KR102214431B1 - 미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템 및 방법 Download PDF

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양찬수
배정주
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한국해양과학기술원
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    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

본 발명에 따른 미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템은, 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보를 수신하는 정보산출부; 및 상기 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보로부터 상기 미식별 선박의 속도를 추정하는 속도추정부;를 포함하고, 상기 속도추정부는, 상기 밴드데이터 중 2개의 밴드, 제1밴드 및 제2밴드를 선택하는 밴드선택부; 템플릿매칭(template matching)을 이용하여 상기 영상이미지에서 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾는 템플릿매칭부; 및 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치와 상기 밴드데이터들의 정보를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 계산하는 연산부;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, AIS에 의해 식별되지 않는 선박에 대하여 위성 영상 자료를 이용하여 상기 선박의 속도를 추정할 수 있다.

Description

미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템 및 방법{System and method for calculating speed of unidentified ship}
본 발명은 미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 AIS에 의해 식별되지 않는 선박에 대하여 위성 영상 자료를 이용하여 속도를 추정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 해양 및 연안에서 사람들의 활동량이 증가함에 따라 해상 물동량 및 교통량도 급격히 증가하고 있는 추세이다. 이로 인해 선박 간의 충돌 등 여러 종류의 사건 사고가 빈번해지고 있다.
선박 침몰사고 발생 시 일차적으로 선박을 이용한 현장감시를 수행해 왔으나 이는 시공간적 측면에서 한계가 있고 신속한 수색을 필요로 하는 사고 특성상 비효율적이다.
선박은 기본적으로 선박자동식별장치(AIS: Auto Identification System)를 통해서 주기적으로 위치와 운항 속도를 알리며, 이를 통해 선박의 상태를 확인할 수 있다.
하지만, 통신 범위의 한계, 혼잡도, 불법조업을 하는 선박의 의도적인 AIS 전원 off, AIS 고장 등의 이유로 AIS 정보를 이용할 수 없는 경우가 생긴다. 이 경우, 선박의 정보를 알 수 없는 경우가 생기게 된다.
따라서, 실시간 모니터링이 가능하고 광역의 범위를 고해상도로 관측할 수 있는 원격탐사자료를 이용해야한다. 종래 (특허문헌 01) 제10-1736899호에서는 합성개구레이더(SAR) 데이터를 이용한 선박 식별 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 (특허문헌 01)은 AIS 데이터를 수신할 수 없는 경우, SAR 영상을 통해 선박을 식별하는 방법에 한정되므로, 속도 추정을 할 수 없는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1736899호
본 발명은 AIS에 의해 식별되지 않는 선박에 대하여 위성 영상 자료를 이용하여 상기 선박의 속도를 추정하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템은, 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보를 수신하는 정보산출부; 및 상기 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보로부터 상기 미식별 선박의 속도를 추정하는 속도추정부;를 포함하고, 상기 속도추정부는, 상기 밴드데이터 중 2개의 밴드, 제1밴드 및 제2밴드를 선택하는 밴드선택부; 템플릿매칭(template matching)을 이용하여 상기 영상이미지에서 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾는 템플릿매칭부; 및 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치와 상기 밴드데이터들의 정보를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 계산하는 연산부;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 속도추정부는, 상기 밴드데이터들의 해상도를 동기화하는 해상도동기화부;를 더 포함하는 점에 그 특징을 한다.
여기서, 특히 상기 영상이미지의 해상도를 조절하는 해상도조절부;를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 연산부는 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치차이 및 오프셋값 차이를 이용하여 속도를 추정하며, 하기 수학식에 의해 속도를 계산하는 점에 그 특징이 있다.
Figure 112019100958298-pat00001
여기서,
Figure 112019100958298-pat00002
,
Figure 112019100958298-pat00003
,
Figure 112019100958298-pat00004
,
Figure 112019100958298-pat00005
.
