평가
S6 : 전송

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법으로서,
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계;
    상기 S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계;
    상기 S2단계에서 분석된 상관관계와, 상기 S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계;
    상기 S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계; 및
    상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함하되,
    상기 S2단계에서, 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는
    투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도, 총인(T-P) 농도 또는 정규수질평가지수(normalized water quality assessment index) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 S2단계에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우,
    상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
    Figure 112011071556718-pat00031
    SDT : 실측데이터의 투명도
    Figure 112011071556718-pat00032
    : 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    Figure 112011071556718-pat00033
    : 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    a0, a1, a2 : 모회귀계수
  3. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법으로서,
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계;
    상기 S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계;
    상기 S2단계에서 분석된 상관관계와, 상기 S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계;
    상기 S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계; 및
    상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함하되,
    상기 S2단계에서, 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는
    투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도, 총인(T-P) 농도 또는 정규수질평가지수(normalized water quality assessment index) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 S2단계에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우,
    상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
    Figure 112011071556718-pat00034
    Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도
    Figure 112011071556718-pat00035
    : 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    Figure 112011071556718-pat00036
    : 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    Figure 112011071556718-pat00037
    : 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
    a0, a1, a2 : 모회귀계수
  4. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법으로서,
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계;
    상기 S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계;
    상기 S2단계에서 분석된 상관관계와, 상기 S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계;
    상기 S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계; 및
    상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함하되,
    상기 S2단계에서, 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는
    투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도, 총인(T-P) 농도 또는 정규수질평가지수(normalized water quality assessment index) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 S2단계에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우,
    상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
    Figure 112011071556718-pat00038
    TP : 실측데이터의 총인 농도
    Figure 112011071556718-pat00039
    : 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    a0, a1 : 모회귀계수
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 S5단계에서 기준값을 입력받고, 상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수와 비교하여, 상기 부영양화지수가 상기 기준값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 상기 부영양화지수가 상기 기준값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 S5단계에는
    상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 상기 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송하는 S6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 S5단계에는
    상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 상기 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송하는 S6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 S1단계는
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 S1a 단계와,
    상기 S1a단계를 거친 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 S1b단계와,
    상기 S1b단계를 거친 영상데이터로부터 영상데이터 내 영상밴드의 밝기값을 정규화하는 S1c단계; 및
    상기 S1c단계를 거친 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정을 수행하는 S1d단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 S1c단계에서
    상기 S1b단계를 거친 영상데이터가 단일영상데이터인 경우,
    영상데이터 내 밴드 사이의 밝기값 히스토그램을 조정하여 정규화하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 S1c단계에서
    상기 S1b단계를 거친 영상데이터가 다중영상데이터인 경우,
    다중영상데이터 내에서 의사불변형상(pseudo-invariant features)을 선정하여 다중 영상데이터 간 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 S1d단계를 거친 영상데이터의 수계(水系)영역을 추출하는 S1e단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 S1e 단계는 S1d단계를 거친 영상데이터의 근적외선 영역의 밴드를 이용하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치로서,
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 영상밴드 추출부;
    상기 영상밴드 추출부에서 추출된 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부;
    상기 상관관계 분석부에서 분석된 상관관계를 이용하여, 상기 영상밴드가 추출된 영상데이터의 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 부영양화지수 결정부;
    기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 상기 부영양화지수 결정부에서 결정된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력하는 수질평가부; 및
    상기 수질평가부에서 출력된 수질을 전송하는 전송부를 포함하되,
    상기 상관관계 분석부에서 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도 또는 총인(T-P) 농도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우,
    상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.
    Figure 112011071556718-pat00040
    SDT : 실측데이터의 투명도
    Figure 112011071556718-pat00041
    : 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    Figure 112011071556718-pat00042
    : 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    a0, a1, a2 : 모회귀계수
  16. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치로서,
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 영상밴드 추출부;
    상기 영상밴드 추출부에서 추출된 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부;
    상기 상관관계 분석부에서 분석된 상관관계를 이용하여, 상기 영상밴드가 추출된 영상데이터의 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 부영양화지수 결정부;
    기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 상기 부영양화지수 결정부에서 결정된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력하는 수질평가부; 및
    상기 수질평가부에서 출력된 수질을 전송하는 전송부를 포함하되,
    상기 상관관계 분석부에서 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도 또는 총인(T-P) 농도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우,
    상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.
    Figure 112011071556718-pat00043
    Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도
    Figure 112011071556718-pat00044
    : 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    Figure 112011071556718-pat00045
    : 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    Figure 112011071556718-pat00046
    : 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
    a0, a1, a2 : 모회귀계수
  17. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치로서,
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 영상밴드 추출부;
    상기 영상밴드 추출부에서 추출된 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부;
    상기 상관관계 분석부에서 분석된 상관관계를 이용하여, 상기 영상밴드가 추출된 영상데이터의 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 부영양화지수 결정부;
    기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 상기 부영양화지수 결정부에서 결정된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력하는 수질평가부; 및
    상기 수질평가부에서 출력된 수질을 전송하는 전송부를 포함하되,
    상기 상관관계 분석부에서 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도 또는 총인(T-P) 농도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우,
    상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.
    Figure 112011071556718-pat00047
    TP : 실측데이터의 총인 농도
    Figure 112011071556718-pat00048
    : 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
    a0, a1 : 모회귀계수
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 영상밴드 추출부는
    원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 기하보정처리부;
    상기 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 대기보정처리부;
    상기 영상데이터로부터 영상데이터 내 밴드의 밝기값을 정규화하는 정규화처리부; 및
    상기 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.
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