KR101886539B1 - 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템 및 탐지 방법 - Google Patents

월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템 및 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 시스템은 지상에서 야간에 가시광선 RGB 밴드 및 광폭 열 적외 밴드에 대한 일련의 월면 영상을 획득하고, 이를 지상 부근의 온습도 자료와 함께 분석하여 야간에 해당 관측지점 부근에 존재하는 중농도 이상의 에어로졸 탐지를 수행하는 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템 및 탐지 방법{Nighttime aerosol detection system and method at the surface based on the moon image analysis}
본 발명은 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템 및 탐지 방법에 관한 것이다.
에어로졸(Aerosol)은 대기 중에 부유하는 고체 혹은 액체 상의 미세한 입자로서 일반적으로 그 크기는 0.001 ~ 10 마이크로미터 정도의 범위에 분포하며, 그 양은 지표 부근에서 1cm3에 적게는 십여 개에서 많게는 수 만개 정도가 존재한다. 이러한 에어로졸 입자들은 다양한 자연과정(natural processes) 또는 인간 활동에 의하여 발생하며 그 구성 성분이나 크기 등에 따라서 대기 중에서 각기 다른 체류시간을 가지면서 발생원으로부터 바람을 타고 수송되어 환경 및 기후에 영향을 주고 있다.
또한, 에어로졸은 태양복사에너지를 흡수하거나 산란하여 지구 시스템 내에서 가장 중요한 에너지원의 하나인 태양복사에너지를 대기와 지표에 분배(disposition)하는 역할을 하며, 다른 한편으로는 구름 방울의 씨앗 역할을 함으로써 구름의 미세물리학 및 광학적 특성에 영향을 줌으로써 강수과정에 영향을 주어 지구 시스템 내의 에너지와 물순환에도 간접적으로 영향을 미치고 있다.
이러한 에어로졸의 지구 시스템에 미치는 효과를 파악하는 데에는 지상과 항공, 그리고 인공위성 등을 활용한 다양한 관측 자료가 필요하다. 이를 위하여 미국의 NASA나 유럽의 ESA 등의 기관들에서는 주로 지구에 대하여 극궤도 또는 정지궤도를 가지는 기상 또는 환경위성 등을 활용하여 에어로졸의 시공분포를 관측하고 있으며, 우리나라에서는 2010년 하반기부터 운용되고 있는 정지궤도 기상위성인 천리안을 이용하여 에어로졸을 관측하려는 시도를 해오고 있다.
다른 한편으로는 지상에 고정 설치하거나 개인이 휴대/이동하여 관측 가능한 태양분광광도계 등을 사용하여 각 관측지점에서 에어로졸 양의 시간에 따른 변동을 측정하기도 한다. 그러나, 이러한 대부분의 관측 방법들은 주간에 상당한 양의 태양복사가 존재할 때 에어로졸에 의해 태양복사가 산란되거나 흡수되는 정도를 위성 또는 지상 관측기기로 측정하여 대기 중의 에어로졸 양을 측정하게 되므로 야간에는 에어로졸을 측정하는 방법이나 기술에 대한 많은 개발이 이루어지지 않았으며 선진 연구자들에 의해 제작된 특수한 태양, 달 및 별 분광광도계 장비로 실험적인 시도가 이루어져 온 상황이다.
또한, Charge-Coupled Device(CCD)카메라를 기반으로 한 별 분광광도계를 개발하였고 랑리회귀법을 활용한 기기 검정(calibration) 방법을 제시하였으며, 야간에 수송되고 있는 스모크(smoke) 에어로졸을 관측하기도 하였다. 그러나, 이러한 에어로졸 측정기기들은 대부분이 고가(高價)의 장비로서 그 개발 및 운영 비용도 적지 않다.
이에 따라 과거 상용 디지털 카메라를 시정(visibility)이나 지표 특성에 대한 원격탐사에 이용하려는 연구들이 있었으나, 월면 촬영을 이용한 대기광학두께 또는 에어로졸 광학두께 추정에 대한 연구는 거의 이루어진 바가 없다.
