KR101219508B1 - A System and method for Dust event-dection - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템에 관한 것이다. 특히 황사가 발생한 임의 해상 지역에서 정지궤도 위성의 적외선 채널 11㎛, 12㎛으로 각각 관측한 밝기 온도에 대한 위성영상 자료를 이용한다.
더욱 상세하게 설명하면, 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도의 비율로써 방출율을 구하고, 그 방출율을 반사도로 변환한 다음에, 전자기파의 편광 성질을 이용하여 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하고, 황사의 성분과 수증기나 구름의 성분이 다르다는 사실을 이용하여, 황사를 탐지하는 방법이다. 본 발명에 따르면, 이 분해된 두 반사도를 이용하고, 물질의 고유 성질인 굴절 지수가 황사와 수증기가 다르다는 것을 이용하면 바다 위의 황사를 탐지할 수 있다. The present invention relates to a yellow dust detection system through unpolarized infrared reflectance decomposition. In particular, we use satellite image data of the brightness temperature observed in the infrared channels 11㎛ and 12㎛ of the geostationary satellite in any sea area where yellow dust occurred.
In more detail, the emission rate is obtained by the ratio of the luminance temperature and the sea surface temperature observed in the satellite, the emission rate is converted into the reflectivity, and then two reflectances are calculated using the polarization property of the electromagnetic wave, It is a method of detecting yellow dust by using the fact that the composition of water vapor and cloud of water is different. According to the present invention, by using the two resolved reflectances, and using the indices of refraction of yellow dust and water vapor, which are intrinsic properties of the material, yellow dust on the sea can be detected.
Description
본 발명은 인공위성을 통한 황사탐지법을 구현하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a method and system for implementing yellow dust detection using satellites.
황사는 중국 북부 황토 지대의 미세한 모래 먼지가 바람에 의하여 대기 중에 떠다니는 것으로서, 우리나라에는 주로 3～4월에 집중적으로 나타나고 있는데 근자에는 그 빈도뿐 아니라 강도에 있어서도 꽤 심각하여 인명사상까지 초래하고 있어 세계 각국은 막대한 비용을 투자하여 황사가 발생하는 경우 이를 적극적으로 탐지하기 위해 노력하고 있다. 황사의 탐지는 종래부터 지속적으로 수행하고 있는 지상 관측뿐만 아니라 위성을 통한 관측도 동시에 수행하고 있는데, 근자 전 지구 규모의 황사 분포를 측정하고 그 이동을 정확하게 예측하기 위하여 위성을 이용한 황사 관측이 더욱 중요해지고 있다.Yellow sand is a fine sand dust in the northern part of China, which floats in the atmosphere by the wind. It is mainly concentrated in Korea from March to April. In recent years, yellow sand is quite serious not only in frequency but also in intensity, causing human death. Countries around the world are investing huge amounts of money to actively detect when yellow dust occurs. The detection of yellow dust is carried out not only by ground observation but also by satellite, which is continuously performed in the past. Is getting.
위성을 이용한 황사 탐지는 자외선, 가시광선, 적외선 등과 같이 여러 파장대를 통하여 다양하게 이루어지고 있으나 가장 널리 이용되고 있는 것은 가시광선을 이용하는 방식이다. 그러나 가시광선은 자외선에 비하여 상대적으로 높은 지표 반사도로 인해 사막과 같은 지역에서는 매우 낮은 민감도를 가지기 때문에 가시광선을 이용하는 경우에는 황사 탐지가 지표 반사도가 낮은 해양 지역 또는 육지의 식생 지역에 한정되는 단점이 있다는 것이 알려져 있다(King et al. 1999/Torres et al. 2002).Yellow dust detection using satellites is made through various wavelength bands such as ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays, but the most widely used method is using visible rays. However, visible light has a very low sensitivity in areas such as deserts because of its relatively high surface reflectivity compared to ultraviolet light. Is known (King et al. 1999 / Torres et al. 2002).
