KR101484667B1

KR101484667B1 - 인공위성기반 산불탐지 방법 및 산불탐지시스템

Info

Publication number: KR101484667B1
Application number: KR20140093362A
Authority: KR
Inventors: 홍성욱; 신인철
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2015-01-27

Abstract

본 발명은 인공위성의 관측으로부터 산불에 대한 정보를 구현하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 인공위성에서 관측대상 지역에 대해 채널별 지표반사도를 관측하는 관측센서부와 상기 관측센서부에서 관측된 채널별 지표반사도의 값을 기반으로 RGB 칼라로 변환하는 신규칼라합성을 통해 산불을 결정하는 산불탐지 결정부를 포함하는 인공위성기반 산불탐지 방법 및 시스템으로 구성된다.

Description

인공위성기반 산불탐지 방법 및 산불탐지시스템 {A method and system for fire detection using satellite observation}

본 발명은 인공위성 관측을 이용하여 산불 탐지(발생, 발달, 소멸 등)에 대한 정보를 구현하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최근 기후변화와 인간의 활동 증가로 인한 산불이 자주 발생하고 있다. 산불로 인한 재해는 발생시 수십 년간 조림되어온 산림을 파괴하고, 경제적 손실을 가져오고 있으며, 인명 피해도 발생할 수 있다. 또한 휴전선 부근, 산간 오지, 북한 지역 등 직접적 관측이 어려운 지역은 정확한 정보를 얻기가 어렵다.

인공위성은 접근성에서 전 세계를 동시 관측할 수 있는 유일한 수단이다. 또한 산불 발생에 대한 정확하고 신속한 인공위성 관측 자료는 사전 방재, 사후 복구 등을 위한 매우 중요한 자료로 활용가치가 있다고 하겠다.

인공위성을 이용한 산불 탐지 및 감시 연구가 다양한 국가에서 많이 진행되어 오고 있다. 주로 인공위성에 탑재된 MODIS, LandSat, AVHRR 같은 센서들의 가시광선(Visible)과 근적외선(Near Infrared) 분광정보들을 활용해 오고 있다.

그러나 기존의 인공위성 기반 산불탐지 기법의 대부분은 주로 인간의 눈으로 관측하는 것과 유사한 방식인 빨강(Red)-녹색(Green)-파랑(Blue)색에 해당하는 분광채널들의 조합인 천연 칼라(True Color) 영상에 의존해 왔다. 그러나 이러한 방식은 산불로 인한 연기를 탐지하는데, 가끔은 그 주변의 구름과 섞여서 분석이 어려우므로 정확한 정보를 얻는데 어느 정도 한계가 있다.

아울러 산불의 발생을 탐지하는 방법은 습도나 온도 등의 센싱을 통한 관측이 일반적으로 행해지고 있으나, 이러한 방식으로는 실시간 적인 산불발생을 발견하기 어려우며, 정확한 발생과 발달, 소멸 등의 경과를 파악하는 데에는 한계가 있다.

한국특허공개공보 제 10-2013-0126300호 한국등록특허공보 제 10-0865129호

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인간의 눈으로 보는 것과 동일한 천연색(True color) 영상에서 벗어나, 산불에 민감한 스펙트럼 파장대에서 관측한 인공위성자료를 조합하여, 인간이 이해하기 쉽도록 자연칼라(Natural Color) 영상을 만듦으로써, 기존의 산불 연기탐지에서 벗어나, 산불의 발생, 발달, 소멸 등 일련의 과정을 효율적으로 감시할 수 있는 인공위성기반 새로운 산불 탐지법과 시스템을 제시하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에서는 인공위성 자료를 바탕으로 새로운 위성 관측기기의 스펙트럼을 조합한 칼라합성영상 방법으로, 산불의 특성을 산출하는 방법과 시스템을 제공하려고 한다.

