KR102175192B1 - System and Method for Cross Sectional Monitoring usig Spatio-temporal Hyperspectral Images - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a cross section monitoring apparatus using spatiotemporal hyperspectral images and a method thereof which use spatiotemporal hyperspectral images in cross section monitoring to secure spectral properties at the same position at different times to effectively measure temporal changes in the same cross section. The cross section monitoring apparatus using spatiotemporal hyperspectral images comprises: a hyperspectral image acquisition device which has a hyperspectral sensor and records a hyperspectral image to provide the hyperspectral image; a spatiotemporal hyperspectral image processing unit to receive a hyperspectral image from the hyperspectral image acquisition unit to learn the correlation between an observation value corresponding to a portion of a photographed time existing on a cross section on which a hyperspectral image is collected and a spectral property index at a corresponding position to estimate a change of the observation value of the cross section during the entire time; and an observation value change analysis result output unit to output an observation value change analysis result of the spatiotemporal hyperspectral image processing unit to know the spatial distribution of the observation value over time.

Description

시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법{System and Method for Cross Sectional Monitoring usig Spatio-temporal Hyperspectral Images}Sectional monitoring device and method using spatio-temporal hyperspectral images {System and Method for Cross Sectional Monitoring usig Spatio-temporal Hyperspectral Images}

본 발명은 원격 탐사 기술에 관한 것으로, 구체적으로 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하여 동일한 단면에서의 시간적 변화를 효과적으로 측정할 수 있도록 한 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a remote sensing technology, and more specifically, a space-time hyperspectral image that enables effective measurement of temporal changes in the same cross-section by securing spectral characteristics over various times at the same location by utilizing a space-time hyperspectral image for cross-sectional monitoring. It relates to an apparatus and method for monitoring a section using an image.

최근 기후변화와 여름철 고온 등으로 인한 녹조현상, 각종 사고로 인한 화학물질 및 유류 유출 등 수질오염과 관련된 사회적 관심이 높아지고 있다.Recently, the social interest related to water pollution such as green algae phenomena due to climate change and high temperatures in summer, and chemical substances and oil spills due to various accidents is increasing.

수질오염 사례 중 화학사고로 인한 유해화학물질 유출은 접촉시 인체에 악영향을 끼치며 대기·수질·토양을 오염시키고 주변 농작물의 변색이나 괴사를 유발하는 등 다양하고 복합적인 피해가 발생한다.Among the water pollution cases, the leakage of hazardous chemicals due to a chemical accident adversely affects the human body when contacted, contaminates the air, water, and soil, and causes various and complex damages such as discoloration or necrosis of surrounding crops.

특히 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다.In particular, chemicals that may spill into rivers are often colorless and water-soluble, making it difficult to confirm the spill with the naked eye.

화학사고 발생시 화학물질의 탐지는 간이탐지장비인 pH 페이퍼, 간이식별탐지키트, 검지관식탐지장비, 전자식탐지장비인 휴대용이온분광기, 휴대용FT-IR 등을 사용하여 직접 탐지하여 물질을 특정하게 된다.In the event of a chemical accident, chemical substances are directly detected by using simple detection equipment such as pH paper, simple identification detection kit, detection tube type detection equipment, electronic detection equipment portable ion spectrometer, portable FT-IR, etc.

이와 같은 접촉식 센서는 현장 인력에 의존이고, 설치식 검출센서 또한 화학물질의 유출이 우려되는 곳에 제한적으로 설치되어 미설치 지역에 대한 능동적 탐지가 어렵다는 한계가 있다.Such a contact sensor is dependent on on-site personnel, and the installed detection sensor is also limitedly installed in a place where there is a concern about the leakage of chemical substances, so it is difficult to actively detect an uninstalled area.

사고물질을 특정하지 못할 경우에는 초기대응이 지연되거나 잘못된 대응으로 인해 치명적인 환경재난으로 확대되기도 한다. 그렇기 때문에 발생 시 적절한 조치와 대응이 필요하며 피해복구에 전문적인 대응이 요구된다.If the accident substance is not specified, the initial response may be delayed or it may be extended to a fatal environmental disaster due to an incorrect response. Therefore, appropriate measures and responses are required in case of occurrence, and professional response is required for damage recovery.

이와 같은 위험성 높은 접촉식 탐지 기술의 한계를 극복할 수 있는 원격탐사기법의 도입과 최신 센서기술의 활용에 관한 기술이 도입되고 있다.The introduction of a remote sensing technique capable of overcoming the limitations of such a high-risk contact detection technology and the use of the latest sensor technology are being introduced.

한편, 종래 기술의 원격탐사 기술은 위성, 항공기 그리고 드론 등 이동식 플랫폼에 탑재된 라인스캔 초분광 센서 및 카메라를 통해 촬영된 초분광영상을 동일시간에 공간적인 분광특성의 분포로 활용하고 있다.Meanwhile, the prior art remote sensing technology utilizes a line scan hyperspectral sensor mounted on a mobile platform such as a satellite, an aircraft, and a drone, and a hyperspectral image captured through a camera as a distribution of spatial spectral characteristics at the same time.

최근 위성이나 항공기 및 드론 등에 탑재되어 운용가능한 초분광영상은 위성이나 항공기 및 드론에 탑재하여 토지 피복, 지질 상태, 작물의 생장 및 질병의 유무 및 토양의 수분 함유도 등의 연구에서 시작되어 최근에는 국방, 의료, 식품, 농업, 지질 및 광물 분야 및 환경분야 등 넓은 분야에서 다양하게 활용되고 있는데 화학물질 탐지 가능성에도 활용할 수 있다.Recently, hyperspectral images that can be installed and operated by satellites, aircraft, and drones are mounted on satellites, aircraft and drones, and have been started from studies on land cover, geological conditions, crop growth and disease, and soil moisture content. It is widely used in a wide range of fields such as defense, medical care, food, agriculture, geology and minerals, and environmental fields, but it can also be used for the possibility of detecting chemical substances.

좀더 구체적으로 하천환경에서도 초분광 영상은 위성영상이나 드론영상을 통해 하천의 수리량을 해석하고자 할 때 활용되기 시작하였다.More specifically, even in river environments, hyperspectral images have begun to be used when attempting to analyze the water capacity of rivers through satellite images or drone images.

