KR101821973B1 - 위성영상을 이용한 수계면적 분석방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모니터 화면상의 수계면적을 추출하여 변화 관측을 위해 Landsat-8 위성영상과 지리정보체계(GIS) 데이터를 활용할 수 있는 지속적인 수계면적을 모니터링한 가뭄파악의 수계면적 분석시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 국립재난안전연구원에 설치된 직경 5 m 위성영상 수신안테나(1)를 통해 수신서버로부터 획득된 Landsat-8 위성영상데이터베이스(2)의 위성영상에서 남북한 총 19개의 수계지역의 면적을 취득할 수 있는 수계면적 분석시스템에서; 데이터베이스(DB) 서버는 위성영상 데이터베이스(2), 영상 바운더리 (Boundary) 데이터베이스(3), 하천벡터 데이터베이스(4)로 구성되고 있으며; 시스템 구동서버는 그래픽 사용자인터페이스(GUI : 5), 시스템 구동(6), 및 디스플레이(7)로 구성되어 있는 것을 그 특징으로 한다.

Description

위성영상을 이용한 수계면적 분석방법{SPECIFIC WATER AREA ANALYSIS METHOD BY USING SATELLITE IMAGES}
본 발명은 모니터 화면상의 수계면적을 추출하여 변화 관측을 위해 Landsat-8 위성영상과 지리정보체계(GIS) 데이터를 활용할 수 있는 지속적인 수계면적을 모니터링한 가뭄파악의 수계면적 분석방법에 관한 것이다.
현대인의 안전의식은 복잡해지는 자연환경과 사회환경에서 다양한 방법에 의해 관리가 이루어지고 있으며, 재난 및 안전사고의 유형을 살펴보면 매우 광범위함을 알 수 있다. 안전행정부는 재난 및 안전사고 예방의 효율적 관리를 위해, 중앙 및 지방자치단체 그리고 공공기관이 준수해야 할 『재난관리기준』과 『안전관리기준』을 제정·고시하고 있다.
재난관리기준에서는 재난예방 및 경감을 위한 재난경감계획, 재난관리조직의 운영, 재난운영 연속성 관리, 재난관리 모니터링, 재난 예/경보, 상황전파 및 지휘체계, 체계적인 상황관리와 자원관리 등에 관한 기준을 포함하고 있는 바, 특히 각기 다르게 사용되거나 명확한 정의가 없는 재난관련 용어를 통일적으로 정의하고 있다. 안전관리기준에서는 안전사고 예방을 위한 안전관리 계획수립, 실행 및 운영, 운영상황 평가, 안전관리대책의 개선 등에 관한 안전관리기준을 제시하고 있는 실정이다.
재난재해 및 안전사고 분류 및 정의에 따르면 자연재해는 태풍, 홍수, 호우, 강풍, 풍랑, 폭풍해일, 지진해일, 조수, 대설, 낙뢰, 가뭄, 지진, 황사, 적조, 우박, 폭염, 한파, 산사태/급경사지 붕괴, 화산폭발, 우주재해 등 20개 유형으로 분류하고 있다.
사회재난은 감염병 유행, 가축전염병 유행, 폭발사고, 가스사고, 화생방 사고, 교통사고, 건축물붕괴, 에너지 기반시설 파과, 정보통신시설 파괴, 교통수송 기반시설 파괴, 보건의료시설 파괴, 폐기물처리시설 파괴, 용수 기반시설 파괴, 화재, 산불, 환경오염사고, 사이버테러 등 17개 유형으로 분류하는 등, 총 37개 유형으로 분류하고 있어 재난의 유형을 좀 더 세분화하여 분류하고 있다.
그런데, 한반도에서의 여름철에 강우가 집중되는 기상학적 여건과 대수층이 발달하지 못한 지형학적 여건으로 가뭄에 매우 취약하게 되어 있는 바, 예컨데 지난 2015년 10월까지의 강수량이 평균대비 62 %로 가뭄이 발생하였으며, 차후 발생할 가뭄에 대비하여 정확한 가뭄파악 및 분석이 필요하도록 요구되고 있다.