이를 위한 본 발명에 따른 시스템은 구체적으로는, 관측대상 지역의 분광 채널별 지표 반사도를 센싱하는 인공위성에 탑재된 관측센서부와 상기 관측센서부에서 관측된 채널별 지표반사도를 기반으로 신규칼라를 합성하여 산불을 결정하는 산불탐지 결정부를 포함하는 인공위성기반 산불탐지 방법 및 시스템을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 인공위성 관측을 바탕으로 산불에 대한 정보를 매우 정확하게 제공할 수 있다. 따라서, 산간 오지 등 사람의 접근이나 관측 수단이 어려운 지역이나, 북한, 비무장 지대와 같은 우리나라에 영향을 주지만, 직접관측 수단이 없는 지역에서 발생한 산불로 인한 재난재해 발생시 유용하게 사용될 수 있으며, 사전방재, 사후 산불손실로 인한 복구 등을 위한 매우 중요한 사회경제적 정보를 제공할 수 있다.

예를 들어, 산불의 현황을 감시함으로써, 관련 정책결정자에게 피해보상을 정할 수 있는 중요 지침을 제공할 수 있게 된다. 따라서, 국가방재활동에 유용하게 기여할 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명에 따른 산불 탐지시스템을 도시한 개략적인 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 산불 탐지하는 방법을 도시한 블록도이다.
도 3a는 인공위성에 탑재되어 있는 MODIS 센서의 관측가능한 채널(파장대)을 정리한 표이다.
도 3b는 다양한 물질 별로 반사도가 MODIS 채널(파장대)별로 반응하는 정도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 가시광선과 빛의 칼라합성을 보여주는 개념도(a)와 RGB 칼라공간(b)이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명을 적용하는 예시 및 본 시스템을 적용하여 실제 산불발생을 탐지한 적용예를 도시한 이미지이다.
도 6은 본 발명에 따른 산불 탐지 시스템을 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 인공위성에서 관측되는 가시에서 적외선까지 분광채널별 지표반사도를 바탕으로, 산불에 강하게 대비되도록 반응하는 채널들을 선택한 후에, 채널별 지표 반사도를 빛의 색에 대한 3원소(적색(R), 녹색(G), 파랑색(B)) 색상표에 대응시켜, 칼라합성 영상을 만들어서 산불을 탐지하는 인공위성기반 산불탐지 기술에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 산불 탐지시스템을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 산불 정보를 탐지하는 방법을 도시한 블록도이다.

도시된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 위성기반 산불 탐지 시스템은, 관측대상 지역의 분광채널별 지표반사도를 센싱하는 인공위성에 탑재된 관측센서부(100)와 상기 관측센서부(100)에서 센싱된 분광채널별 지표반사도 값을 기준으로, 산불에 대비되는 특정 채널을 선별하고, 칼라합성 영상을 형성하여 산불을 탐지하는 산불탐지결정부 (200)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 관측센서부(100)는 인공위성의 관측센서를 포함하는 관측모듈을 포함하는 개념으로, 여기에서는 전세계적으로 많이 사용되는 AQUA와 TERRA라는 미국의 저궤도 위성 자료를 예로써 이용한다. 이 두 위성은 MODIS 센서(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)를 탑재하고 있으며, MODIS는 공간해상도 250m ~1 km 이하의 공간해상도를 가진다. 관측 채널(스펙트럼 파장대)로는 0.47㎛, 0.56㎛, 0.65㎛, 0.86㎛, 1.24㎛, 1.64㎛, 2.13㎛ 등 36개의 분광채널이 있다. 하지만, 스펙트럼 특성상 모든 채널이 산불 탐지에는 적합한 것은 아니다(도 3b참조).

본 발명의 실제 적용을 한 예로써, 2011년 4월 5일에 북한 및 강원도 지역에서 발생한 여러 개 산불에 대해 사례 연구를 실시하였다. 본 발명의 결과를 적용하였을 때, 산불이 발화하고 있는지, 연기가 나고 있는지 등 세세한 정보가 탐지됨을 알 수 있다(도 5c 및 도 5d 참조).

도 3a는 인공위성에 탑재되어 있는 MODIS 센서의 관측가능한 채널(파장대)을 정리한 표이다. 이러한 다양한 채널에 대하여, 본 발명의 실시예에서는 산불탐지에 적합한 3개의 특정 채널을 중심으로 반사도를 센싱하고, 이를 신규칼라합성을 통해 보다 정밀한 산불발생영역을 결정하고, 이후의 변경, 소멸에 이르는 경로를 신뢰성 있게 산출하여 검증할 수 있게 한다.

