KR102324228B1 - Drone basede bidirectional reflectance distribution function measurement method and system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양방향반사율분포함수 관측 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 접근하기 힘든 대상에 대해서 양방향반사율분포함수(BRDF)를 측정할 수 있는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for observing a bidirectional reflectance distribution function, and more particularly, to a method and system for observing a bidirectional reflectance distribution function using a drone that can measure a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) for a difficult-to-access object will be.
양방향반사율분포함수(BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function)를 관측하기 위해서는 광원의 위치(태양)와 센서의 위치를 변화시키면서 반사도를 관측해야 한다.In order to observe the Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF), it is necessary to observe the reflectance while changing the position of the light source (the sun) and the position of the sensor.
종래에는 대상 토지피복에 대해서 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측하기 위해서는 대상지에 구형의 측각기(Goniometer)를 설치하고, 측각기의 구면상에서 센서의 위치를 변화시키면서 관측하였다.Conventionally, in order to observe the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) for the target land cover, a spherical goniometer was installed on the target site, and the position of the sensor was changed on the spherical surface of the goniometer.
도 1은 종래 기술에 따른 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측하기 위한 측각기(Goniometer)를 도시한 도면이고, 도 2는 종래 기술에 따른 위성을 이용한 양방향반사율분포함수(BRDF)의 관측 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 종래 기술에 따른 항공기를 이용한 양방향반사율분포함수(BRDF)의 관측 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating a goniometer for observing a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) according to the prior art, and FIG. 2 is a diagram illustrating a method of observing a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using a satellite according to the
도 1에 도시된 측각기는 두 개의 반구형 구조물에 각각 인공광원과 센서를 장착하여 각도를 조절하면서 중앙의 대상을 관측할 수 있으며, 현장에서는 태양-대상-센서 사이의 위치를 통제하기 어렵기 때문에 대개 실험실에서 인공 광원과 측각기를 통해 광원의 입사각과 센서의 관측각을 변화시켜가며 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측하였다.The goniometer shown in FIG. 1 can observe the central target while adjusting the angle by mounting an artificial light source and a sensor on two hemispherical structures, respectively. Bidirectional reflectance distribution function (BRDF) was observed in the laboratory by changing the incident angle of the light source and the observation angle of the sensor through an artificial light source and a goniometer.
그러나, 종래 기술에 따르면 잔디나 눈과 같은 평면적인 대상에 대해서는 양방향반사율분포함수(BRDF)를 성공적으로 관측할 수 있으나, 산림과 같이 높은 구조를 가지는 대상에 대해서는 관측할 수 없었다는 한계가 있었다.However, according to the prior art, although the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) can be successfully observed for a planar object such as grass or snow, there is a limitation that it cannot be observed for an object having a high structure such as a forest.
그 외에도, 종래에는 반사도의 방향 요소 관측의 중요성으로 인하여 양방향반사율분포함수(BRDF)의 관측을 위하여 타워, 위성, 항공기 등을 이용한 시도들이 있었다.In addition, conventionally, there have been attempts using towers, satellites, aircraft, etc. to observe the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) due to the importance of observing the direction element of reflectivity.
타워를 이용한 양방향반사율분포함수(BRDF)의 관측을 위해서는 타워를 회전할 수 있도록 설치하고, 타워를 회전시키면서 센서 방위각과 천정각을 변화시켜 하나의 대상지를 다양한 방향에서 관측하였으나, 대상을 변화시켜 관측하는데 한계가 있었고, 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측을 위한 플랫폼으로는 적합하지 않았다For observation of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using a tower, the tower was installed so that it could be rotated, and while the tower was rotated, the sensor azimuth and zenith angle were changed to observe one target from various directions, but the target was changed and observed. There were limitations, and the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) was not suitable as a platform for observation.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 위성을 이용한 양방향반사율분포함수(BRDF)의 관측 시에는 동일한 대상지를 최소 7번 관측한 이후 양방향반사율분포함수(BRDF)로 방향성을 통일한 반사도 산출하였으며, 전 지구 관측에 유리한 장점이 있으나, 관측 사이에 대상지 조건이 변할 가능성 존재하므로 지상 검증 단계가 요구되는 단점이 있었다.In addition, as shown in FIG. 2, when observing the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using a satellite, after observing the same target at least 7 times, the reflectance with the direction unified with the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) was also calculated. Although there are advantages to observation, there is a possibility that the conditions of the site may change between observations, so there is a disadvantage that a ground verification step is required.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 항공기를 이용한 양방향반사율분포함수(BRDF)의 관측 방법은 다양한 대상지의 양방향반사율분포함수(BRDF)를 성공적으로 관측할 수 있는 장점이 있으나, 식생은 내부 생화학 물질에 의해서 반사도가 일간 변화를 보이므로 비용문제로 인해 일간 변화 관측에 부적합한 단점이 있었다.On the other hand, as shown in FIG. 3, the observation method of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using an aircraft has the advantage of successfully observing the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of various targets, but the vegetation is dependent on the internal biochemicals. As the reflectivity shows daily change by the method, there was a disadvantage that it was not suitable for observing the daily change due to the cost problem.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법 및 시스템은 드론을 구형으로 비행시키는 방법을 통해 지표 양방향반사율분포함수 참값을 제공하여 광학 원격탐사 분야에서 반사도 검증의 수단을 제공하고자 한다.The present invention has been devised to solve the above problem, and the method and system for observing the bidirectional reflectance distribution function using the drone according to the present invention provides the true value of the index bidirectional reflectance distribution function through the method of flying the drone in a spherical shape. It is intended to provide a means of verifying reflectivity in the field of remote sensing.