본 발명의 시스템은 지상에서 야간에 가시광선 RGB 밴드 및 광폭 열 적외 밴드에 대한 일련의 월면 영상을 획득하고, 이를 지상 부근의 온습도 자료와 함께 분석하여 야간에 해당 관측지점 부근에 존재하는 중농도 이상의 에어로졸 탐지를 수행하는 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가시광선 영역의 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 가시광선 RGB 밴드 수감부와, 광폭 열적외선 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 광폭 열 적외 밴드 수감부와, 지상 부근의 온습도 자료를 취득하기 위한 온습도 수감부와, 상기 각 수감부에서 취득한 자료를 저장하는 하나 이상의 자료 저장부 및 상기 자료 저장부에 저장된 복수 개의 월면 영상으로부터 랑리회귀법(Langley regression method)을 이용하여 대기광학두께를 산출하고, 광폭 열적외선 밴드 수감부에서 취득된 밝기온도영상을 이용하여 월면 주변에 구름 존재 유무를 판단하며, 온습도 자료를 이용하여 안개 존재 유무를 판단하여 에어로졸 광학 두께 및 에어로졸의 유효 입자크기를 산출하는 제어부를 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가시광선 영역의 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 가시광선 RGB 밴드 수감부로부터 자료를 획득하는 단계와, 광폭 열적외선 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 광폭 열 적외 밴드 수감부로부터 자료를 획득하는 단계와, 온습도 수감부에서 취득된 온습도 자료를 이용하여 안개의 존재 유무를 판단하는 단계와, 상기 가시광선 RGB 밴드 수감부에서 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대해 취득된 복수 개의 월면 영상분석을 통하여 총 대기광학두께를 산출하는 단계, 및 광폭 열적외선 밴드 수감부에서 취득된 밝기온도영상을 이용하여 월면 주변에 구름 존재 유무를 판단하며, 온습도 자료를 이용하여 안개 존재 유무를 판단하여 에어로졸 광학 두께 및 에어로졸의 유효 입자크기를 산출하는 단계를 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 방법이 제공된다.
본 발명은 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 시스템은 지상에서 야간에 가시광선 RGB 밴드 및 광폭 열 적외 밴드에 대한 일련의 월면 영상을 획득하고, 이를 지상 부근의 온습도 자료와 함께 분석하여 야간에 해당 관측지점 부근에 존재하는 중농도 이상의 에어로졸 탐지를 수행하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 지상에서 가시광선 RGB 밴드 및 광폭 열 적외 밴드 수감부를 이용하여 취득된 월면 부근의 영상분석을 이용하여 야간의 에어로졸을 탐지할 수 있는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명의 시스템은 수감부(11, 12, 13), 자료 저장부(21) 및 제어부(31)를 포함한다.
상기 수감부(11, 12, 13)는 가시광선 영역의 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 가시광선 RGB 밴드 수감부(11), 광폭 열적외선 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 광폭 열 적외 밴드 수감부(12) 및 지상 부근의 온습도 자료를 취득하기 위한 온습도 수감부(13)를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 자료 저장부(21)는 상기 각 수감부(11, 12, 13)에서 취득한 자료를 저장한다.
상기 자료 저장부(21)에 저장된 자료를 이용하여 에어로졸 유형 및 광학두께를 산출하는 제어부(31)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(31)에서, 상기 하나 이상의 자료 저장부(21)에 저장된 복수 개의 월면 영상(예를 들어, 3장 이상)을 랑리회귀법(Langley regression method)을 이용하여 대기광학두께를 산출하고, 밝기온도영상을 이용하여 월면 주변에 구름 존재 유무를 판단하며, 온습도 자료를 이용하여 안개 존재 유무를 판단하여 에어로졸 광학 두께 및 에어로졸의 유효 입자크기를 산출할 수 있다.
상기 랑리회귀법(Langley regression method)은 Beer-Lambert-Bouguer의 법칙에 근거하며, 시간별로 관측된 복사에너지 자료에 선형 회귀 분석을 하여 대기의 광학적 특성을 분석하는 방법으로서 많은 연구에서 활용되어 왔다. 본 발명의 동일 저자가 작성한 논문의 내용은 본 출원 명세서에 인용되고, 포함될 수 있으며, 이하 구체적인 내용은 생략하기로 한다(Korean Journal of Remote Sensing, Vol. 29, No. 5, 2013).
상기 가시광선 RGB 밴드 수감부(11)를 이용하여 취득하고 저장한 월면 부근의 RGB 시그널을 성분별로 분해하며, 이를 바탕으로 월면 RGB 영상분석을 진행하고, 대기광학두께를 추정할 수 있다.
상기 광폭 열 적외 밴드 수감부(12)를 이용하여 취득하고 저장한 월면 부근의 유효밝기온도를 변환하며, 이를 바탕으로 월면 부근 적외 영상 분석을 진행하고, 월면 부근 구름차폐 여부를 판정할 수 있다.
상기 온습도 수감부(13)를 이용하여 지상 부근의 안개 가능성을 판정할 수 있고, 대기광학두께, 유효입자크기, 월면 부근 구름차폐 여부 및 안개가능성을 이용하여 야간의 에어로졸 탐지를 수행할 수 있다.
야간에 달의 고도각이 10도에서 60도 범위에 있을 때 지상에서 가시광선 영역의 R, G, B 밴드에 대해 취득된 복수 개의 일련의 월면 영상을 하기 일반식 1 내지 4에 따라 월면 영상이 취득된 시간 동안의 평균적인 대기광학두께를 산출한다.
