KR102175195B1 - System and Method for characterizing spectral library built for hazardous chemicals mixed in river flow using hyperspectral image - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유해 화학물질 모니터링에 관한 것으로, 구체적으로 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 식별 정확도를 높인 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the monitoring of hazardous chemicals, and specifically improves the ability to identify hazardous chemicals mixed in river water using hyperspectral images that improve the accuracy of identifying hazardous chemicals by establishing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water. It relates to an apparatus and method for characterizing a spectral library for.
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 및 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 discoloration or necrosis of surrounding crops.
특히 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다. 화학사고 발생시 화학물질의 탐지는 간이탐지장비인 pH 페이퍼, 간이식별탐지키트, 검지관식탐지장비, 전자식탐지장비인 휴대용이온분광기, 휴대용FT-IR 등을 사용하여 직접 탐지하여 물질을 특정하게 된다.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. 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.
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.
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.The prior art remote sensing technology uses 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.
종래 기술의 분광라이브러리들은 대부분 실내 분광계, 실외 지점 분광복사계, 항공 초분광 영상을 통하여 구축되어왔다.Spectroscopic libraries of the prior art have been built mostly through indoor spectrometers, outdoor spot spectroradiometers, and aerial hyperspectral images.
각각의 기기에 따라 초분광 영상을 보정하거나, 분광 스펙트럼을 정규화하는 후처리 기술이 별도로 존재하여, 분광 스펙트럼의 취득 방식에 따라 각기 다른 후처리 방법을 적용해야 하는 문제점이 있다.There is a problem in that different post-processing methods have to be applied depending on the acquisition method of the spectral spectrum because there is a separate post-processing technique for correcting the hyperspectral image or normalizing the spectral spectrum according to each device.
또한, 최근 위성이나 항공이 아닌 드론에 탑재하는 경량화 된 초분광 센서가 개발됨에 따라 드론을 활용하여 초분광 영상을 취득, 활용하는 사례가 증가하고 있지만, 이로 취득된 영상의 분광라이브러리 구축은 어려운 상황이다.In addition, with the recent development of lightweight hyperspectral sensors that are mounted on drones rather than satellites or aerial vehicles, cases of acquiring and utilizing hyperspectral images using drones are increasing, but it is difficult to build a spectral library of acquired images. to be.
또한, 활엽수, 침엽수, 논, 밭, 아스팔트, 콘크리트, 암석 등 투과성이 없는 토지피복에 대한 분광라이브러리 구축은 비교적 용이하고, 과정이 보편화 되어있으나 유해화학물질과 같은 액상 물질의 분광라이브러리는 사례가 없으며, 구축의 과정 또한 정규화하기 어려운 문제점이 있다.In addition, it is relatively easy to construct a spectral library for land coverings that do not have permeability such as hardwoods, conifers, paddy fields, fields, asphalt, concrete, rocks, etc., and although the process is common, there are no cases of spectral libraries for liquid substances such as hazardous chemicals. In addition, the process of construction is also difficult to normalize.
특히, 초분광영상을 물질 식별에 활용할 때 탐지 및 분류하고자 하는 대상에 따라 고유 분광라이브러리를 구축하는 것은 핵심이다.In particular, when using hyperspectral images for material identification, it is essential to construct a unique spectral library according to the object to be detected and classified.
그러나 지금까지 수행되었던 초분광 라이브러리는 일반적으로 광물, 토양, 식생, 인공물, 액체 등의 단일 대상물 분광라이브러리를 구축 후 사용되었으나(Yang et al., 2019), 하천수와 섞여 있는 화학물질과 같이 용매에 기저한 물질에 대한 라이브러리 구축에 참고할 만한 사례는 드물었다.However, the hyperspectral library performed so far was generally used after constructing a spectral library for single objects such as minerals, soils, vegetation, artifacts, and liquids (Yang et al ., 2019), but in a solvent such as chemicals mixed with river water. There have been few examples that can be referenced in the construction of libraries for underlying materials.
화학물질은 아니지만 물과 섞인 특정 물질을 구분하는 유사한 분광 라이브러리 구축 사례로는 USGS(Kokaly et al., 2017), Johns Hopkins University(Baldride et al., 2009), NASA(Baldridge et al., 2009)와 The ECOSTRESS spectral library version 1.0(Meerdink et al., 2019) 등이 있었다.Examples of building similar spectroscopic libraries that distinguish specific substances mixed with water, although not chemical substances, include USGS (Kokaly et al. , 2017), Johns Hopkins University (Baldride et al ., 2009), and NASA (Baldridge et al ., 2009). And The ECOSTRESS spectral library version 1.0 (Meerdink et al ., 2019).
구체적으로 예를 들어 보면, USGS(Kokaly et al., 2017)에서 구축한 물 용매에 혼합된Montmor(4종), H2O Ice(1종), Melting snow(16종), Red Coated Algea Water(1종), Seawater Open Ocean(1종), Seawater Coast Chl(1종)과 JHU(9종)의 Frost, Ice, Distilled Water, Sea Foam, Sea water, Coarse Granular Snow, Fine Snow, Medium Granular Snow, Tap water에 대해 시료를 채취하여 실내 분광계로 수집한 분광정보를 기반으로 고유 분광라이브러리를 구축한 바 있다.Specifically, for example, Montmor (4 types), H 2 O Ice (1 type), Melting snow (16 types), Red Coated Algea Water mixed with a water solvent constructed by USGS (Kokaly et al ., 2017) (1 type), Seawater Open Ocean (1 type), Seawater Coast Chl (1 type) and JHU (9 types) Frost, Ice, Distilled Water, Sea Foam, Sea water, Coarse Granular Snow, Fine Snow, Medium Granular Snow , A unique spectral library was built based on the spectral information collected with an indoor spectrometer by collecting samples for tap water.
그러나 문제는 USGS 사례를 포함한 다른 경우에서도 실내 분광계 기반으로한 분광라이브러리 사례가 주를 이루고 있어, 정확하게는 태양광 상태 자연하천에서 적용 가능한 물 용매 포함 분광라이브러리는 아니다.However, the problem is that in other cases, including the USGS case, the case of a spectral library based on an indoor spectrometer is predominantly, so it is not exactly a spectral library containing a water solvent that can be applied in a natural river under sunlight.
이와 같이 종래 기술의 분광라이브러리들은 지표물의 종류나 특성을 파악하기 위한 자료로 사용되어 왔으나, 유해화학물질과 같은 액상 물질의 분광라이브러리는 사례가 없으며, 구축과정 또한 정규화 하기 어려운 문제점이 있다.As described above, spectral libraries of the prior art have been used as data for grasping the types or characteristics of indicators, but there is no case of spectral libraries for liquid substances such as hazardous chemicals, and there is a problem that it is difficult to normalize the construction process.
특히, 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 표준 분광라이브러리를 이용한 하천수 혼합 유해화학물질 탐지는 기술 표준에 따른 장비의 파장대인 400~1000nm의 전체 파장을 이용하게 된다.In particular, the detection of hazardous chemical substances mixed in river water using the standard spectroscopic library of hazardous chemical substances mixed in river water using hyperspectral images uses the entire wavelength of 400 to 1000 nm, which is the wavelength band of the equipment according to the technical standard.
이때, 일부 유해화학물질의 경우 해당 물질로 식별이 어려운 문제점이 발생 할 수 있다.At this time, in the case of some hazardous chemicals, there may be a problem that it is difficult to identify them as corresponding substances.
따라서, 유해화학물질 식별 정확도를 높일 수 있는 하천수 혼합 유해화학물질 탐지 기술 및 분광라이브러리 특성화를 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need to develop a technology for detecting hazardous chemical substances mixed in river water and a technology for characterizing a spectroscopic library that can increase the accuracy of identification of hazardous chemical substances.
본 발명은 종래 기술의 유해 화학물질 모니터링 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 식별 정확도를 높인 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the conventional technology for monitoring hazardous chemicals, and by constructing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water, the harmful chemicals are mixed with river water using hyperspectral images that increase the accuracy of identification of hazardous chemicals. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for characterizing a spectroscopic library to improve chemical identification ability.
본 발명은 사전에 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 이용하여 일련의 과정을 따라 최적화하여 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축할 수 있도록 한 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention uses a pre-built spectral library for hazardous chemicals mixed with river water and optimized according to a series of processes to establish a spectral library for standard characteristics of hazardous chemicals. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for characterizing a spectral library for improving capability.