또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 미식별 선박의 이동 속도 추정 방법은, 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보를 수신하는 정보수신단계; 상기 밴드데이터 중 2개의 밴드, 제1밴드 및 제1밴드를 선택하는 밴드선택단계; 템플릿매칭을 이용하여 상기 영상이미지에서 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾는 템플릿매칭단계;및 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치와 상기 밴드데이터들의 정보를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 추정하는 속도추정단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 밴드선택단계 후, 상기 밴드데이터들의 해상도를 동기화하는 해상도동기화단계;를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 템플릿매칭단계 전, 상기 영상이미지의 해상도를 조절하는 해상도조절단계;를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 속도추정단계에서 상기 제1밴드와 제2밴드의 위치를 이용하여 위치차이를 계산하고, 상기 제1밴드 및 제1밴드의 오프셋값을 이용하여 속도를 추정하며, 하기 수학식에 의해 상기 미식별 선박의 속도를 계산하는 점에 그 특징이 있다.
Figure 112019100958298-pat00006
여기서,
Figure 112019100958298-pat00007
,
Figure 112019100958298-pat00008
,
Figure 112019100958298-pat00009
,
Figure 112019100958298-pat00010
.
본 발명에 따르면, AIS에 의해 식별되지 않는 선박에 대하여 위성 영상 자료를 이용하여 상기 선박의 속도를 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미식별 선박의 이동 속도 추정시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 영상이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 밴드데이터 테이블을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 영상이미지를 템플릿매칭 결과 R밴드와 B밴드를 나타난 도면이다.
도 5는 도 3의 해상도동기화에 대한 밴드테이블변화를 도시한 도면이다.
도 6은 해상도동기화의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 미식별 선박의 이동 속도 추정 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미식별 선박의 이동 속도 추정시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 영상이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 밴드데이터 테이블을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미식별 선박의 이동 속도 추청 시스템은 정보산출부(100) 및 속도추정부(200)를 포함하여 구성된다.
정보산출부(100)는 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지를 수신한다. 상기 영상이미지는 어떤 속도를 가지고 이동하는 미식별 선박의 영상이미지를 위성을 통해 수신되며 도 2와 같다. 본 명세서에서 상기 위성은 센티넬-2(sentinel-2)인공위성을 활용하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 정보산출부(100)는 상기 위성으로부터 상기 영상이미지와 함께 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보를 함께 수신할 수 있다. 상기 밴드데이터들의 정보에는 각 밴드(B01~B12)별 오프셋값(offset), 해상도(resolution), 센티널-2A,2B의 중심파장(wavelenth) 등의 정보를 포함한다. 도 3의 밴드데이터의 테이블을 참조하면, B02는 B(Blue) 밴드, B03은 G(Green)밴드, B04는 R(Red)밴드의 정보를 나타낸다. 각 R,G,B의 오프셋값(offset)을 확인하면, B밴드가 가장 먼저 촬영되고, R밴드가 가장 나중에 촬영되는 것을 확인할 수 있다.
속도추정부(200)는 밴드선택부(210), 템플릿매칭부(230), 및 연산부(250)를 포함하여 구성된다.
상기 밴드선택부(210)는 상기 밴드데이터들 중 2개를 선택할 수 있다. 선택된 2개의 밴드는 제1밴드 및 제2밴드라 한다. 상기 제1밴드 및 제2밴드는 도 3의 밴드데이터 테이블에서 밴드부분 B01~B12 중에서 2개가 선택될 수 있다. 일 실시 예로 본 명세서에서는 B04인 R(Red)밴드를 제1밴드, B02인 B(Blue)밴드를 제2밴드로 설명한다.
상기 템플릿매칭부(230)는 템플릿매칭(template matching)을 이용하여 상기 영상이미지에서 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾을 수 있다. 즉, 제1밴드인 R(Red)밴드와 B(Blue)밴드의 위치를 찾을 수 있다. 템플릿매칭은 원본이미지에서 특정이미지를 찾는 방법으로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 4는 도 2의 영상이미지를 템플릿매칭 결과 R밴드와 B밴드를 나타난 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 템플릿매칭부(230)는 도 2와 같이 상기 정보산출부(100)로 수신된 영상이미지를 템플릿매칭하여 R밴드와 B밴드의 위치를 찾아낸다. 상기 R밴드와 B밴드는 위치차이는 x방향으로 1픽셀 y방향으로 1픽셀 차이나는 것을 확인할 수 있다.
상기 연산부(250)는 상기 R밴드와 B밴드의 위치차이를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 계산하여 추정할 수 있다.
속도는 하기 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019100958298-pat00011
여기서,
Figure 112019100958298-pat00012
,
Figure 112019100958298-pat00013
,
Figure 112019100958298-pat00014
,
Figure 112019100958298-pat00015
.
