KR101349497B1 - 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법 - Google Patents

영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법 Download PDF

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한국해양과학기술원
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Abstract

종래에는 해빙의 두께를 측정하기 위하여 고가의 인공위성이나 위험성이 높은 경비행기를 이용하거나 또는 사람이 직접 얼음 위에 하선하여 1개 지점의 해빙 두께 측정을 위해 많은 시간과 노력을 들여야 했다. 이에 본 발명은 종래의 문제점들을 개선하고 실해역에서 해빙 두께를 손쉽게 측정하기 위한 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 두께 측정 카메라, 각도 측정 카메라, 계산 소프트웨어를 포함하여 이루어지는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템에 의하여 구현될 수 있다. 본 발명에 따르면, 실시간, 저렴한 비용으로, 실제 활용이 예상되는 구간의 해빙의 두께를 정확도 높게 계측할 수 있다. 북극항로가 활성화될 경우, 실시간 실제 항로 내의 해빙 두께 측정으로 인하여 뒤에 따라오는 선단에 중요한 정보를 제공할 수 있으며, 북극항로에서 안전하게 선박이 항해할 수 있는 중요한 자료로 활용될 수 있다.

Description

영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법{measurement method of sea ice thickness by using video camera}
본 발명은 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법에 관한 것이다.
극지항로를 운항하는 빙해선박의 성능을 결정하고 안전운항을 위해 가장 중요한 요소 중 하나는 실해역 해빙의 두께이다. 극지항로 운항 전 결빙되지 않는 곳을 인공위성을 통해 확인하거나 최대한 두께가 얇은 해빙 지역을 깨고 가면서 운항해야 시간적, 경제적 효율을 극대화할 수 있기 때문이다.
실해역 해빙의 두께를 측정하는 방법은 그동안 여러 가지 방법으로 연구되어져 왔다. 첫 번째로 인공위성 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상을 이용한 극지역 해빙두께 추정법이다. 또한 경비행기에 EM(Electro Magnetic)과 초음파 센서를 부착하여 실해역 상공에서 얼음의 두께를 측정하고 보정하는 방법도 연구되고 있다. 또한 해저 바닥에서 소나센서를 이용하여 얼음의 두께를 측정하는 방식과 선박을 이용하여 해빙 위에 사람이 내려 EM 장비를 이용하여 얼음의 두께를 측정하거나 실제로 드릴링(drilling)을 통해 정확한 해빙의 두께를 측정하는 연구 결과가 발표되고 있다.
하지만 인공위성 데이터의 경우 얼음 두께에 대한 정확도, 신뢰성 등이 떨어지며 비용도 많이 드는 단점이 있으며, 경비행기를 이용하여 얼음의 두께를 측정하는 방식은 저고도로 비행해야 하기 때문에 위험성 및 운항비용이 많이 드는 단점을 가지고 있다. UL sonar(Up Looking sonar)의 경우 선박이 운항하는 모든 항로 바닥에 센서를 설치해야 한다는 단점을 가지고 있으며, 사람이 해빙 위에 내려 EM 또는 드릴링을 통해 측정하는 방식도 측정하는데 많은 시간과 노력이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실해역에서 해빙두께를 손쉽게 측정하기 위한 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
선박에 설치되어 선박의 흘수로부터의 거리에 대한 보정이 이루어지는 두께 측정 카메라와, 상기 두께 측정 카메라의 앞 방향(선수 방향)에 설치되어 상기 두께 측정 카메라와 동기화되는 각도 측정 카메라와, 선박에 설치되어 상기 두께 측정 카메라 및 상기 각도 측정 카메라와 연동하는 계산 소프트웨어를 포함하는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템에 의하여 구현되는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법으로서,
실해역에서 선박이 해빙을 굽힘으로 깨면서 전진을 하면, 상기 두께 측정 카메라가 굽힘으로 깨지는 과정에서 회전운동을 하게 되는 빙편의 단면을 촬영하는, 제1 단계;