또한, 본 발명은 직접 접근하기 힘든 대상이나 높은 구조를 가지는 대상에 대해서 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측할 수 있도록 하며, 보다 구체적으로 드론을 활용하여 숲처럼 구조가 높고, 또 접근하기 힘든 대상에 대해서 양방향반사율분포함수(BRDF)의 측정이 가능하도록 하고자 한다.In addition, the present invention makes it possible to observe the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) for an object that is difficult to directly access or has a high structure. It is intended to enable the measurement of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF).
또한, 본 발명은 고해상도 원격탐사에서의 태양과 센서의 상대적 위치가 원격탐사 퍼포먼스에 미치는 영향을 최소화 하여, 정밀농업, 도시생태계 모니터링, 도시 시설물 관리 등 근거리 원격탐사 분야에 활용할 수 있도록 하고자 한다.In addition, the present invention is to minimize the influence of the relative position of the sun and the sensor on the remote sensing performance in high-resolution remote sensing, so that it can be utilized in the field of remote sensing such as precision agriculture, urban ecosystem monitoring, and urban facility management.
또한, 본 발명에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법 및 시스템을 통해 큐브위성 군 반사도 교정(calibration)을 제공하고, LAI(Leaf area index), CI(Clumping index)와 같은 식생 구조 원격탐사에 사용되도록 하고자 한다.In addition, the cube satellite group reflectivity calibration is provided through the bidirectional reflectance distribution function observation method and system using the drone according to the present invention, and vegetation structure remote sensing such as LAI (Leaf area index) and CI (Clumping index) want to be used for
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법은, 컴퓨팅 장치에서 실행되는 양방향반사율분포함수 관측에 관한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)으로서, 분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론이 구면상의 경로로 비행하여 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정하는 제1 단계; 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정하여 상기 분광 센서가 반사 복사량(radiance)을 측정하는 제2 단계; 및 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 이용해 양방향반사율분포함수(BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function)를 계산하는 제3 단계;를 포함한다.Bidirectional reflectance distribution function observation method using a drone according to an embodiment of the present invention for solving the above-mentioned problem is a computer implemented method for bidirectional reflectance distribution function observation executed in a computing device (Computer implemented method), A first step of setting a flight path so that the drone equipped with a sensor (spectral sensor) to fly on a spherical path to observe the target; a second step of determining a direction in which the spectral sensor faces and measuring a reflected radiation amount by the spectral sensor; and a third step of calculating a Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) using the direction in which the spectral sensor is looking.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 단계는 상기 분광 센서(spectral sensor)가 복수개의 설정된 센서 천정각과 설정된 센서 방위각의 범위에서 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the first step, the spectral sensor may set a flight path to observe the object in a range of a plurality of set sensor zenith angles and set sensor azimuth angles.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 센서 천정각은 -60 내지 60 °의 범위로 구성되고, 상기 센서 방위각은 0 내지 360°의 범위로 구성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the sensor zenith angle may be configured in a range of -60 to 60°, and the sensor azimuth may be configured in a range of 0 to 360°.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제2 단계는 상기 분광 센서에 포함되는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)가, 상기 분광 센서의 x, y, z 축으로 회전한 각도인 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the second step, an inertial measurement unit (IMU) included in the spectral sensor is rotated in the x, y, z axis of the spectral sensor. roll), pitch, and yaw may be extracted to determine the direction in which the spectral sensor looks.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제3 단계는 상기 분광 센서로 입사되는 입사광선의 위치 및 상기 분광 센서의 위치를 이용해 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the third step, the bidirectional reflectivity distribution function (BRDF) may be calculated using the position of the incident ray incident on the spectral sensor and the position of the spectral sensor.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제3 단계 이후에, 상기 양방향반사율분포함수의 각도에 따른 반사 복사량(radiance)을 지상에서 관측한 반사 복사량(radiance)과 비교하여 검증하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, after the third step, the step of verifying by comparing the reflected radiation amount (radiance) according to the angle of the bidirectional reflectivity distribution function with the reflected radiation amount (radiance) observed from the ground; may include