항공 및 위성 원격탐사에 초분광영상을 활용하여 강의 수질(Chl-a, TSS, Tubidity)등을 모니터링하는 방법론을 개발하는 연구(Kisevic et al., 2016)사례가 있으며, 물 반사율의 현장 측정을 기반으로 한 수질(Chl-a, CDOM, TSS)의 초분광 원격감지 알고리즘 개발(Fan, 2014)하는 사례도 있었다.There is a case study (Kisevic et al ., 2016) that develops a methodology for monitoring river water quality (Chl-a, TSS, Tubidity), etc. using hyperspectral images for aerial and satellite remote sensing. There was also a case of developing a hyperspectral remote sensing algorithm for water quality (Chl-a, CDOM, TSS) based on (Fan, 2014).

또한, 드론기반 초분광 영상을 활용하여 하천 수심 계측 기술 개발(You, 2018)하는 등의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. In addition, researches such as the development of river depth measurement technology (You, 2018) using drone-based hyperspectral images are being actively conducted.

그러나 동일 지점에 대한 시간적 변화를 모니터링하기 위해서는 초분광영상을 동일한 공간에 다양한 시간에 촬영해야 하지만 현재의 기술적 제한에 따라 동일 지점에 시간적 변화를 촬영하기 힘들다.However, in order to monitor the temporal change of the same point, the hyperspectral image must be photographed in the same space at various times, but it is difficult to photograph the temporal change at the same point due to the current technical limitations.

따라서, 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하여 동일한 단면에 시간적 변화를 효과적으로 측정할 수 있도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for the development of a new technology that enables effective measurement of temporal changes in the same cross section by securing spectral characteristics over time at the same location.

대한민국 공개특허 제10-2020-0011727호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0011727 대한민국 등록특허 제10-1463354호Korean Patent Registration No. 10-1463354 대한민국 등록특허 제10-1619836호Korean Patent Registration No. 10-1619836

본 발명은 종래 기술의 원격 탐사 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하여 동일한 단면에서의 시간적 변화를 효과적으로 측정할 수 있도록 한 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the remote sensing technology of the prior art, by utilizing a spatiotemporal hyperspectral image for cross-section monitoring to secure spectral characteristics over various times at the same location, thereby effectively measuring the temporal change in the same cross-section. It is an object of the present invention to provide a cross-sectional monitoring apparatus and method using a space-time hyperspectral image.

본 발명은 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습을 통해 규명하고, 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 것에 의해 측정 정확도를 높일 수 있도록 한 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention, the correlation between the observed value corresponding to a portion of the photographed time that exists in the section where the hyperspectral image is collected and the spectral characteristic index of the corresponding location is identified through learning, and the change in the observed value of the section over the entire time is determined. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for monitoring a section using a spatiotemporal hyperspectral image capable of increasing measurement accuracy by estimating.

본 발명은 초분광 센서 및 카메라를 고정식 플랫폼에 탑재하여 운용하여 동일한 위치에서의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보할 수 있고, 축적된 방대한 양의 분광특성과 관측대상의 물리적 특성의 상관관계 분석을 통해 동일한 단면에서의 시간적 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 한 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention, by mounting and operating a hyperspectral sensor and a camera on a fixed platform, it is possible to secure spectral characteristics over various times at the same location, and analyze the correlation between the accumulated spectral characteristics and the physical characteristics of the object to be observed. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for monitoring a section using a spatiotemporal hyperspectral image capable of accurately measuring a temporal change in the same section.

본 발명은 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하는 기술을 하천 구조물에 인접한 수심에 적용하는 경우에 구조물 인근에서 발생하는 수심의 변화를 시간적으로 파악할 수 있도록 한 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention, when a technology for securing spectral characteristics over various time periods at the same location by utilizing a space-time hyperspectral image for cross-sectional monitoring is applied to a depth adjacent to a river structure, the change in depth occurring near the structure can be temporally identified. It is an object of the present invention to provide a cross-sectional monitoring apparatus and method using a space-time hyperspectral image.

본 발명은 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하는 기술을 하천구조물에 인접한 화학물질 감지 기술과 접목하여 하천에서 화학물질이 유출되는지를 용이하게 파악할 수 있도록 한 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention utilizes a spatiotemporal hyperspectral image for cross-sectional monitoring and combines a technology for securing spectral characteristics over various time periods at the same location with a technology for detecting chemical substances adjacent to a river structure, so that it is possible to easily determine whether a chemical substance is leaked from the river. It is an object of the present invention to provide a cross-sectional monitoring apparatus and method using a space-time hyperspectral image.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치는 초분광 센서를 구비하고 초분광 영상을 기록하여 제공하는 초분광 영상 취득 장치;상기 초분광 영상 취득 장치로부터 초분광 영상을 제공받아 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습하여 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 시공간 초분광영상 처리부;시공간 초분광영상 처리부의 관측값 변화 분석 결과를 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 알 수 있도록 출력하는 관측값 변화 분석 결과 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A cross-sectional monitoring device using a space-time hyperspectral image according to the present invention for achieving the above object includes a hyperspectral image acquisition device including a hyperspectral sensor and recording and providing a hyperspectral image; a second from the hyperspectral image acquisition device It receives a spectral image and learns the correlation between the observed value corresponding to the part of the photographed time that exists in the section where the hyperspectral image was collected and the spectral characteristic index of the corresponding location to estimate the change in the observed value of the section over the entire time. And a spatiotemporal hyperspectral image processing unit; an observation value change analysis result output unit for outputting the observation value change analysis result of the spatiotemporal hyperspectral image processing unit so as to know a spatial distribution of observed values over time.

여기서, 상기 시공간 초분광영상 처리부는, 초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 분광특성을 추출하는 분광 특성 추출부와,분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정하는 밴드비 산정부와,관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출하는 상관계수 산출부와,파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하여 상관 계수 맵을 구축하는 상관 계수 맵 구축부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the space-time hyperspectral image processing unit, with respect to the total number of wavelengths constituting the hyperspectral image, two wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) selected in consideration of the number of all cases in which two wavelengths are selected. A spectral characteristic extraction unit that extracts spectral characteristics for, a band ratio calculation unit that calculates a band ratio or a band index according to the definition of spectral characteristics, and a correlation coefficient that calculates a correlation coefficient through regression analysis of the observed values and spectral characteristics. It characterized in that it comprises a calculation unit, and a correlation coefficient map construction unit for constructing a correlation coefficient map by storing the magnitude of the correlation coefficient as a color at the positions of the ordered pair of wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ).