한편, 적외선은 자외선 및 가시광선에 비하여 높은 지표 반사도를 가진 지역과 야간 시간대에도 황사를 적극적으로 탐지할 수 있는 장점이 있으며, 이 중에서 대기의 창 영역에 해당하는 3.7㎛, 11㎛, 12㎛ 파장대의 채널에 의해 측정된 밝기 온도 차이(Brightness Temperature Difference 또는 BTD) 방법을 주로 이용하여 황사를 탐지하고 있는데, 3.7㎛ 및 11㎛ 파장대의 밝기 온도 차이를 이용한 황사 탐지 방법(Ackerman. 1989)과 11㎛ 및 12㎛ 파장대의 밝기 온도 차이를 이용한 황사 탐지 방법(Prata. 1989) 등이 알려져 있다. 그러나 적외선은 지표의 온도 및 방출율, 수증기의 분포 등에 민감하기 때문에 매우 제한적으로 이용되고 있으며, 특히 3.7㎛ 파장대는 태양과 위성의 고도 등에 따라 상당한 오차를 유발할 수 있는 개연성을 내포하고 있으며, 11㎛ 및 12㎛ 파장대에서 측정된 밝기 온도 차이를 MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)에 적용하여 동아시아지역의 황사를 측정해 본 결과 지표와 대기의 상태에 따라 10 - 40% 정도의 오차가 발생할 수 있음이 알려졌다(Gu et al. 2003).On the other hand, infrared rays have the advantage of actively detecting yellow dust even in areas with high surface reflectivity and at night time, compared to ultraviolet rays and visible rays, among which the wavelength range of 3.7㎛, 11㎛, 12㎛ corresponding to the window area of the atmosphere Yellow dust is detected using the Brightness Temperature Difference (BTD) method measured by the channel of. The yellow dust detection method using the brightness temperature difference of 3.7 ㎛ and 11 ㎛ wavelength band (Ackerman. 1989) and 11 ㎛ And a yellow dust detection method (Prata. 1989) using a brightness temperature difference of a 12 탆 wavelength band are known. However, infrared rays are very limited because they are sensitive to surface temperature, emission rate, and water vapor distribution, and especially the 3.7㎛ wavelength band has a probability of causing considerable error depending on the altitude of the sun and satellites. The measurement of the yellow dust in East Asia using the MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), which measured the temperature difference of the brightness in the 12㎛ wavelength band, showed that errors of about 10 to 40% may occur depending on the surface and atmospheric conditions. Gu et al. 2003).
이러한 오차를 해소하기 위한 대안으로, 최근에는 적외선 파장대를 이용하여 황사 탐지가 곤란한 육지 지역과 야간 시간대 황사 존재 유무를 적은 오차 범위 내에서 효율적으로 탐지한 다음 황사의 강도 및 범위를 0 - 100의 척도로 변환시켜 시각적으로 나타낼 수 있도록 해줌으로써 황사에 의한 영향 여부를 제시하는 기술(등록특허 제10-0785630호)이 제시되기도 하였다.As an alternative to remedy these errors, the infrared wavelength band has recently been used to efficiently detect the presence of yellow dust in the land area and night time where it is difficult to detect yellow dust, and to measure the intensity and range of the yellow dust from 0 to 100. It has been proposed a technology (Registered Patent No. 10-0785630) suggesting whether or not affected by yellow sand by converting to a visual representation.
그러나 이러한 다양한 인공위성 원격 탐사에 쓰이는 적외선 센서들의 대부분은 지구에서 나오는 전자기파의 편광적 성질을 관측하지 못하는 문제가 있다. 또한, 기존의 인공위성을 이용한 황사 탐지법은 주로 채널별 휘도 온도차이 또는 광학적 두께를 이용하나, 이러한 방법은 바다 위에 떠있는 황사를 탐지하는데 정확도와 특성탐지 등에 많은 문제점이 있었다. 특히 수증기가 많거나 구름이 있는 곳에서의 황사탐지는 거의 할 수가 없었다.However, most of the infrared sensors used for remote sensing of various satellites have a problem that they cannot observe the polarization property of electromagnetic waves coming from the earth. In addition, the conventional method for detecting yellow dust using satellites mainly uses a luminance temperature difference or optical thickness for each channel, but this method has many problems such as accuracy and characteristic detection in detecting yellow dust floating on the sea. In particular, the yellow dust detection in the place where there was a lot of steam or a cloud was impossible.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도의 비율로써 방출율을 구하고, 그 방출율을 반사도로 변환한 다음, 전자기파의 편광 성질을 이용하여 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하고, 황사의 성분과 수증기나 구름의 성분이 다르다는 사실을 이용하여, 보다 효율적이고 정밀한 정확도를 가지고 황사를 탐지할 수 있는 황사탐지 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain the emission rate by the ratio of the luminance temperature and the sea level temperature observed in the satellite, convert the emission rate to reflectivity, and then change the polarization property of the electromagnetic wave. To calculate the two reflectivity and use the fact that the composition of yellow dust and water vapor or cloud are different, to provide yellow dust detection system and method that can detect yellow dust with more efficient and precise accuracy. have.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 인공위성의 관측센서에서 측정되는 임의의 해상지역의 측정 대상 물질의 방출율(E)을 도출하는 방출율 측정연산부; 상기 방출율로부터 비편광반사도(R)를 산출하는 비편광반사도측정부; 상기 산출된 물질의 비편광반사도(R)를 분해하여 물질에서 방출되는 수직편광성분 또는 수평편광성분을 추출하는 연산부; 상기 수직편광성분 또는 수평편광성분의 반사도를 이용하여 황사와 구름의 경계 값을 결정하여 황사 현상의 발생 여부를 결정하는 황사탐지부;를 포함하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템을 제공할 수 있도록 한다.In order to solve the above problems, the present invention is an emission rate measurement calculation unit for deriving the emission rate (E) of the measurement target material of any sea area measured by the satellite sensor; A non-polarization reflectivity measuring unit for calculating a non-polarization reflectivity R from the emission rate; A calculation unit which decomposes the calculated non-polarization reflectivity R of the material and extracts a vertical polarization component or a horizontal polarization component emitted from the material; The yellow dust detection unit for determining whether or not the occurrence of yellow dust phenomenon by determining the boundary value of the yellow dust and clouds using the reflectance of the vertical polarization component or the horizontal polarization component to provide a yellow dust detection system by decomposing the polarized infrared reflectance To help.