상기 계산 소프트웨어가 상기 두께 측정 카메라가 획득한 이미지 분석을 통해 해수, 해빙, 눈 부분으로 구분한 후 순수한 해빙 두께만큼만 도출하는, 제2 단계;
상기 각도 측정 카메라가 상기 제1 단계에서 상기 두께 측정 카메라의 촬영이 이루어지는 순간의 선체와 해빙 간의 각도를 촬영하는, 제3 단계;
상기 계산 소프트웨어가 상기 제1 단계에서 상기 두께 측정 카메라로부터 1차로 취득한 해빙 두께 데이터에 상기 제3 단계에서 상기 각도 측정 카메라로부터 취득한 해빙 각도 데이터를 적용, 각도 보정을 통해 보다 정확한 해빙의 두께를 계산해 내는, 제4 단계 및;
상기 계산 소프트웨어가 선박의 굽힘 운동 사이클 내에서 상기 각도 측정 카메라로부터 취득한 여러 가지의 해빙 각도 데이터 중 그 각도 값이 가장 작은 경우에 산출된 해빙 두께 데이터를 최종적인 해빙의 두께로 선정하는, 제5 단계;
를 포함하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 실시간, 저렴한 비용으로, 실제 활용이 예상되는 구간의 해빙의 두께를 정확도 높게 계측할 수 있다. 북극항로가 활성화될 경우, 실시간 실제 항로 내의 해빙 두께 측정으로 인하여 뒤에 따라오는 선단(fleet)에 중요한 정보를 제공할 수 있으며, 북극항로에서 안전하게 선박이 항해할 수 있는 중요한 자료로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템이 선박에 설치된 모습(측면도).
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템이 선박에 설치된 모습(정면도).
도 3은 극지항로 해빙지역에서 쇄빙선이 얼음을 굽힘으로 깨면서 전진하는 순간을 연속으로 캡쳐한 사진.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템이 선박에 설치된 모습(각각 측면도 및 정면도)을 보여준다. 그리고 도 3은 극지항로 해빙지역에서 쇄빙선이 얼음을 굽힘으로 깨면서 전진하는 순간을 연속으로 캡쳐한 사진이다.
종래에는 해빙의 두께를 측정하기 위하여 고가의 인공위성이나 위험성이 높은 경비행기를 이용하거나 또는 사람이 직접 얼음 위에 하선하여 1개 지점의 해빙 두께 측정을 위해 많은 시간과 노력을 들여야 했다. 이에 본 발명은 종래의 문제점들을 개선하고 실해역에서 해빙(6)의 두께를 손쉽게 측정하기 위한 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 두께 측정 카메라(1), 각도 측정 카메라(2), 계산 소프트웨어(3)를 포함하여 이루어지는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템(도 1, 도 2)에 의하여 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 실해역 해빙(6)의 두께 측정은 극지해역에서 쇄빙선 운항시 선체(4)와 해빙(sea ice)(6) 사이의 충돌과 해빙(6)의 굽힘 파괴(flexural failure)로 인한 해빙(6)의 회전(rotation) 운동에 기초하여 이루어진다.
극지항로 해빙(6) 지역에서 쇄빙선은 얼음을 굽힘으로 깨면서 전진을 하며, 선수부 형상(선수각≒30°)에 약간의 차이는 있지만 깨어진 빙편(ice floe)(5)은 굽힘방향으로 회전을 하면서 선체(4) 중앙으로 미끄러지며, 최종적으로 선미를 거쳐 프로펠러 후류를 따라 이동하게 된다(도 3의 a→b→c→d 순서). 그리고 쇄빙선을 포함한 대부분의 선박은 선체(4) 중앙이 수선면과 직각을 이루고 있다. 또한 극지의 해빙(6)의 경우, 얼음 상부에 눈이 적설되어 있는 특징을 가지고 있으며, 눈 층(snow layer)은 얼음(해빙)보다 흰색으로 보이게 된다. 그리고 선체(4) 중앙에서는 깨어진 빙편(5)들이 회전하면서 수직인 선체(4) 중앙면을 따라 수직으로 일정시간 동안 유영하게 된다(도 1).
본 발명의 실시 예에 따른 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템을 선박(4)에 설치함에 있어서는, 먼저 두께 측정 카메라(1)를 설치한 후 선박(4)의 흘수(draft)로부터 두께 측정 카메라(1)의 높이까지 거리에 대한 보정을 마치고, 다음으로 두께 측정 카메라(1)의 앞 방향(선수 방향)에 각도 측정 카메라(2)를 설치한 후 두께 측정 카메라(1)와 동기화시킨다. 그리고 최종적으로 두께 측정 카메라(1), 각도 측정 카메라(2)를 계산 소프트웨어(3)와 연동시킨다(도 1, 도 2).