본 발명자들은 지역별 가뭄파악을 위해 위성영상을 이용하여 소양호 및 보령호의 수계면적를 위해서 예컨데 2014년 - 2015년까지 촬영된 국립재난안전연구원에 설치된 수신서버의 Landsat-8 위성영상에 전처리, 정규수분지수(NDWI)산출 및 OSTU 이진화 알고리즘 적용, 수계영역 마스킹을 통해 시계열 수계면적을 산출하는 기술 및 방법을 개발하고 있다. 이렇게 산출된 수계면적은 국가수자원 관리종합정보시스템의 저수위 정보와 비교하여 상관관계를 분석할 수 있도록 되어 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 기술을 감안하여 발명된 것으로, 예컨데 Landsat-8 위성영상을 이용하여 특정수계 면적의 파악을 위해 상기 위성영상을 전처리, 정규수분지수 산출 및 OTSU 이진화 알고리즘 적용을 진행하여 보다 정확한 수계면적을 관측할 수 있는 가뭄파악의 수계면적 분석시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 국립재난안전연구원에 설치된 직경 5 m 위성영상 수신안테나(1)를 통해 수신서버로부터 획득된 Landsat-8 위성영상데이터베이스(2)의 위성영상에서 남북한 총 19개의 수계지역의 면적을 취득할 수 있는 수계면적 분석시스템에서; 데이터베이스(DB) 서버는 위성영상 데이터베이스(2), 영상 바운더리 (Boundary) 데이터베이스(3), 하천벡터 데이터베이스(4)로 구성되고 있으며; 시스템 구동서버는 그래픽 사용자인터페이스(GUI : 5), 시스템 구동(6), 및 디스플레이(7)로 구성되어 있는 것을 그 특징이 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 수신서버로부터의 Landsat-8 위성영상에 전처리, 정규수분지수(NDWI)산출 및 OSTU 이진화 알고리즘 적용, 수계영역 마스킹을 통해 시계열 수계면적을 산출할 수 있음으로 수계면적 변화탐지로 위성영상으로 추출한 수계면적 변화가 가뭄을 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 가뭄파악의 수계면적 분석시스템을 설명하기 위한 시스템구성도,
도 2 는 도 1 에 도시된 영상 바운더리 데이터베이스(DB)와 하천벡터 데이터베이스(DB)를 상세히 설명하는 도면,
도 3 은 도 1 에 도시된 그래픽사용자 인터페이스(GUI)를 상세히 설명하기 위한 모니터 화면,
도 4 는 본 발명의 가뭄파악의 수계면적 분석시스템을 상세히 설명하기 위한 특징흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 수계면적 분석시스템을 설명하기 위한 시스템구성도이고, 본 발명은 모니터 화면상의 수계면적을 추출하여 변화 관측을 위해 Landsat-8 위성영상과 지리정보체계(GIS) 데이터를 활용할 수 있는 지속적인 수계면적을 모니터링한 가뭄파악의 수계면적 분석시스템인 것이다.
본 발명은 모니터 화면상의 수계면적 변화 파악을 위해 Landsat-8 위성영상과 지리정보체계(GIS) 데이터를 활용한 수계면적 분석시스템으로, 이는 국립재난안전연구원에 설치된 직경 5 m 위성영상 수신안테나(1)를 통해 수신서버(도시되지 않음)로부터 획득된 Landsat-8 위성영상데이터베이스(2)의 위성영상에서 남북한 총 19개의 수계지역의 면적을 취득할 수 있는 수계면적 분석시스템인 것이다.
이를테면, 데이터베이스(DB) 서버에는 위성영상 데이터베이스(2), 영상 바운더리 (Boundary) 데이터베이스(3), 하천벡터 데이터베이스(4)로 구성되고 있으며, 시스템 구동서버에는 그래픽 사용자인터페이스(GUI : 5), 시스템 구동(6), 및 디스플레이(7)로 구성되어 있다.
위성영상 데이터베이스(2)에서의 위성영상은 전처리프로그램을 통해 가공되는 한편, 위성영상과 전처리된 영상은 영상 데이터베이스에 저장되고 있는 바, 이는 일반사진과 달리 별도의 작업을 처리한 다음 활용할 수 있으며, 제공시 기하보정이 수행되기 때문에 화소값에서 복사휘도(Radiance)로 변환과 복사휘도에서 대기 상부반사도로 변환하고 있다.
영상 바운더리 데이터베이스(3)에서의 영상 바운더리는 위성영상을 자르기 위함이고, 하천벡터 데이터베이스(4)에서의 하천벡터데이터는 점, 선, 면으로 이루어진 디지털데이터인 것이다. 영상 바운더리 데이터베이스(3)와 하천벡터 데이터베이스(4)의 설명은 도 2 에서 상세히 설명하고, 시스템 구동서버의 그래픽 사용자인터페이스(GUI : 5), 시스템 구동(6), 및 디스플레이(7)의 설명은 도 3 및 도 4 에서 설명하기로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 한반도 주요지역에 대한 지속적인 수계면적 모니터링을 위해 Landsat-8 위성영상을 이용하여 특정수계 면적의 파악을 위해 상기 위성영상을 전처리, 정규수분지수 산출 및 OTSU 이진화 알고리즘 적용을 진행하여 보다 정확한 수계면적을 관측할 수 있다.