그리고 상기 초분광 영상 취득 장치는 드론을 이용한 이동식 플랫폼으로 구성되고, 드론의 중앙부위에 유압식으로 작동하고 비행시 움직임에 위해 드론이나 짐벌에 발생할 수 있는 진동이나 충격을 완화시키는 완충기(Damper)를 장착하고, 그 하부에 항상 동일한 자세를 유지하여 촬영이 이루어질 수 있도록 하는 짐벌(Gimbal)을 연결하며, 짐벌에는 드론의 위치와 자세, 짐벌의 자세를 통해 라인 스캔 영역을 누적하여 기록하여 초분광 영상을 기록하는초분광 센서와, 비행시 드론 및 촬영 현황을 모니터링하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hyperspectral image acquisition device is composed of a mobile platform using a drone, and is operated hydraulically at the center of the drone and equipped with a damper to mitigate vibrations or shocks that may occur in the drone or gimbal for movement during flight. And, a gimbal that keeps the same posture at the bottom of it so that shooting can be performed is connected, and the position and posture of the drone and the posture of the gimbal are accumulated and recorded in the line scan area to record the hyperspectral image. It characterized in that it comprises a hyperspectral sensor for recording the, and a camera for monitoring the state of the drone and shooting during flight.

그리고 드론을 이용한 이동식 플랫폼으로 구성되는 초분광 영상 취득 장치에서 촬영된 초분광영상의 촬영영역은, 드론을 중심으로 고정된 초분광 센서의 시야각이 수표면에 투영한 선의 길이로 정의할 수 있고, 초분광 주사선(Scanning Line)의 집합인 것을 특징으로 한다.And the shooting area of the hyperspectral image captured by the hyperspectral image acquisition device composed of a mobile platform using a drone can be defined as the length of the line projected on the water surface by the viewing angle of the hyperspectral sensor fixed around the drone, It is characterized in that it is a set of hyperspectral scanning lines.

그리고 상기 초분광 영상 취득 장치에서 제공되는 초분광 영상이 가시광선 영역, 자외선, 적외선 영역을 포함하는 여러 개의 밴드로 구성되고, 초분광 영상을 구성하는 픽셀의 위치정보를 위도와 경도가 기록되는 것을 특징으로 한다.In addition, the hyperspectral image provided by the hyperspectral image acquisition device is composed of a plurality of bands including a visible light region, an ultraviolet ray, and an infrared region, and the latitude and longitude of the location information of the pixels constituting the hyperspectral image are recorded. It is characterized.

그리고 상기 시공간 초분광영상 처리부는, 분광특성과 관측값의 관계식을 활용하여 시간에 따른 단면의 물리량 변화를 공간축과 시간축으로 구성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the space-time hyperspectral image processing unit is characterized in that by using a relational expression between spectral characteristics and observed values to configure a change in a physical quantity of a section over time into a spatial axis and a time axis.

그리고 상기 관측값 변화 분석 결과 출력부는, 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 알 수 있도록 제공하여 동일 지점(Pixel Point)의 관측값 변화를 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the observation value change analysis result output unit is characterized in that it provides to know the spatial distribution of the observation value over time, so that the observation value change at the same point (Pixel Point) can be recognized.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법은 초분광 영상 취득 장치에서 초분광 영상을 취득하는 단계;초분광 영상 취득 장치로부터 초분광 영상을 제공받아 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습하여 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 시공간 초분광영상 처리 단계;관측값 변화 분석 결과 출력부에서 관측값 변화 분석 결과를 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 알 수 있도록 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A cross-sectional monitoring method using a spatiotemporal hyperspectral image according to the present invention for achieving another object includes the steps of acquiring a hyperspectral image from a hyperspectral image acquisition device; receiving a hyperspectral image from the hyperspectral image acquisition device to obtain a hyperspectral image A spatiotemporal hyperspectral image processing step of estimating a change in the observed value of the section over the entire time by learning the correlation between the observed value corresponding to a portion of the photographed time existing in the collected section and the spectral characteristic index of the corresponding location; And outputting, by the change analysis result output unit, the result of the analysis of the change of the observed value so as to know the spatial distribution of the observed value over time.

여기서, 시공간 초분광영상 처리 단계는, 초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 분광특성을 추출하는 단계와,분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정하는 단계와,관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출하는 단계와,파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하여 상관 계수 맵을 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, in the space-time hyperspectral image processing step, two wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) selected in consideration of the number of all the wavelengths constituting the hyperspectral image, in all cases of selecting two wavelengths. Extracting the spectral characteristic for, calculating the band ratio or band index according to the definition of the spectral characteristic, calculating the correlation coefficient through regression analysis of the observed value and the spectral characteristic, and wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) and storing the magnitude of the correlation coefficient as a color at the position of the ordered pair, and constructing a correlation coefficient map.

그리고 초분광 영상으로부터 관측값이 존재하는 위치에 대해 분광특성을 산정하기 위하여, And in order to calculate the spectral characteristics for the location where the observed value exists from the hyperspectral image,

Figure 112020087253898-pat00001
로 밴드비를 정의하거나,
Figure 112020087253898-pat00002
로 지수형태로 분광특성을 정의하고,
Figure 112020087253898-pat00003
는 파장(
Figure 112020087253898-pat00004
)에 대한 빛의 세기인 것을 특징으로 한다.
Figure 112020087253898-pat00001
Define the band ratio as
Figure 112020087253898-pat00002
To define the spectral characteristics in exponential form,
Figure 112020087253898-pat00003
Is the wavelength(
Figure 112020087253898-pat00004
) Is the intensity of light.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The cross-sectional monitoring apparatus and method using a space-time hyperspectral image according to the present invention as described above has the following effects.

첫째, 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하여 동일한 단면에서의 시간적 변화를 효과적으로 측정할 수 있도록 한다.First, the spatiotemporal hyperspectral image is used for cross-sectional monitoring to secure spectral characteristics over various times at the same location so that temporal changes in the same cross-section can be effectively measured.

둘째, 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습을 통해 규명하고, 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 것에 의해 측정 정확도를 높일 수 있도록 한다.Second, the correlation between the observed value corresponding to the part of the photographed time that exists in the section where the hyperspectral image is collected and the spectral characteristic index of the corresponding location is identified through learning, and the change in the observed value of the section over the entire time is estimated. This makes it possible to increase the measurement accuracy.

셋째, 초분광 센서 및 카메라를 고정식 플랫폼에 탑재하여 운용하여 동일한 위치에서의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보할 수 있고, 축적된 방대한 양의 분광특성과 관측대상의 물리적 특성의 상관관계 분석을 통해 동일한 단면에서의 시간적 변화를 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.Third, by installing and operating a hyperspectral sensor and camera on a fixed platform, it is possible to secure spectral characteristics over various times at the same location, and through correlation analysis between the accumulated spectral characteristics and the physical characteristics of the object to be observed. It allows precise measurement of temporal changes in the same section.