특히, 상술한 시스템에서 상기 측정연산부는, 측정 대상물질의 휘도 온도와 해수면 온도를 이용하되, 상기 해수면 온도는, 아래의 {식 1}에 의해 도출될 수 있다.In particular, in the above-described system, the measurement operation unit uses the luminance temperature and the sea surface temperature of the measurement target material, and the sea surface temperature may be derived by the following {Formula 1}.
{식 1}{1}
(단, Ts는 해수면 섭씨 온도, Tb11은 MTSAT-1R의 적외채널 11㎛ (IR1)에서 관측된 휘도 온도, Tb12은 MTSAT-1R의 센서의 12㎛(IR2)에서 관측된 휘도 온도, θ는 위성천정각이며, a, b, c, d는 회귀계수이다.)(Ts is the sea level Celsius temperature, Tb 11 is the luminance temperature observed in the
또한, 상기 측정연산부에서는 상기 방출율(E)을 하기의 {식 2}에 의해 도출될 수 있도록 한다.In addition, the measurement operation unit allows the emission rate (E) to be derived by the following equation (2).
{식 2}{Equation 2}
아울러, 상기 비편광반사도측정부는, 상기 반사도(R)를 하기의 {식 3}에 의해 도출할 수 있다.In addition, the non-polarization reflectance measuring unit may derive the reflectivity (R) by the following equation (3).
{식 3}{Equation 3}
또한, 본 발명에서의 상기 연산부는, 하기의 (식 4}와 {식 5}를 이용하여 수직편광성분 또는 수평편광성분을 추출할 수 있다.In addition, the calculation unit in the present invention can extract the vertical polarization component or the horizontal polarization component using the following equation (4) and {expression 5}.
{식 4}{Equation 4}
{식 5}{Equation 5}
(단, Rv와 Rh는 각각 수직, 수평 편광된 반사도를, R은 관측된 비편광반사도를 나타낸다.)(Where Rv and Rh are the vertically and horizontally polarized reflectivity, respectively, and R represents the observed non-polarization reflectivity).
일반적으로, 물질에서 방출되는 수직 또는 수평 편광성분을 이용하여 상기의 {식 1} 및 {식 2}에 따라 물질의 반사도를 추출하는 연산부를 포함하여 구성될 수 있다.In general, it may be configured to include a calculation unit for extracting the reflectivity of the material according to the above {formula 1} and {formula 2} using the vertical or horizontal polarization component emitted from the material.
상술한 본 발명에 따른 시스템에서는 다음과 같은 단계로 황사를 탐지할 수 있다.In the above-described system according to the present invention, yellow dust may be detected by the following steps.
구체적으로는, 인공위성의 관측센서에서 측정되는 임의의 해상 지역의 관측자료를 바탕으로 물질의 방출율(E) 또는 반사도(R)를 도출하는 1단계; 상기 방출률(E)로부터 물질에서 방출되는 수직 또는 수평 편광성분을 분해하는 2단계; 상기 분해된 수직 또는 수평 편광성분을 이용하여 황사와 구름의 경계 값을 적용하여 황사를 탐지하는 3단계; 를 포함하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지방법으로 구현할 수 있다.Specifically, the first step of deriving the emission rate (E) or reflectance (R) of the material based on the observation data of any sea area measured by the observation sensor of the satellite; Decomposing a vertical or horizontal polarization component emitted from the material from the emission rate (E); Detecting yellow dust by applying a boundary value between yellow dust and clouds using the decomposed vertical or horizontal polarization component; It can be implemented by a yellow dust detection method through the decomposition of the non-polarized infrared reflectance comprising a.
특히, 상술한 황사탐지방법에서 상기 1단계는, 상기 방출율(E)은 상술한 {식 2}에 의해 도출되며, 상기 반사도(R)는 상술한 {식 3}에 의해 도출될 수 있다.In particular, in the above-described yellow dust detection method, the first step, the emission rate (E) can be derived by the above-mentioned {Equation 2}, the reflectivity (R) can be derived by the above-mentioned {Equation 3}.
또한, 상기 2단계는, 상기 수직 또는 수평편광성분의 분해는, 상술한 {식 4} 및 {식 5}를 이용하여 도출될 수 있다.In addition, in the second step, decomposition of the vertical or horizontal polarization component may be derived using the above-described {Equation 4} and {Equation 5}.
아울러 본 발명에서는 상술한 황사탐지시스템 또는 황사탐지방법을 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현가능하다.In addition, the present invention can be implemented as a computer-readable recording medium containing a program for performing the above-described yellow dust detection system or the yellow dust detection method.
본 발명에 따르면, 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도의 비율로써 방출율을 구하고, 그 방출율을 반사도로 변환한 다음, 전자기파의 편광 성질을 이용하여 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하고, 황사의 성분과 수증기나 구름의 성분이 다르다는 사실을 이용하여, 보다 효율적이고 정밀한 정확도를 가지고 황사를 탐지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the emission rate is obtained by the ratio of the luminance temperature and the sea level temperature observed in the satellite, the emission rate is converted into the reflectance, and then two reflectances are calculated using the polarization property of the electromagnetic wave, By utilizing the fact that the composition of water vapor and clouds are different, it is possible to detect yellow dust with more efficient and precise accuracy.