본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템은 분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론이 구면상의 경로로 비행하여 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정하는 비행 경로 설정부; 상기 드론에 장착되며, 결정된 방향으로의 반사 복사량(radiance)을 측정하는 분광 센서; 상기 분광 센서가 바라보는 상기 방향을 이용해 양방향반사율분포함수(BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function)를 계산하는 함수 계산부; 및 상기 양방향반사율분포함수의 각도에 따른 반사 복사량(radiance)을 지상에서 관측한 반사 복사량(radiance)과 비교하여 검증하는 비교 검증부;를 포함하여 구성된다.A two-way reflectance distribution function observation system using a drone according to an embodiment of the present invention includes: a flight path setting unit for setting a flight path so that a drone equipped with a spectral sensor flies on a spherical path to observe an object; a spectral sensor mounted on the drone and measuring reflected radiation in a determined direction; a function calculation unit for calculating a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using the direction viewed by the spectral sensor; and a comparison verification unit that compares and verifies the reflected radiation according to the angle of the bidirectional reflectance distribution function with the reflected radiation observed from the ground.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 비행 경로 설정부는 상기 분광 센서(spectral sensor)가 복수개의 설정된 센서 천정각과 설정된 센서 방위각의 범위에서 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the flight path setting unit may set the flight path so that the spectral sensor observes the object in the range of a plurality of set sensor zenith angle and set sensor azimuth.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 비행 경로 설정부는 상기 센서 천정각은 -60 내지 60 °의 범위로 설정하고, 상기 센서 방위각은 0 내지 360°의 범위로 설정할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the flight path setting unit may set the sensor zenith angle in the range of -60 to 60 °, and the sensor azimuth may be set in the range of 0 to 360 °.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 분광 센서는 상기 분광 센서에 포함되는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)가, 상기 분광 센서의 x, y, z 축으로 회전한 각도인 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the spectral sensor, an inertial measurement unit (IMU) included in the spectral sensor is rotated along the x, y, and z axes of the spectral sensor. ), a pitch, and a yaw may be extracted to determine the direction in which the spectral sensor is looking.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 함수 계산부는 상기 분광 센서로 입사되는 입사광선의 위치 및 상기 분광 센서의 위치를 이용해 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the function calculator may calculate the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using the position of the incident ray incident on the spectral sensor and the position of the spectral sensor.
본 발명에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법 및 시스템은 드론을 구형으로 비행시키는 방법을 통해 지표 양방향반사율분포함수(BRDF) 참값을 제공하여 광학 원격탐사 분야에서 반사도 검증의 수단을 제공하여, 양방향반사율분포함수(BRDF)의 보정 및 양방향반사율분포함수(BRDF) 모델의 검증에 적용할 수 있다.The bidirectional reflectance distribution function observation method and system using a drone according to the present invention provides a true value of the surface bidirectional reflectance distribution function (BRDF) through a method of flying a drone in a spherical shape to provide a means of verifying reflectivity in the field of optical remote sensing. , it can be applied to the correction of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) and the verification of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model.
또한, 본 발명에 따르면, 직접 접근하기 힘든 대상이나 높은 구조를 가지는 대상에 대해서 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측할 수 있다. 즉, 종래 기술에 따르면 현장에 직접 측각기를 설치하여 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측하므로 숲처럼 평탄하지 않거나, 접근하기 힘든 대상은 관측하기 힘든 한계점을 가지고 있었으나, 본 발명은 드론을 활용하여 숲처럼 구조가 높고, 또 접근하기 힘든 대상에 대해서 양방향반사율분포함수(BRDF)의 측정을 가능하게 하였다.In addition, according to the present invention, it is possible to observe the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) for an object that is difficult to directly access or an object having a high structure. That is, according to the prior art, since the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) is observed by installing a goniometer directly on the site, there is a limitation in that it is difficult to observe an object that is not flat or difficult to approach like a forest. It made it possible to measure the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) for objects with high structures and difficult to access, such as
또한, 본 발명은 고해상도 원격탐사에서의 태양과 센서의 상대적 위치가 원격탐사 퍼포먼스에 미치는 영향을 최소화 하여, 정밀농업, 도시생태계 모니터링, 도시 시설물 관리 등 근거리 원격탐사 분야에 활용할 수 있다.In addition, the present invention can be used in short-distance remote sensing fields such as precision agriculture, urban ecosystem monitoring, and urban facility management by minimizing the influence of the relative position of the sun and the sensor on the remote sensing performance in high-resolution remote sensing.