넷째, 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하는 기술을 하천 구조물에 인접한 수심에 적용하는 경우에 구조물 인근에서 발생하는 수심의 변화를 시간적으로 파악할 수 있도록 한다.Fourth, in the case of applying a technology that secures spectral characteristics over various time periods at the same location by using space-time hyperspectral images for cross-sectional monitoring, changes in water depth occurring near the structure can be identified in time. do.

다섯째, 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하는 기술을 하천구조물에 인접한 화학물질 감지 기술과 접목하여 하천에서 화학물질이 유출되는지를 용이하게 파악할 수 있도록 한다.Fifth, by utilizing the spatiotemporal hyperspectral image for cross-sectional monitoring, the technology of securing the spectral characteristics over various times at the same location is combined with the detection technology of chemical substances adjacent to the river structure, so that it is possible to easily identify whether chemical substances are leaking from the river. do.

도 1은 발명에 따른 바람직한 초분광 영상 취득 시스템의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치의 구성 블록도
도 3은 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 초분광 영상 취득 방법을 나타낸 구성도
도 6은 드론 기반 초분광 센서로 취득된 초분광 영상 및 위치 정보를 나타낸 구성도
도 7은 초분광 영상으로부터 관측값이 존재하는 위치에 대해 분광특성을 산정하는 방법을 나타낸 구성도
도 8은 상관계수 맵을 구축하는 과정을 나타낸 구성도
도 9는 분광특성과 관측값의 관계식을 활용하여 시간에 따른 단면의 물리량 변화를 나타낸 구성도
도 10은 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 나타낸 구성도
도 11은 임의의 지점의 시간에 따른 관측값의 변화를 나타낸 구성도
1 is a configuration diagram of a preferred hyperspectral image acquisition system according to the present invention
Figure 2 is a block diagram of a cross-section monitoring device using a space-time hyperspectral image according to the present invention
3 is a flow chart showing a cross-sectional monitoring method using a space-time hyperspectral image according to the present invention
4 and 5 are configuration diagrams showing a hyperspectral image acquisition method according to the present invention
6 is a block diagram showing a hyperspectral image and location information acquired by a drone-based hyperspectral sensor
7 is a block diagram showing a method of calculating a spectral characteristic for a location where an observation value exists from a hyperspectral image
8 is a block diagram showing a process of constructing a correlation coefficient map
9 is a block diagram showing a change in physical quantity of a cross section over time using a relational expression between spectral characteristics and observed values
10 is a block diagram showing the spatial distribution of observed values over time
11 is a block diagram showing changes in observed values at an arbitrary point over time

이하, 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a cross-sectional monitoring apparatus and method using a space-time hyperspectral image according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of the cross-sectional monitoring apparatus and method using a space-time hyperspectral image according to the present invention will become apparent through detailed descriptions of each embodiment below.

도 1은 발명에 따른 바람직한 초분광 영상 취득 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a preferred hyperspectral image acquisition system according to the present invention.

본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법은 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하여 동일한 단면에서의 시간적 변화를 효과적으로 측정할 수 있도록 한 것이다.The cross-section monitoring apparatus and method using a spatiotemporal hyperspectral image according to the present invention utilizes a spatiotemporal hyperspectral image for cross-sectional monitoring to secure spectral characteristics over various times at the same location so that the temporal change in the same cross-section can be effectively measured. I did it.

이를 위하여, 본 발명은 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습을 통해 규명하고, 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 구성을 포함할 수 있다.To this end, the present invention investigates the correlation between the observation value corresponding to a part of the photographed time present in the section where the hyperspectral image is collected and the spectral characteristic index of the corresponding location through learning, and the observation value of the section over the entire time. It may include a configuration that estimates the change of.

본 발명은 초분광 센서 및 카메라를 고정식 플랫폼에 탑재하여 운용하여 동일한 위치에서의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보할 수 있고, 축적된 방대한 양의 분광특성과 관측대상의 물리적 특성의 상관관계 분석을 통해 동일한 단면에서의 시간적 변화를 정밀하게 측정하기 위한 구성을 포함할 수 있다.In the present invention, by mounting and operating a hyperspectral sensor and a camera on a fixed platform, it is possible to secure spectral characteristics over various times at the same location, and analyze the correlation between the accumulated spectral characteristics and the physical characteristics of the object to be observed. Through it, a configuration for accurately measuring a temporal change in the same cross section may be included.

일반적인 RGB 카메라는 단면을 스캔하는 Area scan 방식을 이용하여 대상 영역을 한 컷에 촬영한다.A general RGB camera photographs a target area in one frame using an area scan method that scans a cross section.

반면, 초분광카메라는 한 줄로 이루어진 Line sensor를 이용하여 촬영하는 Line scan 방식을 이용하는데, Line scan방식의 초분광센서는 분광특성을 기록하는 방법에 따라 휘스크 브룸(whisk broom), 푸쉬 브롬(push broom) 방식으로 나뉜다. On the other hand, hyperspectral cameras use a line scan method that photographs using a line sensor consisting of a line, and the line scan type hyperspectral sensor uses a whisk broom and push brom depending on the method of recording spectral characteristics. broom) method.

휘스크 브룸 방식은 반사경이 회전하며 대상체를 촬영하는 반면, 푸쉬 브룸 방식은 광학센서를 일렬로 배치하여 프리즘을 통해 들어오는 빛을 기록하게 된다. While the whisk broom method photographs an object while the reflector rotates, the push broom method records light entering through the prism by arranging optical sensors in a row.

이렇게 수집된 자료는 데이터큐브를 형성하는데, RGB 영상의 경우 단순한 데이터큐브를 형성하는 반면, 초분광영상은 각 화소(pixel, point)별로 다양한 파장대의 방대한 분광정보를 포함하기 때문에 매우 거대한 데이터큐브를 형성하게 된다.The data collected in this way form a data cube. In the case of RGB images, a simple data cube is formed, whereas a hyperspectral image contains vast spectral information in various wavelength bands for each pixel (point), so a very large data cube is formed. Formed.

본 발명은 하천에서 유해화학물질이 유출되는 상황에서 드론에 탑재되어 촬영된 초분광 영상을 기반으로 용해 또는 부유하는 화학물질을 식별 및 탐지할 수 있는 기술을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a technology capable of identifying and detecting dissolved or suspended chemical substances based on hyperspectral images taken by being mounted on a drone in a situation in which hazardous chemical substances are leaked from a river.

