KR102450019B1 - Water Quality Monitoring Method and System for Using Unmanned Aerial Vehicle - Google Patents

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KR102450019B1
KR102450019B1 KR1020210026936A KR20210026936A KR102450019B1 KR 102450019 B1 KR102450019 B1 KR 102450019B1 KR 1020210026936 A KR1020210026936 A KR 1020210026936A KR 20210026936 A KR20210026936 A KR 20210026936A KR 102450019 B1 KR102450019 B1 KR 102450019B1
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박경훈
문병현
송봉근
김경아
배은택
김성현
박건웅
문한솔
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창원대학교 산학협력단
낙동강수계관리위원회
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Abstract

드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템이 제시된다. 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템에 의해 수행되는 수질현황 모니터링 방법은, 드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득하는 단계; 및 상기 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[부처명] 환경부
[과제관리(전문)기관명] 낙동강수계관리위원회
[연구사업명] 환경기초조사사업
[연구과제명] 드론을 활용한 유역환경 조사법 개선 및 야적퇴비 적재 등 비점오염원 현황조사
[과제수행기관명] 창원대학교 산학협력단
[연구기간] 2019.01.07~2019.12.06
A method and system for monitoring water quality using a drone are presented. The water quality monitoring method performed by the water quality monitoring system using a drone implemented through a computer device according to an embodiment includes the steps of mounting a multi-spectral sensor on the drone, and acquiring a multi-spectral image for an area requiring monitoring ; And after converting the multi-spectral image to a vegetation index, the multi-spectral image and the correlation between the vegetation index and water quality factors may include predicting the eutrophication state and water pollution level for each point.
[National R&D project supporting this invention]
[Business name] Ministry of Environment
[Name of project management (specialized) organization] Nakdong River System Management Committee
[Research project name] Environmental basic research project
[Research Title] Investigation of non-point pollution sources such as improvement of watershed environment survey method using drone and loading of yard compost
[Name of project execution institution] Changwon University Industry-Academic Cooperation Foundation
[Research Period] 2019.01.07~2019.12.06

Description

드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템{Water Quality Monitoring Method and System for Using Unmanned Aerial Vehicle}Water Quality Monitoring Method and System for Using Unmanned Aerial Vehicle}

아래의 실시예들은 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템에 관한 으로, 더욱 상세하게는 드론에서 획득된 다양한 영상 데이터를 이용하여 녹조 현상을 일으키는 인자들을 파악하는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템에 관한 것이다. The following examples relate to a method and system for monitoring water quality using a drone, and more specifically, to a method and system for monitoring water quality using a drone that identifies factors causing algal blooms using various image data acquired from a drone it's about

최근 우리나라는 기후변화에 의한 영양염류의 수계 유입이 쉬워 부영양화 현상이 빈번하게 발생하여 녹조 발생이 증가하고 있다. 녹조가 발생될 경우 수 생태계를 파괴하고, 상수원 등 수자원 안전에도 직접적으로 영향을 미치게 된다. 현재 녹조현상을 모니터링하는 기술로는, 현장에 직접 물을 채수하여 분석하는 현장샘플링 기반의 연구와, 위성영상과 항공영상을 활용한 원격탐사 연구가 진행 중이다.In recent years, eutrophication occurs frequently in Korea due to the ease of inflow of nutrients into the water system due to climate change, and the occurrence of green algae is increasing. When algae occur, it destroys the aquatic ecosystem and directly affects the safety of water resources such as water sources. Currently, as a technology for monitoring algal blooms, on-site sampling-based research that collects and analyzes water directly from the site, and remote sensing research using satellite and aerial images are in progress.

하지만 현장샘플링 분석에 경우에는 광범위한 지역을 모니터링하기 어렵고, 위성영상과 항공영상의 경우에는 해상도가 낮고 원하는 시기에 영상을 얻기 어려우며 다중분광대역의 영상이나, 수온파악, 물의 흐름 등을 파악하기에는 어려움이 있다. However, in the case of on-site sampling analysis, it is difficult to monitor a wide area, and in the case of satellite images and aerial images, it is difficult to obtain images at a desired time due to low resolution, and it is difficult to understand images of multi-spectral bands, water temperature, and water flow. have.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근 들어 무인항공기(UAV, 드론)을 이용한 원격탐사 연구가 진행 중이다. 드론은 낮은 고도에서 원하는 시점에 원하는 영역에 원하는 종류의 영상을 획득할 수 있기 때문에, 이러한 장점을 이용하여 녹조현상을 분석하는 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재 드론을 이용한 녹조 모니터링 연구는 녹조의 발생 여부를 파악하여 녹조를 제거해야 하는 지역을 분류하는데 그 수준이 머물러 있다. In order to solve this problem, recently, remote sensing research using unmanned aerial vehicles (UAVs, drones) is being conducted. Since a drone can acquire a desired type of image in a desired area at a desired point in time at a low altitude, research is being conducted to analyze the algae phenomenon using these advantages. However, current research on algal monitoring using drones is limited to classifying areas where algal blooms need to be removed by identifying whether algal blooms have occurred.