본 발명은 초분광 영상으로 구축된 하천수 혼합 유해화학물질의 분광라이브러리를 이용하여 유해화학물질 식별에 용이한 표준 특성 분광라이브러리를 구축하기 위한 과정을 표준화할 수 있도록 한 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is a river water mixing using a hyperspectral image to standardize the process for constructing a standard characteristic spectroscopic library that is easy to identify hazardous chemicals by using a spectral library of hazardous chemicals. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for characterizing spectral libraries for improving the ability to identify hazardous chemicals.
본 발명은 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하는 것에 의해 정확도 높은 식별이 가능하여 화학사고 발생시 사고발생을 즉각적으로 확인하고 사고물질을 신속하게 식별할 수 있도록 한 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention enables high-accuracy identification by establishing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemical substances mixed in river water, so that when a chemical accident occurs, the accident occurrence is immediately confirmed and the accidental substance is quickly identified. The purpose of this is to provide an apparatus and method for characterizing a spectroscopic library to improve the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water used.
본 발명은 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 실시간 모니터링에 적용하는 것에 의해 화학사고 발생여부 감지 및 대응이 효율적으로 이루어지도록 한 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention builds a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water and applies it to real-time monitoring of hazardous chemicals, thereby effectively detecting and responding to chemical accidents. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for characterizing a spectroscopic library to improve chemical identification ability.
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 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치는 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에 의해 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리와 신규 촬영된 유해화학물질 분광 스펙트럼 간의 그룹별 상관계수를 비교하는 그룹별 상관계수 비교부;상기 그룹별 상관계수 비교부의 비교 결과 설정된 상위값에 속하는 그룹을 선별하는 그룹 선별부;상기 그룹 선별부에서 선별된 그룹의 반사율을 이용하여 시료간의 인식률을 평가하고, 설정된 인식률에 미치지 못할 경우 그룹 선별 단계부터 재수행하도록 하는 인식률 평가부;최종적으로 설정된 인식률을 만족할 경우 하천수 혼합 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 확정하는 표준 특성 분광라이브러리 확정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances in river water mixture using the hyperspectral image according to the present invention to achieve the above object is a river water mixing constructed by means of building a spectral library for hazardous chemical substances in river water mixing. A group-specific correlation coefficient comparison unit that compares the group-specific correlation coefficient between the hazardous chemical spectral library and the newly photographed spectral spectrum of the toxic chemical; ; A recognition rate evaluation unit that evaluates the recognition rate between samples using the reflectance of the group selected by the group selection unit, and re-performs it from the group selection step when the set recognition rate is not met; It characterized in that it comprises a; standard characteristic spectral library determination unit for determining the standard characteristic spectral library of the substance.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법은 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 초분광 영상을 활용하여 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 구축하는 단계;하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리와 신규 촬영된 유해화학물질 분광 스펙트럼 간의 그룹별 상관계수를 비교하는 단계;그룹별 상관계수 비교 단계의 비교 결과 설정된 상위값에 속하는 그룹을 선별하는 단계;선별된 그룹의 반사율을 이용하여 시료간의 인식률을 평가하고, 설정된 인식률에 미치지 못할 경우 그룹 선별 단계부터 재수행하는 단계;최종적으로 설정된 인식률을 만족할 경우 하천수 혼합 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 확정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using a hyperspectral image according to the present invention for achieving another object is to use a super spectral image in the means of building a spectral library for hazardous chemical substances mixed with river water. Constructing a mixed hazardous chemical spectral library; Comparing the correlation coefficient for each group between the river water mixed toxic chemical spectral library and newly photographed spectral spectra of the toxic chemical substance constructed by the river water mixed toxic chemical spectral library construction means; Selecting a group belonging to an upper value set as a result of comparison in the correlation coefficient comparison step for each individual; evaluating the recognition rate between samples using the reflectance of the selected group, and re-performing from the group selection step if the recognition rate is not reached; And determining a standard characteristic spectral library of hazardous chemical substances mixed with river water when the set recognition rate is satisfied.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The apparatus and method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using the hyperspectral image according to the present invention as described above have the following effects.
첫째, 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 식별 정확도를 높일 수 있다.First, it is possible to increase the accuracy of identification of hazardous chemicals by establishing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water.
둘째, 사전에 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 이용하여 일련의 과정을 따라 최적화하여 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축할 수 있도록 한다.Second, it is possible to build a standard characteristic spectral library of hazardous chemicals by optimizing it according to a series of processes using the pre-built spectral library for hazardous chemicals mixed with river water.
셋째, 초분광 영상으로 구축된 하천수 혼합 유해화학물질의 분광라이브러리를 이용하여 유해화학물질 식별에 용이한 표준 특성 분광라이브러리를 구축하기 위한 과정을 표준화할 수 있도록 한다.Third, it is possible to standardize the process for constructing a standard characteristic spectral library that is easy to identify hazardous chemicals by using the spectral library of hazardous chemicals mixed in river water constructed with hyperspectral images.
넷째, 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하는 것에 의해 정확도 높은 식별이 가능하여 화학사고 발생시 사고발생을 즉각적으로 확인하고 사고물질을 신속하게 식별할 수 있도록 한다.Fourth, by establishing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water, high-accuracy identification is possible, so that when a chemical accident occurs, the occurrence of an accident can be immediately identified and the accident substance can be quickly identified.
다섯째, 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 실시간 모니터링에 적용하는 것에 의해 화학사고 발생여부 감지 및 대응이 효율적으로 이루어지도록 한다.Fifth, by constructing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water and applying them to real-time monitoring of hazardous chemicals, the detection and response of chemical accidents can be made efficiently.
도 1a는 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치의 구성도
도 1b는 본 발명에 따른 분광 라이브러리 구축부의 구성도
도 2a는 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 2b는 본 발명에 따른 분광 라이브러리 구축 과정을 나타낸 플로우 차트
도 3은 분광 스펙트럼 비교 그래프
도 4는 플루오르화나트륨의 1차 특성 분광라이브러리
도 5는 플루오르화나트륨의 4차 특성 분광라이브러리1A is a block diagram of an apparatus for characterizing a spectroscopic library for improving identification of hazardous chemical substances mixed with river water using hyperspectral images according to the present invention
1b is a configuration diagram of a spectral library construction unit according to the present invention
2A is a flow chart showing a method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using hyperspectral images according to the present invention
Figure 2b is a flow chart showing a spectral library construction process according to the present invention
3 is a spectral spectrum comparison graph
Figure 4 is a library of primary characteristics of sodium fluoride
5 is a spectral library of the fourth characteristic of sodium fluoride
이하, 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of an apparatus and method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using hyperspectral images according to the present invention will be described in detail as follows.
본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of the apparatus and method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using hyperspectral images according to the present invention will be apparent through detailed descriptions of each embodiment below.
도 1a는 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치의 구성도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 분광 라이브러리 구축부의 구성도이다.1A is a configuration diagram of an apparatus for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using a hyperspectral image according to the present invention, and FIG. 1B is a configuration diagram of a spectral library construction unit according to the present invention.
본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법은 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 식별 정확도를 높일 수 있도록 한 것이다.The apparatus and method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemicals mixed in river water using hyperspectral images according to the present invention is to improve the accuracy of identification of hazardous chemicals by constructing a standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemicals mixed in river water. It was made to increase.
이를 위하여, 본 발명은 사전에 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 이용하여 일련의 과정을 따라 최적화하여 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하는 구성을 포함할 수 있다.To this end, the present invention may include a configuration of constructing a standard characteristic spectral library of hazardous chemicals by optimizing through a series of processes using a pre-built spectral library for hazardous chemicals mixed with river water.
본 발명은 초분광 영상으로 구축된 하천수 혼합 유해화학물질의 분광라이브러리를 이용하여 유해화학물질 식별에 용이한 표준 특성 분광라이브러리를 구축하기 위한 과정을 표준화하는 구성을 포함할 수 있다.The present invention may include a configuration for standardizing a process for constructing a standard characteristic spectral library for easy identification of hazardous chemicals by using a spectroscopic library of hazardous chemicals mixed with river water constructed from hyperspectral images.