도 2 는 도 1 에 도시된 영상 바운더리 데이터베이스(DB)와 하천벡터 데이터베이스(DB)를 상세히 설명하는 도면이다.
영상 바운더리 데이터베이스(DB)에서 한반도 주요지역 19개의 영상 바운더리는 위성영상을 자르기 위함인 바, 즉 우측에서의 그림처럼 왼쪽 남한 지도에 올려져 있는 영상은 Landsat-8 기본영상이고, 오른쪽 영상은 기본영상에서 특정 지역만 잘라낸 영상인 것이다. 해당 바운더리(Boundary)에 대한 정보를 영상바운더리 데이터베이스(DB)에 저장해놓고 있다.
하천벡터 데이터베이스(DB)에서 남북한의 하천 벡터 파일(디지털 파일)을 이용해 위성영상에서 수계면적을 추출하고 있다. 기존의 남북한 벡터 파일은 정확한 하천 영역의 디지털 자료를 가지고 있기 때문에 해당 데이터의 범위를 늘려야 한다.
왜냐하면, 소양호나 보령호의 경우에는 시기가 변하면서 하천의 면적이 변하기 때문인 바, 즉 정확한 하천 영역의 디지털 자료를 가지고 있다면 해당 지역안의 수계영역밖에 추출하지 못하고 있다.
따라서, 조금 넉넉한 하천 영역 디지털파일이 필요하게 되는 바, 이때 사용하는 것이 버퍼 기능이고, 이러한 버퍼 기능은 사용자가 원하는 만큼 폴리곤을 m 혹은 km 로 늘릴 수 있다.
해당 기능으로 총 19 개의 하천 지리정보체계(GIS) 데이터(디지털 자료)를 생성하여 하천 벡터 데이터베이스(DB)에 저장합니다. 아래의 그림에서 옅은 파란색이 하천 디지털 자료이고, 진한 파란색 부분이 버퍼가 적용된 지역인 것이다.
상기 버퍼 적용하기 전에 남한 국가하천 SHP와 북한 토지피복도를 이용하고 있다. 또한, 19 개의 하천 지리정보체계(GIS) 데이터에서 북한은 황주군 우측호수, 은파호, 황강댐, 안주시 부근호수, 태천군 인근저수지, 향봉리 부근 호수, 세봉 부근호수, 삼수읍 부근 호수, 송원저수지이고, 남한은 팔당댐, 소양강댐, 충주댐, 대청댐, 안동댐, 사면댐, 남강댐, 섬진강댐, 주암댐인 것이다.
또한, 위성영상만으로는 해당 지역내 변화탐지를 파악하고자하는 수계지역의추출이 어렵기 때문에, 수계영역을 나타내는 지리정보체계(GIS)자료의 사용이 부가적으로 필요하다.
본 발명에서는 국가수자원 관리종합정보시스템에서 제공하는 유역동허 국가 하천정보를 이용하고 있다.
도 3 은 도 1 에 도시된 그래픽사용자 인터페이스(GUI)를 상세히 설명하기 위한 모니터 화면이다.
그래픽사용자 인터페이스(GUI)에서 모니터화면상에 설정부, 동작부 및 표시부로 디스플레이되고 있는 바, 좌측 설정부에서 자동과 수동으로 나눠어지고, 자동으로 선택되어 분석이 시작되면 오른쪽 설정부에 입력된 경로들을 기본으로 위성영상이 수신될 때마다 산출된 수계면적 그림과 결과파일이 저장되고 있다.
설정부의 수동이면 사용자가 분석하기 원하는 특정 영상만을 선택하여 분석을 하고 있으며, 또한 수동일 때 임계치 설정을 사용자가 할 수 있다. 설정부의 자동에서는 OTSU 이진화 알고리즘이 선택해주지만, 수동으로는 사용자가 임계치를 지정할 수 있도록 되어 있다. OTSU 이진화 알고리즘은 영상내 지표면과 수계지역의 분류에 사용되고 있다.