한국등록특허 10-1863123호는 이러한 자율주행 무인비행체 및 이동형 무인부체를 이용한 하천 녹조지도 작성 시스템에 관한 것으로, 하천 녹조의 공간적 분포 범위와 이동 현상을 표현하기 위해서 하천의 수질을 종방향과 횡방향뿐만 아니라 수심별 수질을 프로파일링하는 자율주행 무인비행체 및 이동형 무인부체를 이용한 하천 녹조지도 작성 시스템에 관한 기술을 기재하고 있다.Korea Patent No. 10-1863123 relates to a river algae map creation system using such an autonomous driving unmanned aerial vehicle and a movable unmanned floating body. In addition, it describes the technology for a river green algae mapping system using an autonomous driving unmanned aerial vehicle and a mobile unmanned floating vehicle that profiling water quality by water depth.

한국등록특허 10-1863123호Korean Patent Registration No. 10-1863123

실시예들은 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 녹조 발생 이전에 녹조 현상을 일으키는 인자들을 드론에서 획득된 다양한 영상 데이터를 이용하여 파악함으로써 녹조 발생을 미리 예측하고 효과적으로 대비하는 기술을 제공한다. The embodiments describe a water quality monitoring method and system using a drone, and more specifically, predict the occurrence of algae in advance and effectively prepare for it by identifying factors causing the algal phenomenon before the occurrence of algae using various image data acquired from the drone. provides the skills to

실시예들은 녹조 발생의 가장 큰 원인이 되는 영양염류인자 및 간접적 지표인 클로로필-a를 드론의 다중분광영상과의 상관관계를 통해 파악하고, 파악된 영양염류인자에 따라서 녹조 발생 가능성을 예측할 수 있는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. Examples are the nutrient factors that cause the biggest cause of the occurrence of algae and chlorophyll-a, an indirect indicator, through correlation with the multi-spectral image of drones, and the possibility of predicting the occurrence of algae according to the identified nutrient factors. An object of the present invention is to provide a method and system for monitoring water quality using a drone.

또한, 실시예들은 영양염류인자뿐만 아니라 드론의 열적외선 영상을 통해 녹조 발생에 영향을 미치는 수온을 파악하고, 드론의 영상을 통해 물의 흐름을 파악하여, 녹조 발생 가능성을 더욱 정밀하게 예측하는 모델을 제공할 수 있는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. In addition, the embodiments determine the water temperature that affects the occurrence of algae through the thermal infrared image of the drone as well as the nutrient factor, and the flow of the water through the image of the drone, a model that more precisely predicts the possibility of the occurrence of algae. An object of the present invention is to provide a method and system for monitoring water quality using a drone that can be provided.

일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템에 의해 수행되는 수질현황 모니터링 방법은, 드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득하는 단계; 및 상기 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.The water quality monitoring method performed by the water quality monitoring system using a drone implemented through a computer device according to an embodiment includes the steps of mounting a multi-spectral sensor on the drone, and acquiring a multi-spectral image for an area requiring monitoring ; And after converting the multi-spectral image to a vegetation index, the multi-spectral image and the correlation between the vegetation index and water quality factors may include predicting the eutrophication state and water pollution level for each point.

상기 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과 RGB 영상을 취득하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include acquiring a thermal infrared image and an RGB image through the thermal infrared camera and the RGB camera of the drone.

예측된 상기 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도와, 상기 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 분포와 상기 RGB 영상을 통해 파악된 수온 흐름을 이용하여 녹조 발생 이전에 수질 현황과 녹조 발생 가능성을 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.Using the predicted eutrophication state and water pollution level for each point, the water temperature distribution identified through the thermal infrared image, and the water temperature flow identified through the RGB image, the step of identifying the water quality status and the possibility of algae occurrence before the occurrence of algae may include more.