[일반식 1]
Figure 112016129586967-pat00001
[일반식 2]
Figure 112016129586967-pat00002
[일반식 3]
Figure 112016129586967-pat00003
[일반식 4]
Figure 112016129586967-pat00004
상기 일반식 1에서,
Figure 112016129586967-pat00005
는 총 대기광학두께,
Figure 112016129586967-pat00006
는 공기분자 산란(레일리 산란) 광학두께,
Figure 112016129586967-pat00007
는 오존 광학두께,
Figure 112016129586967-pat00008
는 에어로졸 광학두께,
Figure 112016129586967-pat00009
는 수증기 광학두께 및
Figure 112016129586967-pat00010
,
Figure 112016129586967-pat00011
,
Figure 112016129586967-pat00012
,
Figure 112016129586967-pat00013
는 각각 건조공기분자, 오존, 에어로졸, 수증기에 대한 상대광학 공기질량을 나타낸다.
상기 일반식 2 내지 4에서, θ는 태양 또는 달의 천정각을 나타내며, 상기 일반식 3에서,
Figure 112016129586967-pat00014
와
Figure 112016129586967-pat00015
는 각각 오존농도의 최대값이 나타나는 고도와 지구의 반지름을 나타낸다.
이때 광폭 열 적외 수감부(12)로부터 취득된 열 적외선 밝기온도영상을 분석하여 월면 주변에 구름의 존재 유무를 판단하고, 온습도 자료를 분석하여 안개의 존재 유무를 판단하여 구름이나 안개가 존재하는 것으로 판정된 경우 에어로졸 탐지를 시행하지 않음으로써 에어로졸의 오탐지를 방지할 수 있다.
구름이나 안개가 존재하지 않는 것으로 판정된 경우 상기 일반식 1 내지 4에 따른 가시광선 영역의 R, G, B 밴드에서 각각 산출된 대기광학두께 자료로부터 하기 일반식 5에 따라 공기분자의 산란효과에 의한 레일리 광학두께와 오존 및 수증기에 의한 광학두께를 제거하여 R, G, B 파장에 대한 에어로졸 광학두께를 각각 산출한다.
[일반식 5]
Figure 112016129586967-pat00016
상기 일반식 5에서, 레일리 광학두께는 Leckner(1987)의 식
Figure 112016129586967-pat00017
또는 Bucholtz(1995)의 식
Figure 112016129586967-pat00018
을 이용하여 계산할 수 있고, 상기 Bucholtz(1995)의 식에서 A, B, C, D는 표준대기의 분자 산란 단면과 분자 산란 부피 계수에 의한 상수 값들이다.
상기 일반식 5에 따라 산출된 에어로졸 광학두께에 대한 회귀분석을 통하여 하기 일반식 6에 따라 에어로졸 유효 입자크기 모수인 앙스트롬 지수(Angstrom Exponent)를 산출하고 이로부터 대략적인 에어로졸의 유효 입자크기를 산출한다.
[일반식 6]
Figure 112016129586967-pat00019
상기 일반식 6에서, α는 앙스트롬 지수(Angstrom Exponent, α)이고,
Figure 112016129586967-pat00020
는 주어진 파장에서의 에어로졸 광학두께를 나타내며, 상기 앙스트롬 지수는 로그공간에서 파장의 변화에 대한 에어로졸 광학두께의 파장별 변화의 기울기를 나타내고, 상기 앙스트롬 지수가 클수록 입자의 크기가 작은 것을 나타낸다.
산출된 에어로졸 광학두께의 크기가 임계값보다 크면서, 입자크기가 경험적으로 유도된 임계값보다 큰 경우 대기 중에 황사 에어로졸이 존재함을 탐지할 수 있다. 산출된 에어로졸 광학두께의 크기가 임계값보다 크면서, 입자크기가 경험적으로 유도된 임계값보다 작은 경우에는 인위적 활동에 의한 미세먼지 에어로졸이 존재함을 탐지할 수 있다. 산출된 에어로졸 광학두께의 크기가 임계값보다 작은 경우에는 특정한 에어로졸 유형을 탐지하지 않는다.
본 발명을 활용하면 가시광선 RGB 밴드의 영상분석을 통하여 야간에 대기의 광학두께를 추정하고 이로부터 다시 에어로졸의 광학두께를 R, G, B의 각 파장영역에 대해 추정할 수 있으며, 이렇게 추정된 파장별 에어로졸 광학두께로부터 에어로졸의 유효 입자크기 모수를 산출하여 대기 중에 존재하는 에어로졸입자의 크기에 대한 정보를 획득할 수 있다.
