KR102067242B1 - Method for detecting oil spills on satellite sar images using artificial neural network - Google Patents

Method for detecting oil spills on satellite sar images using artificial neural network Download PDF

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Abstract

본 발명은 고해상도의 전천후 능동형 마이크로파 센서인 SAR 이미지를 기반으로 인공 신경망(Artificial Neural Network ; ANN) 방법을 적용하여 픽셀 단위 오일 유출을 감지하는 인공위성 SAR 기반 인공신경망을 이용한 오일 유출의 탐지 방법에 관한 것으로서, 인공위성 SAR를 이용하여 오일 분포의 공간 분포를 조사하여 SAR 영상을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 SAR 영상으로부터 상기 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계;를 포함하여 구성되고, 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계는, SAR 영상 일정한 윈도의 크기를 지정하고, 설정된 윈도우의 크기를 지정(NxN)하며, 평균값(m), 표준편차(std) 및 평균명암비(σ)를 계산하는 단계; 상기 SAR 영상의 지정된 윈도우를 정규화시키는 단계; 상기 정규화된 SAR 영상에서 후방산란계수 감쇄특성을 이용하여 인공물을 제거하는 단계; 상기 계산된 정보에 따라 SAR 영상에서 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계; 및 오일 유출범위에 대응하는 오일유출 분포 결과를 출력하는 단계;를 포함하여 구성되어 선박 및 인공물에 해당하는 픽셀을 식별하고 입사각 효과를 제거함으로써 인공신경망 방법을 사용하여 고해상도 전천후 광역 인공위성 SAR 이미지로부터 성공적으로 오일 유출을 감지할 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to an oil leakage detection method using a satellite SAR-based artificial neural network that detects an oil leak per pixel by applying an artificial neural network (ANN) method based on a SAR image, which is a high-resolution all-weather active microwave sensor. Obtaining a SAR image by examining a spatial distribution of an oil distribution using a satellite SAR; And investigating the temporal dispersion of the oil distribution from the acquired SAR image, wherein the investigating the temporal dispersion of the oil distribution comprises: specifying a constant size of a SAR image window, and setting the size of the set window. Designating (NxN) and calculating an average value (m), a standard deviation (std) and an average contrast ratio (σ); Normalizing a designated window of the SAR image; Removing artifacts from the normalized SAR image by using backscatter coefficient attenuation; Determining each pixel in the SAR image as one of oil spill and non-oil according to the calculated information; And outputting an oil outflow distribution result corresponding to the oil outflow range, comprising: identifying pixels corresponding to ships and artifacts and removing incident angle effects successfully from high resolution all-weather wide-area satellite SAR images using the neural network method As a result, oil spills can be detected.

Description

인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법{METHOD FOR DETECTING OIL SPILLS ON SATELLITE SAR IMAGES USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK}Oil spill detection method using satellite SAR image-based neural network {METHOD FOR DETECTING OIL SPILLS ON SATELLITE SAR IMAGES USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK}

본 발명은 인공신경망을 이용한 인공위성 SAR(Synthetic Aperture Radar)영상기반 오일 유출 탐지 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고해상도의 전천후 능동형 마이크로파 센서인 SAR 이미지를 기반으로 인공 신경망(Artificial Neural Network ; ANN) 방법을 적용하여 픽셀 단위 오일 유출을 감지하는 인공위성 SAR 기반 인공신경망을 이용한 오일 유출의 탐지 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for detecting oil leakage based on satellite SAR (Synthetic Aperture Radar) using artificial neural networks. The present invention relates to a method of detecting an oil spill using a satellite SAR-based neural network that detects an oil spill by pixel.

오일 유출은 선박에서의 작동상의 오류, 선박에서의 사고, 플랫폼에서의 사고 또는 세계 해양 주변의 다른 유형의 사고의 결과로 인해 오랫동안 발생하였다. 2009년의 딥워터호라이즌(Deepwater Horizon) 사건, 1989년 엑손-발데스(Exxon-Valdez) 유출 사건, 2007년 한국으로부터 멀리 떨어진 허베이 스피릿(Hebei Spirit) 유출 사건 등을 포함하여 수많은 대규모 오일 누출 사고가 있었다. 이 모든 사건들은 특히 연안 지역의 거대한 재해를 구성했으며, 그 효과는 수산물의 단기적인 황폐화에서부터 장기간의 해양 환경 손상에 이르기까지 다양했다. 다양한 화학 성분과 독성 물질로 인해 유출된 오일은 작은 종류의 물고기, 산호초 및 맹그로브를 포함해 해양 식물과 동물에게 막대한 피해를 줄 수 있다. Oil spills have long occurred as a result of operational failures on ships, accidents on ships, accidents on platforms or other types of accidents around the world's oceans. Numerous major oil spills have occurred, including the 2009 Deepwater Horizon incident, the 1989 Exxon-Valdez spill, and the Hebei Spirit spill from Korea in 2007. . All of these events constituted a major disaster, especially in coastal areas, and their effects varied from short-term deterioration of marine products to long-term damage to the marine environment. Oil spilled by various chemicals and toxic substances can cause huge damage to marine plants and animals, including small fish, coral reefs and mangroves.

배출 원인을 확인하고 정화 과정에서 오일 유출 정도를 모니터링하기 위해 선박 및 항공기 감시가 종종 활용되었다. 그러나 대부분의 경우 선박 및 항공기 운용이 어려운 기상악화상황에서 사고가 발생한다. 또한, 사고 발생 이후 사고지점까지의 플랫폼 이동 및 광역범위 관측을 위한 플랫폼 운용시간을 고려했을 때 시간 지연과 좁은 공간 커버리지라는 한계를 갖고 있다. Ship and aircraft surveillance is often used to identify the cause of emissions and to monitor oil spills during the cleanup process. In most cases, however, accidents occur in adverse weather conditions that make ship and aircraft difficult to operate. In addition, there are limitations of time delay and narrow space coverage considering the platform operation time for platform movement and wide range observation after accident occurrence.

대조적으로, 가시광 및 마이크로파 주파수 범위를 포함하는 위성 원격탐사는 이러한 공간적, 시간적 제약을 극복 할 수 있는 기회를 제공할 수 있다. 관측 기회와 위성 공간 해상도가 증가함에 따라 위성 데이터를 이용한 오일 유출 감지는 광역의 오일 오염 지역을 즉시 식별하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 선박과 항공기를 이용한 인간 기반의 관측과는 달리, 위성 이미지는 대규모의 수면 유출 오일 분포의 실시간 지도에 거의 가깝다.In contrast, satellite remote sensing, including visible and microwave frequency ranges, can provide an opportunity to overcome these spatial and temporal constraints. As observation opportunities and satellite spatial resolutions increase, oil spill detection using satellite data can play an important role in immediately identifying widespread oil contaminated areas. Unlike human-based observations using ships and aircraft, satellite images are close to real-time maps of large-scale surface runoff oil distributions.