상기 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계는, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수과 상기 수질인자의 상관관계를 상관분석 및 회귀분석을 통해 수질예측모형을 제작 후 분석할 수 있다.In the step of predicting the eutrophication state and water pollution level for each point through the correlation, the correlation between the multi-spectral image and the vegetation index and the water quality factor can be analyzed after making a water quality prediction model through correlation analysis and regression analysis. .

상기 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계는, 상관분석 및 회귀분석을 통해 제작된 상기 수질예측모형에 식생지수들을 입력하여 수질오염에 기여하는 클로로필-a 및 영양염류인자를 파악할 수 있다.In the step of predicting the eutrophication state and water pollution level by point through the correlation, chlorophyll-a and nutrient factors contributing to water pollution by inputting vegetation indices to the water quality prediction model produced through correlation analysis and regression analysis can figure out

상기 식생지수는 영상으로 획득되어, 식생지수 영상, 상기 열적외선 영상 및 상기 RGB 영상을 신경망 기반 수질예측모형에 입력하여 수질 분포 맵을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.The vegetation index may be obtained as an image, and the method may further include outputting a water quality distribution map by inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to a neural network-based water quality prediction model.

상기 다중분광영상을 취득하는 단계는, 취득된 상기 다중분광영상은 영상 처리를 통해 이미지들을 정합하여 지역의 지도로 활용되는 다중분광 정사영상으로 제작될 수 있다.In the acquiring of the multi-spectral image, the acquired multi-spectral image may be produced as a multi-spectral orthogonal image used as a map of a region by matching images through image processing.

각 지역마다 채수를 진행하여 수질분석을 실시하여 수질오염에 기여하는 상기 수질인자를 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include the step of identifying the water quality factors contributing to water pollution by performing water quality analysis by collecting water for each region.

다른 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템은, 드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득하는 다중분광영상 수집부; 및 상기 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 수질오염도 예측부를 포함하여 이루어질 수 있다.A water quality monitoring system using a drone according to another embodiment includes: a multi-spectral image collecting unit that mounts a multi-spectral sensor on the drone and acquires a multi-spectral image for an area requiring monitoring; And after converting the multi-spectral image to the vegetation index, the multi-spectral image and the correlation between the vegetation index and water quality factors, the water pollution degree prediction unit for predicting the eutrophication state and water pollution level for each point can be made including.

상기 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과 RGB 영상을 취득하는 열적외선 영상 및 RGB 영상 수집부를 더 포함할 수 있다.It may further include a thermal infrared image and RGB image collecting unit for acquiring the thermal infrared image and the RGB image through the thermal infrared camera and the RGB camera of the drone.

예측된 상기 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도와, 상기 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 분포와 상기 RGB 영상을 통해 파악된 수온 흐름을 이용하여 녹조 발생 이전에 수질 현황과 녹조 발생 가능성을 파악하는 녹조 가능성 판단부를 더 포함할 수 있다.Using the predicted eutrophication state and water pollution level for each point, the water temperature distribution identified through the thermal infrared image, and the water temperature flow identified through the RGB image, the water quality status and the possibility of algal bloom before the occurrence of algal blooms. It may further include a determination unit.

상기 수질오염도 예측부는, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수과 상기 수질인자의 상관관계를 상관분석 및 회귀분석을 통해 수질예측모형을 제작 후 분석할 수 있다.The water pollution level prediction unit may analyze the multi-spectral image and the correlation between the vegetation index and the water quality factor after producing a water quality prediction model through correlation analysis and regression analysis.

상기 수질오염도 예측부는, 상관분석 및 회귀분석을 통해 제작된 상기 수질예측모형에 식생지수들을 입력하여 수질오염에 기여하는 클로로필-a 및 영양염류인자를 파악할 수 있다.The water pollution level prediction unit can identify chlorophyll-a and nutrient factors contributing to water pollution by inputting vegetation indices into the water quality prediction model produced through correlation analysis and regression analysis.

상기 식생지수는 영상으로 획득되어, 식생지수 영상, 상기 열적외선 영상 및 상기 RGB 영상을 신경망 기반 수질예측모형에 입력하여 수질 분포 맵을 출력하는 수질 분포 맵 제공부를 더 포함할 수 있다.The vegetation index is obtained as an image, and may further include a water quality distribution map providing unit for outputting a water quality distribution map by inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to a neural network-based water quality prediction model.