또한, 큐브위성은 소형 위성 군으로 높은 해상도(약 3~4m)와 높은 짧은 회귀주기를 가지지만, 위성군을 구성하는 큐브위성 사이에 센서의 천정각과 방위각이 다른 문제점이 있었으나, 본 발명에 따르면 큐브위성 군 반사도 교정(calibration)을 제공할 수 있다.In addition, CubeSat is a small group of satellites and has high resolution (about 3 to 4m) and a high short regression period. CubeSatellite group reflectivity calibration can be provided.
또한, 종래의 관측방향을 통일시켜서 한 방향에서만 관측한 자료는 식생구조원격탐사에 한계가 있었으나, 본 발명은 LAI(Leaf area index), CI(Clumping index)와 같은 식생 구조 원격탐사에 사용될 수 있다.In addition, the data observed only in one direction by unifying the conventional observation directions had limitations in remote sensing of vegetation structures, but the present invention can be used for remote sensing of vegetation structures such as LAI (Leaf area index) and CI (Clumping index). .
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 양방향반사율분포함수(BRDF)를 관측하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 드론의 비행 경로를 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 관측 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 관측 결가의 검증 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템의 구성도이다.1 to 3 are diagrams for explaining a method for observing a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) according to the prior art.
4 is a flowchart illustrating a method for observing a bidirectional reflectance distribution function using a drone according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a drone equipped with a spectral sensor according to an embodiment of the present invention.
6 and 7 are diagrams for explaining a method of setting a flight path of a drone according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram for explaining a method of calculating a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) according to an embodiment of the present invention.
9 to 14 are diagrams for explaining observation results according to an embodiment of the present invention.
15 and 16 are diagrams for explaining a method of verifying an observation result according to an embodiment of the present invention.
17 is a block diagram of a bidirectional reflectance distribution function observation system using a drone according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, the size of each component in the drawings may be exaggerated for explanation, and does not mean the size actually applied.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법을 설명하기 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론을 도시한 도면이다.4 is a flowchart illustrating a method for observing a bidirectional reflectance distribution function using a drone according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows a drone equipped with a spectral sensor according to an embodiment of the present invention. it is one drawing
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 드론의 비행 경로를 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.6 and 7 are diagrams for explaining a method of setting a flight path of a drone according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a diagram for calculating a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) according to an embodiment of the present invention. It is a drawing for explaining the method.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 관측 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 관측 결가의 검증 방법을 설명하기 위한 도면이다.9 to 14 are diagrams for explaining an observation result according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 15 and 16 are diagrams for explaining a method of verifying an observation result according to an embodiment of the present invention.
이후부터는 도 4 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a bidirectional reflectance distribution function observation method using a drone according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 16 .
본 발명의 일실시예에 따르면, 먼저 분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론이 구면상의 경로로 비행하여 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정한다(S210).According to an embodiment of the present invention, first, a flight path is set so that a drone equipped with a spectral sensor flies on a spherical path to observe a target (S210).
도 5에 도시된 바와 같이 상기 분광 센서는 드론 상에 장착될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 드론은 무인 항공기(UVA: Unmanned Aerial Vehicle)를 말한다.As shown in FIG. 5 , the spectral sensor may be mounted on a drone, and the drone according to an embodiment of the present invention refers to an unmanned aerial vehicle (UVA).
또한, 상기 분광 센서는 400nm 에서 1000nm 대역의 초분광 센서(hyperspectral sensor)로 구성되어, 한번 노출에 한 라인의 정보만을 획득하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 분광 센서는 중간 해상도 스펙트럼 센서(moderate resolution spectral sensor)로 구성될 수도 있다.In addition, the spectral sensor may be configured as a hyperspectral sensor in a band of 400 nm to 1000 nm, and may be configured to acquire only one line of information per exposure. In addition, the spectral sensor may be configured as a moderate resolution spectral sensor.
이때, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 분광 센서(spectral sensor)가 복수개의 설정된 센서 천정각과 설정된 센서 방위각의 범위에서 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정할 수 있다.At this time, as shown in FIG. 6 , the flight path may be set so that the spectral sensor observes the object in the range of a plurality of set sensor zenith angles and set sensor azimuth angles.
