KR101229372B1 - 기름탐지시스템 및 이를 이용한 기름탐지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수면에 누출된 기름의 야간 탐지를 구현하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 인공위성의 관측센서부에서 측정되는 복사량을 이용하여 기름이 유출된 해수면지역의 해수와 기름에 대한 편광별 수직 또는 수평방출율 또는 반사도를 결정하는 비편광 반사도 결정부, 상기 비편광 반사도 결정부에서 결정되는 수평 또는 수직 반사도를 이용하여 해수와 기름의 굴절지수를 구하는 굴절지수연산부, 상기 해수와 기름의 굴절지수를 분석하여 기름의 위치를 판별하는 기름탐지분석부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 물과 기름의 편광되 반사도와 굴절지수를 탐지하여 바다위에 퍼져 있는 기름띠의 위치를 정확하고 정량적으로 파악할 수 있는 효과가 있다.

Description

기름탐지시스템 및 이를 이용한 기름탐지방법{System for Detecting excluded oil and Method thereof}

본 발명은 인공위성 관측과 굴절지수 산출을 이용한 야간에 바다 위에 유출된 기름띠 탐지법을 구현하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

바다 위에 유출된 기름은 인근 해역에 환경적 재앙을 불러 일으키고, 정화에도 굉장한 인적 물적 노력이 필요하며, 어업이나 관광 사업 등에 많은 경제적 손실을 입힌다. 항공기를 이용한 기름띠 관측도 가능하지만, 실제 기름띠 전체를 동시에 관측하여 그 변화경향을 알 수 있는 방법은 인공위성이 유일하다. 전세계적으로, 인공위성을 이용한 가시, 자외, 적외, 레이더, 레이저 등을 이용한 다양한 방법이 존재하지만, 대부분 공간적 해상도의 문제가 있고, 특히 주간에만 탐지가 가능하다. 적외 채널을 이용한 야간 탐지는 지금까지의 기술로는 매우 어려운 실정이다.

최근 국내에서는 태안반도에서의 기름유출 및 미국에서는 멕시코만 주변의 심해유전의 폭발로 인한 지속적인 기름유출로 인한 엄청난 환경적 재앙을 초래한바 있으나, 기존의 위성 관측에 의존하는 방법들은 가시광선, 자외선, 적외선, 레이더 센서 등을 이용하지만, 공간적 해상도가 각각 다르고, 낮에만 주로 탐지 가능한 단점들이 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 물과 기름의 편광되 반사도와 굴절지수를 탐지하여 얼마나 바다 위에 기름띠가 퍼져있는지를 증명하는 방법과 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 인공위성에서 관측되는 복사량 (Radiance)와 추정된 해수면 온도를 이용하여 그 비율로써 반사도를 구하고, 표면 성질에 따른 전자기파의 편광 성질을 이용하여 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하여, 물과 기름이 물리적 성질이 다르므로 굴절지수 (Refractive Index) 값이 다르다는 사실을 이용하여, 해수면 위에 유출된 기름을 탐지한다.

본 발명에 따르면, 해수면 위에 노출된 기름띠의 반사도 편광성분들과 굴절지수를 구함으로써, 얼마나 기름띠가 확산되고 있는지 탐지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 물과 기름의 편광되 반사도와 굴절지수를 탐지하여 바다위에 퍼져 있는 기름띠의 위치를 정확하고 정량적으로 파악할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 인공위성 관측을 바탕으로 굴절지수를 알 수 있게 되어서, 그 차이를 이용하여 해수면과 구별되는 기름띠를 야간에 탐지할 수 있게 된다. 따라서 기름유출과 같은 환경적 문제에 아주 유용하게 사용될 수 있고, 특히 확산 지역을 쉽게 확인할 수 있고, 확산 경로를 예측하는데 활용될 수 있기 때문에 미리 재해 발생 가능지역에 경보를 주어서 경제적, 인적, 물적 피해를 절감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템을 적용하여 해수면의 기름누출 위치를 탐지하는 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 인공위성 적외 센서를 이용한 복사량, 구름탐지, 해수면 온도, 방출율에 대한 예이고, 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 4는 인공위성 적외 센서를 이용한 해수면 위의 굴절지수를 이용한 기름탐지에 대한 예이고, 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 기름 탐지 시스템을 구성을 소프트웨어적으로 구현한 일례를 도시한 것이다.