상기 다중분광영상 수집부는, 취득된 상기 다중분광영상은 영상 처리를 통해 이미지들을 정합하여 지역의 지도로 활용되는 다중분광 정사영상으로 제작될 수 있다.The multi-spectral image collecting unit, the acquired multi-spectral image may be produced as a multi-spectral orthogonal image used as a map of a region by matching the images through image processing.

실시예들에 따르면 녹조 현상을 모니터링할 경우, 녹조 발생 이전에 녹조 발생 가능성을 미리 경고하고 모니터링 결과에 따라 대응하여 사전에 녹조 발생을 예방할 수 있는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.According to embodiments, when monitoring algal blooms, it is possible to provide a method and system for monitoring water quality using a drone that can prevent algal blooms in advance by warning in advance of the possibility of algal blooms before occurrence of algal blooms and responding according to the monitoring results. have.

또한, 실시예들에 따르면 녹조 현상의 원인이 되는 영양염류인자를 현장 샘플링 없이 드론 영상을 통해 광범위한 영역에 대해 파악할 수 있어, 모니터링에 소요되는 시간과 자원을 크게 줄일 수 있는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템을 제공할 수 있다. In addition, according to embodiments, it is possible to identify nutrient factors that cause algal blooms in a wide area through drone images without on-site sampling, so monitoring the water quality using a drone that can greatly reduce the time and resources required for monitoring Methods and systems can be provided.

또한, 실시예들에 따르면 영양염류인자뿐만 아니라 영역 별 수온 현황과 물의 흐름을 파악하여, 녹조가 발생될 가능성을 정밀하게 예측할 수 있는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템을 제공할 수 있다. In addition, according to embodiments, it is possible to provide a water quality monitoring method and system using a drone capable of accurately predicting the possibility of algal bloom by identifying the water temperature status and water flow for each area as well as nutrient factors.

도 1은 일 실시예에 따른 다중분광영상과 수질인자 간의 상관관계를 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 드론에서 촬영한 다중분광영상을 변환한 식생지수 영상을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 회귀분석에 따른 수질예측모형 제작 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 수질 분포 맵의 제작 결과를 나타내는 도면이다.
1 is a diagram for explaining a process of analyzing a correlation between a multispectral image and a water quality factor according to an embodiment.
2 is a block diagram illustrating a water quality monitoring system using a drone according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a water quality monitoring method using a drone according to an embodiment.
4 is a diagram illustrating a vegetation index image obtained by converting a multi-spectral image taken by a drone according to an embodiment.
5 is a diagram illustrating a result of producing a water quality prediction model according to a regression analysis according to an embodiment.
6 is a diagram illustrating a result of manufacturing a water quality distribution map according to an exemplary embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description.

녹조는 발생 전에 미리 대처할 경우 그 피해가 적으나, 기존 연구와 같이 녹조현상을 나타내는 인자와 드론의 영상을 비교하여 녹조가 발생된 후에 녹조 현상을 파악할 경우, 이미 피해가 상당히 발생하였을 것이며 녹조를 제거하기 위한 대응에도 더 많은 자원이 소모된다. The damage to algae is small if it is dealt with in advance, but if, as in previous studies, the algae phenomenon is identified after the occurrence of algae by comparing the image of the factor indicating the algal phenomenon with the image of the drone, the damage would have already occurred and the algae should be removed. It also consumes more resources to respond.

아래의 실시예들은 녹조 발생 이전에 녹조 현상을 일으키는 인자들을 드론에서 획득된 다양한 영상 데이터를 이용하여 파악하여, 녹조 발생을 미리 예측하고 효과적으로 대비하고자 한다. The following embodiments attempt to predict and effectively prepare for the occurrence of algal blooms by identifying factors causing algal blooms before the occurrence of algal blooms by using various image data acquired from drones.