특히, SAR는 능동 마이크로파 센서이므로 전천후 대기 환경에서 고해상도의 양질의 이미지를 제공할 수 있다. 해상사고의 경우 악기상 조건에서 주로 발생한다는 점을 고려해봤을 때, 기상조건에 따라 관측이 불가능한 가시광 영상과 달리 전천후 마이크로파 센서인 SAR 관측 영상은 신속하고 정확한 오일 유출 탐지에 매우 적합하다고 볼 수 있다. 해상에 존재하는 오일은 바람으로 발생하는 해수면의 거칠기를 뚜렷하게 저감시키기 때문에 이로 인한 후방산란계수 감쇄특성을 이용하여 영상 내 오일 유출 영역 탐지가 가능하다. 이러한 감쇄범위의 문턱치 설정을 위해 윈도우 내 통계특성(평균값(m), 표준편차(σ))을 이용하여 오일 유출을 탐지하는 알고리즘을 개발하려는 많은 시도가 있었으며, 이에 기반한 적응형 문턱치 방법(adaptive threshold methods), 바이모달 히스토그램 방법(bimodal histogram methods) 등이 현재까지 널리 사용되고 있다. 이러한 기법들은 연산속도가 매우 빠르며 사전정보가 필요 없다는 장점이 있으나 설정한 윈도우 크기와 오일 유출 영역의 크기나 형태에 따라 탐지범위가 달라진다는 문제점이 있다. In particular, since SAR is an active microwave sensor, it can provide high quality images of high resolution in an all-weather atmosphere. Considering that marine accidents occur mainly in instrumental conditions, SAR observation images, which are all-weather microwave sensors, are very suitable for rapid and accurate oil spill detection, unlike visible light images that cannot be observed due to weather conditions. Since the oil present in the sea significantly reduces the roughness of the sea surface generated by the wind, it is possible to detect the oil spill region in the image by using the backscatter coefficient attenuation characteristic. Many attempts have been made to develop an algorithm for detecting oil spills using statistical characteristics (mean value (m), standard deviation (σ)) in the window to set the threshold of this attenuation range, and based on this adaptive threshold method (adaptive threshold method) methods, bimodal histogram methods, and the like have been widely used to date. These techniques have the advantage that the operation speed is very fast and no prior information is required, but there is a problem that the detection range varies depending on the set window size and the size or shape of the oil spill area.

대한민국 등록특허공보 제10-1489891 (발명의 명칭 : 인듐 주석 산화물 박막 센서를 이용한 해상 유류 및 위험유해물질 유출 감지장치)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1489891 (Invention name: Ocean oil and dangerous hazardous substance spill detection device using indium tin oxide thin film sensor)

따라서 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 성공적인 오일 유출 감지를 위해 선박 및 인공물에 해당하는 픽셀을 식별하고 입사각 효과를 제거함으로써 인공신경망 방법을 사용하여 고해상도 전천후 광역 인공위성 SAR 이미지에서 오일 유출을 감지할 수 있는 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법을 제공하기 위한 것이다. Therefore, the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to identify the pixels corresponding to the vessel and the artifact and to remove the angle of incidence effect for the successful oil outflow detection by using a high-resolution neural network method To provide an oil spill detection method using a satellite SAR image-based neural network capable of detecting oil spills in a wide-area satellite SAR image.

본 발명의 또 다른 목적은 위성 이미지와 수치 모델 자료 비교를 통한 오일의 면적 및 위치의 시간 움직임을 인지하고 추적하여 오일 유출의 진화에 영향을 미치는 대기 및 해양 환경을 반영하여 보다 효과적으로 오일을 탐지해 낼 수 있는 인공위성 SAR 이미지를 이용한 오일 유출의 탐지 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to recognize and track the temporal movement of oil area and location by comparing satellite image and numerical model data to detect oil more effectively by reflecting the atmospheric and marine environment affecting the evolution of oil spill. It is to provide a method of detecting oil spill using a satellite SAR image that can be produced.

인공위성 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법에 있어서, 인공위성 SAR를 이용하여 오일 분포의 공간 분포를 조사하여 SAR 영상을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 SAR 영상으로부터 상기 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계;를 포함하여 구성되고, An oil spill detection method using a satellite satellite image-based artificial neural network (SAR), comprising: obtaining a SAR image by examining a spatial distribution of an oil distribution using a satellite SAR; And examining the temporal dispersion of the oil distribution from the acquired SAR image.

오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계는, SAR 영상 일정한 윈도의 크기를 지정하고, 설정된 윈도우의 크기를 지정(NxN)하며, 평균값(m), 표준편차(std) 및 평균명암비(σ)를 계산하는 단계; 상기 SAR 영상의 지정된 윈도우를 정규화시키는 단계; 상기 정규화된 SAR 영상에서 후방산란계수 감쇄특성을 이용하여 인공물을 제거하는 단계; 상기 계산된 정보에 따라 SAR 영상에서 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계; 및 오일 유출범위에 대응하는 오일유출 분포 결과를 출력하는 단계;를 포함하여 구성된다. Examining the temporal variance of the oil distribution, specifies the size of the SAR image constant window, specifies the size of the set window (NxN), calculates the average value (m), standard deviation (std) and average contrast ratio (σ) Doing; Normalizing a designated window of the SAR image; Removing artifacts from the normalized SAR image by using backscatter coefficient attenuation; Determining each pixel in the SAR image as one of oil spill and non-oil according to the calculated information; And outputting an oil outflow distribution result corresponding to the oil outflow range.

상기 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계는, 상기 SAR 영상에서 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 결정하는 단계; 상기 다크스폿에서 노이즈를 구별하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다. Determining each pixel as one of oil spill and non-oil includes: determining a dark spot for each pixel in the SAR image; And distinguishing noise in the dark spots.

상기 SAR 영상에서 다크스폿을 결정하는 단계는, 상기 픽셀의 표준편차(std)로부터 임계값을 결정하는 단계; 상기 픽셀의 정규화된 레이더 단면(Normalized Radar Cross Section, NRCS)값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값(k)을 감산한 값보다 작은지의 여부를 판단하는 제1 판단단계; 상기 제1 판단단계에서의 판단결과 상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값을 감산한 값보다 작은 경우 오일 유출로 결정하는 단계; 상기 제1 판단단계에서의 판단결과 상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값을 감산한 값보다 크거나 같은 경우 비오일로 결정하는 단계; 및 상기 SAR 영상의 모든 픽셀에 대한 오일 또는 비오일에 대한 결정이 완료되었는 지의 여부를 판단하는 제2 판단단계;를 포함하여 구성될 수 있다. The determining of the dark spot in the SAR image may include: determining a threshold value from a standard deviation (std) of the pixel; A first determination step of determining whether a normalized radar cross section (NRCS) value of the pixel is smaller than a value obtained by subtracting a threshold value k from the average contrast ratio σ; Determining that the NRCS value of the pixel is less than a value obtained by subtracting a threshold value from the average contrast ratio? Determining that the NRCS value of the pixel is equal to or greater than a value obtained by subtracting a threshold value from the average contrast ratio? And a second determination step of determining whether a determination on oil or non-oil for all pixels of the SAR image is completed.