실해역에서 선박(4)이 해빙(6)을 굽힘으로 깨면서 전진을 하면 두께 측정 카메라(1), 각도 측정 카메라(2) 등 영상장비는 실시간으로 선체(4) 주변 해빙(6)을 촬영하게 된다. 두께 측정 카메라(1)는 굽힘으로 깨지는 과정에서 회전운동을 하게 되는(도 2, 도 3) 빙편(ice floe)(5)의 단면을 촬영하는데, 이 때 두께 측정 카메라(1)와 연동하는 계산 소프트웨어(3)는 두께 측정 카메라(1)가 획득한 이미지 분석을 통해 해수(sea water), 해빙, 눈(snow) 부분으로 구분한 후 순수한 해빙 두께만큼만 도출하게 된다. 이 경우 계산 소프트웨어(3)는 두께 측정 카메라(1)가 획득한 이미지의 명암 분석을 통해 순수한 해빙 부분을 구분해 낸다. 한편, 각도 측정 카메라(2)는 두께 측정 카메라(1)의 촬영이 이루어지는 순간의 선체(4)와 해빙, 즉 빙편(5) 간의 각도(도 2의 θ)를 촬영한다. 그러면 각도 측정 카메라(2)와도 연동하는 계산 소프트웨어(3)는 두께 측정 카메라(1)로부터 취득한 해빙 두께 데이터에 각도 측정 카메라(2)로부터 취득한 해빙 각도 데이터를 적용, 각도 보정을 통해 최종적으로 해빙의 두께를 정확히 계산하게 된다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템을 선박에 설치한 후 실해역을 운항하면서 실시간으로 해빙(6)의 두께를 측정하는 방법을 단계별로 나누어 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
설치 단계: 선박(4)에 두께 측정 카메라(1)를 설치한 후 선박(4)의 흘수(draft)로부터 두께 측정 카메라(1)의 높이까지 거리에 대한 보정을 마치고, 다음으로 두께 측정 카메라(1)의 앞 방향(선수 방향)에 각도 측정 카메라(2)를 설치한 후 두께 측정 카메라(1)와 동기화시키며, 최종적으로 두께 측정 카메라(1), 각도 측정 카메라(2)를 계산 소프트웨어(3)와 연동시킨다. 이 경우 계산 소프트웨어(3)에는 본 발명이 설치될 선박(4)의 명암 데이터가 기 입력되어 있다.
제1 단계: 실해역에서 선박(4)이 해빙(6)을 굽힘으로 깨면서 전진을 하면, 두께 측정 카메라(1)가 굽힘으로 깨지는 과정에서 회전운동을 하게 되는(도 2, 도 3) 빙편(ice floe)(5)의 단면을 촬영한다.
제2 단계: 두께 측정 카메라(1)와 연동하는 계산 소프트웨어(3)가 두께 측정 카메라(1)가 획득한 이미지 분석을 통해 해수(sea water), 해빙, 눈(snow) 부분으로 구분한 후 순수한 해빙 두께만큼만 도출한다. 이 경우 계산 소프트웨어(3)는 두께 측정 카메라(1)가 획득한 이미지의 명암 분석을 통해 순수한 해빙 부분을 구분해 낸다. 즉, 계산 소프트웨어(3)는 기 입력된 선박(4)의 명암을 기준으로 하여 가장 흰색을 나타내는 눈의 명암, 그리고 목표인 해빙의 명암, 마지막으로 짙은 해수의 명암을 경험식을 이용하여 선정하고 이를 통하여 순수한 해빙 부분만을 구분해 내어 빙편(5)의 길이방향으로 해빙만의 두께를 실시간으로 계산하는 것이다(해빙 두께의 1차 산출).
제3 단계: 각도 측정 카메라(2)가 상기 제1 단계에서 두께 측정 카메라(1)의 촬영이 이루어지는 순간의 선체(4)와 해빙, 즉 빙편(5) 간의 각도(도 2의 θ)를 촬영한다.
제4 단계: 각도 측정 카메라(2)와 연동하는 계산 소프트웨어(3)가 상기 제1 단계에서 두께 측정 카메라(1)로부터 1차로 취득한 해빙 두께 데이터에 상기 제3 단계에서 각도 측정 카메라(2)로부터 취득한 해빙 각도 데이터를 적용, 각도 보정을 통해 보다 정확한 해빙의 두께를 계산해 낸다(해빙 두께의 2차 산출).
제5 단계: 계산 소프트웨어(3)가 선박(4)의 굽힘 운동(heave motion) 사이클 내에서 각도 측정 카메라(2)로부터 취득한 여러 가지의 해빙 각도 데이터 중 그 각도 값이 가장 작은 경우(이 경우를 빙편(5)이 수직으로 완전히 회전하였을 경우로 가정함, 즉 도 2에서 θ=0인 상태)에 산출된 해빙 두께 데이터를 최종적인 해빙의 두께로 선정한다(해빙 두께의 최종 산출).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 실시간, 저렴한 비용으로, 실제 활용이 예상되는 구간의 해빙의 두께를 정확도 높게 계측할 수 있다. 북극항로가 활성화될 경우, 실시간 실제 항로 내의 해빙 두께 측정으로 인하여 뒤에 따라오는 선단(fleet)에 중요한 정보를 제공할 수 있으며, 북극항로에서 안전하게 선박이 항해할 수 있는 중요한 자료로 활용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 두께 측정 카메라 2 : 각도 측정 카메라
3 : 계산 소프트웨어 4 : 선박, 선체
5 : 빙편 6 : 해빙