구체적으로, 실시예들은 녹조 발생의 가장 큰 원인이 되는 영양염류인자 및 간접적 지표인 클로로필-a를 드론의 다중분광영상과의 상관관계를 통해 파악하고, 파악된 영양염류인자에 따라서 녹조 발생 가능성을 예측할 수 있다. 또한, 실시예들은 영양염류인자뿐만 아니라 드론의 열적외선 영상을 통해 녹조 발생에 영향을 미치는 수온을 파악하고, 드론의 영상을 통해 물의 흐름을 파악하여 녹조 발생 가능성을 더욱 정밀하게 예측하는 모델을 제공할 수 있다. Specifically, the Examples identify the nutrient factor, which is the biggest cause of the occurrence of algae, and chlorophyll-a, an indirect indicator, through correlation with the multi-spectral image of the drone, and determine the possibility of the occurrence of algae according to the identified nutrient factor. predictable. In addition, the embodiments provide a model for more precisely predicting the possibility of algae occurrence by identifying not only nutrient factors but also the water temperature that affects the occurrence of algae through the thermal infrared image of the drone, and the flow of the water through the image of the drone. can do.

도 1은 일 실시예에 따른 다중분광영상과 수질인자 간의 상관관계를 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining a process of analyzing a correlation between a multispectral image and a water quality factor according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 수행과정은 현장 측정을 통한 데이터 취득 및 전처리를 통한 기초자료수집(101~107), 측정된 데이터의 정확도 검증 및 보정(108, 109), 그리고 분석을 통해 소하천의 수질 분포 파악 및 평가(110~112) 과정으로 수행하였다.Referring to FIG. 1 , the process of this embodiment includes data acquisition through on-site measurement and basic data collection through pre-processing (101 to 107), accuracy verification and correction of measured data (108, 109), and small rivers through analysis was carried out in the process of identifying and evaluating the distribution of water quality (110~112).

수집된 자료의 정확한 비교분석을 위해 8월 9일, 9월 30일 두 시기에 대해 UAV 영상 촬영(101), 지상분광계 측정(102) 및 채수(103)를 실시하였다. UAV 운용 시에는 사전 현장조사를 통해 비행 지점을 선정하고, 촬영 및 비행에 대한 승인을 받은 후 진행하였다. 또한 정사영상 제작 시 기하보정을 실시하기 위해 사전에 RTK 장비를 활용하여 GCP(Ground Control Point)를 취득하였다.For accurate comparative analysis of the collected data, UAV imaging (101), terrestrial spectrometer measurement (102), and collection (103) were performed for two periods on August 9 and September 30. In the case of UAV operation, a flight point was selected through a preliminary on-site investigation, and approval for filming and flight was obtained before proceeding. In addition, GCP (Ground Control Point) was acquired by using RTK equipment in advance to perform geometric correction when producing orthographic images.

비행 시에는 QgroundControl 어플리케이션을 사용하여 비행고도, 시간, 면적, 속도 등을 UAV 및 장착된 Red edge-M 다중분광 센서 사양을 고려하여 계획하였다. 비행 후 취득된 영상은 PIX4D mapper 소프트웨어에서 영상 전처리, 초기처리 및 기하보정, 포인트 클라우드 생성, 방사보정 및 최종처리작업을 실시(104)하여 Blue, Green, Red, Red edge, NIR(Near-infrared ray) 5가지 파장의 정사영상을 제작하였다. 기하보정 시에는 사전에 취득된 GCP를 활용하였다.During flight, flight altitude, time, area, speed, etc. were planned by using the QgroundControl application in consideration of the specifications of the UAV and the mounted Red edge-M multi-spectral sensor. The images acquired after flight are processed (104) by image pre-processing, initial processing and geometric correction, point cloud generation, radiation correction, and final processing in PIX4D mapper software to obtain Blue, Green, Red, Red edge, NIR (Near-infrared ray) ) Orthoimages of 5 wavelengths were produced. GCPs obtained in advance were used for geometric correction.

지상분광계 측정(102)은 연구 대상지 내 존재하는 대표적인 재질의 분광특성을 파악하기 위해 하천, 식생, 도로, 야적퇴비, 비닐하우스 5가지 토지피복유형 및 수질 채수 지점에 대하여 측정(105, 106)을 실시하였다. Ground spectrometer measurement (102) measures 5 types of land cover and water quality sampling points (105, 106) for rivers, vegetation, roads, yard composts, and plastic houses in order to understand the spectral characteristics of representative materials existing in the research site. carried out.