상기 다크스폿에서 노이즈를 구별하는 단계는, 상기 픽셀의 다크스폿을 클러스터링하는 단계; 상기 픽셀의 다크스폿의 클러스터 크기를 계산하는 단계; 상기 계산된 클러스터가 기설정된 최소클러스터크기보다 큰지의 여부를 판단하는 제3 판단단계; 상기 제3 판단단계에서 판단하여 클러스터가 설정된 최소클러스터크기보다 큰 경우에는 오일유출로 확정하는 단계; 및 상기 제3 판단단계에서 판단하여 클러스터가 설정된 최소클러스터크기보다 작거나 같은 경우에는 노이즈로 간주하여 비오일로 결정하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다. Distinguishing noise at the dark spot may include clustering dark spots of the pixel; Calculating a cluster size of the dark spot of the pixel; A third determination step of determining whether the calculated cluster is larger than a predetermined minimum cluster size; Determining in the third determination step that oil is outflowed when the cluster is larger than the set minimum cluster size; And determining that the cluster is non-oil if the cluster is smaller than or equal to the set minimum cluster size as determined in the third determination step.

상기 검출된 다크스폿들은, 8개의 이웃 방향으로의 연결하여 클러스터링하도록 구성될 수 있다. The detected dark spots may be configured to connect and cluster in eight neighboring directions.

상기 SAR 영상을 정규화시키는 단계는, 위성 센서로 다시 방사되는 전력의 양은 코사인 법칙을 따르므로 관측된 영역의 함수로서의 방사변이(radiation variability)는 코사인 의존적이고, 임의의 각도

Figure 112018050535427-pat00001
에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면(
Figure 112018050535427-pat00002
)은 입사각의 코사인 제곱과 관련된다는 두 가지 가정에 따라 정규화시키며, 다음의 식으로 표시하도록 하도록 구성될 수 있다. The normalizing the SAR image is such that, since the amount of power radiated back to the satellite sensor follows the cosine law, the radiation variability as a function of the observed area is cosine dependent, and an arbitrary angle
Figure 112018050535427-pat00001
Scattering Standardized Radar Section in
Figure 112018050535427-pat00002
) Is normalized according to two assumptions that relate to the cosine square of the angle of incidence and can be configured to be expressed by the equation

Figure 112018050535427-pat00003
Figure 112018050535427-pat00003

여기서,

Figure 112018050535427-pat00004
는 θ의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00005
는 후방 산란값(입사각과 무관)임. here,
Figure 112018050535427-pat00004
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle θ,
Figure 112018050535427-pat00005
Is the backscatter value (irrespective of the incident angle).

후방 산란 표준화 레이더 단면으로부터 레이더 응답 특성은, 다음의 수학식을 이용하여 구하도록 구성될 수 있다. The radar response characteristic from the backscatter normalized radar cross section may be configured to obtain using the following equation.

Figure 112018050535427-pat00006
Figure 112018050535427-pat00006

여기서,

Figure 112018050535427-pat00007
은 응답특성을 나타내며,
Figure 112018050535427-pat00008
는 θ의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00009
는 정규화된 이미지에 대한 기준각이다. here,
Figure 112018050535427-pat00007
Represents the response characteristics,
Figure 112018050535427-pat00008
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle θ,
Figure 112018050535427-pat00009
Is the reference angle for the normalized image.

상기 인공물을 제거하는 단계는, 해상에 존재하는 해면보다 2배 이상후방산란을 나타내는 화소들을 식별하여 제거하도록 구성될 수 있다. The removing of the artifact may be configured to identify and remove pixels exhibiting backscattering at least twice as high as the surface of the sea.

인공위성 SAR를 이용하여 오일 분포의 공간 분포를 조사하여 SAR 영상을 획득하는 단계; 및 Obtaining a SAR image by examining a spatial distribution of an oil distribution using a satellite SAR; And

상기 획득된 SAR 영상으로부터 상기 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계;를 포함하여 구성되고, Investigating the temporal dispersion of the oil distribution from the acquired SAR image;

오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계는, Examining the temporal dispersion of the oil distribution,

SAR 영상 일정한 윈도의 크기를 지정하고, 설정된 윈도우 사이즈를 지정(NxN)하며, 윈도우 크기(nxn)의 평균값(m), 표준편차(std, σ), 평균 명암비(σ)를 계산하는 단계; Designating a SAR image constant window size, designating a set window size (NxN), and calculating an average value (m), a standard deviation (std, σ), and an average contrast ratio (σ) of the window size (nxn);

상기 SAR 영상을 정규화시키는 단계;Normalizing the SAR image;

상기 정규화된 SAR 영상에서 후방산란계수 감쇄특성을 이용하여 인공물을 제거하는 단계; 및 Removing artifacts from the normalized SAR image by using backscatter coefficient attenuation; And

상기 계산된 정보에 따라 SAR 영상에서 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계; Determining each pixel in the SAR image as one of oil spill and non-oil according to the calculated information;

오일 유출범위에 대응하는 오일유출 분포 결과를 출력하는 단계;를 포함하여 구성된다. And outputting an oil outflow distribution result corresponding to the oil outflow range.

각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계는 Determining each pixel as either oil spill or non-oil

상기 SAR 영상에서 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 결정하는 단계; Determining a dark spot for each pixel in the SAR image;

상기 다크스폿에서 노이즈를 구별하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다. And distinguishing noise in the dark spots.

상기 SAR 영상에서 다크스폿을 결정하는 단계는 ; The determining of the dark spot in the SAR image may include;

상기 픽셀의 표준편차(std, σ)로부터 임계값을 결정하는 단계; Determining a threshold from the standard deviation (std, σ) of the pixel;

상기 픽셀의 정규화된 레이더 단면(Normalized Radar Cross Section, NRCS)값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값(k)을 감산한 값보다 작은지의 여부를 판단하는 단계; Determining whether a normalized radar cross section (NRCS) value of the pixel is smaller than a value obtained by subtracting a threshold value k from the average contrast ratio σ;

상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값을 감산한 값보다 작은 경우 오일 유출로 결정하는 단계; Determining an oil spill when the NRCS value of the pixel is less than a value obtained by subtracting a threshold value from the average contrast ratio?

상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값을 감산한 값보다 크거나 같은 경우 비오일로 결정하는 단계; Determining non-oil if the NRCS value of the pixel is greater than or equal to a value obtained by subtracting a threshold value from the average contrast ratio?

상기 SAR 영상의 모든 픽셀에 대한 오일 또는 비오일에 대한 결정이 완료되었는 지의 여부를 판단하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다. And determining whether oil or non-oil for all pixels of the SAR image is completed.

다크스폿에서 노이즈를 구별하는 단계는, The step of distinguishing noise in dark spots is

상기 픽셀의 다크스폿을 클러스터링하는 단계; Clustering dark spots of the pixel;

상기 픽셀의 다크스폿의 클러스터 크기를 계산하는 단계;Calculating a cluster size of the dark spot of the pixel;

상기 계산된 클러스터가 기설정된 최소클러스터크기보다 큰지의 여부를 판단하는 단계; Determining whether the calculated cluster is larger than a predetermined minimum cluster size;

상기 판단단계에서 판단하여 클러스터가 설정된 최소클러스터크기보다 큰 경우에는 오일유출로 확정하는 단계; Determining in the determination step that oil is outflowed when the cluster is larger than the set minimum cluster size;

상기 판단단계에서 판단하여 클러스터가 설정된 최소클러스터크기보다 작거나 같은 경우에는 노이즈로 간주하여 비오일로 판단하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다. If it is determined in the determination step and the cluster is less than or equal to the set minimum cluster size, the step of determining as a non-oil considering the noise; may be configured to include.