즉, 분해된 두 반사도를 이용하고, 물질의 고유 성질인 굴절 지수가 황사와 수증기가 다르다는 것을 이용하면 바다 위의 황사를 탐지할 수 있다.That is, by using two resolved reflectances and using a material having a refractive index different from yellow sand and water vapor, the yellow dust on the sea can be detected.
도 1은 본 발명에 따른 황사탐지시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 황사탐지방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 일본 정지궤도 위성인 MTSAT-1R을 이용하여 실제 일어난 황사 사례에 적용한 결과와 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 황사탐지 시스템을 구성을 소프트웨어적으로 구현한 일례를 도시한 것이다.1 is a conceptual diagram schematically showing the overall configuration of a yellow dust detection system according to the present invention.
2 is a flowchart illustrating a yellow dust detection method according to the present invention.
FIG. 3 shows the results of applying to the actual case of yellow dust using MTSAT-1R, a Japanese geostationary orbit satellite, and the results of verifying the method presented above.
Figure 4 shows an example in which the configuration of the yellow dust detection system according to the present invention in software.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation according to the present invention. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 발명은 기존의 방법으로 해결할 수 없었던 인공위성을 이용한 바다 위 황사탐지 기법을 해결하는 방법 및 시스템을 제공하기 위해, 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 비편광 방출율 분해 시스템을 제공하고, 반사되는 두 편광 성질에 의한 두 개의 반사도를 측정하여 황사를 탐지하는 시스템으로 구현하는 것을 그 요지로 한다.The present invention provides a non-polarization emission decomposition system using the polarization properties of electromagnetic waves on the basis of satellite data to provide a method and system for solving the yellow dust detection technique on the ocean using satellites that could not be solved by the conventional method. Therefore, the main point is to implement a system for detecting yellow dust by measuring two reflectances due to two polarization properties reflected.
도 1을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 황사탐지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략적인 개념도로, 본 발명은 인공위성의 관측센서에서 측정되는 임의의 해상지역의 측정 대상 물질의 방출율(E)을 도출하는 방출율측정연산부(100), 상기 방출율로부터 반사도(R)를 산출하는 비편광반사도측정부(200), 상기 산출된 물질의 반사도(R)를 분해하여 물질에서 방출되는 수직편광성분 또는 수평편광성분을 추출하는 연산부(300), 상기 수직편광성분 또는 수평편광성분의 반사도를 이용하여 황사와 구름의 경계 값을 결정하여 황사 현상의 발생 여부를 결정하는 황사탐지부(400)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to Figure 1, this is a schematic conceptual diagram showing the overall configuration of the yellow dust detection system according to the present invention, the present invention derives the emission rate (E) of the measurement target material of any sea area measured by the satellite sensor Emission rate
상기 방출율측정연산부(100)는 기본적으로 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도를 이용하여 방출율을 구할 수 있다. 상기 인공위성은 다양한 인공위성을 사용할 수 있다. 이 경우 바람직한 일실시예로서, MTSAT-1R이라는 일본의 정지궤도 위성 자료를 이용할 수 있으며, 이를 테면 휘도 온도는 상기 인공위성의 관측 센서로부터 도출할 수 있게 된다. 보다 구체적으로는, 황사가 발생하는 바다 위의 임의 지역에서 위성천정각별로 적외선 채널 11㎛, 12㎛으로 관측한 휘도 온도들과 해수면 온도를 도출할 수 있게 된다.The emission rate
또한, 상기 해수면 온도는 광대한 영역에 대한 직접적 관측이 어려워, 식1과 같은 실험식 (multi-channel sea surface temperature (MCSST))을 이용한다. 이 {식 1}은 해수면 온도 연구분야에서 대표적으로 쓰이는 방법이다.In addition, the sea surface temperature is difficult to directly observe a large area, using the empirical formula (multi-channel sea surface temperature (MCSST)). {1} is the representative method used in sea level temperature research.
{식 1}{1}
(단, 여기서 Ts는 해수면 섭씨 온도, Tb11은 MTSAT-1R의 적외채널 11㎛ (IR1)에서 관측된 휘도 온도, Tb12은 MTSAT-1R의 센서의 12 ㎛ (IR2)에서 관측된 휘도 온도, θ는 위성천정각이며, 회귀계수 a, b, c, d는 a = 1.0189310, b=2.1369202, c=0.27073261 and d= 2.1392299처럼 주어진다. MCSST의 정확도는 동아시아에 떠다니는 부이자료들을 바탕으로 검증되며, 2006년 3월부터 2008년 2월까지의 부이자료와 위성 MCSST 자료의 비교 결과로 오차는 0.89도, 제곱근 에러는 0.89로 검증되어 있다.)(However, where Ts is the sea level degrees C, Tb 11 is observed in the
또한, 측정되는 방출율(E)은 각각 채널별로 {식 2}의 식을 이용하여 도출할 수 있다. (단, Rv와 Rh는 각각 수직, 수평 편광된 반사도를, R은 관측된 비편광반사도를 나타낸다.)In addition, the measured emission rate (E) can be derived by using the equation of {Equation 2} for each channel. (Where Rv and Rh are the vertically and horizontally polarized reflectivity, respectively, and R represents the observed non-polarization reflectivity).