측정된 데이터는 본 실시예의 목적인 소하천의 수질 분포 파악을 위해 다음과 같은 과정에 활용하였다. UAV 영상의 검증 및 보정 과정에는 제작된 정사영상을 동일한 시기에 측정된 토지피복유형별 지상분광계 자료를 기준으로 다중분광 영상 보정에 적합한 회귀모델을 제작하여 영상의 검증 및 보정(109)을 실시하였다. 제작된 정사영상의 영상값 추출 시에는 ArcGIS 10.6 소프트웨어의 Zonal statistics 도구를 활용하였으며, 지상분광계 값은 Red edge-M 다중분광 센서 파장(Blue, Green, Red, Red edge, NIR)과 중첩되는 부분의 값을 추출하여 활용하였다. 수질 채수 지점에 대한 지상분광계 측정 데이터는 우선 토지피복 유형 중 콘크리트, 비포장도로, 아스팔트 등 도로 재질 측정 데이터와 분광특성 비교를 통해 지상분광계 측정값이 수면에 대한 측정값임을 확인하였다.The measured data was used in the following process to understand the water quality distribution of small rivers, which is the purpose of this example. In the verification and correction process of the UAV image, a regression model suitable for multi-spectral image correction was made based on the ground spectrometer data for each land cover type measured at the same time for the produced orthographic image, and the image was verified and corrected (109). The zonal statistics tool of ArcGIS 10.6 software was used to extract the image value of the produced orthogonal image, and the terrestrial spectrometer value was obtained from the overlapping part with the wavelengths of the Red edge-M multi-spectral sensor (Blue, Green, Red, Red edge, NIR). The values were extracted and used. The ground spectrometer measurement data for the water quality sampling point was first confirmed that the ground spectrometer measurement value was the water surface measurement value by comparing the spectral characteristics with the road material measurement data such as concrete, unpaved road, and asphalt among land cover types.

그 후, 채수 지점에 대한 지상분광계 측정값과 UAV 영상값의 상관분석을 실시(110)하여 수질과 UAV 영상의 비교분석 시 활용한 UAV 영상값이 하천 바닥면의 영향을 배제한 수면의 값임을 검증하는 과정에 활용하였다. 보정된 다중분광 영상(Blue, Green, Red, Red edge, NIR)은 식생, 녹조 탐지에 활용되는 식생지수 NDVI, NDRE, CIRE, CVI, GNDVI, NGRDI 영상 제작에 활용하였다. 제작된 영상은 각 수질 채수 지점에 대한 영상값 추출 후 채수한 시료의 BOD, COD, TN, TP, Chl-a, SS 수질 분석값과 상관분석을 통해 각 수질인자의 분광특성 및 분포 파악을 위한 파장영역을 확인하였다. 다음으로, 상관분석 결과 유의수준 0.05 범위(p< 0.05)에서 상관관계를 보인 수질 항목은 수질예측모형을 개발하기 위해 회귀분석을 실시(110)하였다. 마지막으로, 회귀분석 결과 개발한 수질예측모형 중 가장 높은 설명력을 가지는 모형을 선정하여 ArcGIS 소프트웨어의 Raster calculator 도구를 통해 항목별 수질 분포 맵을 제작(111)하였다. 제작된 맵은 소하천 수질 분포 파악 가능성 분석, 농도가 높게 도출되는 지점에 대한 원인분석(112)에 활용하였다.After that, correlation analysis of the terrestrial spectrometer measurement value and the UAV image value for the sampling point is performed (110) to verify that the UAV image value used in the comparative analysis of water quality and UAV image is the value of the water surface excluding the influence of the river bottom. was used in the process. The corrected multispectral images (Blue, Green, Red, Red edge, NIR) were used to produce the vegetation index NDVI, NDRE, CIRE, CVI, GNDVI, and NGRDI images used to detect vegetation and algae. The produced image is a wavelength for identifying the spectral characteristics and distribution of each water quality factor through correlation analysis with the BOD, COD, TN, TP, Chl-a, SS water quality analysis values of the samples collected after extracting the image values for each water quality sampling point. area was confirmed. Next, as a result of correlation analysis, regression analysis was performed (110) to develop a water quality prediction model for water quality items that showed a correlation in the significance level of 0.05 (p<0.05). Finally, as a result of the regression analysis, the model with the highest explanatory power among the developed water quality prediction models was selected and a water quality distribution map for each item was produced (111) through the Raster calculator tool of ArcGIS software. The prepared map was used for analysis of the possibility of understanding the distribution of water quality in small rivers, and for cause analysis (112) of the point where the concentration was high.