상기 검출된 다크스폿들은 8개의 이웃 방향으로의 연결하여 클러스터링하도록 구성될 수 있다. The detected dark spots may be configured to connect and cluster in eight neighboring directions.

상기 SAR 영상을 정규화시키는 단계는, Normalizing the SAR image may include:

제곱 코사인 보정을 이용하여 후방 산란 표준화 레이더 단면(

Figure 112018050535427-pat00010
)을 정규화시키고, Backscatter normalized radar cross-section using squared cosine correction
Figure 112018050535427-pat00010
),

위성 센서로 다시 방사되는 전력의 양은 코사인 법칙을 따르고 관측된 영역의 함수로서의 방사변이(radiation variability)는 코사인 의존적이고, 임의의 각도

Figure 112018050535427-pat00011
에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면(
Figure 112018050535427-pat00012
)은 입사각의 코사인 제곱과 관련된다는 두 가지 가정에 따라 정규화시키며, 다음의 식으로 표시하도록 하도록 구성될 수 있다. The amount of power radiated back to the satellite sensor obeys the cosine law and the radiation variability as a function of the observed area is cosine dependent, and at any angle
Figure 112018050535427-pat00011
Scattering Standardized Radar Section in
Figure 112018050535427-pat00012
) Is normalized according to two assumptions that relate to the cosine square of the angle of incidence and can be configured to be expressed by the equation

Figure 112018050535427-pat00013
Figure 112018050535427-pat00013

여기서,

Figure 112018050535427-pat00014
는 θ의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00015
는 후방 산란값(입사각과 무관)임. here,
Figure 112018050535427-pat00014
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle θ,
Figure 112018050535427-pat00015
Is the backscatter value (irrespective of the incident angle).

후방 산란 표준화 레이더 단면으로부터 레이더 응답 특성을 다음의 수학식을 이용하여 구하도록 구성될 수 있다. It can be configured to obtain the radar response characteristic from the backscatter normalized radar cross section using the following equation.

Figure 112018050535427-pat00016
Figure 112018050535427-pat00016

여기서,

Figure 112018050535427-pat00017
은 응답특성을 나타내며,
Figure 112018050535427-pat00018
는 의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00019
는 정규화된 이미지에 대한 기준각이다. here,
Figure 112018050535427-pat00017
Represents the response characteristics,
Figure 112018050535427-pat00018
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle of,
Figure 112018050535427-pat00019
Is the reference angle for the normalized image.

상기 인공물을 제거하는 단계는, Removing the artifact,

해상에 존재하는 해면보다 2배 이상후방산란을 나타내는 화소들을 식별하여 제거하도록 구성될 수 있다.It may be configured to identify and remove pixels exhibiting backscattering at least twice as high as the surface present in the sea.

따라서 본 발명의 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법은 선박 및 인공물에 해당하는 픽셀을 식별하고 입사각 효과를 제거함으로써 인공신경망 방법을 사용하여 고해상도 전천후 광역 인공위성 SAR 이미지로부터 성공적으로 오일 유출을 감지할 수 있는 효과가 있다. Therefore, the oil spill detection method using the satellite SAR image-based neural network of the present invention successfully detects the oil spill from the high resolution all-weather wide-area satellite SAR image using the neural network method by identifying the pixels corresponding to the vessels and the artifacts and removing the incident angle effect. There is a detectable effect.

본 발명의 인공위성 SAR 이미지를 이용한 오일 유출의 탐지 방법은 위성 이미지와 수치 모델 자료 비교를 통한 오일의 면적 및 위치의 시간 움직임을 인지하고 추적하여 오일 유출의 진화에 영향을 미치는 대기 및 해양 환경을 반영하여 보다 효과적으로 오일을 탐지해 낼 수 있는 효과가 있다. The oil spill detection method using the satellite SAR image of the present invention reflects the atmospheric and marine environment affecting the evolution of the oil spill by recognizing and tracking the time movement of the oil area and location by comparing the satellite image and the numerical model data. Therefore, the oil can be detected more effectively.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 유조선 허베이 스피릿의 충돌지점과 유조선 우이산호가 석유 파이프 라인에 충돌한 당시의 한반도 주변의 수심의 윤곽, 수로 및 등고선을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 허베이 스피릿 기름 유출 사고시 측정된 SAR 이미지를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용하여 오일 유출을 탐지하는 과정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 SAR 영상으로부터 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 과정을 나타낸 순서도.
도 5는 본 본 발명의 일실시예에 따른 도 4의 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계를 보다 상세하게 나타낸 순서도.
도 6은 본 본 발명의 일실시예에 따른 도 5의 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 결정하는 단계를 보다 상세하게 나타낸 순서도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 ASAR 이미지의 정규화된 레이더 단면값의 분포값을 나타낸 도면.
도 8은 본 본 발명의 일실시예에 따른 도 5의 각각의 픽셀에 대하여 노이즈를 구별하는 단계를 보다 상세하게 나타낸 순서도.
1 is a view showing the contour, waterway and contour of the depth of the vicinity of the Korean Peninsula at the time of the collision point of the oil tanker Hebei Spirit and the oil tanker Wuyi San hit the oil pipeline according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view showing a SAR image measured during the Hebei spirit oil spill accident in accordance with an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a process of detecting an oil spill using a satellite SAR image-based neural network according to an embodiment of the present invention.
4 is a flow chart illustrating a process of investigating the temporal dispersion of oil distribution from the SAR image of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flow chart illustrating in more detail the step of determining each pixel of FIG. 4 as either oil spill or non-oil according to an embodiment of the invention. FIG.
FIG. 6 is a flow chart illustrating in more detail the determining the dark spot for each pixel of FIG. 5 in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
7 is a diagram illustrating a distribution value of normalized radar cross-sectional values of an ASAR image according to an embodiment of the present invention.
8 is a flow chart illustrating in more detail the steps of distinguishing noise for each pixel of FIG. 5 in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 유조선 허베이 스피릿의 충돌지점과 유조선 우이산호가 석유 파이프 라인에 충돌한 당시의 한반도 주변의 수심의 윤곽, 수로 및 등고선을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the contours, waterways and contours of the depth of the vicinity of the Korean Peninsula when the collision point of the oil tanker Hebei Spirit and the oil tanker Wuyi San hit the oil pipeline according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 한국 서해는 강한 조류와 여름철과 겨울철 계절풍과 같은 계절풍의 변화로 유명하다. 이것은 약 44m의 평균값을 가지고 조류와 얕은 수심과 관련된 다양한 해양 현상을 보여준다. 허베이 스피릿 기름 유출이 발생한 태안 인근의 특정 연안 지역은 주로 주간 반류에 따라 지배적인 혼합이 우세한 곳 중 하나이다. 이러한 상황에서 유출된 기름 방울은 빠르게 분산되거나 상당히 분산 될 수 있다. 예를 들어, 1993년 셰틀 랜드 연안에서 Braer 유출 사고가 발생한 경우, 조수의 영향으로 상당한 양의 오일 (44 % 정도)이 수층에 주입 된 것으로 보고되었다. 따라서 기름 유출이 특정 지역의 얕은 지역에서 우세한 풍력 및 조수 혼합의 효과에 의해 진화할 수 있다고 가정했다. Referring to FIG. 1, the west coast of Korea is famous for strong tides and seasonal wind changes such as summer and winter monsoons. It has an average value of about 44m and shows various ocean phenomena related to algae and shallow water. Certain coastal areas near Taean, where the Hebei spirit oil spill occurred, are one of the dominant mixes, primarily due to weekly rebound. In this situation, spilled oil droplets can quickly disperse or significantly disperse. For example, in 1993, when a Braer spill occurred along the Shetland coast, a significant amount of oil (about 44%) was reported to have been injected into the water column under the influence of tides. Therefore, it is assumed that oil spills can be evolved by the effects of prevailing wind and tidal mixing in shallow areas of certain areas.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 허베이 스피릿 기름 유출 사고시 측정된 SAR 이미지를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing a SAR image measured during the Hebei spirit oil spill accident in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에서는 2007년 12월 9일에서 15일 사이에 촬영된 한국 서해안의 SAR 영상을 사용했다. 허베이 스피릿 유출 사건의 경우 ENVISAT 영상 1개를 제외한 모든 SAR 영상은, 단일 편광 상태로 획득되었다. ENVISAT 이미지가 완전한 편파로 획득되었지만, 다른 탐지 방법의 불일치와 관련된 문제를 피하기 위해 단일 편파(single-polarized, VV) SAR 이미지만 사용했다. 도 2는 정규화된 레이더 단면(Normalized Radar Cross Section, NRCS)값의 분포를 보여준다.Referring to FIG. 2, in the present invention, SAR images of the west coast of Korea taken between December 9 and 15, 2007 were used. In the case of the Hebei Spirit spill event, all SAR images except one ENVISAT image were acquired with a single polarization state. Although ENVISAT images were acquired with full polarization, only single-polarized (VV) SAR images were used to avoid problems associated with mismatches in other detection methods. 2 shows a distribution of normalized radar cross section (NRCS) values.