여기서 랜드셋 마스크(Landsat Mask) 영상 경로와 댐유역 형상(Shape)자료 경로는 거의 고정이 될 것인 바, 왜냐하면 2 개의 경로는 주기적으로 업데이트가 되지 않기 때문이다.
도 4 는 본 발명의 가뭄파악의 수계면적 분석시스템을 상세히 설명하기 위한 특징흐름도이다. 즉, 본 발명의 가뭄파악의 수계면적 분석시스템은 위성영상 데이터베이스로부터의 위성영상로드과정 - 위성영상 전처리과정 - 정규수분지수 (NDWI) 영상생성과정 - OTSU 알고리즘적용 및 임계치추출과정 - 위성영상에서 수계면적이미지를 추출하는 과정 순으로 이루어진다.
도 1 에 도시된 시스템구동서버의 시스템구동과 디스플레이를 활용하게 되는 바, 처음 위성영상을 획득 시에는 각 화소값이 8 비트일 경우 1 ~ 255 값을 가지고 있다. 하지만 실제 위성영상은 태양 에너지가 지표면에 반사된 값을 획득하기 때문에 정규수분지수(NDWI) 또는 식생지수(NDVI)를 산출할 시 복사휘도(Radiance : 또는 사율 값(Reflectance)로 변환을 해야 한다.
복사휘도(Radiance)는 표면에서 복사된 양을 의미하고, 복사휘도(Radiance)에서 사율 값(Reflectance)로 변환할 수 있는데, 이는 Exoatmospheric irradiance와 solar zenith angle로 산출가능하고, 여기서 대기 상부 반사도(TOA reflectance)는 Top of Atmospheric reflectane인 것이다.
즉, 대기 상부의 사율 값(reflectance)인 데, 예컨데 대기에 의한 감쇠, 산란, 흡수가 된, 즉 오류를 포함하고 있는 반사도로 보면 된다.
그리고, 시스템구성서버의 디스플레이로서 모니터링 하기 위한 특정 수계지역만 추출해야 하는 데, 이 부분에서 영상 바운더리 데이터베이스(DB)를 사용하고 있다. 영상 바운더리는 영상을 자르기 위함인 바, 즉 좌상단과 우하단의 좌표가 있기 ‹š문에 해당 영역을 자를 수 있다.
위성영상 전처리과정을 거친 정규수분지수 (NDWI) 영상생성과정에서 정규수분지수(NDWI)는 그린(Green)과 NIR(Near InfraRed) 파장대를 이용하고 있는 바, 상기 두 파장대를 이용해서 위성영상의 각 픽셀에 포함되는 수분함유량을 산출하고 있다.
따라서, 정규수분지수 산출은 위성사진의 가시관과 극적외 파장대 영역의 파장정보를 이용하여 영상내의 각 화소가 포함하고 있는 수분량을 파악할 수 있다.
OTSU 알고리즘적용 및 임계치추출과정에서 OTSU는 영상의 배경과 전경을 분리하는데 사용하는 기법으로, 본 발명에서는 지표면과 수계지역을 분리하기 위해 사용하고 있다. 즉, 히스토그램 형태가 쌍봉형이라는 가정하에 극소점을 찾아 그 점을 임계 값으로 정하는 것이다.
위성영상에서 수계면적이미지를 추출하는 과정에서는 하천 영역만을 추출하기 위함이며 이 과정에서는 하천 벡터 데이터베이스(DB)를 이용하고 있다.
벡터 파일은 좌표를 가지고 있는 점, 선, 면 디지털 파일로써, 즉 행정구역 디지털 자료, 상수도 관망 디지털 자료와 같으며, 하천 벡터파일 또한 존재하고 있다. 버퍼기능을 적용시킨 하천 벡터 데이터베이스(DB)파일을 이용해서 해당 지역내에 있는 수계면적들을 추출하고 있다.
따라서, 본 발명의 시스템 구동에 관한 일련의 과정은 우측 모니터 화면상 디스플레이들에서 영상들을 보면 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 가뭄파악의 수계면적 분석시스템은 수신서버로부터의 Landsat-8 위성영상에 전처리, 정규수분지수(NDWI)산출 및 OSTU 이진화 알고리즘 적용, 수계영역 마스킹을 통해 시계열 수계면적을 산출할 수 있음으로 수계면적 변화탐지로 위성영상으로 추출한 수계면적 변화가 가뭄을 파악할 수 있다.
본 발명의 가뭄파악의 수계면적 분석시스템은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다.