본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치는 도 1a에서와 같이, 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에 의해 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리와 신규 촬영된 유해화학물질 분광 스펙트럼 간의 그룹별 상관계수를 비교하는 그룹별 상관계수 비교부(100)와, 그룹별 상관계수 비교부(100)의 비교 결과 설정된 상위값인 그룹을 선별하는 그룹 선별부(200)와, 그룹 선별부(200)에서 선별된 그룹의 반사율을 이용하여 시료간의 인식률을 평가하고, 설정된 인식률에 미치지 못할 경우 그룹 선별 단계부터 재수행하도록 하는 인식률 평가부(300)와, 최종적으로 설정된 인식률을 만족할 경우 하천수 혼합 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 확정하는 표준 특성 분광라이브러리 확정부(400)를 포함한다.The apparatus for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemicals mixed with river water using the hyperspectral image according to the present invention is as shown in FIG. 1A. Group-specific correlation
여기서, 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.Here, the means for constructing a spectral library of hazardous chemical substances mixed with river water may include the following configuration.
도 1b에서와 같이, 제조된 시료의 초분광 영상 촬영을 하는 초분광 영상 촬영부(10)와, 이미지 저장단계에서 빛의 세기를 Digital Number(상대적인 크기를 정규화한 숫자)로 변환하여 저장된 초분광 영상을 방사보정(Radiometric Calibration)을 통하여 반사도(Reflectance)값으로 변환하는 초분광 영상 방사보정부(20)와, 초분광 영상에서 촬영된 하천수 혼합 유해화학물질 시료에서 빛의 산란 영향을 최대한 받지 않는 영역의 분광 스펙트럼을 추출하는 분광 스펙트럼 추출부(30)와, 하천수와 유해화학물질이 혼합된 시료에서 해당 유해화학물질만의 특성을 추출하기 위하여 하천수의 분광정보를 제거하는 유해화학물질 특성 추출부(40)와, 획득된 분광 스펙트럼의 유효성을 검토하여 아웃라이어 제거하는 이상치 제거부(50)와, 이상치 제거부(50)에서 이상치 제거 후 남은 분광 스펙트럼들을 Super Smoother 처리하여 하나의 분광 스펙트럼으로 확정하는 분광 스펙트럼 확정부(60)와, 확정된 분광 스펙트럼들을 최종 라이브러리로 구축하여 각각의 유해화학물질들을 상호 비교하기 위하여 벡터 정규화(Vector Normalization)를 수행하는 벡터 정규화부(70)를 포함한다.As shown in Fig. 1b, a hyperspectral
도 2a는 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이고, 도 2b는 본 발명에 따른 분광 라이브러리 구축 과정을 나타낸 플로우 차트이다.2A is a flow chart showing a method for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using a hyperspectral image according to the present invention, and FIG. 2B is a flow chart showing a spectral library construction process according to the present invention. to be.
본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법은 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 초분광 영상을 활용하여 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 구축한 결과를 이용하여 표준 특성 분광라이브러리를 구축하기 위한 것이다.The method for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemicals in mixed river water using hyperspectral images according to the present invention is a spectral library for hazardous chemicals mixed in river water using hyperspectral images in the means for establishing a spectral library for hazardous chemicals mixed in river water. It is to build a standard characteristic spectral library using the result of constructing.
도 2a에서와 같이, 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 초분광 영상을 활용하여 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 구축한다.(S201)As shown in Fig. 2a, a river water mixed hazardous chemicals spectral library is constructed using a hyperspectral image in the river water mixed hazardous chemicals spectral library construction means (S201).
이어, 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리와 신규 촬영된 유해화학물질 분광 스펙트럼 간의 그룹별 상관계수를 비교한다.(S202)Then, the correlation coefficient for each group is compared between the river water mixed hazardous chemicals spectral library established by the river water mixed hazardous chemicals spectral library construction means and the newly photographed hazardous chemicals spectral spectrum (S202).
그리고 그룹별 상관계수 비교 단계의 비교 결과 설정된 상위값에 속하는 그룹을 선별한다.(S203)Then, a group belonging to the upper value set as a result of the comparison in the correlation coefficient comparison step for each group is selected (S203)
이어, 선별된 그룹의 반사율을 이용하여 시료간의 인식률을 평가하고(S204), 설정된 인식률에 미치지 못할 경우 그룹 선별 단계부터 재수행하게 된다.(S205)Subsequently, the recognition rate between the samples is evaluated using the reflectance of the selected group (S204), and if the recognition rate is not reached, the re-performation is performed from the group selection step (S205).
최종적으로 설정된 인식률을 만족할 경우 하천수 혼합 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 확정한다.(S206) When the finally set recognition rate is satisfied, the standard characteristic spectroscopic library of hazardous chemical substances mixed with river water is determined (S206).
그리고 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 초분광 영상을 활용하여 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 구축하는 과정은 도 2b에서와 같다.In addition, the process of constructing the river water mixed hazardous chemicals spectral library using the hyperspectral image in the means for constructing the river water mixed hazardous chemicals spectral library is as shown in FIG. 2B.
먼저, 시료를 제조하여 초분광 영상 촬영부(10)에서 초분광 영상을 촬영한다.(S211)First, a sample is prepared and the hyperspectral image is captured by the hyperspectral image capturing unit 10 (S211).
이어, 초분광 영상 촬영부(10)에서 이미지 저장단계에서 빛의 세기를 Digital Number(상대적인 크기를 정규화한 숫자)로 변환하여 저장된 초분광 영상을 초분광 영상 방사보정부(20)에서 방사보정(Radiometric Calibration)을 통하여 반사도(Reflectance)값으로 변환한다.(S212)Subsequently, in the image storage step in the hyperspectral
그리고 분광 스펙트럼 추출부(30)에서 초분광 영상에서 촬영된 하천수 혼합 유해화학물질 시료에서 빛의 산란 영향을 최대한 받지 않는 영역의 분광 스펙트럼을 추출한다.(S213)In addition, the spectral
이어, 유해화학물질 특성 추출부(40)에서 하천수와 유해화학물질이 혼합된 시료에서 해당 유해화학물질만의 특성을 추출하기 위하여 하천수의 분광정보를 제거한다.(S214)Subsequently, the spectral information of the river water is removed in order to extract the characteristics of only the hazardous chemical from the sample in which the river water and the hazardous chemical are mixed in the hazardous chemical property extracting unit 40 (S214).
그리고 이상치 제거부(50)에서 획득된 분광 스펙트럼의 유효성을 검토하여 아웃라이어 제거를 한다.(S215)Then, outliers are removed by examining the validity of the spectral spectrum obtained by the outlier removal unit 50 (S215).
이어, 분광 스펙트럼 확정부(60)에서 이상치 제거 후 남은 분광 스펙트럼들을 Super Smoother 처리하여 하나의 분광 스펙트럼으로 확정한다.(S216)Then, the spectral spectrum remaining after the outlier is removed in the spectral
그리고 벡터 정규화부(70)에서 확정된 분광 스펙트럼들을 최종 라이브러리로 구축하여 각각의 유해화학물질들을 상호 비교하기 위하여 벡터 정규화(Vector Normalization)를 하여 분광 라이브러리를 구축한다.(S217)Then, the spectral spectra determined by the
이와 같은 초분광 영상을 활용하여 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리를 구축하는 과정에서, 초분광 영상을 보정하는 단계를 설명하면 다음과 같다.In the process of constructing a spectral library for hazardous chemical substances mixed with river water using such hyperspectral images, a step of correcting the hyperspectral images will be described as follows.
초분광 센서로 촬영된 초분광 영상은 이미지 저장단계에서 빛의 세기를 Digital Number(상대적인 크기를 정규화한 숫자)로 변환하여 저장하기 때문에 방사보정(Radiometric Calibration)을 통하여 반사도(Reflectance)값으로 변환한다.The hyperspectral image captured with the hyperspectral sensor is converted to a reflectance value through radiometric calibration because the intensity of light is converted into a digital number (a number obtained by normalizing the relative size) in the image storage step. .
DN값으로 저장된 분광정보를 반사도(Reflectance) 값으로 변환하기 위하여 일정한 반사도를 나타내도록 특수 제작된 반사천을 이용하여 선형 회귀식을 적용하여 보정한다.In order to convert the spectral information stored as a DN value into a reflectance value, it is corrected by applying a linear regression equation using a specially manufactured reflective cloth to show a constant reflectance.