본 발명에서 사용된 SAR 영상 데이터는 다양한 이미징 모드에서 서로 다른 편광 상태를 갖는 C- 밴드 또는 L- 밴드 (각각 5.6㎝ 내지 23.6㎝ 파장)에서 얻어졌다. 이미지 획득 모드에 따라 SAR 이미지의 공간 해상도와 주사폭(swath widths)은 수 미터 (10m 미만)에서 최대 100m까지 그리고 70km에서 400km 이상까지 다양했다.SAR image data used in the present invention was obtained in C-band or L-band (wavelengths of 5.6 cm to 23.6 cm, respectively) with different polarization states in various imaging modes. Depending on the image acquisition mode, the spatial resolution and swath widths of the SAR images varied from a few meters (less than 10m) up to 100m and from 70km to over 400km.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용하여 오일 유출을 탐지하는 과정을 나타낸 도면이다. 3 is a diagram illustrating a process of detecting an oil leak using a satellite SAR image-based neural network according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법은 해상 또는 육상의 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수집된 SAR 영상을 이용하여 수행될 수 있다. Referring to FIG. 3, the oil spill detection method using the satellite SAR image-based artificial neural network according to the present invention may be performed by using a SAR image collected by a computer or a processor on a sea or land.

먼저, S202단계에서 인공위성으로부터 SAR를 이용하여 오일 분포의 공간 분포를 조사하여 SAR 영상을 획득한다. 본 발명에서는 ENVISAT 위성에서 촬영한 SAR 영상을 이용하였다. First, in step S202, a SAR image is acquired by examining a spatial distribution of an oil distribution using a SAR from a satellite. In the present invention, SAR images taken from ENVISAT satellites are used.

S204단계에서 상기 획득된 SAR 영상으로부터 상기 오일 분포의 시간적 분산을 조사한다. In step S204, the temporal dispersion of the oil distribution is examined from the acquired SAR image.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 SAR 영상으로부터 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 과정을 나타낸 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating a process of investigating the temporal dispersion of oil distribution from the SAR image of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, S302단계에서 SAR 영상에서 일정한 윈도우의 크기를 지정(NxN)하며, 지정된 윈도우 크기(NxN)의 크기에 대응하는 평균값(m), 표준편차(std) 및 평균 명암비(σ)를 계산한다. Referring to FIG. 4, in operation S302, a predetermined window size is designated (NxN) in the SAR image, and an average value (m), a standard deviation (std), and an average contrast ratio (σ) corresponding to the size of the specified window size (NxN) Calculate

S304단계에서 상기 SAR 영상의 상기 지정된 윈도우를 정규화시킨다. 정규화는 제곱 코사인 보정을 이용하여 후방 산란 표준화 레이더 단면(

Figure 112018050535427-pat00020
)을 이용한다. 보다 상세하게 설명하면, 정규화는 위성 센서로 다시 방사되는 전력의 양은 코사인 법칙을 따르기 때문에 관측된 영역의 함수로서의 방사변이(radiation variability)는 코사인 의존적이고, 임의의 각도θ에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면(
Figure 112018050535427-pat00021
)은 입사각의 코사인 제곱과 관련된다는 두 가지 가정에 따른다. 즉, 정규화는 다음의 수학식 1로 표시될 수 있다. In step S304, the specified window of the SAR image is normalized. Normalization uses squared cosine correction to backscatter normalized radar cross-sections (
Figure 112018050535427-pat00020
). More specifically, since normalization follows the cosine law, the amount of power radiated back to the satellite sensor is radiation variability as a function of the observed area, which is cosine dependent and backscatter normalized radar cross section at any angle θ. (
Figure 112018050535427-pat00021
) Is based on two assumptions that are related to the cosine square of the angle of incidence. That is, normalization may be represented by Equation 1 below.

Figure 112018050535427-pat00022
Figure 112018050535427-pat00022

여기서,

Figure 112018050535427-pat00023
는 θ의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00024
는 후방 산란값(입사각과 무관)이다. here,
Figure 112018050535427-pat00023
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle θ,
Figure 112018050535427-pat00024
Is the backscatter value (regardless of the incident angle).

또한, 후방 산란 표준화 레이더 단면으로부터 레이더 응답 특성은 다음의 수학식 2로 표시될 수 있다. In addition, the radar response characteristic from the backscatter normalized radar cross section may be represented by the following equation (2).

Figure 112018050535427-pat00025
Figure 112018050535427-pat00025

여기서,

Figure 112018050535427-pat00026
은 응답특성을 나타내며,
Figure 112018050535427-pat00027
는 θ의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00028
는 정규화된 이미지에 대한 기준각이다. here,
Figure 112018050535427-pat00026
Represents the response characteristics,
Figure 112018050535427-pat00027
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle θ,
Figure 112018050535427-pat00028
Is the reference angle for the normalized image.