{식 2}{Equation 2}
아울러, 상기 비편광반사도측정부(200)는 상기 방출율로부터 반사도(R)를 산출하는 기능을 한다. 계산되는 반사도는 에너지보존법칙에 의해 {식 3}을 이용하여 도출할 수 있다.In addition, the non-polarization
{식 3}{Equation 3}
이후, 본 발명에 따른 연산부(300)에서는 상기 측정부에서 산출된 비편광된 반사도를 이용하여 물질의 반사도의 수직 수평 성분을 추출하는 연산부를 포함하는 비편광 방출율 분해법을 이용하여, 특히 아래의 {식 4}과 {식 5}의 관계를 통해 정밀한 비편광 전자기파의 성질을 측정한다.Subsequently, the
{식 4}{Equation 4}
{식 5}{Equation 5}
(단, Rv와 Rh는 각각 수직, 수평 편광된 반사도를, R은 관측된 비편광반사도를 나타낸다.)(Where Rv and Rh are the vertically and horizontally polarized reflectivity, respectively, and R represents the observed non-polarization reflectivity).
이후, 황사탐지부(400)에서는 상술한 시스템을 이용하여, 황사 성분과 수증기나 구름과 구별되는 경계 값을 적용하여 기존 방법에서 해결하지 못한 해수면 위의 황사를 탐지할 수 있도록 한다.Subsequently, the yellow
위 {식 4 및 식5}를 이용하여 비편광반사도를 측정하고, 수직수평성분을 측정하는 원리를 설명하면 다음과 같다.Using the above {
전자기파의 편광적 성질을 측정하여, 물질에서 방출되는 수직 또는 수평 편광성분을 측정하고 평균을 산출하고, 산출된 두 편광성분을 이용하여 하기의 {식 4} 및 {식 5}에 따라 상기 물질의 반사도를 추출하는 연산부를 구성할 수 있다.By measuring the polarization property of the electromagnetic wave, by measuring the vertical or horizontal polarization component emitted from the material and calculating the average, using the calculated two polarization components according to the following {Equation 4} and {Equation 5} The calculation unit for extracting the reflectance can be configured.
대부분의 센서는 비편광을 측정하고, 편광 성분에 선호도가 없기에 측정된 양은 두 개의 편광 성분의 평균으로 생각될 수 있다는 정보 하나와, 굴절지수에 의존성이 없이 두 편광 반사율 사이의 관계를 입사각의 함수로 표현하는 근사식인 하기의 {식 5}(이를, 'hong approximation' 이라 정의한다.)을 이용하여, 수치 해석적으로 각각의 편광된 반사율을 추출한다. 대부분의 센서는 편광에 대한 선호도가 없다. 그러므로 비 편광 정반사된 복사량 (에너지)는 아래의 {식 A}처럼 두 개의 편광의 평균으로 간주할 수 있다.Most sensors measure non-polarization, and since there is no preference for polarization components, one can know that the measured quantity can be thought of as the average of two polarization components, and the relationship between two polarization reflectances without dependence on the refractive index is a function of the angle of incidence. Each polarized reflectance is extracted numerically by using the following {Formula 5} (defined as 'hong approximation'). Most sensors have no preference for polarization. Therefore, the amount of non-polarized specularly reflected radiation (energy) can be regarded as the average of two polarizations as shown in Equation A below.
{식 A}{Equation A}
R v 와 R h 는 각각 수직, 수평 편광된 반사도를, R은 관측된 비편광반사도를 나타낸다. 방출율 (E)은 Kirchhoff'law (에너지보존 법칙)에 의해, E=1-R로 표현된다. 따라서, 수평성분은 다음과 같이 기술할 수 있다. R v and R h represent vertical and horizontally polarized reflectivity, respectively, and R represents the observed unpolarized reflectivity. Emission rate (E) is expressed by Kirchhoff'law (Energy Conservation Law), E = 1-R. Therefore, the horizontal component can be described as follows.
{식 4}{Equation 4}
상술한 수평 수직 성분의 편광된 반사도 사이에서는 다음과 같이 정의되는 수식에 의해 편광성분과의 관계식을 도출할 수 있다.Between the polarized reflectivity of the above-described horizontal and vertical components can be derived a relationship with the polarization components by the formula defined as follows.
{식 5}{Equation 5}
위 식 4과 식 5에 관계에 따라 미지수인 R v 와 R h 를 도출할 수 있으며, 이는 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 비편광반사도 측정부와 연산부를 구성하는 소프트웨어를 통해 구현할 수 있다. 아래의 도면은 상술한 두 개의 미지수 R v 와 R h 를 도출하는 방법을 표현한 개념도이다.According to
상기 두 개의 그래프는 상기 {식 4}과 {식 5}를 표현한 그림으로 파장에 관계 없이 위 그림과 같은 형태를 보인다. 두 그래프의 만나는 점이 편광의 Rv와 Rh 를 도출하는 해가 된다.