여기서, ( : 파장, : 파장 에 대한 반사율(%), : 초분광 영상을 반사율로 보정하기 위한 기울기, : 저장된 이미지 값(Digital Number), : 절편값이다.here, ( : wavelength, : wavelength Reflectance (%) for : Tilt to correct hyperspectral image with reflectance, : Saved image value (Digital Number), : It is the intercept value.
이와 같이 초분광영상을 유효하게 사용하기 위해서는 대기흡수와 산란 효과를 제거하기 위해 자료의 방사보정을 수행해야 한다.In order to effectively use hyperspectral images, radiation correction of the data must be performed to remove atmospheric absorption and scattering effects.
이 과정은 대기효과를 제거하는 것 이외에 초분광 자료를 센서의 복사휘도(Radiance)에서 반사도(Reflectance)로 변환시키는 것을 포함한다.In addition to eliminating atmospheric effects, this process involves converting the hyperspectral data from the sensor's radiance to reflectance.
초분광센서로 대상물체의 분광 자료를 수집되는 시간과 유사하게 지상에서 현장 분광복사계를 이용하여 분광복사 측정값을 수집하는 것이 바람직하다.It is desirable to collect the spectral radiation measurements using an in situ spectroradiometer on the ground similar to the time when the spectral data of the object is collected with the hyperspectral sensor.
하지만 원격탐사 수행시에는 현장으로의 접근이 불가능 할 수 있고, 초분광센서와 분광복사계 두가지 장비의 동시 운용이 어려울 수 있기 때문에 표준 참조 패널(Spectralon)이나, 보정용 패널을 이용하여 분광 자료를 반사도로 변환시킨다. However, when performing remote sensing, access to the site may not be possible, and simultaneous operation of both hyperspectral sensors and spectroradiometers may be difficult. Therefore, use a standard reference panel (Spectralon) or a calibration panel to convert spectral data into reflectivity. Convert.
또한, 초분광 영상 촬영 당시 광학 및 장비 조건에 따라 동일한 화학물질에 대해서도 상이한 결과가 도출될 수 있으므로 측정값(DN, Radiance)를 반사도(Reflectance)로 변환할 때 기준이 되는 참조값이 필요하다.In addition, since different results may be derived for the same chemical substance depending on the optical and equipment conditions at the time of hyperspectral imaging, a reference value as a reference value when converting the measured value (DN, Radiance) into reflectance is required.
따라서, 본 발명에서는 유해화학물질의 초분광영상 촬영 시 보정용 패널로 단계적으로 55%, 44%, 22%, 5%의 표준 반사도를 갖는 특수 소재로 제작된 반사천을 함께 촬영하여 초분광센서로 기록된 휘도(Radiance)를 반사도(Reflectance)로 전환하는 방사보정을 수행한다.Therefore, in the present invention, when taking a hyperspectral image of a hazardous chemical, a reflective cloth made of a special material having a standard reflectivity of 55%, 44%, 22%, and 5% is photographed together with a correction panel. Radiation correction is performed to convert the recorded luminance to reflectance.
사용된 반사천은 정확한 반사도를 이미 알고 있으므로 화학물질의 초분광 영상 촬영과 동일한 조건에서 촬영하여 관계식을 구축하면 0~100% 반사도 관계로 정치시킬 수 있다.Since the used reflective cloth already knows the exact reflectivity, it can be set as a 0-100% reflectance relationship by taking pictures under the same conditions as the hyperspectral imaging of chemicals and establishing a relational expression.
예를 들어, 400∼420nm의 파장대에서 분광복사계 측정값을 따라 상승하도록 정규분포를 따라 모델링을 적용한 관계식은 다음과 같다.For example, the relational expression applied modeling according to the normal distribution so as to rise according to the measured value of the spectroradiometer in the wavelength range of 400 to 420 nm is as follows.
여기서, 는 평균, 는 분산이다.here, Is the average, Is the variance.
단, 에서 값을 가져야 하므로 을 만족해야 한다. only, in It must have a value Should be satisfied.
본 발명에서는 실제 분광기의 분광정보를 활용하여 를 산정하여 방사보정에 적용한다.In the present invention, using the spectral information of the actual spectrometer Is calculated and applied to radiation correction.
그리고 하천수와 유해화학물질이 혼합된 시료에서 해당 유해화학물질만의 특성을 추출하기 위하여 하천수의 분광정보를 제거하여 준다.In addition, spectral information of river water is removed in order to extract the characteristics of only the hazardous chemical from the sample in which river water and hazardous chemicals are mixed.
초분광영상으로 수집되는 액체의 휘도는 바닥반사, 물기둥에 의한 흡수, 수표면 반사, 대기에 의한 흡수를 포함하는데, 시료의 특성을 제외한 나머지 조건들로 인한 휘도의 영향을 제외하기 위하여 본 발명에서는 바닥(Base)이라고 할 수 있는 시료와 동일한 조건에서 촬영한 하천수(용매)의 반사도 값을 혼합물의 반사도에서 제거해줌으로써 유해화학물질의 특성을 분리한다.The luminance of the liquid collected by the hyperspectral image includes bottom reflection, absorption by water columns, water surface reflection, and absorption by the atmosphere. In order to exclude the effect of luminance due to other conditions other than the characteristics of the sample, the present invention The characteristics of hazardous chemicals are separated by removing the reflectivity value of river water (solvent) taken under the same conditions as the sample, which can be called the base, from the reflectivity of the mixture.
여기서, 는 파장, 는 총 휘도, 는 바닥반사, 는 물기둥에 의한 흡수, 는 수표면 반사, 는 대기에 의한 흡수이다.here, Is the wavelength, Is the total luminance, Is the floor reflection, Is absorption by the water column, Is the water surface reflection, Is absorption by the atmosphere.
여기서, 는 하천수와 유해화학물질 혼합물의 반사도,는 하천수의 반사도이다.here, Is the reflectivity of the mixture of river water and hazardous chemicals, Is the reflectivity of river water.
그리고 n개의 파장에서 각각의 반사도 값을 갖는 초분광 자료를 각 파장에서 표준편차를 이용하여 신뢰도 구간 99.73% 이내의 자료만을 남기고, 아웃라이어에 해당하는 반사도를 포함한 스펙트럼을 제거한다.And the hyperspectral data with each reflectivity value at n wavelengths are used within the reliability interval of 99.73% by using the standard deviation at each wavelength. Only the data is left, and the spectrum including the reflectivity corresponding to the outlier is removed.
신뢰도 구간의 설정을 다르게 할 수 있음은 당연하다.It is natural that the reliability interval can be set differently.
유효 반사도 범위는 수학식6에서와 같다.The effective reflectivity range is as in Equation 6.
여기서, 는 파장, 는 Super Smoother 처리된 화학물질의 반사도를 나타낸다.here, Is the wavelength, Represents the reflectivity of super smoother-treated chemicals.
이하에서, 분광라이브러리를 이용한 화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the characterization of the spectral library for improving the ability to identify chemical substances using the spectral library will be described in detail.
도 3은 분광 스펙트럼 비교 그래프이다.3 is a spectral spectrum comparison graph.
분광라이브러리를 이용하여 초분광영상을 분류하는 방법은 토지피복분류와 같은 지표물질을 식별하고 분류하는 다양한 연구에서 활용되고 있다.The method of classifying hyperspectral images using a spectral library is being used in various studies to identify and classify indicator materials such as land cover classification.
본 발명에서 구축된 유해화학물질의 분광라이브러리 역시 초분광영상에서 화학물질을 식별하고 분류해내기 위하여 분광라이브러리와 18종의 유해화학물질을 2시간의 시간차를 두고 촬영한 초분광영상과 비교한 것이다.The spectral library of hazardous chemicals constructed in the present invention is also a comparison of the spectral library and 18 kinds of hazardous chemicals with hyperspectral images taken with a time difference of 2 hours in order to identify and classify chemicals in hyperspectral images. .
도 3은 각각 (1)불산, (2)브롬, (3)옥시염화인, (4)이플루오르화암모늄의 분광라이브러리(Lib)와 신규 초분광영상에서 추출한 분광 스펙트럼(New HSI)이다.3 is a spectral library (Lib) of (1) hydrofluoric acid, (2) bromine, (3) phosphorus oxychloride, and (4) ammonium difluoride, respectively, and a spectral spectrum (New HSI) extracted from a new hyperspectral image.