이를 위한 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치는 도 1에서와 같은 플랫폼이 이용될 수 있다.For this, the cross-sectional monitoring apparatus using a space-time hyperspectral image according to the present invention may use a platform as shown in FIG. 1.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 수행할 수 있는 플랫폼을 나타낸 것으로, 드론 기반 초분광 영상 취득 시스템을 도시한 것이다.1 shows a platform capable of performing a preferred embodiment of the present invention, and shows a drone-based hyperspectral image acquisition system.

도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 초분광 영상 취득 시스템은 드론의 중앙부위에 완충기(Damper)(20)를 장착하고 그 하부에 짐벌(Gimbal)(10)을 연결하며, 짐벌(10)에는 초분광 센서(40)와 별도의 카메라(30)가 설치되는 구조의 이동식 플랫폼이다.As shown in FIG. 1, the hyperspectral image acquisition system according to the present invention mounts a damper 20 at the center of the drone and connects the gimbal 10 to the lower portion thereof, and the gimbal 10 It is a mobile platform having a structure in which the hyperspectral sensor 40 and a separate camera 30 are installed.

상기 완충기(20)는 유압식으로 작동하며 또한 비행시에 움직임에 위해 드론이나 짐벌에 발생할 수 있는 진동이나 충격을 완화시켜 자세를 제어하는 짐벌(10)의 과부하를 예방함과 동시에 초분광 센서의 품질 향상에 기여를 하게 된다.The shock absorber 20 is hydraulically operated and also prevents overload of the gimbal 10 that controls the posture by mitigating vibrations or shocks that may occur on the drone or gimbal for movement during flight, and at the same time, the quality of the hyperspectral sensor It contributes to improvement.

짐벌(10)은 항상 동일한 자세를 유지하여, 초분광 센서(40) 및 카메라(30)가 진동 및 충격에도 동일한 자세로 촬영될 수 있도록 유지한다.The gimbal 10 always maintains the same posture, so that the hyperspectral sensor 40 and the camera 30 can be photographed in the same posture even with vibration and shock.

설치된 초분광 센서(40)는 드론의 위치와 자세, 짐벌의 자세를 통해 라인 스캔 영역을 누적하여 기록하여 초분광 영상을 기록하는 역할이며, 카메라(30)는 비행시 드론 및 촬영 현황을 모니터링 목적을 위해 설치된다.The installed hyperspectral sensor 40 is responsible for recording hyperspectral images by accumulating and recording the line scan area through the position and posture of the drone and the posture of the gimbal, and the camera 30 is for monitoring the drone and shooting status during flight. It is installed for.

도 2는 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치의 구성 블록도이다.2 is a block diagram of a cross-section monitoring apparatus using a space-time hyperspectral image according to the present invention.

본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치는 도 2에서와 같이, 초분광 센서를 구비하고 드론의 위치와 자세, 짐벌의 자세를 통해 라인 스캔 영역을 누적하여 기록하여 초분광 영상을 기록하여 제공하는 초분광 영상 취득 장치(100)와, 초분광 영상 취득 장치(100)로부터 초분광 영상을 제공받아 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습하여 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 시공간 초분광영상 처리부(200)와, 시공간 초분광영상 처리부(200)의 관측값 변화 분석 결과를 출력하는 관측값 변화 분석 결과 출력부(300)를 포함한다.A cross-sectional monitoring device using a space-time hyperspectral image according to the present invention includes a hyperspectral sensor, as shown in FIG. 2, and records a hyperspectral image by accumulating and recording line scan areas through the position and posture of the drone and the posture of the gimbal. An observation value corresponding to a portion of the photographed time existing in the section in which the hyperspectral image acquisition device 100 and the hyperspectral image acquisition device 100 are provided and the hyperspectral image is collected and the corresponding position The spatiotemporal hyperspectral image processing unit 200 that estimates the change of the observed value of the cross section over the entire time by learning the correlation of the spectral characteristic index of, and the spatiotemporal hyperspectral image processing unit 200 outputting the analysis result of the observed value change. And an observation value change analysis result output unit 300.

이와 같이 초분광 센서 및 카메라를 고정식 플랫폼에 탑재하여 운용할 경우, 동일한 위치에 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보할 수 있고, 축적된 방대한 양의 분광특성과 관측대상의 물리적 특성의 상관관계 분석을 통해, 결과적으로 동일한 단면에 시간적 변화를 측정할 수 있다.In this way, when the hyperspectral sensor and camera are mounted and operated on a fixed platform, spectral characteristics can be secured at the same location over various time periods, and correlation analysis between the accumulated spectral characteristics and the physical characteristics of the object to be observed can be performed. As a result, it is possible to measure the temporal change in the same cross section.

이와 같은 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치는 하천 구조물에 인접한 수심에 적용할 경우, 구조물 인근에서 발생하는 수심의 변화를 시간적으로 파악할 수 있고, 하천구조물에 인접한 화학물질 감지 기술과 접목할 경우, 하천에서 화학물질이 유출되는지를 정확하게 판별할 수 있도록 한다.When the cross-sectional monitoring device using a space-time hyperspectral image according to the present invention is applied to a depth adjacent to a river structure, it is possible to grasp the change in depth occurring in the vicinity of the structure in time, and the chemical substance detection technology adjacent to the river structure and In the case of grafting, it is possible to accurately determine whether a chemical substance is leaked from the river.

본 발명에 따른 시공간 초분광영상 처리부(200)의 상세 구성은 다음과 같다.A detailed configuration of the space-time hyperspectral image processing unit 200 according to the present invention is as follows.

본 발명에 따른 시공간 초분광영상 처리부(200)는 초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 분광특성을 추출하는 분광 특성 추출부(200a)와, 분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정하는 밴드비 산정부(200b)와, 관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출하는 상관계수 산출부(200c)와, 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하여 상관 계수 맵을 구축하는 상관 계수 맵 구축부(200d)를 포함한다.The space-time hyperspectral image processing unit 200 according to the present invention includes two wavelengths 1 (λ 1 ) and 2 (wavelengths) selected in consideration of the number of all the wavelengths constituting the hyperspectral image. A spectral characteristic extraction unit 200a for extracting spectral characteristics for λ 2 ), a band ratio calculation unit 200b for calculating a band ratio or band index according to the definition of spectral characteristics, and regression analysis of observed values and spectral characteristics The correlation coefficient calculation unit 200c that calculates the correlation coefficient through the method, and the wavelength wavelength 1 (λ 1 ) and the wavelength 2 (λ 2 ) are stored as a color at the position of the ordered pair to construct a correlation coefficient map. It includes a correlation coefficient map construction unit (200d).