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.

본 발명은 상술한 물과 기름의 물질적 특성차인 굴절지수를 이용한 탐지법을 제시하여, 기존의 방법으로 해결할 수 없었던 인공위성을 이용한 기름유출 야간탐지를 해결하는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 요지로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 해수면에 누출된 기름탐지시스템(이하, '본 시스템'이라 한다.)의 시스템 구성블럭도를 도시한 것이다.

도시된 도면을 참조하면, 본 시스템은 인공위성의 관측센서부에서 측정되는 복사량을 이용하여 기름이 유출된 해수면지역의 해수와 기름에 대한 편광별 수직 또는 수평방출율 또는 반사도를 결정하는 비편광 반사도 결정부(100)와 상기 비편광 반사도 결정부에서 결정되는 수평 또는 수직 반사도를 이용하여 해수와 기름의 굴절지수를 구하는 굴절지수연산부(200), 그리고 상기 해수와 기름의 굴절지수를 분석하여 기름의 위치를 판별하는 기름탐지분석부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 인공위성의 관측센서부(100)는 위성에 탑재된 적외센서의 근적외 채널을 이용할 수 있으며, 인공위성은 극궤도 위성인 미국의 AUQA의 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 자료를 사용한다. 실제로는 정지궤도위성이든 극궤도 위성이든 문제가 되지않는다. 관측 채널로는 MODIS 11㎛ 채널을 이용하는 것을 일례로 설명하기로 한다.

상기 비편광반사도 결정부(200)는 인공위성의 적외센서를 구비한 관측센서부에서 측정되는 복사량과 해수면 온도를 이용하여 편광별 방출율과 수직 또는 수평 반사도를 구하되, 반사도

및 수직 반사도(Rv) 또는 수평 반사도(R_H)는 하기의 {식 1} 및 {식 2}에 따라 산출할 수 있다. 아울러 측정된 복사량(I_B)은 다양한 인공위성 자료를 이용할 수 있으나, 여기에서는 AQUA라는 미국의 극궤도 위성의 MODIS 자료를 이용한다. 이는 보편적으로 이용되는 자료이다. 해수면 온도(T_S)는 광대한 영역에 대한 직접적 관측이 어려워, MODIS 자료를 이용한다.

{식1}

(여기서 θ 는 위성의 관측각도이다. )

{식 2}

(단, θ 는 위성의 관측각도, V와 H는 수직 수평 편광을 의미한다.)

즉, 인공위성의 적외 센서에서 측정되는 복사량과 해수면온도를 이용하여, 편광별 방출율과 반사도를 구하되, 이러한 편광 성분별 반사도는 물질별로 다르게 나타나므로, 이렇게 다르게 나타나는 물질별 반사도를 이용하여 바다와 기름의 굴절지수를 구하게 된다.

굴절지수는 상기 굴절지수연산부(300)에서 산출하되, 하기의 {식 3}을 이용함이 바람직하다. 즉, 상기 비편광반사도 결정부(200)에서 제공되는 반사도를 이용하여 하기의 {식 3}에 따라 해수면과 기름띠의 굴절지수를 연산할 수 있다.