도 3의 밴드데이터들을 활용하면, R밴드의 오프셋값(offset)은 1006ms이고, B밴드의 오프셋값(offset_은 0ms이므로, time(R밴드)-time(B밴드)= 1006ms이며, 센티널-2 해상도(resolution) = 10m/px이다.
상기 속도추정부(200)는 해상도동기화부(220)를 더 포함할 수 있다.
상기 해상도동기화부(220)는 상기 밴드데이터에서 밴드들의 해상도가 동일하도록 동기화한다.
도 5는 도 3의 해상도동기화에 대한 밴드테이블변화를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 기본적으로 수신한 밴드데이터들의 해상도(Resolution)는 도 5a와 같이 각각 다를 수 있다는 것을 볼 수 있다. 이것을 해상도동기화를 통해 도 5b와 같이 전부 10으로 맞출 수 있다. 밴드들(B01~B12)의 해상도를 모두 같도록 동기화 과정을 거쳐 여러개의 밴드를 임의적으로 선택하여 속도 추정을 할 수 있어 정확도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 해상도동기화의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 밴드선택부(210)에서 제1밴드로 B02, 제2밴드로 B09를 선택 후, 해상도동기화부(220)에서 상기 제1밴드 및 제2밴드의 해상도를 동기화 한다. 상기 제1밴드인 B02는 해상도 10m, 오프셋값 0ms이고, 상기 제2밴드인 B09는 해상도 60m, 오프셋값 2586ms이다. 도 6a,b를 통해 영상이미지를 확인할 수 있다. 이어서, 해상도를 동기화함에따라 도 6c와 같이 같은 영상이미지에서 B02, B09의 위치를 템플릿매칭을 통해 찾을 수 있고(미도시), 위치차이와 오프셋값 차이를 이용하여 속도를 추정할 수 있게된다. 또한, 각 밴드의 영상이미지를 같은 해상도에서 하나의 영상이미지로 재구성하여 재구성된 하나의 영상이미지에서 각 밴드의 위치를 찾을 수 있다.
상기 속도추정부(200)는 해상도조절부(240)를 더 포함할 수 있다.
상기 해상도조절부(240)는 상기 영상이미지의 해상도를 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 영상이미지의 기존 픽셀이 1px/10m 일때, 해상도를 업스케일(Upscale)하여 1px/2.5m 로 조절하면, 영상의 픽셀당 단위거리가 작아지면서 영상의 정확도가 커지게 된다. 따라서, 상기 템플릿매칭부(230)가 템플릿매칭을 이용하여 R밴드와 B밴드를 찾았을 때, R밴드와 B밴드의 거리차이의 오차율이 줄어들어 속도 계산에 있어 보다 정확한 속도를 추정할 수 있다.
도 7은 미식별 선박의 이동 속도 추정 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
상기 설명한 바와 같이 미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템을 이용한 미식별 선박의 이동 속도 추정 방법은, 정보수신단계(s100), 밴드선택단계(s200), 템플릿매칭단계(s500) 및 속도추정단계(s600)를 포함한다.
상기 정보수신단계(s100)에서 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지 및 밴드데이터들의 정보를 수신하는 단계가 수행된다. 상기 정보수신단계(s100)는 정보산출부(100)에서 이루어지며, 상기 밴드데이터에는 각 밴드(B01~B12)별 오프셋값(offset), 해상도(resolution), 센티널-2A,2B의 중심파장(wavelenth) 등의 정보를 포함한다.
이어서, 상기 밴드선택단계(s200)에서 상기 밴드데이터 중 2개의 밴드, 제1밴드 및 제2밴드를 선택하는 단계가 수행된다. 상기 밴드선택단계(s200)는 밴드선택부(210)에서 수행된다.
이어서, 상기 템플릿매칭단계(s500)에서 템플릿매칭을 이용하여 상기 영상이미지에서 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾는 단계가 수행된다. 상기 템플릿매칭단계(s500)는 탬플릿매칭부(230)에서 수행된다.
이어서, 속도추정단계(s600)에서 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치와 상기 밴드데이터들의 정보를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 추정하는 단계가 수행된다. 상기 속도추정단계(s600)는 연산부(250)에서 수행된다.
또한, 상기 밴드선택단계(s200) 후, 상기 밴드데이터들의 해상도를 동기화하는 해상도동기화단계(s300)를 더 포함할 수 있다. 해상도동기화단계(s300)는 해상도동기화부(220)에서 수행되며, 자세한 내용은 상기 도 5,6에 대한 내용을 참조한다.
또한, 상기 템플릿매칭단계(s500) 전, 상기 영상이미지의 해상도를 조절하는 해상도조절단계(s400)를 더 포함할 수 있다. 상기 해상도조절단계(s400)는 해상도조절부(240)에서 수행되며, 자세한 내용은 상기 해상도조절부(240)에 대한 내용을 참조한다.
상기 속도추정단계(s600)에서는 상기 제1밴드 및 제1밴드의 위치를 이용하여위치차이를 계산하고, 상기 제1밴드 및 제2밴드의 오프셋값을 이용하여 속도를 추정하며, 상기에서 설명한 수학식 1과 같이 속도를 계산할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 AIS에 의해 식별되지 않는 선박이라도 위성을 통해 영상이미지와 밴드데이터들의 정보를 수신하고, 상기 밴드데이터들 중 2개의 밴드를 선택하고, 템플릿매칭을 통해 선택된 2개의 밴드 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾아 위치차이 및 오프셋값을 이용하여 속도를 추정할 수 있고, 보다 정확도를 높이기 위해 해상도가 다른 밴드들의 해상도를 같은 해상도로 동기화하여 밴드선택을 확장하고, 같은 해상도로 동기화된 밴드를 재구성하여 하나의 영상이미지로 만들어 재구성된 영상이미지에서 템플릿매칭하여 선택된 밴드의 위치를 찾아 위치차이 및 오프셋값을 이용하여 속도를 추정할 수 있다. 또한, 더 정확한 위치차이를 계산하기 위해 해상도를 조절하여 미식별 선박의 속도를 보다 정확하게 추정할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 정보산출부
200 속도추정부
210 밴드선택부
220 해상도동기화부
230 템플릿매칭부
240 해상도조절부
250 연산부