본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A detailed description of a cross-sectional monitoring method using a space-time hyperspectral image according to the present invention is as follows.

도 3은 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법을 나타낸 플로우 차트이다.3 is a flow chart showing a cross-sectional monitoring method using a space-time hyperspectral image according to the present invention.

먼저, 초분광 센서를 구비하고 드론의 위치와 자세, 짐벌의 자세를 통해 라인 스캔 영역을 누적하여 기록하여 초분광 영상을 기록하여 제공하는 초분광 영상 취득 장치(100)에서 초분광 영상을 취득한다.(S301)First, a hyperspectral image is acquired by a hyperspectral image acquisition device 100 that has a hyperspectral sensor and accumulates and records a line scan area through the position and posture of the drone and the posture of the gimbal to record and provide hyperspectral images. .(S301)

이어, 초분광 영상 취득 장치(100)로부터 초분광 영상을 제공받아 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습하여 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 시공간 초분광영상 처리 단계를 수행한다.(S302 ~ S305)Subsequently, by receiving the hyperspectral image from the hyperspectral image acquisition device 100, learning the correlation between the observed value corresponding to the part of the photographed time existing in the section where the hyperspectral image was collected and the spectral characteristic index of the corresponding location Performs a spatiotemporal hyperspectral image processing step of estimating the change of the observed value of the section with time (S302 ~ S305).

이어, 관측값 변화 분석 결과 출력부(300)에서 시공간 초분광영상 처리부(200)의 관측값 변화 분석 결과를 출력한다.(S306)Then, the observation value change analysis result output unit 300 outputs the observation value change analysis result of the spatiotemporal hyperspectral image processing unit 200 (S306).

시공간 초분광영상 처리 단계는, The spatiotemporal hyperspectral image processing step,

먼저, 초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 분광특성을 추출한다.(S302)First, with respect to the total number of wavelengths constituting the hyperspectral image, the spectral characteristics of the two wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) are extracted in consideration of the number of all cases in which two wavelengths are selected. (S302)

그리고 분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정한다.(S303)Then, the band ratio or the band index is calculated according to the definition of the spectral characteristics (S303).

이어, 관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출한다.(S304)Then, the correlation coefficient is calculated through the regression analysis of the observed values and spectral characteristics (S304).

그리고 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하여 상관 계수 맵을 구축한다.(S305)Then, the correlation coefficient map is constructed by storing the magnitude of the correlation coefficient as a color at the positions of the ordered pairs of the wavelength wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) (S305).

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 초분광 영상 취득 방법을 나타낸 구성도이다.4 and 5 are configuration diagrams showing a hyperspectral image acquisition method according to the present invention.

도 4는 본 발명의 드론 기반 초분광 영상 취득 시스템 중 초분광 센서가 구비되는 이동식 플랫폼으로, 드론을 활용하여 해당 드론의 위치와 자세, 짐벌의 자세를 통해 라인 스캔을 실시하는 방법을 도시한 것이다.4 is a mobile platform equipped with a hyperspectral sensor in the drone-based hyperspectral image acquisition system of the present invention, and shows a method of performing a line scan through the position and posture of the drone and the posture of the gimbal using a drone. .

촬영된 초분광영상의 촬영영역은 드론을 중심으로 고정된 초분광 센서의 시야각이 수표면에 투영한 선의 길이로 정의할 수 있고, 초분광 주사선(Scanning Line)의 집합과 같다.The shooting area of the captured hyperspectral image can be defined as the length of the line projected on the water surface by the viewing angle of the hyperspectral sensor fixed around the drone, and is the same as a set of hyperspectral scanning lines.

도 5는 본 발명을 수행할 수 있는 플랫폼의 예로 하천에 존재하는 구조물이나 별도의 구조물을 설치하고, 해당 플랫폼에 초분광 센서를 탑재하여 초분광 영상 취득 시스템을 도시한 것으로, 고정식 플랫폼으로부터 연직방향으로 모니터링할 단면을 직접 촬영하는 것이다.5 is an example of a platform on which the present invention can be carried out, showing a system for acquiring a hyperspectral image by installing a structure existing in a river or a separate structure, and mounting a hyperspectral sensor on the platform. It is to directly shoot the section to be monitored.

도 6은 드론 기반 초분광 센서로 취득된 초분광 영상 및 위치 정보를 나타낸 구성도이다.6 is a block diagram showing a hyperspectral image and location information acquired by a drone-based hyperspectral sensor.

도 6은 드론 기반 초분광 영상 취득 시스템을 기반으로 초분광 영상을 수집한 원본으로, 가시광선 영역을 포함하여 자외선, 적외선 영역 등 여러 개의 밴드로 구성된 초분광 영상과 초분광 영상을 구성하는 픽셀, 해당 픽셀의 위치정보를 위도와 경도를 기록한 것을 도시화 한 것이다.6 is an original image obtained by collecting hyperspectral images based on a drone-based hyperspectral image acquisition system, including a visible light region, a hyperspectral image composed of several bands such as ultraviolet and infrared regions, and a pixel constituting the hyperspectral image, It is an illustration of the latitude and longitude of the location information of the pixel.

도 7은 초분광 영상으로부터 관측값이 존재하는 위치에 대해 분광특성을 산정하는 방법을 나타낸 구성도이다.7 is a block diagram showing a method of calculating a spectral characteristic for a location where an observation value exists from a hyperspectral image.

도 7는 일반적인 초분광 영상으로부터 관측값이 존재하는 위치에 대해 분광특성을 산정하는 방법을 도시화 한 것으로, 수학식 1과 같이 밴드비 혹은 수학식 2와 같은 지수형태로 분광특성을 정의한다.7 illustrates a method of calculating spectral characteristics for a location where an observation value exists from a general hyperspectral image. The spectral characteristics are defined in the form of a band ratio as shown in Equation 1 or an exponential form as shown in Equation 2.

Figure 112020087253898-pat00005
Figure 112020087253898-pat00005

Figure 112020087253898-pat00006
Figure 112020087253898-pat00006

여기서,

Figure 112020087253898-pat00007
는 파장(
Figure 112020087253898-pat00008
)에 대한 빛의 세기이다.here,
Figure 112020087253898-pat00007
Is the wavelength(
Figure 112020087253898-pat00008
) Is the intensity of light.