The two graphs represent {Equation 4} and {Equation 5} and show the same shape as the above picture regardless of the wavelength. The point of intersection of the two graphs is a solution for deriving Rv and Rh of polarization.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명인 황사탐지시스템을 이용하여 황사를 탐지하는 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of detecting yellow dust using the yellow dust detection system of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
인공위성의 관측센서에서 측정되는 임의의 해상 지역의 관측자료를 바탕으로 물질의 반사도(R)를 도출하는 1단계와 상기 반사도로부터 물질에서 방출되는 수직 또는 수평 편광성분을 분해하는 2단계, 그리고 상기 분해된 수직 또는 수평 편광성분을 이용하여 황사와 구름의 경계 값을 적용하여 황사를 탐지하는 3단계를 포함하여 구성될 수 있다.A first step of deriving the reflectivity (R) of the material based on observation data of any sea area measured by the observation sensor of the satellite, and a second step of decomposing vertical or horizontal polarization components emitted from the material from the reflectance, and the decomposition By using the vertical or horizontal polarized components can be configured to include the three steps of detecting the yellow dust by applying the boundary value of the yellow dust and the cloud.
즉, 본 발명에 따른 황사탐지방법은, 도 2에 도시된 것처럼, 인공위성의 관측 센서에서 측정되는 휘도 온도와 해수면 온도를 이용하여, 방출율을 구한다(S 1~S 4). 구한 방출율로부터 반사도가 다시 계산되고, 이 계산된 반사도를 비편광 방출율 분해법을 통하여 물질에서 방출되는 수직 또는 수평 편광성분을 계산한다(S 5~S 6). 계산된 두 수직, 수평 성분의 반사도를 이용하여, 황사탐지를 하는 흐름으로 진행된다(S 7~S 8).That is, in the yellow dust detection method according to the present invention, as shown in FIG. 2, the emission rate is calculated using the luminance temperature and the sea surface temperature measured by the satellite observation sensor (
구체적으로는, 상기 1단계는, 황사가 발생하는 바다 위의 임의 지역에서 위성천정각별로 적외선 채널 11㎛, 12㎛으로 관측한 휘도 온도들과 해수면 온도를 이용하여 방출율 또는 반사도를 결정하는 단계로 형성할 수 있다. 특히, 휘도 온도는 상술한 것처럼 인공위성의 자료를 이용하며, 해수면 온도는 상기의 {식 1}을 이용하여 도출할 수 있다. Specifically, the first step is to determine the emission rate or reflectance by using the luminance temperature and the sea surface temperature observed in the
아울러, 상기 2단계와 3단계는 유효하게 결정된 반사도를 수직, 수평성분으로 분해하는 단계와 분해된 수평, 수직성분의 반사도들을 이용하여 황사와 구름을 구별하는 경계 값을 정하는 단계로 구성할 수 있으며, 이후, 경계 값을 이용하여, 황사 발생 여부를 결정하게 된다. 특히 상기 반사도(R)는 상술한 {식 3}에 의해 도출될 수 있으며, 나아가 상기 2단계의 상기 수직 또는 수평편광성분의 분해는, 상술한 {식 4} 및 {식 5}를 이용하여 도출할 수 있음은 상술한 바 있다.In addition, the
도 3은 본 시스템을 실제로 적용하여 황사를 탐지한 결과를 도시한 이미지이다. 즉, 도시된 결과는 일본 정지궤도 위성인 MTSAT-1R을 이용하여 실제 일어난 황사 사례에 적용한 결과와 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다. 실제 황사가 일어난 사례로, 2007년 3월 31일, 2006년 3월 27일 두 사례를 분석하여, 결과를 보였다.3 is an image showing the result of detecting yellow dust by actually applying the present system. In other words, the results shown are applied to the actual case of yellow dust using MTSAT-1R, a Japanese geostationary orbit satellite, and the results of verifying the method presented above. The actual case of yellow dust occurred on March 31, 2007 and March 27, 2006, and the results were analyzed.
도 3 이미지의 (a)와(b)는, 기존의 방법으로는 잘 탐지되지 않았지만, 실제 관측되고 피해를 주었던 2007년 3월 31일과 2006년 3월 27일의 황사사례를 보여준다. 육안으로 확인 가능하도록 미국의 AQUA위성 자료의 가시광선 영역을 관측하는 센서인 NODIS자료를 이용하였고, 육안으로 잘 보일 수 있도록, RGB (적색, 녹색, 파란색) 합성 영상이다. 실제로 구름 밑에 있는 황사의 전파되는 모습과 위치를 알 수 있다. 가시광선 센서는 구름 밑과 밤에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. (A) and (b) of FIG. 3 images show yellow dust cases of March 31, 2007 and March 27, 2006, which were not detected by the conventional method but were actually observed and damaged. NODIS data, a sensor that observes the visible light region of the US AQUA satellite data, was used for visual observation, and it is an RGB (red, green, blue) composite image for the naked eye. In fact, the spread and location of the yellow dust under the clouds can be seen. The visible light sensor has the disadvantage that it cannot be used under clouds and at night.