그리고 동일한 물질에 대하여 구축된 분광라이브러리와 신규 초분광영상에서 추출한 분광 스펙트럼을 비교하기 위하여 두 분광 스펙트럼의 상관계수를 산정한 일 예는 표 1에서와 같다.In addition, in order to compare the spectral library constructed for the same material and the spectral spectrum extracted from the new hyperspectral image, an example of calculating the correlation coefficient of the two spectral spectra is shown in Table 1.
색도가 있는 브롬의 경우 0.979로 높은 상관관계를 보이는 것으로 나타났지만, 나머지 17종의 유해화학물질은 0.9 이하의 상관계수를 갖고, 경우에 따라서는 음의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.The chromatic bromine showed a high correlation of 0.979, but the remaining 17 kinds of hazardous chemicals had a correlation coefficient of 0.9 or less, and in some cases, a negative correlation.
본 발명은 분광라이브러리를 활용하여 유해화학물질을 식별하기 위한 것으로, 화학물질의 식별이 가능하고, 인식률을 높일 수 있도록 분광라이브러리를 고도화하는 구성을 포함한다.The present invention is for identifying hazardous chemical substances using a spectral library, and includes a configuration for upgrading a spectral library to enable identification of chemical substances and increase the recognition rate.
즉, 각각의 유해화학물질별로 물질별 특성 반사도를 보이는 파장대를 선택하고, 분광라이브러리와 신규 분광 스펙트럼의 특성 파장대 반사도의 상관계수를 구하여 식별 여부를 판정한다.That is, for each hazardous chemical substance, the wavelength band showing the characteristic reflectivity of each substance is selected, and the correlation coefficient between the characteristic wavelength band of the spectral library and the new spectral spectrum is calculated to determine whether to identify it.
또한, 특성 분광라이브러리의 정확도 평가를 위하여 인식률을 산정한다.In addition, the recognition rate is calculated to evaluate the accuracy of the characteristic spectral library.
인식률은 일 예로, 신규 분광 스펙트럼을 유해화학물질 18종의 전체 특성 분광라이브러리와 모두 비교하여 상관계수를 산정하고 그 상관계수의 순위를 매겼을 때, 3순위 안에 대상물질이 랭크될 경우 인식이 가능하다고 판단한다.Recognition rate is, for example, when the new spectral spectrum is compared with all the characteristic spectral libraries of 18 kinds of hazardous chemicals, the correlation coefficient is calculated, and the correlation coefficient is ranked, and recognition is possible if the target substance is ranked within 3 rankings. I judge that it is.
실제 식별시에는 1, 2, 3순위의 물질일 가능성을 제시하며, 인근 공장이나 하천주변 시설에서 취급하는 화학물질을 파악하면 유출 화학물질의 특정이 가능할 것이다.In the actual identification, the possibility of the substance being ranked 1st, 2nd, and 3rd is suggested, and if chemical substances handled by nearby factories or facilities near rivers are identified, it will be possible to identify spilled chemicals.
본 발명의 일 실시 예에서는 인식률 80%를 목표로 특성 분광라이브러리를 제작한다.In an embodiment of the present invention, a characteristic spectral library is produced with a target of 80% recognition rate.
1차로 구축된 특성 분광라이브러리를 활용하여 인식률을 평가한 결과, 라이브러리의 인식률이 80%에 미치지 못할 경우, 인식률이 80%가 될 때 까지 시행착오법을 시행하여 인식률 80%를 만족시키도록 한다.As a result of evaluating the recognition rate using the first constructed characteristic spectral library, if the recognition rate of the library does not reach 80%, a trial and error method is performed until the recognition rate reaches 80% to satisfy the recognition rate of 80%.
인식률을 평가할 때는 상관계수 순위가 3순위 안에 들 때 인식 가능하다고 평가하지만, 특성 분광라이브러리 구축 시에는 해당 유해화학물질의 상관계수가 1순위가 되도록 최대한 조정하는 것이 바람직하다.When evaluating the recognition rate, it is evaluated that it is recognizable if the correlation coefficient rank is within the 3rd rank, but when constructing a characteristic spectral library, it is desirable to adjust the correlation coefficient of the hazardous chemical as much as possible so that it becomes the 1st rank.
1차 특성 분광라이브러리에서 3순위 안에 들지 못하는 물질은 설정된 파장 구간을 수정하여 3순위 안에 들도록 개선하고, 1순위 상관계수가 나타난 유해화학물질은 2순위 물질과 상관계수 격차가 많이 벌어지도록 파장 구간을 수정한다.Substances that do not fall within the 3rd rank in the 1st characteristic spectral library are improved to be within the 3rd rank by modifying the set wavelength range, and the harmful chemicals with the 1st rank correlation coefficient have the wavelength range widened to widen the difference in correlation coefficient with the 2nd rank substance. Modify it.
2차, 3차, 4차 등 지속적으로 해당 과정을 수행하고, 인식률 평가 결과 인식률이 변화가 없을 시 표준 특성 라이브러리로 확정한다.The 2nd, 3rd, 4th, etc. process is continuously performed, and if the recognition rate does not change as a result of the recognition rate evaluation, the standard feature library is determined.
그리고 특성 분광라이브러리 구축을 위하여, 일 예로 400~1,000nm의 전체 파장을 이웃된 5개의 파장끼리 그룹으로 설정하여 146개의 파장 그룹을 설정한다.In addition, in order to build a characteristic spectral library, for example, a total wavelength of 400 to 1,000 nm is set as a group of five adjacent wavelengths, and 146 wavelength groups are set.
수학식 8에서와 같이 설정한 그룹의 분광라이브러리와 신규 분광 스펙트럼의 상관계수를 산정하고, 이와 같은 146개 파장 그룹 모두 동일하게 수행한다.As shown in Equation 8, the correlation coefficient between the spectral library of the set group and the new spectral spectrum is calculated, and all 146 wavelength groups are performed in the same manner.
여기서, 와 는 각각 분광라이브러리의 반사도와 신규 초분광영상에서 추출한 분광 스펙트럼의 반사도의 평균값이며, 와 는 분광라이브러리와 신규 초분광영상에서 추출한 분광 스펙트럼의 반사도의 표준편차이다.here, Wow Is the average value of the reflectivity of each spectral library and the reflectance of the spectral spectrum extracted from the new hyperspectral image, Wow Is the standard deviation of the reflectivity of the spectral spectrum extracted from the spectral library and the new hyperspectral image.
표 2는 플루오르화나트륨의 그룹별 반사도 상관계수를 나타낸 것이다.Table 2 shows the reflectivity correlation coefficient for each group of sodium fluoride.
그리고 설정한 파장 그룹들 중 상관계수가 상위에 랭크된 그룹을 특성 구간으로 지정하여 1차 특성 분광라이브러리를 구축한다.In addition, a first-order characteristic spectral library is constructed by designating a group having a higher correlation coefficient among the set wavelength groups as a characteristic section.
각 유해화학물질 별로 다른 구간의 파장 그룹이 설정되었으며, 파장 그룹의 개수 또한 다르게 설정한다.Different wavelength groups are set for each hazardous chemical, and the number of wavelength groups is also set differently.
예시로 든 플루오르화나트륨의 1차 특성 분광라이브러리는 도 4에서와 같이, 특성 그룹은 5개로 설정되었으며, 해당 구간별 상관계수는 표 3에서와 같다.As an example, the primary characteristic spectroscopic library of sodium fluoride was set to 5 characteristic groups, as shown in FIG. 4, and the correlation coefficient for each section is shown in Table 3.
구축한 유해화학물질 18종의 특성 분광라이브러리와 플루오르화나트륨 신규 스펙트럼의의 상관계수를 산정한 결과는 표 4에서와 같다.Table 4 shows the results of calculating the correlation coefficient of the new spectrum of sodium fluoride and the characteristic spectroscopic library of 18 types of hazardous chemicals.