즉, 상기 드론이 구면상의 경로로 비행하여 상기 분광 센서의 방위각이 전 범위(360°)의 정보를 획득하도록 할 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 센서 천정각으로서 -60 내지 60°의 범위를 커버하고, 상기 센서 방위각으로서 0 내지 360°의 범위를 커버하도록 구성될 수 있다.That is, the drone can fly on a spherical path so that the azimuth angle of the spectral sensor can acquire information in the full range (360°), and more specifically, cover the range of -60 to 60° as the sensor zenith angle, The sensor azimuth may be configured to cover a range of 0 to 360°.
또한, 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에서는 상기 드론이 구면상의 경로로 비행함으로써, 한 번 노출에 640개의 서로 다른 센서 천정각에 대해서 관측이 가능하고, 분광 센서의 시야각을 21.1°로 구성하면 -70 내지 70°의 범위를 관측할 수 있으며, 천정각이 태양과 상대적으로 더 가까울 때 음수를 나타내고, 상대적으로 더 멀 때 양수값을 나타낸다.In addition, referring to FIG. 7 , in another embodiment of the present invention, as the drone flies on a spherical path, it is possible to observe 640 different sensor zenith angles in one exposure, and the viewing angle of the spectral sensor is 21.1° If configured as , the range of -70 to 70° can be observed, and when the zenith angle is relatively closer to the sun, a negative number is displayed, and when the zenith angle is relatively farther away, a positive value is displayed.
이와 같이 비행 경로가 설정되면, 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정하여 상기 분광 센서가 반사 복사량(radiance)을 측정한다(S220).When the flight path is set in this way, the spectral sensor determines the viewing direction and the spectral sensor measures reflected radiation (S220).
이때, 상기 분광 센서에 포함되는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)에서, 상기 분광 센서의 x, y, z 축으로 회전한 각도인 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정할 수 있다.At this time, in an inertial measurement unit (IMU) included in the spectral sensor, roll, pitch, and yaw, which are angles rotated in the x, y, and z axes of the spectral sensor, are measured. By extracting it, it is possible to determine the direction in which the spectral sensor is looking.
즉, 하기의 수학식 1을 통하여 분광 센서가 바라보는 방향을 결정할 수 있다.That is, the direction in which the spectral sensor looks may be determined through Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, (x,y,z)는 분광 센서가 바라보는 방향을 벡터로 표현한 것이고, Cy 및 Sy는 각각 cos(yaw), sin(yaw)를 나타내고, Cr 및 Sr는 각각 cos(roll), sin(roll)를 나타내고, Cp 및 Sp는 각각 cos(pitch), sin(pitch)를 나타낸다.Here, (x, y, z) represents the direction the spectral sensor is looking in as a vector, Cy and Sy represent cos(yaw) and sin(yaw), respectively, and Cr and Sr represent cos(roll) and sin, respectively. (roll), and Cp and Sp represent cos(pitch) and sin(pitch), respectively.
이와 같이 분광 센서의 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정할 수 있다.In this way, by extracting the roll, pitch, and yaw of the spectral sensor, it is possible to determine the direction in which the spectral sensor looks.
이후, 분광 센서가 바라보는 방향을 이용해 양방향반사율분포함수(BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function)를 계산한다(S230).Thereafter, a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) is calculated using the direction in which the spectral sensor is looking ( S230 ).
도 8을 참조하면, 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)는 반사도의 크기 요소와 방향 요소를 통합 한 것으로서, 반사도를 태양-대상-센서의 상대적인 위치 관계에 대한 함수로 나타낸 것이다. 원격탐사에서 방향성을 고려하기 위해서는 양방향반사율분포함수(BRDF)를 알아야 한다.Referring to FIG. 8 , the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) is a combination of a magnitude component and a direction component of the reflectivity, and the reflectivity is expressed as a function of the relative positional relationship of the sun-object-sensor. To consider the directionality in remote sensing, it is necessary to know the bidirectional reflectance distribution function (BRDF).
이와 같은 양방향반사율분포함수(BRDF)는 하기의 수학식 2를 통해 계산할 수 있다.Such a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) can be calculated through Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
이때, 
즉, 
즉, 상기 분광 센서로 입사되는 입사광선의 위치 및 상기 분광 센서의 위치를 이용해 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산할 수 있다.That is, the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) may be calculated using the position of the incident ray incident on the spectral sensor and the position of the spectral sensor.
이후에는, 상기 양방향반사율분포함수의 각도에 따른 반사 복사량(radiance)을 지상에서 관측한 반사 복사량(radiance)과 비교하여 검증한다(S240).Thereafter, the reflected radiation amount according to the angle of the bidirectional reflectance distribution function is compared and verified with the reflected radiation amount observed from the ground (S240).