S306단계에서 정규화된 SAR 영상의 지정된 윈도우에 대응하여 후방산란계수 감쇄특성을 이용하여 인공물을 제거한다. 인공물의 제거는 해상에 존재하는 해면보다 일정 크기 이상의 후방산란을 나타내는 화소들을 식별하여 제거한다. 예컨대, 해면보다 2배 이상의 후방산란이 발생하는 화소들을 인공물로 간주하여 제거할 수 있다. In step S306, the artifact is removed by using the backscattering attenuation characteristic corresponding to the designated window of the normalized SAR image. Removal of artifacts identifies and removes pixels exhibiting backscattering that is greater than or equal to the surface of the sea surface. For example, pixels that generate backscattering more than twice as high as the sea level may be regarded as artifacts and removed.

S308단계에서 상기 계산된 정보에 따라 SAR 영상의 대응하는 윈도우의 각각의 픽셀에 대하여 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정한다. In operation S308, the controller determines one of the oil spill and the non-oil for each pixel of the corresponding window of the SAR image according to the calculated information.

S310단계에서 오일 유출범위에 대응하는 오일유출 분포 결과를 출력한다. 픽셀단위로 오일유출 분포 결과를 출력하기 때문에 매우 높은 정확도를 나타낼 수 있다. In step S310 outputs an oil outflow distribution result corresponding to the oil outflow range. Since the oil spill distribution result is output in pixels, it can show very high accuracy.

도 5는 본 본 발명의 일실시예에 따른 도 4의 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계를 보다 상세하게 나타낸 순서도이다.FIG. 5 is a flow chart illustrating in more detail a step of determining each pixel of FIG. 4 as one of oil spill and non-oil according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, S402단계에서 상기 SAR 영상의 대응하는 윈도우 내에서 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 결정한다. Referring to FIG. 5, in operation S402, a dark spot for each pixel is determined within a corresponding window of the SAR image.

S404단계에서 상기 다크스폿에서 노이즈를 구별한다. 즉, 노이즈에 의해 다크스폿이 된 경우에는 노이즈에 의해 다크스폿으로 결정되어 이에 따라 오일유출로 잘못 판단된 픽셀을 비오일로 구별하여 노이즈에 의한 영향을 없앤다. In step S404, noise is distinguished from the dark spot. That is, when the dark spot is caused by the noise, the dark spot is determined by the noise, and accordingly, pixels that are incorrectly determined to be oil spills are classified as non-oil, thereby eliminating the influence of the noise.

도 6은 본 본 발명의 일실시예에 따른 도 5의 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 결정하는 단계를 보다 상세하게 나타낸 순서도이다. FIG. 6 is a flow chart illustrating in detail the step of determining the dark spot for each pixel of FIG. 5 in accordance with an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, S502단계에서 상기 픽셀의 표준편차(std)로부터 임계값(k)을 결정한다. 여기서의 임계값(k)은 앙상블 평균 정규화된 레이더 단면(Normalized Radar Cross Section, NRCS)값을 기반으로 결정되었다. Referring to FIG. 6, in operation S502, the threshold k is determined from the standard deviation std of the pixel. The threshold value k is determined based on the ensemble mean normalized radar cross section (NRCS).

S504단계에서 상기 픽셀의 정규화된 레이더 단면(Normalized Radar Cross Section, NRCS)값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값(k)을 감산한 값보다 작은지의 여부를 판단한다. In step S504, it is determined whether a normalized radar cross section (NRCS) value of the pixel is smaller than a value obtained by subtracting a threshold value k from the average contrast ratio σ.

도 7은 본 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 5의 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 신경망을 사용하여 결정하기 위한 신경망 구조를 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a neural network structure for determining a dark spot for each pixel of FIG. 5 using a neural network according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명에서는 다크 스폿을 결정하기 위하여 픽셀 별 유출 감지를 위해 2 층 피드 포워드 역 전파 신경망을 사용하였다. Referring to FIG. 7, in the present invention, a two-layer feedforward backpropagation neural network is used to detect outflow by pixels to determine dark spots.

입력 층은 NRCS의 두 값과 주어진 SAR 영상 픽셀에서 CMOD5 알고리즘으로부터 추정 된 풍속과 6 개의 텍스처 값의 두 세트, 즉 평균 강도 N_1 × N_1(윈도 1), N_2 × N_2(윈도 2)의 두 개의 서로 다른 창 크기에서 중심 픽셀에서 평균 밝기(m), 평균 명암비(σ), 매끄러운 정도(R), 세 번째 모멘트(μ), 균일도(U) 및 엔트로피(e)를 나타내고, 각 텍스처 매개 변수는 다음의 수학식 3으로 결정된다. The input layer consists of two values of NRCS and two sets of wind speeds and six texture values estimated from the CMOD5 algorithm at a given SAR image pixel, namely, the average intensities N_1 × N_1 (Window 1) and N_2 × N_2 (Windows 2). At different window sizes, it represents the average brightness (m), average contrast ratio (σ), smoothness (R), third moment (μ), uniformity (U), and entropy (e) at the center pixel, with each texture parameter: It is determined by the equation (3).

Figure 112018050535427-pat00029
Figure 112018050535427-pat00029

Figure 112018050535427-pat00030
Figure 112018050535427-pat00030

Figure 112018050535427-pat00031
Figure 112018050535427-pat00031

Figure 112018050535427-pat00032
Figure 112018050535427-pat00032

Figure 112018050535427-pat00033
Figure 112018050535427-pat00033

Figure 112018050535427-pat00034
Figure 112018050535427-pat00034

여기서 zi는 픽셀 값이고, p(zi)는 윈도우 내의 NRCS의 히스토그램이며, L은 NRCS 레벨의 수이다. 경계 창 크기는 21 × 21 및 51 × 51로 결정되었다. Where zi is the pixel value, p (zi) is the histogram of the NRCS in the window, and L is the number of NRCS levels. Boundary window sizes were determined to be 21 × 21 and 51 × 51.

네트워크 최적화는 Levenberg-Marquardt 방법을 사용하여 수행되었다. 각 학습 과정에서, 가중치와 편향은 평균 제곱 오차를 이용하여 갱신되고 최소화되었다. 각 계층의 많은 뉴런은 시행 착오와 계산 효율에 기초하여 결정될 수있다. 실험 결과에 따라 숨겨진 레이어와 출력 레이어의 뉴런 수는 각각 5와 1로 설정하였다. Network optimization was performed using the Levenberg-Marquardt method. In each learning process, the weights and biases were updated and minimized using the mean squared error. Many neurons in each layer can be determined based on trial and error and computational efficiency. According to the experimental results, the number of neurons in the hidden and output layers was set to 5 and 1, respectively.