Claims (8)

  1. 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보를 수신하는 정보산출부; 및
    상기 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보로부터 상기 미식별 선박의 속도를 추정하는 속도추정부;를 포함하고,
    상기 속도추정부는,
    상기 밴드데이터 중 2개의 밴드, 제1밴드 및 제2밴드를 선택하는 밴드선택부;
    템플릿매칭(template matching)을 이용하여 상기 영상이미지에서 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾는 템플릿매칭부; 및
    상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치와 상기 밴드데이터들의 정보를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 계산하는 연산부;를 포함하고,상기 연산부는 상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치차이 및 오프셋값 차이를 이용하여 속도를 추정하며,
    하기 수학식에 의해 속도를 계산하는,
    미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템.
    Figure 112020107578026-pat00033

    여기서,
    Figure 112020107578026-pat00034
    ,
    Figure 112020107578026-pat00035
    ,
    Figure 112020107578026-pat00036
    ,
    Figure 112020107578026-pat00037
    .
  2. 제1항에 있어서,
    상기 속도추정부는,
    상기 밴드데이터들의 해상도를 동기화하는 해상도동기화부;를 더 포함하는,
    미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 속도추정부는,
    상기 영상이미지의 해상도를 조절하는 해상도조절부;를 더 포함하는,
    미식별 선박의 이동 속도 추정 시스템.
  4. 삭제
  5. 위성으로부터 미식별 선박의 영상이미지 및 상기 영상이미지의 밴드데이터들의 정보를 수신하는 정보수신단계;
    상기 밴드데이터 중 2개의 밴드, 제1밴드 및 제1밴드를 선택하는 밴드선택단계;
    템플릿매칭을 이용하여 상기 영상이미지에서 제1밴드 및 제2밴드의 위치를 찾는 템플릿매칭단계;및
    상기 제1밴드 및 제2밴드의 위치와 상기 밴드데이터들의 정보를 이용하여 상기 미식별 선박의 속도를 추정하는 속도추정단계;를 포함하고,
    상기 속도추정단계에서 상기 제1밴드와 제2밴드의 위치를 이용하여 위치차이를 계산하고, 상기 제1밴드 및 제1밴드의 오프셋값을 이용하여 속도를 추정하며,
    하기 수학식에 의해 상기 미식별 선박의 속도를 계산하는,
    미식별 선박의 이동 속도 추정 방법.
    Figure 112020107578026-pat00038

    여기서,
    Figure 112020107578026-pat00039
    ,
    Figure 112020107578026-pat00040
    ,
    Figure 112020107578026-pat00041
    ,
    Figure 112020107578026-pat00042
    .
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밴드선택단계 후,
    상기 밴드데이터들의 해상도를 동기화하는 해상도동기화단계;를 더 포함하는,
    미식별 선박의 이동 속도 추정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 템플릿매칭단계 전,
    상기 영상이미지의 해상도를 조절하는 해상도조절단계;를 더 포함하는,
    미식별 선박의 이동 속도 추정 방법.
  8. 삭제
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