도 8은 상관계수 맵을 구축하는 과정을 나타낸 구성도이다.8 is a block diagram showing a process of constructing a correlation coefficient map.

상관계수 맵을 구축하는 방법은 초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 1) 분광특성을 추출하고, 2) 상기 기술된 분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정, 3) 상기 기술된 관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출, 4) 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하는 과정을 통해 이루어진다.The method of constructing the correlation coefficient map is for the total number of wavelengths constituting the hyperspectral image, and for the two wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) selected in consideration of the number of all cases in which two wavelengths are selected. 1) Extract the spectral characteristics, 2) calculate the band ratio or band index according to the definition of the spectral characteristics described above, 3) calculate the correlation coefficient through regression analysis of the observed values and spectral characteristics described above, 4) wavelength Wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) are stored at the position of the ordered pair by storing the magnitude of the correlation coefficient as a color.

도 9는 분광특성과 관측값의 관계식을 활용하여 시간에 따른 단면의 물리량 변화를 나타낸 구성도이다.9 is a block diagram showing a change in physical quantity of a cross section over time by using a relational expression between spectral characteristics and observed values.

도 9는 본 발명에 따른 실시예로, 일반적인 초분광 영상의 활용은 자료를 구성하는 두 축이 공간인 것과 비교해, 본 발명에 따른 시간에 따른 단면의 물리량 변화는 공간축과 시간축으로 구성되는 것이 특징이다. 9 is an embodiment according to the present invention, in comparison with the use of a general hyperspectral image that two axes constituting data are space, the change in the physical quantity of a section over time according to the present invention is composed of a spatial axis and a time axis. It is a feature.

도 10은 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 나타낸 구성도로, 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 나타낸 것으로, 시간에 따른 단면의 관측값 변화를 파악할 수 있다.FIG. 10 is a block diagram showing the spatial distribution of observed values over time, showing the spatial distribution of observed values over time, and it is possible to grasp a change in the observed values of a cross section over time.

도 11은 임의의 지점의 시간에 따른 관측값의 변화를 나타낸 구성도이다.11 is a block diagram showing changes in observed values at an arbitrary point over time.

임의의 지점의 시간에 따른 관측값의 변화를 나타낸 것으로, 동일 지점(도 10의 Pixel Point)의 관측값 변화를 파악할 수 있다.By showing the change of the observed value over time at an arbitrary point, it is possible to grasp the change of the observed value at the same point (Pixel Point in FIG. 10).

이상에서 설명한 본 발명에 따른 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치 및 방법은 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하는 기술을 하천 구조물에 인접한 수심에 적용하는 경우에 구조물 인근에서 발생하는 수심의 변화를 시간적으로 파악할 수 있도록 한 것이다.The cross-sectional monitoring apparatus and method using a spatiotemporal hyperspectral image according to the present invention described above applies a technology for securing spectral characteristics over various times at the same location by utilizing a spatiotemporal hyperspectral image for cross-sectional monitoring, to a depth adjacent to a river structure. In this case, the change in water depth occurring near the structure can be grasped over time.

또한, 시공간 초분광영상을 단면 모니터링에 활용하여 동일한 위치의 다양한 시간에 따른 분광특성을 확보하는 기술을 하천구조물에 인접한 화학물질 감지 기술과 접목하여 하천에서 화학물질이 유출되는지를 용이하게 파악할 수 있도록 한다.In addition, by utilizing the spatiotemporal hyperspectral image for cross-sectional monitoring, the technology of securing the spectral characteristics over various times at the same location is combined with the chemical substance detection technology adjacent to the river structure, so that it is possible to easily identify whether a chemical substance is leaked from the river. do.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered from a descriptive point of view rather than a limiting point of view, and the scope of the present invention is indicated in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto are included in the present invention. It will have to be interpreted.

100. 초분광 영상 취득 장치
200. 시공간 초분광영상 처리부
300. 관측값 변화 분석 결과 출력부
100. Hyperspectral image acquisition device
200. Spatiotemporal hyperspectral image processing unit
300. Observed value change analysis result output section

Claims (10)