열 적외 영상분석은 구름이 월면 주변에 위치하여 에어로졸 탐지에 오류를 가져오는 효과를 제거할 수 있는 방안을 제거한다. 온습도 관측자료는 안개 유무를 판정하는 데 활용되어 안개가 에어로졸 탐지에 오류를 가져오는 효과를 제거한다. 도면에 제시된 시스템을 운용하여 구름 및 안개에 의한 에어로졸 오탐지를 경감시키면서 야간에 에어로졸 탐지를 수행할 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지방법은 가시광선 영역의 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 가시광선 RGB 밴드 수감부로부터 자료를 획득하는 단계, 광폭 열적외선 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 광폭 열 적외 밴드 수감부로부터 자료를 획득하는 단계, 온습도 수감부에서 취득된 온습도 자료를 이용하여 안개의 존재 유무를 판단하는 단계, 상기 가시광선 RGB 밴드 수감부에서 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대해 취득된 복수 개의 월면 영상분석을 통하여 총 대기광학두께를 산출하는 단계 및 광폭 열적외선 밴드 수감부에서 취득된 밝기온도영상을 이용하여 월면 주변에 구름 존재 유무를 판단하며, 온습도 자료를 이용하여 안개 존재 유무를 판단하여 에어로졸 광학 두께 및 에어로졸의 유효 입자크기를 산출하는 단계를 포함한다.
1: 야간 에어로졸 탐지 시스템
11: 가시광선 RGB 밴드 수감부
12: 광폭 열 적외 밴드 수감부
13: 온습도 수감부
21: 자료 저장부
31: 제어부

Claims (10)

  1. 가시광선 영역의 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 가시광선 RGB 밴드 수감부;
    광폭 열적외선 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 광폭 열 적외 밴드 수감부;
    지상 부근의 온습도 자료를 취득하기 위한 온습도 수감부;
    상기 각 수감부에서 취득한 자료를 저장하는 하나 이상의 자료 저장부; 및
    상기 자료 저장부에 저장된 복수 개의 월면 영상으로부터 랑리회귀법(Langley regression method)을 이용하여 대기광학두께를 산출하고, 광폭 열적외선 밴드 수감부에서 취득된 밝기온도영상을 이용하여 월면 주변에 구름 존재 유무를 판단하며, 온습도 자료를 이용하여 안개 존재 유무를 판단하여 에어로졸 광학 두께 및 에어로졸의 유효 입자크기를 산출하는 제어부를 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 구름이나 안개가 존재하는 것으로 판정된 경우 에어로졸 탐지를 시행하지 않는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 구름이나 안개가 존재하지 않는 것으로 판정된 경우 가시광선 영역의 R, G, B 밴드에서 각각 산출된 대기광학두께 자료로부터 공기분자의 산란 효과에 의한 레일리 광학두께와 오존 및 수증기에 의한 광학두께를 제거하여 R, G, B 파장에 대한 에어로졸 광학두께를 산출하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기와 같이 산출된 에어로졸 광학두께는 회귀분석을 통하여 에어로졸 유효 입자크기 모수를 산출하고 이로부터 대락적인 에어로졸 유효 입자크기를 산출하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가시광선 RGB밴드 수감부를 이용하여 취득하고 저장한 월면영상의 RGB 시그널을 성분별로 분해하는 것을 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 RGB 시그널을 성분별로 분해한 월면 RGB영상을 분석하고, 대기광학두께 및 유효입자크기를 추정하는 것을 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광폭 열 적외 밴드 수감부를 이용하여 취득하고 저장한 월면 부근의 유효밝기온도를 변환하는 것을 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유효밝기온도를 변환한 월면 부근 적외 영상을 분석하여 월면 부근 구름차폐 여부를 판정하는 것을 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 온습도 수감부로부터 지상부근의 안개 가능성을 판정하는 것을 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템.
  10. 가시광선 영역의 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 가시광선 RGB 밴드 수감부로부터 자료를 획득하는 단계;
    광폭 열적외선 밴드에 대한 영상을 취득하기 위한 광폭 열 적외 밴드 수감부로부터 자료를 획득하는 단계;
    온습도 수감부에서 취득된 온습도 자료를 이용하여 안개의 존재 유무를 판단하는 단계;
    상기 가시광선 RGB 밴드 수감부에서 레드(R), 그린(G), 블루(B) 밴드에 대해 취득된 복수 개의 월면 영상분석을 통하여 총 대기광학두께를 산출하는 단계; 및
    광폭 열적외선 밴드 수감부에서 취득된 밝기온도영상을 이용하여 월면 주변에 구름 존재 유무를 판단하며, 온습도 자료를 이용하여 안개 존재 유무를 판단하여 에어로졸 광학 두께 및 에어로졸의 유효 입자크기를 산출하는 단계를 포함하는 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 방법.
KR1020160183566A 2015-12-31 2016-12-30 월면 영상분석을 이용한 지상에서의 야간 에어로졸 탐지 시스템 및 탐지 방법 KR101886539B1 (ko)

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