따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
1 : 영상수신 안테나
2 : 위성영상 데이터베이스(DB)
3 : 영상 바운더리 데이터베이스(DB)
4 : 하천벡터 데이터베이스(DB)
5 : 그래픽 사용자인터페이스(GUI)
6 : 시스템 구동
7 : 디스플레이

Claims (6)

  1. 영상수신 안테나(1)를 통해 수신된 위성영상을 저장하는 위성영상 데이터베이스(DB)(2)와, 상기 위성영상을 다수지역으로 잘라서 해당 바운더리(Boundary)에 대한 정보로 저장하는 영상 바운더리 데이터베이스(DB)(3)와, 하천 벡터파일(디지털 파일)을 이용해 위성영상에서 수계면적을 추출하되 버퍼기능으로 하천 지리 정보체계(GIS)데이터(디지털자료)를 생성한 자료를 저장하는 하천벡터 데이터베이스(DB)(4)와, 모니터화면에서 상기 위성영상이 수신될 때마다 산출된 수계면적 그림과 결과파일을 저장하는 그래픽사용자 인터페이스(GUI)(8)를 구비한 수계면적 분석시스템을 사용하여 위성영상을 이용한 수계면적을 분석하는 방법에 있어서,
    상기 위성영상 데이터베이스(DB)(2)로부터 위성영상을 로드하는 위성영상 로드과정과;
    처음 획득된 위성영상을 정규수분지수(NDWI)를 산출하기 용이하도록 하기위해 표면에서 복사된 값을 의미하는 복사휘도(Radiance)로 변환한 다음 대기 상부의 사율 값(Reflectance)으로 변환하는 위성영상 전처리과정과;
    상기 위성영상 전처리과정에서 획득한 사율 값(Reflectance)에 의해 정규수분지수(NDWI)는 그린(Green)과 NIR(Near InfraRed) 파장대를 이용하고 있는 바, 상기 두 파장대를 이용해서 위성영상의 각 픽셀에 포함되는 수분함유량을 산출함으로써 위성사진의 가시관과 극적외 파장대 영역의 파장정보를 이용하여 영상내의 각 화소가 포함하고 있는 수분량을 파악하여 하천영역만을 추출하게되는 정규수분지수(NDWI) 영상 생성과정과;
    히스토그램 형태가 쌍봉형이라는 가정하에 극소점을 찾아 그 점을 임계값으로 정해줌으로써, 상기 정규수분지수(NDWI) 영상 생성과정에서 추출된 하천영역에 대해서만 지표면과 수계지역을 분리하기 위해 사용되는 OTSU 알고리즘적용 및 임계치추출과정과;
    상기 하천벡터 데이터베이스(DB)(4)에서 하천 벡터화일을 이용해 위성영상에서 수계면적을 추출하되, 기존의 벡터화일은 정확한 하천영역의 디지털 자료를 가지고 있기 때문에 해당 데이터의 범위를 늘려야하므로 넉넉한 하천 영역 디지털 파일이 필요한 바 폴리곤을 사용자가 원하는 만큼 늘려주는 버퍼기능을 사용하고, 상기 기능에 의해 생성된 하천 지리정보 체계(GIS) 데이터(디지털자료)는 상기 하천벡터 데이터베이스(DB)(4)에 저장되어지는데, 이는 점 선, 면 디지털 파일로서 행정구역 디지털자료, 상수도 관망 디지털자료와 같이 해당지역 내에 있는 수계면적들을 추출하여 이미지화하는 과정으로 이루어지되,
    상기 이미지화하는 과정에서는 그래픽사용자 인터페이스(GUI)에서 모니터화면상에 설정부, 동작부 및 표시부로 디스플레이되고 있는 바, 좌측 설정부에서 자동과 수동으로 나눠어지고, 자동으로 선택되어 분석이 시작되면 오른쪽 설정부에 입력된 경로들을 기본으로 위성영상이 수신될 때마다 산출된 수계면적 그림과 결과파일이 저장되고, 설정부의 수동이면 사용자가 분석하기 원하는 특정 영상만을 선택하여 분석가능할 수 있도록 구성되며,
    설정부의 자동에서는 OTSU 이진화 알고리즘이 선택해주지만, 수동으로는 사용자가 임계치를 지정할 수 있게된 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수계면적 분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성영상 데이터베이스(DB)(2)에서의 위성영상은 전처리프로그램을 통해 가공되는 한편, 위성영상과 전처리된 영상은 위성영상 데이터베이스(DB)(2)에 저장되는 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수계면적 분석방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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