구체적으로는, 도 3의 이미지 (c)와 (d)는 본 발명에서 제시하는 방법에 의하여 탐지되는 황사의 이미지를 보여준다. (a)와 (b)위 경우와 동일한 날짜의 자료를 이용하였다. 특성으로는 구름 밑의 황사까지 탐지해주는 것을 볼 수 있다. 또한, 적외 영상이므로 밤과 낮의 구분없이 사용될 수 있다는 장점이 있다. 도 3의 이미지 (a)와 (c), (b)와 (d)의 공간적 일치성을 보임으로써 본 발명에서 제시하는 방법의 타당성을 입증하고 있다.Specifically, images (c) and (d) of FIG. 3 show images of yellow dust detected by the method of the present invention. Data from the same dates as in (a) and (b) above were used. As a characteristic, it can detect yellow dust under clouds. In addition, the infrared image has the advantage that can be used without distinguishing between night and day. The validity of the method presented in the present invention is demonstrated by showing the spatial correspondence of the images (a) and (c), (b) and (d) of FIG.
도시된 이미지는, 육안으로 확인 가능하도록 미국의 AQUA위성 자료의 가시광선 영역을 관측하는 센서인 NODIS자료를 제시하여, 본 발명에서 제시하는 방법의 타당성을 입증하고 있다.The image shown demonstrates the validity of the method presented in the present invention by presenting NODIS data, a sensor for observing the visible light region of the US AQUA satellite data so that it can be visually identified.
요약하면, 본 발명에 따른 황사탐지방법은 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 비편광 방출율 분해 시스템을 제공하고, 반사되는 두 편광 성질에 의한 두 개의 반사도를 측정하여 황사를 탐지할 수 있게 된다. In summary, the yellow dust detection method according to the present invention provides a non-polarization emission decomposition system using polarization properties of electromagnetic waves based on satellite data, and detects yellow dust by measuring two reflectances by two polarization properties reflected. It becomes possible.
특히 황사가 발생한 임의 해상 지역에서 정지궤도 위성의 적외선 채널 11㎛, 12 ㎛으로 각각 관측한 밝기 온도에 대한 위성영상 자료를 이용할 수 있으며, 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도의 비율로써 방출율을 구하고, 그 방출율을 반사도로 변환한 다음에, 전자기파의 편광 성질을 이용하여 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하고, 황사의 성분과 수증기나 구름의 성분이 다르다는 사실을 이용하여, 황사를 탐지하게 된다. 본 발명에 따르면, 이 분해된 두 반사도를 이용하고, 물질의 고유 성질인 굴절 지수가 황사와 수증기가 다르다는 것을 이용하면 바다 위의 황사를 탐지할 수 있게 된다.In particular, satellite image data of the brightness temperature observed with the
따라서, 육상에서 황사를 탐지하기 전에 미리 어디에서 황사가 오는지 알 수 있고, 미리 황사에 대한 경보나 예보를 하는데 매우 유용한 정보를 제공할 것이다.이를 통해, 본 발명은 기상, 환경, 방재 등 다양한 산업 분야 전반에 범용적으로 응용될 수 있다.Therefore, it is possible to know where the yellow dust comes from in advance before detecting the yellow dust on land, and to provide very useful information for warning or forecasting of the yellow dust in advance. Through this, the present invention provides various industries such as weather, environment, and disaster prevention. It can be applied universally throughout the field.
아울러, 이는 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 상기 방출율 구하는 부분(방출율측정연산부, 비편광반사도측정부)), 방출율 분해하는 부분(연산부), 경계 값을 이용한 황사 탐지 부분(황사탐지부)은 소프트웨어를 통해 구현할 수 있다. In addition, as described above, the emission rate obtaining part (emission rate measurement calculation part, non-polarization reflectance measurement part) according to the present invention, the emission rate decomposition part (calculation part), the yellow dust detection part using the boundary value (yellow detection part) are software. This can be achieved through
따라서, 상술한 본 발명에 따른 시스템과 방법은 소프트웨어적인 구성이 가능하여 이를 실행하기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 형태로 제조 가능함은 물론이다.Therefore, the system and method according to the present invention described above can be manufactured in the form of a computer-readable recording medium containing a program for executing the software configuration.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the foregoing detailed description of the present invention, specific examples have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments of the present invention, but should be determined not only by the claims, but also by those equivalent to the claims.
100: 방출율측정연산부
200: 비편광반사도측정부
300: 연산부
400: 황사탐지부100: emission rate calculation unit
200: non-polarization reflectance measuring unit
300: calculation unit
400: yellow dust detection unit
Claims (9)
상기 방출율로부터 비편광 반사도(R)를 산출하는 비편광반사도측정부;
상기 산출된 물질의 비편광 반사도(R)를 분해하여 물질에서 방출되는 수직편광성분 또는 수평편광성분을 추출하는 연산부;
상기 수직편광성분 또는 수평편광성분의 반사도를 이용하여 황사와 구름의 경계 값을 결정하여 황사 현상의 발생 여부를 결정하는 황사탐지부;
를 포함하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템.