Claims (10)

  1. 선박에 설치되어 선박의 흘수로부터의 거리에 대한 보정이 이루어지는 두께 측정 카메라와, 상기 두께 측정 카메라의 앞 방향(선수 방향)에 설치되어 상기 두께 측정 카메라와 동기화되는 각도 측정 카메라와, 선박에 설치되어 상기 두께 측정 카메라 및 상기 각도 측정 카메라와 연동하는 계산 소프트웨어를 포함하는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템에 의하여 구현되는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법으로서,
    실해역에서 선박이 해빙을 굽힘으로 깨면서 전진을 하면, 상기 두께 측정 카메라가 굽힘으로 깨지는 과정에서 회전운동을 하게 되는 빙편의 단면을 촬영하는, 제1 단계;
    상기 계산 소프트웨어가 상기 두께 측정 카메라가 획득한 이미지 분석을 통해 해수, 해빙, 눈 부분으로 구분한 후 순수한 해빙 두께만큼만 도출하는, 제2 단계;
    상기 각도 측정 카메라가 상기 제1 단계에서 상기 두께 측정 카메라의 촬영이 이루어지는 순간의 선체와 해빙 간의 각도를 촬영하는, 제3 단계;
    상기 계산 소프트웨어가 상기 제1 단계에서 상기 두께 측정 카메라로부터 1차로 취득한 해빙 두께 데이터에 상기 제3 단계에서 상기 각도 측정 카메라로부터 취득한 해빙 각도 데이터를 적용, 각도 보정을 통해 보다 정확한 해빙의 두께를 계산해 내는, 제4 단계 및;
    상기 계산 소프트웨어가 선박의 굽힘 운동 사이클 내에서 상기 각도 측정 카메라로부터 취득한 여러 가지의 해빙 각도 데이터 중 그 각도 값이 가장 작은 경우에 산출된 해빙 두께 데이터를 최종적인 해빙의 두께로 선정하는, 제5 단계;
    를 포함하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어에는 선박의 명암 데이터가 기 입력되어 있는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    제2 단계에서, 상기 계산 소프트웨어는 상기 두께 측정 카메라가 획득한 이미지의 명암 분석을 통해 순수한 해빙 부분을 구분해 내는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 기 입력된 선박의 명암을 기준으로 하여 가장 흰색을 나타내는 눈의 명암, 그리고 목표인 해빙의 명암, 마지막으로 짙은 해수의 명암을 경험식을 이용하여 선정하고 이를 통하여 순수한 해빙 부분만을 구분해 내어 빙편의 길이방향으로 해빙의 두께를 실시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  5. 선박에 설치되어 선박의 흘수로부터의 거리에 대한 보정이 이루어지는 두께 측정 카메라와, 상기 두께 측정 카메라의 앞 방향(선수 방향)에 설치되어 상기 두께 측정 카메라와 동기화되는 각도 측정 카메라와, 선박에 설치되어 상기 두께 측정 카메라 및 상기 각도 측정 카메라와 연동하는 계산 소프트웨어를 포함하는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 시스템에 의하여 구현되는 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법으로서,
    상기 두께 측정 카메라가 실해역에서 선박이 해빙을 굽힘으로 깨면서 전진을 하면 이 과정에서 회전운동을 하게 되는 빙편의 단면을 실시간으로 촬영하는 단계;
    상기 각도 측정 카메라가 상기 두께 측정 카메라의 촬영이 이루어지는 순간의 선체와 해빙 간의 각도를 실시간으로 촬영하는 단계 및;
    상기 계산 소프트웨어가 상기 두께 측정 카메라로부터 취득한 해빙 두께 데이터에 상기 각도 측정 카메라로부터 취득한 해빙 각도 데이터를 적용, 보정을 통해 최종적으로 정확한 해빙의 두께를 산출해 내는 단계;
    를 포함하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어에는 선박의 명암 데이터가 기 입력되어 있는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 상기 두께 측정 카메라가 획득한 이미지 분석을 통해 해수, 해빙, 눈 부분으로 구분한 후 순수한 해빙 두께만큼만 도출하는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 상기 두께 측정 카메라가 획득한 이미지의 명암 분석을 통해 순수한 해빙 부분을 구분해 내는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 기 입력된 선박의 명암을 기준으로 하여 가장 흰색을 나타내는 눈의 명암, 그리고 목표인 해빙의 명암, 마지막으로 짙은 해수의 명암을 경험식을 이용하여 선정하고 이를 통하여 순수한 해빙 부분만을 구분해 내어 빙편의 길이방향으로 해빙의 두께를 실시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 계산 소프트웨어는 선박의 굽힘 운동 사이클 내에서 상기 각도 측정 카메라로부터 취득한 여러 가지의 해빙 각도 데이터 중 그 각도 값이 가장 작은 경우에 산출된 해빙 두께 데이터를 최종적인 해빙의 두께로 선정하는 것을 특징으로 하는, 영상장비를 이용한 실해역 해빙 두께 측정 방법.
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