이를 위해 도 1에서의 산불 탐지 결정부(200)는, 상기 관측센서부에서 센싱된 분광채널별 지표반사도의 값을 조합하여 신규 평균반사도를 형성하고, 신규 RGB칼라합성을 통해 산불탐지를 결정하는 기능을 한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 상기 산불탐지결정부(200)는 상기 관측센서부에서 전송되는 3개의 관측채널별 지표반사도를 기준으로 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)으로 색상을 표출하는 신규 RGB 칼라합성부(210)을 포함하여 구성될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 상기 산불 탐지결정부(200)의 신규 RGB 칼라합성부(210)는 인공위성에 장착된 관측센서부의 산불에 민감한 3개의 채널(파장대별)에서 관측되는 반사도 (Reflectance)를 빛의 3원색인 적(Red), 녹(Green), 청(blue)에 대응시켜서, 3색을 합성하는 칼라합성법을 활용한다.

즉, 본 발명에서는 빛의 3원색에 해당하는 파장대를 이용하여 인간의 눈으로 관측하는 것과 똑같은 천연색(True Color)를 이용하는 것을 대체하는 방법을 제안한다. 구체적으로, 본 발명에서는 빛의 3원색에 해당하는 파장대 대신에, 가시, 근적외 같은 다른 파장대 관측 3개 요소를 빛의 3원색에 대응시키는 새로운 칼라합성법을 제시하고, 제시한 신규 칼라합성 영상법에 신규 경계값을 적용한 방법을 사용한다.

이를 위해, 상기 신규칼라합성부(210)는, 하기의 {식 1}과 {식2}에 의해 3개의 지표반사도를 각각 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 색상으로 변환하는 기능을 한다. 그 이후 빛의 3원색을 합성한다. 도 4(a)는 이러한 가시광선과 빛의 칼라합성을 보여주는 예이다.

{식 1}

(여기서,

는 색상(color)를 의미한다.

,

, 및

는 적색, 녹색, 파랑색의 빛의 세기(power)를 의미한다.

,

, 및

는 각각 적색, 녹색, 파랑색의 색조(color saturation)를 나타낸다. 아래첨자

,

및

는 0 과

사이의 각기 다른 기여도(contribution)을 나타낸다.

의 n은 컴퓨터 칼라에서 나타낼 수 있는 비트(bit)를 의미한다. )

본 발명에서 인공위성에서 관측된 자료가 색상으로 변환되는 n=8 비트인 컴퓨터 그래픽상에서의 RGB 변환식은 {식 2}와 같이 표현된다.

{식 2}

여기서

,

및

는 인공위성의 각 채널별

,

및

에서 관측된 반사도(R)이다 (도 4(b) 참조).

구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 신규 RGB 합성기술을 자세히 설명하면, 이는 MODIS의 가시 및 근적외 채널 중에 3개의 채널 (7, 2, 1 채널)의 반사도 값을 빨강색(R), 녹색(G), 파란색(B) 색으로 변환하거나, 채널간 조합(채널간 차이 또는 평균 등)을 각각 빨강색(Red), 녹색(Green), 파란색(Blue)으로 색상을 표출하도록 구현된다. 인공위성에서 관측되는 채널별 반사도는 0에서 1사이에 존재한다. 인공위성 채널별 반사도와 RGB칼라에 변환은 상술한 {식 1} 과 {식2}에 의해 이루어진다.

즉, {식 1}과 {식 2}에 따라서, 인공위성에서 관측된 반사도는 채널별로 각각 8비트(0~255)의 R, G, B 각각의 색상 값으로 변환하게 된다. 3개 채널의 8비트 영상은 최대 범위의 색상을 16,777,216 값을 가지게 된다. 따라서, 변환된 RGB를 3차원 공간의 각각의 축으로 삼으면, 검정(0,0,0), 빨강(2^8-1=255, 0, 0), 녹색(0, 2^8-1=255, 0), 파랑(0, 0, 2^8-1=255), 노랑(2^8-1=255, 2^8-1=255, 0), 자홍(2^8-1=255, 0, 2^8-1=255), 청록(0, 2^8-1=255, 2^8-1=255), 그리고 흰색(2^8-1=255, 2^8-1=255, 2^8-1=255) 등으로 각각 색상이 표출된다 (도 4b 참조). 쉽게 풀어 이야기 하면, 인공위성에서 관측한 3개의 반사도 값(0`~1)을 빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파랑을 색깔별로(0~255), 즉 256 칼라에 대응시킨다(도 5a 참조).