동일한 방법으로 18종 유해화학물질의 신규 스펙트럼을 각각 18종의 특성 분광라이브러리와 상관계수를 표 5에서와 같이 산정하고 인식률을 판단하면 표 6에서와 같다.In the same way, the new spectrum of 18 kinds of hazardous chemicals is calculated as shown in Table 5, and the correlation coefficient with 18 kinds of characteristic spectral libraries, respectively, and the recognition rate is determined as shown in Table 6.
톨루엔을 제외하고 17종의 유해화학물질 모두 0.8 이상의 상관계수 값을 나타냈다. 또한, 인식률 산정 결과 18종의 유해화학물질 중 10종의 물질이 인식되어 55.6%의 인식률을 보였으며, 1순위 대상물질로 인식된 경우는 6종으로 33.3%로 전체 파장을 이용하여 인식률 평가를 했을 때 보다 인식률이 크게 개선되었다.Except for toluene, all 17 hazardous chemicals showed correlation coefficient values of 0.8 or higher. In addition, as a result of calculating the recognition rate, 10 of the 18 hazardous chemicals were recognized, showing a recognition rate of 55.6%, and the recognition rate was evaluated using the total wavelength of 6 types and 33.3% when recognized as the first target material. The recognition rate was greatly improved than when it was done.
플루오르화나트륨은 7번째 상관계수 순위를 가져 개선할 필요가 있다고 판단되었으며, 18종 유해화학물질의 1차 특성 분광라이브러리를 모두 수정해 인식률을 높여 본 발명에서 기준으로 설정한 인식률 80%를 만족시켜야 한다.Sodium fluoride was judged to have the 7th correlation coefficient ranking and needed to be improved, and the recognition rate set by the present invention should be satisfied by raising the recognition rate by modifying all the primary characteristic spectral libraries of 18 hazardous chemicals. do.
그리고 1차 특성 분광라이브러리의 상관관계 산정 및 인식률 평가 결과 특성 분광라이브러리의 개선이 필요하다고 판단되는 유해화학물질의 경우 차순위의 상관계수를 갖는 파장 그룹을 추가하거나 제외하여 특성 분광라이브러리를 수정한다. In addition, in the case of hazardous chemicals that are determined to require improvement of the characteristic spectral library as a result of the correlation calculation and recognition rate evaluation of the primary characteristic spectral library, the characteristic spectral library is modified by adding or excluding the wavelength group having the next-order correlation coefficient.
수정된 2차 특성 분광라이브러리를 이용하여 인식률을 산정한 결과, 18종의 유해화학물질 중 14종의 물질이 인식되어 77.8%의 인식률을 보였으며, 1순위 대상물질로 인식된 경우는 11종으로 66.1%로 1차 특성 분광라이브러리를 이용하여 인식률 평가를 했을 때 보다 인식률이 개선되었다.As a result of calculating the recognition rate using the modified secondary characteristic spectral library, 14 of the 18 hazardous chemicals were recognized, resulting in a 77.8% recognition rate, and 11 types were recognized as the first target material. The recognition rate was improved at 66.1%, compared to when the recognition rate was evaluated using the primary characteristic spectral library.
본 발명에서 기준으로 설정한 인식률 수치를 만족시키고, 2순위로 인식된 물질과의 혼동을 피하기 위하여 특성 분광라이브러리의 개선을 다시 수행한다.In order to satisfy the recognition rate value set as the standard in the present invention and avoid confusion with the material recognized as the second priority, the improvement of the characteristic spectral library is performed again.
2차 특성 분광라이브러리 구축시와 동일한 방법으로, 개선이 필요하다고 판단되는 유해화학물질의 차순위 상관계수를 갖는 파장 그룹을 추가하거나 제외하여 특성 분광라이브러리를 수정한다.In the same way as when constructing the secondary characteristic spectral library, modify the characteristic spectral library by adding or excluding the wavelength group having the next-order correlation coefficient of the hazardous chemical that is determined to need improvement.
예시로 든 플루오르화나트륨의 경우 표 7에서와 같이, 1차 특성 분광라이브러리는 5개의 파장대를 사용하였지만, 2차 특성 분광라이브러리에서는 4개의 파장대, 3차 특성 분광라이브러리에서는 3개의 파장대를 사용하도록 수정한다.In the case of sodium fluoride as an example, as shown in Table 7, the primary characteristic spectral library used 5 wavelength bands, but the secondary characteristic spectral library used 4 wavelength bands, and the third characteristic spectral library used 3 wavelength bands. do.
수정된 3차 특성 분광라이브러리를 이용하여 인식률을 산정한 결과, 18종의 유해화학물질 중 18종의 물질이 모두 인식되어 100.0%의 인식률을 보였으며, 1순위 대상물질로 인식된 경우는 16종으로 88.9%로 2차 특성 분광라이브러리를 이용하여 인식률 평가를 했을 때 보다 인식률이 개선되는 것을 확인할 수 있다.As a result of calculating the recognition rate using the modified tertiary characteristic spectral library, all 18 substances out of 18 hazardous chemicals were recognized, showing a recognition rate of 100.0%, and 16 cases were recognized as the first target substance. As 88.9%, it can be seen that the recognition rate is improved compared to when the recognition rate is evaluated using the secondary characteristic spectral library.
그리고 본 발명에서 기준으로 설정한 인식률 수치를 만족시키지만, 2순위로 인식된 물질과의 혼동을 피하기 위하고, 설정된 구간의 검증을 위하여 특성 분광라이브러리의 개선을 다시 수행한다.In addition, although the recognition rate value set as a reference in the present invention is satisfied, in order to avoid confusion with the material recognized as the second priority, the improvement of the characteristic spectral library is performed again to verify the set section.
최종적으로 구축된 플루오르화나트륨의 특성 분광라이브러리는 도 5에서와 같다.The finally constructed sodium fluoride characteristic spectroscopic library is shown in FIG. 5.
최종 특성 라이브러리를 이용하여 전체 유해화학물질의 인식률을 산정한 결과는 표 8에서와 같으며, 이플루오르화암모늄을 제외한 17가지 물질 모두 1순위로 인식되어 94.4%의 인식률을 보였다.The result of calculating the recognition rate of all hazardous chemicals using the final characteristic library is shown in Table 8. All 17 substances except ammonium difluoride were recognized as the first priority, showing a recognition rate of 94.4%.
본 발명의 실시 예에서 설정한 인식률 기준인 3순위로 본다면 모든 물질이 인식되어 100.0%의 인식률을 보였다.If viewed as the third priority, which is the recognition rate standard set in the embodiment of the present invention, all substances were recognized and showed a recognition rate of 100.0%.
표 9는 특성 분광라이브러리의 차수별 인식률 산정 결과를 나타낸 것이다.Table 9 shows the result of calculating the recognition rate for each order of the characteristic spectral library.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치 및 방법은 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하는 것에 의해 정확도 높은 식별이 가능하여 화학사고 발생시 사고발생을 즉각적으로 확인하고 사고물질을 신속하게 식별할 수 있도록 한 것이다.The apparatus and method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using the hyperspectral image according to the present invention described above are accurate by constructing a spectroscopic library for standard characteristics of hazardous chemical substances mixed in river water. The high level of identification is possible, so that when a chemical accident occurs, the occurrence of the accident can be immediately identified and the accident substance can be quickly identified.
이와 같은 본 발명은 하천수에 혼합된 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 구축하여 유해화학물질 실시간 모니터링에 적용하는 것에 의해 화학사고 발생여부 감지 및 대응이 효율적으로 이루어지도록 한다.The present invention constructs a standard characteristic spectral library of hazardous chemicals mixed in river water and applies it to real-time monitoring of hazardous chemicals, thereby enabling efficient detection and response of chemical accidents.