초분광 센서를 구비하고 초분광 영상을 기록하여 제공하는 초분광 영상 취득 장치;
상기 초분광 영상 취득 장치로부터 초분광 영상을 제공받아 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습하여 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 시공간 초분광영상 처리부;
시공간 초분광영상 처리부의 관측값 변화 분석 결과를 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 알 수 있도록 출력하는 관측값 변화 분석 결과 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
A hyperspectral image acquisition device including a hyperspectral sensor and recording and providing hyperspectral images;
The hyperspectral image is received from the hyperspectral image acquisition device and the correlation of the observed value corresponding to the part of the photographed time present in the section where the hyperspectral image is collected and the spectral characteristic index of the corresponding location is learned, A space-time hyperspectral image processing unit that estimates a change in the observed value of;
An observation value change analysis result output unit for outputting the observation value change analysis result of the spatiotemporal hyperspectral image processing unit so that the spatial distribution of the observed values over time can be known; a cross-sectional monitoring device using a spatiotemporal hyperspectral image, comprising: .
제 1 항에 있어서, 상기 시공간 초분광영상 처리부는,
초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 분광특성을 추출하는 분광 특성 추출부와,
분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정하는 밴드비 산정부와,
관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출하는 상관계수 산출부와,
파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하여 상관 계수 맵을 구축하는 상관 계수 맵 구축부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the space-time hyperspectral image processing unit,
For the total number of wavelengths constituting the hyperspectral image, extracting spectral characteristics to extract spectral characteristics for two wavelengths, wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ), selected in consideration of the number of all cases in which two wavelengths are selected Wealth,
A band ratio calculation unit that calculates the band ratio or band index according to the definition of the spectral characteristics,
A correlation coefficient calculation unit that calculates a correlation coefficient through regression analysis of observed values and spectral characteristics,
A spatiotemporal hyperspectral image, characterized in that it comprises a correlation coefficient map construction unit for constructing a correlation coefficient map by storing the magnitude of the correlation coefficient as a color at the positions of the ordered pairs of wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ). Section monitoring device used.
제 1 항에 있어서, 상기 초분광 영상 취득 장치는 드론을 이용한 이동식 플랫폼으로 구성되고,
드론의 중앙부위에 유압식으로 작동하고 비행시 움직임에 위해 드론이나 짐벌에 발생할 수 있는 진동이나 충격을 완화시키는 완충기(Damper)를 장착하고, 그 하부에 항상 동일한 자세를 유지하여 촬영이 이루어질 수 있도록 하는 짐벌(Gimbal)을 연결하며,
짐벌에는 드론의 위치와 자세, 짐벌의 자세를 통해 라인 스캔 영역을 누적하여 기록하여 초분광 영상을 기록하는초분광 센서와, 비행시 드론 및 촬영 현황을 모니터링하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the hyperspectral image acquisition device is configured as a mobile platform using a drone,
It is operated hydraulically in the center of the drone and equipped with a damper that mitigates vibrations or shocks that may occur in the drone or gimbal for movement during flight, and always maintains the same posture at the bottom of the drone so that shooting can take place. Connect the gimbal,
The gimbal includes a hyperspectral sensor that accumulates and records line scan areas through the position and posture of the drone and the posture of the gimbal to record hyperspectral images, and a camera that monitors the drone and shooting status during flight. Sectional monitoring device using spatiotemporal hyperspectral images.
제 3 항에 있어서, 드론을 이용한 이동식 플랫폼으로 구성되는 초분광 영상 취득 장치에서 촬영된 초분광영상의 촬영영역은,
드론을 중심으로 고정된 초분광 센서의 시야각이 수표면에 투영한 선의 길이로 정의할 수 있고, 초분광 주사선(Scanning Line)의 집합인 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
The method of claim 3, wherein the photographing area of the hyperspectral image captured by the hyperspectral image acquisition device configured as a mobile platform using a drone,
A cross-sectional monitoring device using spatiotemporal hyperspectral images, characterized in that the viewing angle of a hyperspectral sensor fixed around a drone can be defined as the length of a line projected onto the water surface, and is a set of hyperspectral scanning lines.
제 1 항에 있어서, 상기 초분광 영상 취득 장치에서 제공되는 초분광 영상이 가시광선 영역, 자외선, 적외선 영역을 포함하는 여러 개의 밴드로 구성되고,
초분광 영상을 구성하는 픽셀의 위치정보를 위도와 경도가 기록되는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the hyperspectral image provided by the hyperspectral image acquisition device is composed of a plurality of bands including a visible light region, an ultraviolet ray, and an infrared region,
A cross-sectional monitoring device using a spatiotemporal hyperspectral image, characterized in that latitude and longitude are recorded for location information of pixels constituting the hyperspectral image.
제 1 항에 있어서, 상기 시공간 초분광영상 처리부는,
분광특성과 관측값의 관계식을 활용하여 시간에 따른 단면의 물리량 변화를 공간축과 시간축으로 구성하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the space-time hyperspectral image processing unit,
A cross-section monitoring device using a spatiotemporal hyperspectral image, characterized in that the change in the physical quantity of a cross section over time is composed of a spatial axis and a time axis by utilizing a relational expression between spectral characteristics and observed values.
제 1 항에 있어서, 상기 관측값 변화 분석 결과 출력부는,
시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 알 수 있도록 제공하여 동일 지점(Pixel Point)의 관측값 변화를 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the observation value change analysis result output unit,
A cross-sectional monitoring device using a spatiotemporal hyperspectral image, characterized in that it provides to know the spatial distribution of the observed values over time so that changes in the observed values at the same point can be identified.
초분광 영상 취득 장치에서 초분광 영상을 취득하는 단계;
초분광 영상 취득 장치로부터 초분광 영상을 제공받아 초분광영상이 수집된 단면에 존재하는 촬영된 시간 일부분에 해당하는 관측값과 해당 위치의 분광특성지수의 상관관계를 학습하여 전체 시간에 대한 단면의 관측값의 변화를 추정하는 시공간 초분광영상 처리 단계;
관측값 변화 분석 결과 출력부에서 관측값 변화 분석 결과를 시간에 따른 관측값의 공간적 분포를 알 수 있도록 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법.
Acquiring a hyperspectral image by a hyperspectral image acquisition device;
By receiving the hyperspectral image from the hyperspectral image acquisition device and learning the correlation between the observed value corresponding to the part of the photographed time existing in the section where the hyperspectral image was collected and the spectral characteristic index of the location, A spatiotemporal hyperspectral image processing step of estimating a change in observed value;
And outputting the observed value change analysis result to know the spatial distribution of the observed value over time by the observation value change analysis result output unit.
제 8 항에 있어서, 시공간 초분광영상 처리 단계는,
초분광 영상을 구성하는 전체 파장의 수에 대하여, 두 파장을 선택하는 모든 경우 수를 고려하여 선택된 두 파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)에 대한 분광특성을 추출하는 단계와,
분광특성의 정의에 따라 밴드비 혹은 밴드지수를 산정하는 단계와,
관측값과 분광특성의 회귀분석을 통해 상관계수를 산출하는 단계와,
파장 파장1(λ1)과 파장2(λ2)를 순서쌍의 위치에 상관계수의 크기를 색으로 저장하여 상관 계수 맵을 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법.
The method of claim 8, wherein the spatiotemporal hyperspectral image processing step,
Extracting spectral characteristics for two wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) selected in consideration of the number of all the wavelengths constituting the hyperspectral image, and
Calculating a band ratio or a band index according to the definition of spectral characteristics, and
Calculating a correlation coefficient through regression analysis of the observed values and spectral characteristics,
Sectional monitoring using a spatiotemporal hyperspectral image comprising the step of constructing a correlation coefficient map by storing the magnitude of the correlation coefficient as a color at the positions of the ordered pairs of wavelengths wavelength 1 (λ 1 ) and wavelength 2 (λ 2 ) Way.
제 9 항에 있어서, 초분광 영상으로부터 관측값이 존재하는 위치에 대해 분광특성을 산정하기 위하여,
Figure 112020087253898-pat00009
로 밴드비를 정의하거나,
Figure 112020087253898-pat00010
로 지수형태로 분광특성을 정의하고,
Figure 112020087253898-pat00011
는 파장(
Figure 112020087253898-pat00012
)에 대한 빛의 세기인 것을 특징으로 하는 시공간 초분광영상을 이용한 단면 모니터링 방법.
The method of claim 9, wherein in order to calculate the spectral characteristics for the location where the observed value exists from the hyperspectral image
Figure 112020087253898-pat00009
Define the band ratio as
Figure 112020087253898-pat00010
To define the spectral characteristics in exponential form,
Figure 112020087253898-pat00011
Is the wavelength(
Figure 112020087253898-pat00012
Sectional monitoring method using a spatiotemporal hyperspectral image, characterized in that the intensity of light for ).
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