RGB 칼라합성에 대해 예를 들어 설명을 하면, 인간의 눈으로 보는 것과 동일한 천연색(True Color)는 보기에 좋다. 가시광선의 파란색 광에 해당되는 0.47㎛, 가시관선의 빨간색에 해당하는 빛의 파장 0.65㎛, 녹색에 해당하는 파장 0.56㎛에서 관측되는 반사도의 최종 조합이다. 따라서, 각 파장에서 관측된 반사도를 칼라합성 조합 R(0.65㎛)-G(0.47㎛)-B(0.56㎛)에 대응시키면, 인간의 눈에 보이는 칼라와 동일하게 보이게 된다. 도 5b는 인공위성에서 관측 자료를 이용하여 R(0.65㎛)-G(0.56㎛)-B(0.47㎛)를 적용해 본 총천연색 영상이다.

도 5c 및 도 5d는 MODIS True color와 본 발명에서 제시한 칼라합성을 적용한 예로써, 한반도에서 발생한 산불을 탐지한 사례 (2011년 4월 5일)이다. 이 중 도 5c는 본 시스템의 적용전의 이미지이며, 도 5d는 본 시스템을 적용한 이후의 이미지이다. 도 5c 및 도 5d를 비교하면 본 시스템에 따른 칼라합성법을 적용한 이미지가 현저하게 높은 산불감지 이미지를 형성하는 것을 확인할 수 있다.

요컨데, 이러한 결과는 본 발명의 실시예에서 토양 및 온도에 민감한 7번채널 (2.16㎛)에서 관측된 반사도를 빨간색(Red)에 대응하고, 식생에 민감한 2번 채널(0.876㎛)에서 관측된 반사도를 녹색(Green)에, 물에 민감한 1번 채널(0.67)을 파란색(Blue)에 대응하여 변환하는 방법을 적용하기 한다. 그 결과 본 발명의 실시예에서 신규 칼라합성법 R(2.16㎛)-G(0.86㎛)-B(0.66㎛)을 적용하여, 산불 탐지에 강한 색상대비가 생기기 때문에 이와 같은 명확한 결과를 도출할 수 있게 된다.

본 발명에서는 산불 탐지를 결정하기 위해 분광채널별 반사도(R) 경계값을 {식 3}로 다음과 같이 정의하였다.

{식 3}

0 ≤R(2.16㎛)≤ 1, (R(2.16㎛)은 2.16㎛ 파장에서의 반사도)

0 ≤R(0.86㎛)≤ 1, (R(0.86㎛은 0.86㎛ 파장에서의 반사도)

0 ≤R(0.66㎛)≤ 1, (R(0.66㎛)은 0.66㎛ 파장에서의 반사도)

이는 상술한 바와 같이 본 발명은, 관측센서부, 산불탐지결정부로 구성되는 인공위성기반 산불탐지지방법과 상술한 산불탐지시스템은 소프트웨어를 통해 구현할 수 있다. 따라서, 상술한 본 발명에 따른 시스템과 방법은 소프트웨어적인 구성이 가능하여 이를 실행하기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 형태로 제조가 가능함은 물론이다.

도 6은 본 발명에 따른 산불 탐지 시스템을 소프트웨어적으로 구현한 일례를 도시한 것이다.

특히, 상술한 본 발명에 따른 산불탐지 시스템의 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 산불을 인공위성관측을 통해 탐지 및 감시할 수 있고, 그 정보는 준 실시간으로 재난재해 방지 및 사후 대책을 세우는 등 국가 방재 업무 및 복구 등 산업 경제적으로도 활용될 수 있다.