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. 그룹별 상관계수 비교부
200. 그룹 선별부
300. 인식률 평가부
400. 표준 특성 분광라이브러리 확정부100. Group correlation coefficient comparison unit
200. Group Selection Department
300. Recognition Rate Evaluation Department
400. Standard characteristic spectroscopic library confirmation section
Claims (13)
상기 그룹별 상관계수 비교부의 비교 결과 설정된 상위값에 속하는 그룹을 선별하는 그룹 선별부;
상기 그룹 선별부에서 선별된 그룹의 반사율을 이용하여 시료간의 인식률을 평가하고, 설정된 인식률에 미치지 못할 경우 그룹 선별 단계부터 재수행하도록 하는 인식률 평가부;
최종적으로 설정된 인식률을 만족할 경우 하천수 혼합 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 확정하는 표준 특성 분광라이브러리 확정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치.A correlation coefficient comparison unit for each group comparing the correlation coefficient for each group between the river water mixed hazardous chemical spectral library constructed by the river water mixed hazardous chemical spectral library construction means and the newly photographed hazardous chemical spectral spectrum;
A group selection unit for selecting a group belonging to an upper value set as a result of the comparison of the correlation coefficient comparison unit for each group;
A recognition rate evaluating unit for evaluating a recognition rate between samples using the reflectance of the group selected by the group selecting unit, and performing re-performing from the group selecting step when the recognition rate is not reached;
To improve the ability to identify hazardous chemicals mixed in river water using hyperspectral images, comprising: a standard characteristic spectral library determination unit that determines the standard characteristic spectral library of hazardous chemicals mixed with river water when the finally set recognition rate is satisfied. A device for characterizing spectral libraries.
제조된 시료의 초분광 영상 촬영을 하는 초분광 영상 촬영부와,
이미지 저장단계에서 빛의 세기를 상대적인 크기를 정규화한 숫자 DN(Digital Number)으로 변환하여 저장된 초분광 영상을 방사보정(Radiometric Calibration)을 통하여 반사도(Reflectance)값으로 변환하는 초분광 영상 방사보정부와,
초분광 영상에서 촬영된 하천수 혼합 유해화학물질 시료에서 빛의 산란 영향을 최대한 받지 않는 영역의 분광 스펙트럼을 추출하는 분광 스펙트럼 추출부와,
하천수와 유해화학물질이 혼합된 시료에서 해당 유해화학물질만의 특성을 추출하기 위하여 하천수의 분광정보를 제거하는 유해화학물질 특성 추출부와,
획득된 분광 스펙트럼의 유효성을 검토하여 아웃라이어 제거하는 이상치 제거부와,
이상치 제거부에서 이상치 제거 후 남은 분광 스펙트럼들을 Super Smoother 처리하여 하나의 분광 스펙트럼으로 확정하는 분광 스펙트럼 확정부와,
확정된 분광 스펙트럼들을 최종 라이브러리로 구축하여 각각의 유해화학물질들을 상호 비교하기 위하여 벡터 정규화(Vector Normalization)를 수행하는 벡터 정규화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 장치.The method of claim 1, wherein the river water mixed hazardous chemical substance spectroscopic library construction means,
A hyperspectral image capture unit for taking a hyperspectral image of the prepared sample,
In the image storage step, the hyperspectral image radiation correction unit converts the stored hyperspectral image into a reflectance value through radiometric calibration by converting the intensity of light into a normalized digital number (DN). ,
A spectral spectrum extraction unit that extracts a spectral spectrum of a region that is not affected by light scattering as much as possible from a sample of hazardous chemical substances mixed with river water taken from a hyperspectral image;
A hazardous chemical property extracting unit that removes spectral information of river water in order to extract the characteristics of only the hazardous chemical from a sample in which river water and hazardous chemicals are mixed;
An outlier removal unit for removing outliers by reviewing the effectiveness of the acquired spectral spectrum,
A spectral spectrum determination unit that determines one spectral spectrum by super smoother processing the spectral spectra remaining after the outlier removal in the outlier removal unit, and
Identification of hazardous chemicals mixed in river water using hyperspectral images, characterized in that it includes a vector normalization unit that performs vector normalization in order to construct a final library of confirmed spectral spectra and compare each hazardous chemicals with each other. A device for characterizing spectral libraries to improve capabilities.
하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리 구축 수단에서 구축된 하천수 혼합 유해화학물질 분광라이브러리와 신규 촬영된 유해화학물질 분광 스펙트럼 간의 그룹별 상관계수를 비교하는 단계;
그룹별 상관계수 비교 단계의 비교 결과 설정된 상위값에 속하는 그룹을 선별하는 단계;
선별된 그룹의 반사율을 이용하여 시료간의 인식률을 평가하고, 설정된 인식률에 미치지 못할 경우 그룹 선별 단계부터 재수행하는 단계;
최종적으로 설정된 인식률을 만족할 경우 하천수 혼합 유해화학물질의 표준 특성 분광라이브러리를 확정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.Constructing a river water mixed hazardous chemicals spectral library using hyperspectral images in a means for building a river water mixed hazardous chemicals spectral library;
Comparing the correlation coefficient for each group between the river water mixed hazardous chemicals spectral library constructed by the river water mixed hazardous chemicals spectral library construction means and the newly photographed hazardous chemicals spectral spectrum;
Selecting a group belonging to an upper value set as a result of the comparison in the group correlation coefficient comparison step;
Evaluating the recognition rate between samples by using the reflectance of the selected group, and re-performing from the group selection step if the recognition rate is not reached;
When the finally set recognition rate is satisfied, the step of determining a standard characteristic spectral library of hazardous chemical substances mixed with river water; for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using hyperspectral images, characterized in that it includes Way.
1차 특성 분광라이브러리에서 3순위 안에 들지 못하는 물질은 설정된 파장 구간을 수정하여 3순위 안에 들도록 개선하고, 1순위 상관계수가 나타난 유해화학물질은 2순위 물질과 상관계수 격차가 많이 벌어지도록 파장 구간을 수정하여,
차수를 증가하여 지속적으로 해당 과정을 수행하고, 인식률 평가 결과 인식률이 변화가 없을 시 표준 특성 라이브러리로 확정하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 3, wherein in the step of re-performing from the group selection step when the set recognition rate is not reached,
Substances that do not fall within the 3rd rank in the 1st characteristic spectral library are improved to be within the 3rd rank by modifying the set wavelength range, and the harmful chemicals with the 1st rank correlation coefficient have the wavelength range widened to widen the difference in correlation coefficient with the 2nd rank substance. Modified,
Characterization of a spectral library to improve the ability to identify hazardous chemicals mixed with river water using hyperspectral images, characterized by continuously performing the process by increasing the order and determining a standard characteristic library when the recognition rate does not change as a result of the recognition rate evaluation Way for.
으로 수행하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 3, wherein the evaluation of the recognition rate between samples using the reflectance of the selected group,
A method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using hyperspectral images, characterized in that performing as a method.
설정한 그룹의 분광라이브러리와 신규 분광 스펙트럼의 상관계수를,
으로 산정하고,
여기서, 와 는 각각 분광라이브러리의 반사도와 신규 초분광영상에서 추출한 분광 스펙트럼의 반사도의 평균값이며, 와 는 분광라이브러리와 신규 초분광영상에서 추출한 분광 스펙트럼의 반사도의 표준편차인 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 3, wherein in the step of comparing the correlation coefficient for each group between the constructed spectral library of mixed hazardous chemicals of river water and the spectral spectrum of newly photographed hazardous chemicals,
The correlation coefficient between the spectral library of the set group and the new spectral spectrum,
Is calculated as,
here, Wow Is the average value of the reflectivity of each spectral library and the reflectance of the spectral spectrum extracted from the new hyperspectral image, Wow Is a method for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using a hyperspectral image, characterized in that it is the standard deviation of the reflectivity of the spectroscopic library and the spectroscopic spectrum extracted from the new hyperspectral image.
각 유해화학물질 별로 다른 구간의 파장 그룹이 설정되도록 하고, 파장 그룹의 개수 또한 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 6, wherein a group whose correlation coefficient is ranked higher among the set wavelength groups is designated as a characteristic section to construct a first-order characteristic spectral library,
A method for characterizing a spectral library for improving the ability to identify mixed hazardous chemicals in river water using hyperspectral images, characterized in that a wavelength group in a different section is set for each hazardous chemical, and the number of wavelength groups is set differently.
이 구성을 이후 진행되는 증가된 차수의 특성 분광라이브러리의 상관관계 산정 및 인식률 평가시에도 동일하게 적용하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The characteristic spectral library according to claim 7, wherein in the case of a hazardous chemical that is determined to require improvement of the characteristic spectral library as a result of the correlation calculation and recognition rate evaluation of the primary characteristic spectral library, a wavelength group having a correlation coefficient of the next order is added or excluded. And modify
Characterization of spectral libraries for improving the ability to identify hazardous chemicals mixed with river water using hyperspectral images, characterized in that this configuration is applied in the same way to the correlation calculation and recognition rate evaluation of the characteristic spectral library of increased order later. Way for you.