트레이닝 기능을 구축하기 위해, 어두운 어두운 반점 및 배경을 포함하는 4 개의 SAR 이미지 (도 2b, 2d, 2e 및 2f에 도시 된 바와 같음)가 선택되고 트레이닝 세트로 데이터베이스화되었다. 훈련 데이터를 사용하여 평균 제곱 오차가 성능 목표 인 0.1에 도달 할 때까지 학습 기능의 가중치 및 편차를 업데이트하는 학습 프로세스가 수행하였다. To build the training function, four SAR images including dark dark spots and backgrounds (as shown in FIGS. 2B, 2D, 2E and 2F) were selected and databased into training sets. The training process was performed using the training data to update the weights and deviations of the learning function until the mean squared error reached the performance target of 0.1.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 ASAR 이미지의 정규화된 레이더 단면값의 분포값을 나타낸 도면이다. 8 is a diagram illustrating a distribution value of normalized radar cross-sectional values of an ASAR image according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 도 8의 (a)는 2007년 12월 11일 01시 40분 세계협정시(Universal Time Coordinated, UTC)에서 획득 한 Envisat ASAR 이미지의 NRCS 분포를 나타낸다. 도 8의 (b)는 적응임계값 방법에 의한 검출결과를 나타낸다. 도 8의 (c)는 신경 네트워크 방법에 의한 검출 결과를 나타낸다. 도 8의 (d)는 적응임계값 방법의 결과와 신경 네트워크 방법 사이의 결과의 차이를 나타낸다. Referring to FIG. 8, (a) of FIG. 8 illustrates an NRCS distribution of an Envisat ASAR image acquired at 01:40, Universal Time Coordinated (UTC) on December 11, 2007. 8B shows the detection result by the adaptive threshold method. 8C shows the detection result by the neural network method. 8 (d) shows the difference between the result of the adaptive threshold method and the neural network method.

S506단계에서 상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값(k)을 감산한 값보다 작은 경우(S504단계, Yes) 오일 유출로 결정한다. 즉, 전술한 바와 같이 임계값에 대비하여 평균명암비가 낮은 NRCS 픽셀을`다크스폿으로 결정하는 것이다. In step S506, when the NRCS value of the pixel is smaller than the value obtained by subtracting the threshold value k from the average contrast ratio sigma (step S504, Yes), it is determined as an oil spill. That is, as described above, an NRCS pixel having a low average contrast ratio compared to a threshold value is determined as a 'dark spot'.

S508단계에서 상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값(k)을 감산한 값보다 크거나 같은 경우(S504단계, No) 비오일로 결정한다. If the NRCS value of the pixel is greater than or equal to the value obtained by subtracting the threshold value k from the average contrast ratio sigma (S508, No), it is determined to be non-oil.

S510단계에서 상기 SAR 영상의 모든 픽셀에 대한 오일 또는 비오일에 대한 결정이 완료되었는 지의 여부를 판단한다. 판단결과 SAR 영상의 모든 픽셀에 대한 오일 또는 비오일에 대한 결정이 완료된 경우(S510단계, Yes) 후술하는 도 9의 S512단계로 리턴하고, 판단결과 SAR 영상의 모든 픽셀에 대한 오일 또는 비오일에 대한 결정이 완료되지 않은 경우(S510단계, No), S502단계로 리턴한다. In operation S510, it is determined whether an oil or non-oil determination for all pixels of the SAR image is completed. If the determination of the oil or non-oil for all the pixels of the SAR image is completed (step S510, Yes) and returns to step S512 of FIG. 9 to be described later, the determination result is the oil or non-oil for all pixels of the SAR image If the determination is not completed (step S510, No), the process returns to step S502.

도 9는 본 본 발명의 일실시예에 따른 도 5의 각각의 픽셀에 대하여 노이즈를 구별하는 단계를 보다 상세하게 나타낸 순서도이다. 9 is a flow chart illustrating in more detail the steps of distinguishing noise for each pixel of FIG. 5 in accordance with an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, S512단계에서 상기 픽셀의 다크스폿을 클러스터링한다. 클러스터링은 상기 검출된 다크스폿들은 8개의 이웃 방향으로의 연결하여 클러스터링하도록 구성될 수 있다. 9, in operation S512, dark spots of the pixels are clustered. Clustering may be configured to connect and cluster the detected dark spots in eight neighboring directions.

S514단계에서 상기 픽셀의 다크스폿의 클러스터 크기를 계산한다. In operation S514, the cluster size of the dark spot of the pixel is calculated.

S516단계에서 상기 계산된 클러스터의 크기(Sclust)가 기설정된 최소클러스터의 크기(Smin)보다 큰지의 여부를 판단한다. In operation S516, it is determined whether the calculated size S clust is greater than a predetermined size S min of the cluster.

계산된 클러스터의 크기(Sclust)가 설정된 최소클러스터의 크기(Smin)보다 큰 경우(S516단계, Yes) 오일유출로 결정한다(S518단계). 즉, 해당 클러스터는 노이즈에 영향을 받지 않은 것으로 판단한다. If the calculated cluster size (S clust ) is larger than the set minimum cluster size (S min ) (step S516, Yes), it is determined as oil leakage (step S518). That is, it is determined that the cluster is not affected by noise.

계산된 클러스터의 크기(Sclust)가 설정된 최소클러스터의 크기(Smin)보다 작거나 같은 경우(S516단계, No) 노이즈로 간주하여 비오일로 결정한다. If the calculated cluster size S clust is less than or equal to the set minimum cluster size S min (step S516, No), the noise is determined as non-oil.

한편, 상세한 설명에서 다크스폿과 오일 유출은 같은 의미로 쓰인 것이며, 타크스폿은 SAR영상을 분석한 결과 나타난 상태를 나타낸다. 즉, SAR영상을 해석함에 있어서 해당 픽셀 또는 클러스터를 영상 판단단계에서 다크스폿으로 판단할 수 있으며, 본 발명에 따라 노이즈를 제거한 결과 다크스폿으로 결정나면 오일유출로 판단한다. 따라서 오일유출과 다크스폿이 동일한 의미로 사용되었으나, 그 해석 기준에서 약간의 차이가 있을 뿐이다. On the other hand, in the detailed description, the dark spot and the oil spill are used in the same sense, and the dark spot represents a state that appears as a result of analyzing the SAR image. That is, when interpreting the SAR image, the corresponding pixel or cluster may be determined as a dark spot in the image determination step. When the noise is removed according to the present invention, it is determined as an oil spill. Therefore, oil spill and dark spot are used in the same sense, but there are only slight differences in the interpretation criteria.

한편, 본 발명의 방법은 위성과 위성에 설치된 센서로부터 취득한 결과를 컴퓨터를 통해 취득하여 데이터를 취득한 컴퓨터를 이용하여 수행될 수 있다. 또는 위성과 위성에 설치된 센서로부터 취득한 결과를 일정한 연산을 수행하는 프로세서에 입력하고 프로세서를 통해 수행될 수 있다. On the other hand, the method of the present invention can be performed using a computer that acquires the data obtained from the satellite and the sensor installed in the satellite through the computer. Alternatively, the result obtained from the satellite and the sensor installed in the satellite may be input to a processor performing a certain operation and performed by the processor.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도식된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Although the contents of the present invention have been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it should be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. will be. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (8)