An emission rate measurement calculation unit for deriving an emission rate (E) of an object to be measured in an arbitrary sea area measured by an observation sensor of a satellite;
A non-polarization reflectance measuring unit for calculating a non-polarization reflectivity (R) from the emission rate;
A calculation unit which decomposes the calculated non-polarization reflectivity (R) of the material and extracts a vertical polarization component or a horizontal polarization component emitted from the material;
A yellow dust detector for determining whether a yellow dust phenomenon occurs by determining a boundary value between yellow dust and a cloud by using reflectivity of the vertical polarization component or the horizontal polarization component;
Non-polarized infrared reflectance decomposition through the yellow dust detection system comprising a.
상기 측정연산부는,
측정 대상물질의 휘도 온도와 해수면 온도를 이용하되,
상기 해수면 온도는, 아래의 {식 1}에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템.
{식 1}
(단, Ts는 해수면 섭씨 온도, Tb11은 MTSAT-1R의 적외채널 11㎛ (IR1)에서 관측된 휘도 온도, Tb12은 MTSAT-1R의 센서의 12 ㎛ (IR2)에서 관측된 휘도 온도, θ는 위성천정각이며, a, b, c, d는 회귀계수이다.)
The method according to claim 1,
The measurement calculation unit,
Use the luminance and sea level temperatures of the material to be measured,
The sea level temperature, yellow dust detection system through the non-polarization infrared reflectance decomposition, characterized in that derived by the following {Equation 1}.
{Equation 1}
(Where, Ts is the sea level degrees C, Tb is 11 MTSAT-1R infrared channel 11㎛ (IR 1) observed in the brightness temperature, Tb is 12 MTSAT-1R 12 ㎛ (IR 2 ) observed in the brightness temperature of the sensor where θ is the satellite ceiling angle and a, b, c, and d are the regression coefficients.)
상기 측정연산부는,
상기 방출율(E)을 하기의 {식 2}에 의해 도출하는 것을 특징으로 하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템.
{식 2}
The method according to claim 2,
The measurement calculation unit,
The yellow dust detection system through the non-polarization infrared reflectance decomposition, characterized in that the emission rate (E) is derived by the following equation (2).
{Equation 2}
상기 비편광반사도측정부는,
상기 반사도(R)를 하기의 {식 3}에 의해 도출하는 것을 특징으로 하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템.
{식 3}
The method according to claim 3,
The non-polarization reflectance measuring unit,
The yellow dust detection system through the non-polarization infrared reflectance decomposition, characterized in that the reflectivity (R) is derived by the following equation (3).
{Equation 3}
상기 연산부는,
하기의 (식 4}와 {식 5}를 이용하여 수직편광성분 또는 수평편광성분을 추출하는 것을 특징으로 하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지 시스템.
{식 4}
{식 5}
(단, Rv와 Rh는 각각 수직, 수평 편광된 반사도를, R은 관측된 비편광반사도를 나타낸다.)
The method of claim 4,
The calculation unit,
Yellow dust detection system through the non-polarization infrared reflectance decomposition, characterized in that to extract the vertical polarization component or horizontal polarization component using the following (Equation 4} and {Equation 5}.
{Equation 4}
{Equation 5}
(Where Rv and Rh are the vertically and horizontally polarized reflectivity, respectively, and R represents the observed non-polarization reflectivity).
상기 반사도(R)로부터 물질에서 방출되는 수직 또는 수평 편광성분을 분해하는 2단계;
상기 분해된 수직 또는 수평 편광성분을 이용하여 황사와 구름의 경계 값을 적용하여 황사를 탐지하는 3단계;
를 포함하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지방법.
Deriving a reflectivity (R) of a material based on observation data of an arbitrary sea area measured by an observation sensor of a satellite;
Decomposing a vertical or horizontal polarization component emitted from the material from the reflectivity (R);
Detecting yellow dust by applying a boundary value between yellow dust and clouds using the decomposed vertical or horizontal polarization component;
Yellow dust detection method through the decomposition of the non-polarized infrared reflectance comprising a.
상기 1단계는,
방출율(E)을 하기의 {식 2}에 의해 우선 도출하고,
상기 방출율(E)을 이용하여 상기 반사도(R)를 하기의 {식 3}에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지방법.
{식 2}
{식 3}
The method of claim 6,
In the first step,
Emission rate (E) is first derived by the following {Formula 2},
Using the emission rate (E), the reflectivity (R) is a yellow dust detection method by decomposing the polarized infrared reflectance, characterized in that derived by the following equation (3).
{Equation 2}
{Equation 3}
상기 2단계는,
상기 수직 또는 수평편광성분의 분해는,
하기의 {식 4} 및 {식 5}를 이용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 비편광 적외 반사율 분해를 통한 황사탐지방법.
{식 4}
{식 5}
The method of claim 7,
In the second step,
Decomposition of the vertical or horizontal polarization component,
Yellow dust detection method through the decomposition of the non-polarized infrared reflectivity, characterized in that derived using the following {Equation 4} and {Equation 5}.
{Equation 4}
{Equation 5}
A computer-readable recording medium containing a program for performing the yellow dust detection method of claim 6.
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|---|---|---|---|
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