{식 3}

즉, 상술한 본 시스템을 이용하여 굴절지수를 산출하여 해수면과 기름띠의 물리적 특성을 구분 분석하여 기름의 누출 위치를 정확하게 탐지할 수 있게 된다. 다시말해, 인공위성에서 관측되는 복사량 (Radiance)와 추정된 해수면 온도를 이용하여 그 비율로써 반사도를 구하고, 표면 성질에 따른 전자기파의 편광 성질을 이용하여 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하고, 물과 기름이 물리적 성질이 다르므로 굴절지수 (Refractive Index) 값이 다르다는 사실을 이용하여, 해수면 위에 유출된 기름을 탐지한다. 이로써, 해수면 위에 노출된 기름띠의 반사도 편광성분들과 굴절지수를 구함으로써, 얼마나 기름띠가 확산되고 있는지 탐지할 수 있다.

나아가 본 방법에서는 위성에 탑재된 적외 채널을 이용하여 야간에도 바다 위의 기름이 퍼져있는 것을 탐지할 수 있도록 제시하며, 본 방법을 이용할 경우에 이점으로는, 주야간 기름띠 탐지가 가능하여 보다 정확한 기름띠의 확산을 탐지 및 예측하는데 도움을 줄 수 있다.

상술한 본 시스템을 이용하여 기름을 탐지하는 방법은 크게 인공위성의 관측센서부에서 측정되는 복사량을 이용하여 기름이 유출된 해수면지역의 해수와 기름에 대한 편광별 수직 또는 수평방출율 또는 반사도를 결정하는 1단계와 상기 1단계에서 결정되는 수평 또는 수직 반사도를 이용하여 해수와 기름의 굴절지수를 구하는 2단계를 포함하며, 이후 연산된 해수의 굴절지수와 기름의 굴절지수를 비교하여 기름의 누출지역을 탐지하는 3단계를 더 추가할 수 있다. 상술한 비편광반사도결정부에서는 상기 1단계를 수행하며, 이는 인공위성의 적외센서를 구비한 관측센서부에서 측정되는 복사량과 해수면 온도를 이용하여 편광별 방출율과 수직 또는 수평 반사도를 구하되, 반사도

및 수직 반사도( Rv ) 또는 수평 반사도(R_H)는 상술한 {식 1} 및 {식 2}에 따라 산출하는 단계로 구현할 수 있음을 상술한 바와 같다.

이후, 굴절지수연산부에서 상기 1단계에서 제공되는 반사도를 이용하여 상술한 {식 3}에 따라 해수면과 기름띠의 굴절지수를 연산하여 도출함으로써, 이 두 물질의 굴절지수 차이를 근간으로 하여 기름띠의 확산정도를 파악할 수 있게 된는 것이다.

본 발명은 기상, 기후, 환경, 방재 등 다양한 산업 분야 전반에 크게 응용될 수 있다. 왜냐하면, 상술한 시스템을 이용하면, 세계에서 처음으로 야간에 바다 위의 기름띠에 대한 굴절지수를 탐지해, 유출된 기름의 위치를 알 수 있어서 기름유출에 대한 경보나 예보를 하는데 매우 유용한 정보를 제공할 것이기 때문이다.

도 3은 인공위성 적외 센서를 이용한 복사량, 구름탐지, 해수면 온도, 방출율에 대한 예이고, 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.

구체적으로는 도 3은 미국 극궤도 위성인 AQUA를 이용하여 관측한, 복사량, 구름정보, 해수면온도, 방출율(=1-반사도)로써, 위성자료와 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.

실제 기름유출이 발생했던 사례로, 2010년 4월29일에 미국 멕시코만 연안에서의 사례이다. 소용돌이 모양의 기름띠가 보이지만, 현재 AQUA위성 자료는 구름으로 기름띠를 분류하고 있다. 방출율을 이용하여, 소용돌이 모양의 기름띠가 보이지만, 그림의 왼쪽 아래면의 파란색 부분에 기름띠가 있다면 구분이 불가능하다. 이는 위성관측의 시선각도의 의존성 때문이다.

도 4는 인공위성 적외 센서를 이용한 해수면 위의 굴절지수를 이용한 기름탐지에 대한 예이고, 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.