인공위성 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법에 있어서,
인공위성 SAR를 이용하여 오일 분포의 공간 분포를 조사하여 SAR 영상을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 SAR 영상으로부터 상기 오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계;를 포함하고,
오일 분포의 시간적 분산을 조사하는 단계는,
SAR 영상 일정한 윈도의 크기를 지정하고, 설정된 윈도우의 크기를 지정(NxN)하며, 평균값(m), 표준편차(std) 및 평균명암비(σ)를 계산하는 단계;
상기 SAR 영상의 지정된 윈도우를 정규화시키는 단계;
상기 정규화된 SAR 영상에서 후방산란계수 감쇄특성을 이용하여 인공물을 제거하는 단계;
상기 계산된 정보에 따라 SAR 영상에서 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계; 및
오일 유출범위에 대응하는 오일유출 분포 결과를 출력하는 단계;를 포함하며,
상기 각각의 픽셀을 오일유출과 비오일 중 어느 하나로 결정하는 단계는,
상기 SAR 영상에서 각각의 픽셀에 대한 다크스폿을 결정하는 단계;
상기 다크스폿에서 노이즈를 구별하는 단계;를 포함하고,
상기 SAR 영상에서 다크스폿을 결정하는 단계는,
상기 픽셀의 표준편차(std)로부터 임계값을 결정하는 단계;
상기 픽셀의 정규화된 레이더 단면(Normalized Radar Cross Section, NRCS)값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값(k)을 감산한 값보다 작은지의 여부를 판단하는 제1 판단단계;
상기 제1 판단단계에서의 판단결과 상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값을 감산한 값보다 작은 경우 오일 유출로 결정하는 단계;
상기 제1 판단단계에서의 판단결과 상기 픽셀의 NRCS값이 상기 평균명암비(σ)로부터 임계값을 감산한 값보다 크거나 같은 경우 비오일로 결정하는 단계; 및
상기 SAR 영상의 모든 픽셀에 대한 오일 또는 비오일에 대한 결정이 완료되었는 지의 여부를 판단하는 제2 판단단계;를 포함하여 구성되는 것인 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법.
In the oil spill detection method using a satellite SAR (Synthetic Aperture Radar) image-based artificial neural network,
Obtaining a SAR image by examining a spatial distribution of an oil distribution using a satellite SAR; And
Investigating the temporal dispersion of the oil distribution from the acquired SAR image;
Examining the temporal dispersion of the oil distribution,
Designating a SAR image constant window size, designating a size of the set window (NxN), and calculating an average value (m), a standard deviation (std), and an average contrast ratio (σ);
Normalizing a designated window of the SAR image;
Removing artifacts from the normalized SAR image by using backscatter coefficient attenuation;
Determining each pixel in the SAR image as one of oil spill and non-oil according to the calculated information; And
And outputting an oil spill distribution result corresponding to the oil spill range.
Determining each of the pixels as one of oil spill and non-oil,
Determining a dark spot for each pixel in the SAR image;
And discriminating noise in the dark spots;
Determining a dark spot from the SAR image,
Determining a threshold from the standard deviation (std) of the pixel;
A first determining step of determining whether a normalized radar cross section (NRCS) value of the pixel is smaller than a value obtained by subtracting a threshold value k from the average contrast ratio?
Determining that the NRCS value of the pixel is less than a value obtained by subtracting a threshold value from the average contrast ratio?
Determining that the NRCS value of the pixel is equal to or greater than a value obtained by subtracting a threshold value from the average contrast ratio? And
And a second determination step of determining whether the determination of the oil or non-oil for all the pixels of the SAR image is completed.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 다크스폿에서 노이즈를 구별하는 단계는,
상기 픽셀의 다크스폿을 클러스터링하는 단계;
상기 픽셀의 다크스폿의 클러스터 크기를 계산하는 단계;
상기 계산된 클러스터가 기설정된 최소클러스터크기보다 큰지의 여부를 판단하는 제3 판단단계;
상기 제3 판단단계에서 판단하여 클러스터가 설정된 최소클러스터크기보다 큰 경우에는 오일유출로 확정하는 단계; 및
상기 제3 판단단계에서 판단하여 클러스터가 설정된 최소클러스터크기보다 작거나 같은 경우에는 노이즈로 간주하여 비오일로 결정하는 단계;를 포함하는 것인 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법.
The method of claim 1, wherein the discriminating noise in the dark spots comprises:
Clustering dark spots of the pixel;
Calculating a cluster size of the dark spot of the pixel;
A third determination step of determining whether the calculated cluster is larger than a predetermined minimum cluster size;
Determining in the third determination step that oil is outflowed when the cluster is larger than the set minimum cluster size; And
And determining that the cluster is non-oil if the cluster is smaller than or equal to the set minimum cluster size as determined in the third determination step, and determining non-oil as the noise.
제4항에 있어서, 상기 검출된 다크스폿들은,
8개의 이웃 방향으로의 연결하여 클러스터링하도록 하는 것인 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법.
The method of claim 4, wherein the detected dark spots,
An oil spill detection method using a satellite SAR image-based neural network for clustering by connecting to eight neighboring directions.
제1항에 있어서, 상기 SAR 영상을 정규화시키는 단계는,
위성 센서로 다시 방사되는 전력의 양은 코사인 법칙을 따르므로 관측된 영역의 함수로서의 방사변이(radiation variability)는 코사인 의존적이고, 임의의 각도
Figure 112018050535427-pat00035
에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면(
Figure 112018050535427-pat00036
)은 입사각의 코사인 제곱과 관련된다는 두 가지 가정에 따라 정규화시키며, 다음의 식으로 표시하도록 하도록 구성되는 것인 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법.
Figure 112018050535427-pat00037

여기서,
Figure 112018050535427-pat00038
는 θ의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00039
는 후방 산란값(입사각과 무관)임.
The method of claim 1, wherein normalizing the SAR image comprises:
Since the amount of power radiated back to the satellite sensor follows the cosine law, the radiation variability as a function of the observed area is cosine dependent,
Figure 112018050535427-pat00035
Scattering Standardized Radar Section in
Figure 112018050535427-pat00036
) Is normalized according to two assumptions that are related to the cosine square of the angle of incidence, and is configured to be expressed by the following equation.
Figure 112018050535427-pat00037

here,
Figure 112018050535427-pat00038
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle θ,
Figure 112018050535427-pat00039
Is the backscatter value (irrespective of the incident angle).
제6항에 있어서, 후방 산란 표준화 레이더 단면으로부터 레이더 응답 특성은,
다음의 수학식을 이용하여 구하도록 구성되는 것인 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법.
Figure 112018050535427-pat00040

여기서,
Figure 112018050535427-pat00041
은 응답특성을 나타내며,
Figure 112018050535427-pat00042
는 의 각도에서의 후방 산란 표준화 레이더 단면값이고,
Figure 112018050535427-pat00043
는 정규화된 이미지에 대한 기준각임
The method of claim 6, wherein the radar response characteristic from the backscatter normalized radar cross section,
Oil leakage detection method using a satellite SAR image-based artificial neural network that is configured to obtain using the following equation.
Figure 112018050535427-pat00040

here,
Figure 112018050535427-pat00041
Represents the response characteristics,
Figure 112018050535427-pat00042
Is the backscatter normalized radar cross section at the angle of,
Figure 112018050535427-pat00043
Is the reference angle for normalized images
제1항에 있어서, 상기 인공물을 제거하는 단계는,
해상에 존재하는 해면보다 2배 이상후방산란을 나타내는 화소들을 식별하여 제거하도록 구성되는 것인 인공위성 SAR 영상기반 인공신경망을 이용한 오일 유출 탐지 방법.
The method of claim 1, wherein the removing the artifact,
An oil spill detection method using a satellite SAR image-based neural network, which is configured to identify and remove pixels exhibiting backscattering at least twice as high as the surface existing in the sea.
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