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법에 의하면, 항공촬영과 비교했을 때 저비용으로 일간 변화를 관측할 수 있으며, 높은 공간의 해상도 자료를 제공하여, 토양 및 그림자 제거를 통한 정밀한 식생원격탐사 가능하고, 드론에서 관측한 복사량, 반사도와 같은 물리량을 지표에서 관측한 물리량과 직접 비교할 수 있다. 또한, 대기의 영향을 적게 받으므로, 지표에서 직접 반사도를 측정하는 현장조사를 대체할 수 있는 장점이 있다.9 and 10 , according to the method for observing the bidirectional reflectance distribution function using a drone according to an embodiment of the present invention, it is possible to observe daily changes at a low cost compared to aerial photography, and high spatial resolution By providing data, precise vegetation remote sensing is possible through soil and shadow removal, and physical quantities such as radiation and reflectivity observed by drones can be directly compared with physical quantities observed at the surface. In addition, since it is less affected by the atmosphere, it has the advantage of being able to replace field surveys that measure reflectivity directly on the surface of the earth.
도 11 및 도 12는 각각 태양 및 센서 기하 변수를 추출한 결과를 나타내고 있으며, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 논을 촬영 했을 때의 비행 경로(점) 및 센서가 바라보는 방향(화살표)를 도시한 결과를 나타내고 있다.11 and 12 show the results of extracting the sun and sensor geometric variables, respectively, and FIG. 13 is the flight path (point) and the direction the sensor is looking (arrow) when the rice field is photographed according to an embodiment of the present invention. shows the results shown.
또한, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 결과로서, 센서 방위각이 태양 방위각과 일치하는 145°에서의 NIR(근적외선) 반사도 분포를 도시하고 있으며, y축은 NIR 영역에서의 반사도 (BRF: Bidirectional reflectance factor)를 나타내고, x축은 센서 천정각, 음수 값은 센서가 상대적으로 태양과 가까이에 있을 때의 센서 천정각을 나타내고 있다.14 is a result according to an embodiment of the present invention, showing the NIR (near infrared) reflectance distribution at 145° in which the sensor azimuth coincides with the solar azimuth, and the y-axis is the reflectance in the NIR region (BRF: Bidirectional). reflectance factor), the x-axis represents the sensor zenith angle, and negative values represent the sensor zenith angle when the sensor is relatively close to the sun.
한편, 도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 관측 결과의 검증 방법으로서, 드론에서 측정한 반사 복사량(radiance)과 지상에서 관측한 반사 복사량(radiance)을 비교하였다.Meanwhile, FIGS. 15 and 16 are a method of verifying the observation result according to an embodiment of the present invention, and compared the reflected radiation measured by a drone with the reflected radiation observed from the ground.
양방향반사율분포함수는 각도에 따라 반사도를 측정한 것이므로, 드론에서 관측한 반사도나 복사량등의 물리량을 지상에서 관측한 물리량과 비교하는 방식으로 검증할 수 있다.Since the bidirectional reflectance distribution function measures the reflectivity according to the angle, it can be verified by comparing the physical quantity such as reflectivity or radiation amount observed from the drone with the physical quantity observed from the ground.
즉, 도 15에서와 같이 이상적으로 난반사한다고 가정할 수 있는 spectralon(빨강 십자가)을 비교대상으로 설정하고, 드론 촬영 이미지 중 spectralon의 반사 복사량(radiance)만 추출한 모습을 나타내고 있으며, 도 16은 드론 촬영 반사 복사량(Headwall)과 지상관측 반사 복사량((ASD fieldspec4_ref)을 비교하고 있다.That is, as in FIG. 15, spectralon (red cross), which can be assumed to be ideally diffusely reflected, is set as a comparison target, and only the reflected radiation of the spectralon is extracted from the drone photographed image, and FIG. 16 is drone photographed. A comparison is made between the reflected radiation (Headwall) and the ground-observed reflected radiation ((ASD fieldspec4_ref).
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템의 구성도이다.17 is a block diagram of a system for observing a bidirectional reflectance distribution function using a drone according to an embodiment of the present invention.
이후부터는 도 17을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템의 구성을 설명하기로 한다.Hereinafter, a configuration of a bidirectional reflectance distribution function observation system using a drone according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 17 .