구체적으로는 도 2은 도 1과 같은 날짜의 똑 같은 위성 자료를 이용하여 산출된 굴절지수의 실수부와 허수부를 각각 보여준다. 두 성분 도 1과 같이 소용돌이 모양의 기름띠 특성을 보인다. 하지만 마찬가지로 시선각 의존성 때문에 왼쪽 아래쪽에 기름띠가 위치하였다면, 실수부만으로는 구별이 힘들 수 있지만, 허수부를 이용하면 명확하게 특성이 보인다. 따라서, 기존에 없던 2가지 자료를 제공함으로써 기름띠 여부를 탐지하는데 매우 유용한 정보를 추가로 제공할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 기름 탐지 시스템을 구성을 소프트웨어적으로 구현한 일례를 도시한 것이다. 이와 같이 상술한 본 발명에 따른 시스템과 방법은 소프트웨어적인 구성이 가능하여 이를 실행하기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 형태로 제조가 가능함은 물론이다.

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.

100: 인공위성 관측센서부
200: 비편광 반사도 결정부
300: 굴절지수연산부
400: 기름탐지분석부

Claims (8)

1. 인공위성의 적외센서를 구비한 관측센서부에서 측정되는 복사량(I_B) 및 해수면 온도(T_S)를 이용하여 기름이 유출된 해수면지역의 해수와 기름에 대한 편광별 방출율(B), 수직 반사도(R_V) 또는 수평 반사도(R_H)를 하기의 {식 1} 및 {식 2}에 따라 산출하는 비편광 반사도 결정부;
   상기 비편광 반사도 결정부에서 결정되는 수평 또는 수직 반사도를 이용하여 해수와 기름의 굴절지수를 구하는 굴절지수연산부; 및
   상기 해수와 기름의 굴절지수를 분석하여 기름의 위치를 판별하는 기름탐지분석부
   를 포함하여 이루어지는, 해수면에 누출된 기름의 탐지시스템.
   {식1}
   

   

   
   (단,

   

   는 위성의 관측각도,

   

   는 반사도)
   {식 2}
   

   

   
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 굴절지수 연산부는,
   상기 비편광반사도 결정부에서 제공되는 반사도를 이용하여 하기의 {식 3}에 따라 해수면과 기름띠의 굴절지수를 연산하는 것을 특징으로 하는 해수면에 누출된 기름의 탐지시스템.
   {식 3}
   

   

   
   

   

   
   
4. 인공위성의 적외센서를 구비한 관측센서부에서 측정되는 복사량(I_B) 및 해수면 온도(T_S)를 이용하여 기름이 유출된 해수면지역의 해수와 기름에 대한 편광별 방출율(B), 수직 반사도(R_V) 또는 수평 반사도(R_H)를 하기의 {식 1} 및 {식 2}에 따라 산출하는 1단계; 및
   상기 1단계에서 산출되는 수평 반사도 또는 수직 반사도를 이용하여 해수와 기름의 굴절지수를 구하는 2단계
   를 포함하여 이루어지는, 해수면에 누출된 기름의 탐지방법.
   {식1}
   

   

   
   (단,

   

   는 위성의 관측각도,

   

   는 반사도)
   {식 2}
   

   

   
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 2단계 이후에,
   연산되 해수의 굴절지수와 기름의 굴절지수를 비교하여 기름의 누출지역을 탐지하는 3단계를 더 포함하는 해수면에 누출된 기름의 탐지방법.
   
6. 삭제
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 2단계는,
   상기 1단계에서 제공되는 반사도를 이용하여 하기의 {식 3}에 따라 해수면과 기름띠의 굴절지수를 연산하는 단계인 해수면에 누출된 기름의 탐지방법.
   {식 3}
   

   

   
   

   

   
   
8. 청구항 1의 해수면에 누출된 기름의 탐지시스템 또는 청구항 4의 해수면에 누출된 기름의 탐지 방법을 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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