유해화학물질 시료를 제조하여 초분광 영상 촬영부에서 초분광 영상을 촬영하는 단계와,
초분광 영상 방사보정부에서 빛의 세기를 DN(Digital Number)값으로 저장된 분광정보를 방사보정(Radiometric Calibration)을 통하여 반사도(Reflectance)값으로 변환하는 단계와,
분광 스펙트럼 추출부에서 초분광 영상에서 촬영된 하천수 혼합 유해화학물질 시료에서 빛의 산란 영향을 받지 않는 영역의 분광 스펙트럼을 추출하는 단계와,
유해화학물질 특성 추출부에서 하천수와 유해화학물질이 혼합된 시료에서 해당 유해화학물질만의 특성을 추출하기 위하여 하천수의 분광정보를 제거하는 단계와,
이상치 제거부에서 획득된 분광 스펙트럼의 유효성을 판단하여 아웃라이어 제거를 하는 단계와,
분광 스펙트럼 확정부에서 이상치 제거 후 남은 분광 스펙트럼들을 Super Smoother 처리하여 하나의 분광 스펙트럼으로 확정하고, 벡터 정규화부에서 확정된 분광 스펙트럼들을 벡터 정규화(Vector Normalization)를 하여 분광 라이브러리를 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 3, wherein the step of constructing a spectral library for hazardous chemical substances mixed with river water by using a hyperspectral image comprises:
Preparing a sample of hazardous chemical substances and photographing a hyperspectral image in a hyperspectral imaging unit,
Converting the spectral information stored as a DN (Digital Number) value in the hyperspectral image radiation correction unit into a reflectance value through radiometric calibration, and
Extracting a spectral spectrum of a region not affected by light scattering from a sample of hazardous chemical substances mixed with river water taken from the hyperspectral image by the spectral spectrum extraction unit,
Removing the spectral information of the river water in order to extract the characteristics of the hazardous chemicals only from the samples in which the river water and the hazardous chemicals are mixed in the hazardous chemical property extraction unit; and
Determining the validity of the spectral spectrum obtained by the outlier removal unit and removing outliers; and
Comprising the step of constructing a spectral library by processing the spectral spectra remaining after removing the outlier in the spectral spectrum determination unit as a single spectral spectrum by super smoother processing, and performing vector normalization of the spectral spectra determined in the vector normalization unit. A method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using hyperspectral images, characterized in that.
DN값으로 저장된 분광정보를 반사도(Reflectance) 값으로 변환하기 위하여 일정한 반사도를 나타내는 반사천을 이용하여 선형 회귀식을 적용하여 보정하고,
여기서, : 파장, : 파장 에 대한 반사율(%), : 초분광 영상을 반사율로 보정하기 위한 기울기, : 저장된 이미지 값(Digital Number), : 절편값인 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 9, wherein in the step of converting to a reflectance value,
In order to convert the spectral information stored as a DN value into a reflectance value, a linear regression equation is applied and corrected using a reflective cloth representing a constant reflectance.
here, : wavelength, : wavelength Reflectance (%) for : Tilt to correct hyperspectral image with reflectance, : Saved image value (Digital Number), : A method for characterizing a spectral library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed with river water using hyperspectral images characterized by being an intercept value.
400∼420nm의 파장대에서 분광복사계 측정값을 따라 상승하도록 정규분포를 따라 모델링을 적용한 관계식은,
이고,
여기서, 는 평균, 는 분산이고, 단, 에서 값을 가져야 하므로 을 만족하는 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 9, wherein when photographing a hyperspectral image of a hazardous chemical substance, radiation correction is performed to convert a brightness recorded by a hyperspectral sensor into a reflectance by photographing a standard reflectivity together with a reflective cloth,
The relational expression that applied modeling according to the normal distribution so as to rise according to the measured value of the spectroradiometer in the wavelength range of 400 to 420 nm is:
ego,
here, Is the average, Is the variance, provided that in It must have a value A method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using hyperspectral images, characterized in that satisfying.
전체 휘도를 으로 정의하고,
여기서, 는 파장, 는 총 휘도, 는 바닥반사, 는 물기둥에 의한 흡수, 는 수표면 반사, 는 대기에 의한 흡수이고,
으로 유해화학물질만의 특성을 추출하고,
여기서, 는 하천수와 유해화학물질 혼합물의 반사도,는 하천수의 반사도인 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 9, wherein in the step of removing spectral information of river water in order to extract characteristics of only the corresponding hazardous chemical,
Full luminance Defined as,
here, Is the wavelength, Is the total luminance, Is the floor reflection, Is absorption by the water column, Is the water surface reflection, Is absorption by the atmosphere,
To extract the characteristics of hazardous chemicals,
here, Is the reflectivity of the mixture of river water and hazardous chemicals, A method for characterizing a spectroscopic library for improving the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using hyperspectral images, characterized in that is the reflectivity of river water.
으로 정의되고,
여기서, 는 파장, 는 Super Smoother 처리된 화학물질의 반사도인 것을 특징으로 하는 초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화를 위한 방법.The method of claim 9, wherein in the step of removing outliers by determining the validity of the spectral spectrum, the effective reflectivity range is,
Is defined as,
here, Is the wavelength, Is a method for characterizing a spectroscopic library to improve the ability to identify hazardous chemical substances mixed in river water using hyperspectral images, characterized in that the reflectivity of chemical substances treated with Super Smoother.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230103611A (en) | 2021-12-31 | 2023-07-07 | 인제대학교 산학협력단 | System and Method for building standard characteristic spectroscopic library for identification of stream water algae using hyperspectral imaging |
KR20230103612A (en) | 2021-12-31 | 2023-07-07 | 인제대학교 산학협력단 | System and Method for standard procedure on building spectral library for cultured algae using hyperspectral images |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101414045B1 (en) | 2013-06-24 | 2014-07-02 | 인하대학교 산학협력단 | Method for detecting target using hyperspectral image using inputted spectral libray data |
KR101700144B1 (en) | 2016-10-05 | 2017-02-01 | 주식회사 지오스토리 | Spectral library system for hyperspectral image analysis |
KR102073394B1 (en) | 2018-11-16 | 2020-02-04 | 대한민국 | Method for Quantification Detection Harmful Blue Green Algae In Inland Waters Using Hyperspectral Information |
-
2020
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101414045B1 (en) | 2013-06-24 | 2014-07-02 | 인하대학교 산학협력단 | Method for detecting target using hyperspectral image using inputted spectral libray data |
KR101700144B1 (en) | 2016-10-05 | 2017-02-01 | 주식회사 지오스토리 | Spectral library system for hyperspectral image analysis |
KR102073394B1 (en) | 2018-11-16 | 2020-02-04 | 대한민국 | Method for Quantification Detection Harmful Blue Green Algae In Inland Waters Using Hyperspectral Information |
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
Martin Herold 외 1, ‘Spectral characteristics of asphalt road aging and deterioration: implications for remote-sensing applications’ (Optical Society of America, 2005.07.10.) pp 4327~4334. * |
Shin Jeong-il et al. Design and construction of a spectral library in consideration of the surface characteristics of the Korean peninsula. Journal of Korean Society for Remote Sensing, 26.5: 465-475. (2010.09.01.) * |
김동수, and 유호준. "초분광 영상을 활용한 하천 수리량 측정 현황과 전망." 대한토목학회 학술대회 (2016) * |
신명식, et al. "연안 해저 재질 분석을 위한 초분광영상의 보정 방법." 한국지리정보학회지 19.2 (2016) * |
신정일 외. 한반도 지역의 지표특성을 고려한 분광라이브러리의 설계 및 구축. 대한원격탐사학회지, 26.5: 465-475.(2010.09.01.) |
유호준, 김동수, and 김서준. "초분광영상의 분광특성을 활용한 특성 분류 기술 개발." 대한토목학회 학술대회 (2018) * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230103611A (en) | 2021-12-31 | 2023-07-07 | 인제대학교 산학협력단 | System and Method for building standard characteristic spectroscopic library for identification of stream water algae using hyperspectral imaging |
KR20230103612A (en) | 2021-12-31 | 2023-07-07 | 인제대학교 산학협력단 | System and Method for standard procedure on building spectral library for cultured algae using hyperspectral images |
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