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: 관측센서부
200: 산불탐지 결정부
210: 신규 칼라합성부
220: 산불영역검출부

Claims

관측대상 지역의 분광채널별 지표반사도를 센싱하는 인공위성에 탑재된 관측센서부; 및
상기 관측센서부에서 센싱되는 분광채널별 지표반사도 값을 기준으로, 산불에 대비되는 특정 채널을 선별하고, 칼라합성 영상을 형성하여 산불을 탐지하기 위해, 상기 관측센서부에서 전송되는 상기 특정 채널에 해당하는 3개의 관측채널별 지표반사도를 기준으로 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)으로 색상을 표출하는 신규칼라합성부 및 분광채널별 반사도 경계값을 기준으로 산불 발생 영역을 결정하는 산불영역검출부를 포함하는 산불탐지결정부;를 포함하며,
상기 신규칼라합성부는,
하기의 {식 1} 및 {식 2}에 의해 상기 3개의 지표반사도를 조합하여 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 색상으로 변환하는 신규칼라합성법을 이용하는 인공위성기반 산불탐지시스템.
{식 1}

{식 2}

(여기서,
는 색상(color)를 의미한다.
,
, 및
는 적색, 녹색, 파랑색의 빛의 세기(power)를 의미한다.
,
, 및
는 각각 적색, 녹색, 파랑색의 색조(color saturation)를 나타낸다. 아래첨자
,
및
는 0 과
사이의 각기 다른 기여도(contribution)을 나타낸다.
의 n은 컴퓨터 칼라에서 나타낼 수 있는 비트(bit)를 의미한다. 여기서
,
및
는 인공위성의 각 채널별
,
및
에서 관측된 반사도(R)이다)
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 3개의 지표반사도는,
상기 인공위성에 탑재된 MODIS 센서(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)의 7채널, 2채널, 1채널에서 관측된 지표반사도 값을 적용하는 인공위성기반 산불탐지시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 산불영역검출부는,
상기 산불 발생 영역을 결정하기 위해 분광채널별 반사도 경계값(R)을 하기의 {식 3}으로 정의하는 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 인공위성기반 산불탐지시스템.
{식 3}
0 ≤R(2.16㎛)≤ 1, (R(2.16㎛)은 2.16㎛ 파장에서의 반사도)
0 ≤R(0.86㎛)≤ 1, (R(0.86㎛은 0.86㎛ 파장에서의 반사도)
0 ≤R(0.66㎛)≤ 1, (R(0.66㎛)은 0.66㎛ 파장에서의 반사도)
인공위성의 관측센서부를 통해 센싱되는 관측대상지역의 지표 반사도를 측정하는 단계;
상기 관측센서부에서 센싱되는 분광채널별 지표반사도 값을 기준으로, 산불에 대비되는 특정 채널을 선별하는 단계;
상기 관측센서부에서 전송되는 상기 특정 채널에 해당하는 3개의 관측채널별 지표반사도를 기준으로 하기의 {식 1} 및 {식 2}를 이용하여 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)으로 색상을 표출하는 단계;
상기 색상으로 표출된 대상지역을 아래의 {식 3}에 따른 분광채널별 반사도의 경계값(R)과 대비하여 홍수영역을 결정하는 단계;
를 포함하는 인공위성기반 산불탐지방법.
{식 1}

{식 2}

{식 3}
0 ≤R(2.16㎛)≤ 1, (R(2.16㎛)은 2.16㎛ 파장에서의 반사도)
0 ≤R(0.86㎛)≤ 1, (R(0.86㎛은 0.86㎛ 파장에서의 반사도)
0 ≤R(0.66㎛)≤ 1, (R(0.66㎛)은 0.66㎛ 파장에서의 반사도)
(여기서,
는 색상(color)를 의미한다.
,
, 및
는 적색, 녹색, 파랑색의 빛의 세기(power)를 의미한다.
,
, 및
는 각각 적색, 녹색, 파랑색의 색조(color saturation)를 나타낸다. 아래첨자
,
및
는 0 과
사이의 각기 다른 기여도(contribution)을 나타낸다.
의 n은 컴퓨터 칼라에서 나타낼 수 있는 비트(bit)를 의미한다. 여기서
,
및
는 인공위성의 각 채널별
,
및
에서 관측된 반사도(R)이다)
청구항 6의 인공위성기반 산불탐지방법을 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.