도 17을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템(300)은 비행 경로 설정부(310), 분광 센서(320), 함수 계산부(330) 및 비교 검증부(340)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 17 , a bidirectional reflectance distribution
상기 비행 경로 설정부(310)는 분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론이 구면상의 경로로 비행하여 대상을 관측하도록 하기 위하여 비행 경로를 설정한다.The flight
이때, 상기 비행 경로 설정부(320) 상기 분광 센서(spectral sensor)가 복수개의 설정된 센서 천정각과 설정된 센서 방위각의 범위에서 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정하도록 구성될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 비행 경로 설정부(320)는 상기 센서 천정각을 -60 내지 60 °의 범위로 설정하고, 상기 센서 방위각을 0 내지 360°의 범위로 설정하도록 구성될 수 있다.At this time, the flight
또한, 상기 분광 센서(320)는 상기 드론에 장착되며, 결정된 방향으로의 반사 복사량(radiance)을 측정하고, 상기 함수 계산부(330)는 상기 분광 센서(320)가 바라보는 상기 방향을 이용해 양방향반사율분포함수(BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function)를 계산한다.In addition, the
보다 구체적으로, 상기 분광 센서(320)는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)를 포함하도록 구성되고, 상기 관성 측정 장치가 상기 분광 센서의 x, y, z 축으로 회전한 각도인 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정할 수 있다.More specifically, the
이때, 상기 함수 계산부(330)는 상기 분광 센서로 입사되는 입사광선의 위치 및 상기 분광 센서의 위치를 이용해 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산하도록 구성될 수 있다.In this case, the
상기 비교 검증부(340)는 상기 양방향반사율분포함수의 각도에 따른 반사 복사량(radiance)을 지상에서 관측한 반사 복사량(radiance)과 비교하여 검증한다.The
이와 같이, 본 발명에 따른 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템은 드론을 구형으로 비행시키는 방법을 통해 지표 양방향반사율분포함수(BRDF) 참값을 제공하여 광학 원격탐사 분야에서 반사도 검증의 수단을 제공하여, 양방향반사율분포함수(BRDF)의 보정 및 양방향반사율분포함수(BRDF) 모델의 검증에 적용할 수 있다.As described above, the bidirectional reflectance distribution function observation system using the drone according to the present invention provides the true value of the BRDF through the method of flying the drone in a spherical shape to provide a means of verifying reflectivity in the field of optical remote sensing. Therefore, it can be applied to the correction of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) and the verification of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments of the present invention, and should be defined by the claims as well as the claims and equivalents.
300: 양방향반사율분포함수 관측 시스템
310: 비행 경로 설정부
320: 분광 센서
330: 함수 계산부
340: 비교 검증부300: Bidirectional reflectance distribution function observation system
310: flight path setting unit
320: spectral sensor
330: function calculator
340: comparison verification unit
Claims (11)
분광 센서(spectral sensor)가 장착된 드론이 구면상의 경로로 비행하여 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정하는 제1 단계; 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 결정하여 상기 분광 센서가 반사 복사량(radiance)을 측정하는 제2 단계; 및 상기 분광 센서가 바라보는 방향을 이용해 양방향반사율분포함수(BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function)를 계산하는 제3 단계;를 포함하며,
상기 2단계의 반사 복사량을 측정하는 것은,
상기 분광 센서에 포함되는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)에서, 상기 분광 센서의 x, y, z 축으로 회전한 각도인 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 하기 수학식 1을 통해 분광센서가 바라보는 방향을 결정하는, 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법.
[수학식 1]
((x,y,z)는 분광 센서가 바라보는 방향을 벡터로 표현한 것이고, Cy 및 Sy는 각각 cos(yaw), sin(yaw)를 나타내고, Cr 및 Sr는 각각 cos(roll), sin(roll)를 나타내고, Cp 및 Sp는 각각 cos(pitch), sin(pitch)를 나타낸다)
A computer implemented method for bidirectional reflectance distribution function observation executed on a computing device, comprising:
A first step of setting a flight path so that the drone equipped with a spectral sensor flies on a spherical path to observe an object; a second step of determining a direction in which the spectral sensor faces and measuring a reflected radiation amount by the spectral sensor; and a third step of calculating a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using the direction in which the spectral sensor is looking.
Measuring the reflected radiation in the second step is,
In an inertial measurement unit (IMU) included in the spectral sensor, roll, pitch, and yaw, which are angles rotated in the x, y, and z axes of the spectral sensor, are extracted. , A method of observing a bidirectional reflectance distribution function using a drone, which determines the direction in which the spectral sensor is looking through Equation 1 below.
[Equation 1]
((x,y,z) represents the direction the spectral sensor is looking in as a vector, Cy and Sy represent cos(yaw) and sin(yaw), respectively, and Cr and Sr represent cos(roll), sin( roll), and Cp and Sp represent cos(pitch) and sin(pitch), respectively)
상기 제1 단계는,
상기 분광 센서(spectral sensor)가 복수개의 설정된 센서 천정각과 설정된 센서 방위각의 범위에서 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정하는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법.
The method according to claim 1,
The first step is
Bidirectional reflectance distribution function observation method using a drone to set a flight path so that the spectral sensor observes an object in a range of a plurality of set sensor zenith angles and set sensor azimuth angles.
상기 센서 천정각은 -60 내지 60 °의 범위로 구성되고,
상기 센서 방위각은 0 내지 360°의 범위로 구성되는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법.
3. The method according to claim 2,
The sensor zenith angle is configured in the range of -60 to 60 °,
The sensor azimuth is a two-way reflectance distribution function observation method using a drone configured in the range of 0 to 360°.
상기 제3 단계는,
상기 분광 센서로 입사되는 입사광선의 위치 및 상기 분광 센서의 위치를 이용해 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산하는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법.
The method according to claim 1,
The third step is
A method of observing a bidirectional reflectance distribution function using a drone that calculates the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) by using the position of the incident ray incident on the spectral sensor and the position of the spectral sensor.
상기 제3 단계 이후에,
상기 양방향반사율분포함수의 각도에 따른 반사 복사량(radiance)을 지상에서 관측한 반사 복사량(radiance)과 비교하여 검증하는 단계;
를 더 포함하는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 방법.
The method according to claim 1,
After the third step,
verifying the reflected radiation according to the angle of the bidirectional reflectance distribution function by comparing it with the reflected radiation observed from the ground;
Bidirectional reflectance distribution function observation method using a drone further comprising a.
상기 분광센서에서 반사 복사량을 측정하는 것은,
상기 분광 센서에 포함되는 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)에서, 상기 분광 센서의 x, y, z 축으로 회전한 각도인 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 추출하여, 하기 수학식 1을 통해 분광센서가 바라보는 방향을 결정하는, 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템.
[수학식 1]
((x,y,z)는 분광 센서가 바라보는 방향을 벡터로 표현한 것이고, Cy 및 Sy는 각각 cos(yaw), sin(yaw)를 나타내고, Cr 및 Sr는 각각 cos(roll), sin(roll)를 나타내고, Cp 및 Sp는 각각 cos(pitch), sin(pitch)를 나타낸다)
a flight path setting unit for setting a flight path so that a drone equipped with a spectral sensor can observe a target by flying on a spherical path; a spectral sensor mounted on the drone and measuring reflected radiation in a determined direction; a function calculator for calculating a bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using the direction viewed by the spectral sensor; and a comparison verification unit that compares and verifies the reflected radiation according to the angle of the bidirectional reflectance distribution function with the reflected radiation observed from the ground;
Measuring the amount of reflected radiation in the spectroscopic sensor,
In an inertial measurement unit (IMU) included in the spectral sensor, roll, pitch, and yaw, which are angles rotated in the x, y, and z axes of the spectral sensor, are extracted. , A two-way reflectance distribution function observation system using a drone that determines the direction the spectral sensor looks through Equation 1 below.
[Equation 1]
((x,y,z) represents the direction the spectral sensor is looking in as a vector, Cy and Sy represent cos(yaw) and sin(yaw), respectively, and Cr and Sr represent cos(roll), sin( roll), and Cp and Sp represent cos(pitch) and sin(pitch), respectively)
상기 비행 경로 설정부는,
상기 분광 센서(spectral sensor)가 복수개의 설정된 센서 천정각과 설정된 센서 방위각의 범위에서 대상을 관측하도록 비행 경로를 설정하는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템.
8. The method of claim 7,
The flight path setting unit,
A bidirectional reflectance distribution function observation system using a drone that sets a flight path so that the spectral sensor observes an object in a range of a plurality of set sensor zenith angles and set sensor azimuth angles.
상기 비행 경로 설정부는,
상기 센서 천정각은 -60 내지 60 °의 범위로 설정하고, 상기 센서 방위각은 0 내지 360°의 범위로 설정하는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템.
9. The method of claim 8,
The flight path setting unit,
The sensor zenith angle is set in the range of -60 to 60 °, and the sensor azimuth is set in the range of 0 to 360 ° Bidirectional reflectance distribution function observation system using a drone.
상기 함수 계산부는,
상기 분광 센서로 입사되는 입사광선의 위치 및 상기 분광 센서의 위치를 이용해 상기 양방향반사율분포함수(BRDF)를 계산하는 드론을 활용한 양방향반사율분포함수 관측 시스템.
8. The method of claim 7,
The function calculation unit,
A bidirectional reflectance distribution function observation system using a drone that calculates the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) using the position of the incident ray incident on the spectral sensor and the position of the spectral sensor.
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| KR1020210006019A KR102324228B1 (en) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | Drone basede bidirectional reflectance distribution function measurement method and system |
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| KR (1) | KR102324228B1 (en) |
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