도 2는 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a water quality monitoring system using a drone according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템(200)은 다중분광영상 수집부(210) 및 수질오염도 예측부(230)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 실시예에 따라 열적외선 영상 및 RGB 영상 수집부(220), 수질인자 파악부, 녹조 가능성 판단부(240) 및 수질 분포 맵 제공부(250)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the water quality monitoring system 200 using a drone according to an embodiment may include a multi-spectral image collecting unit 210 and a water pollution level prediction unit 230 . In addition, according to an embodiment, it may further include a thermal infrared image and RGB image collecting unit 220 , a water quality factor determining unit, a green algae possibility determining unit 240 , and a water quality distribution map providing unit 250 .

먼저, 다중분광영상 수집부(210)는 드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 다중분광영상을 취득할 수 있다. 또한, 열적외선 영상 및 RGB 영상 수집부(220)는 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과, RGB 영상을 추가로 취득할 수 있다. First, the multi-spectral image collecting unit 210 may mount a multi-spectral sensor on the drone to acquire a multi-spectral image in an area requiring monitoring. In addition, the thermal infrared image and RGB image collecting unit 220 may additionally acquire a thermal infrared image and an RGB image through the thermal infrared camera and RGB camera of the drone.

다중분광영상 수집부(210)는 취득된 이미지는 영상 처리를 통해 이미지들을 정합하여 지역의 지도로 활용될 수 있는 다중분광 정사영상을 제작하고, 지역의 지점 별로 식생지수(NDVI, NDRE, CIRE, CVI, NGRDI, GNDVI)를 제작할 수 있다. The multispectral image collecting unit 210 produces a multispectral orthogonal image that can be used as a map of the region by matching the acquired images through image processing, and the vegetation index (NDVI, NDRE, CIRE, CVI, NGRDI, GNDVI) can be produced.

수질인자 파악부는 각 지역마다 채수를 진행하여 수질분석을 실시하여 수질오염에 기여하는 BOD, COD, TN, TP, Chl-a, SS 인자를 파악할 수 있다. 그리고 수질오염도 예측부(230)는 다중분광 및 식생지수들과 수질인자의 상관관계를 상관분석(상관성 분석) 및 회귀분석을 통해 수질예측모형 제작 후 분석할 수 있다. The water quality factor identification unit can identify BOD, COD, TN, TP, Chl-a, and SS factors that contribute to water pollution by performing water quality analysis by collecting water for each region. In addition, the water pollution level prediction unit 230 may analyze the correlation between multiple spectroscopy and vegetation indices and water quality factors after producing a water quality prediction model through correlation analysis (correlation analysis) and regression analysis.

그 결과 BOD 항목의 경우 Red 파장과 -0.74의 음(-)의 상관관계를 확인하였고, 클로로필-a의 경우 NDVI, CVI, GNDVI, NGRDI와 각 0.89, 0.76, 0.91, 0.71의 양(+)의 상관관계를 확인할 수 있다. 마지막으로, 총 질소의 경우 NDVI, GNDVI와 0.94, 0.87의 높은 양(+)의 상관관계를 보임을 확인할 수 있다.As a result, in the case of the BOD item, a negative (-) correlation of -0.74 with the red wavelength was confirmed, and in the case of chlorophyll-a, NDVI, CVI, GNDVI, and NGRDI were positive (+) of 0.89, 0.76, 0.91, and 0.71, respectively. correlation can be confirmed. Finally, in the case of total nitrogen, it can be seen that NDVI and GNDVI show high positive (+) correlations of 0.94 and 0.87.

즉, 식생지수들과 클로로필-a, 영양염류인자들 간의 상관관계가 있음이 명확하기 때문에, 회귀분석을 통한 모델에 식생지수들을 입력하여 클로로필-a, 영양염류인자들을 파악 가능함을 알 수 있다.That is, since it is clear that there is a correlation between the vegetation indices, chlorophyll-a, and nutrient factors, it can be seen that chlorophyll-a and nutrient factors can be identified by inputting the vegetation indices to the model through regression analysis.

이에 따라 녹조 가능성 판단부(240)는 다중분광영상을 식생지수로 변환한 다음, 상관관계를 통해 각 영양염류인자들을 파악하고, 영양염류 인자들과 함께 열적외선 카메라를 통해 얻은 수온 분포와 RGB 영상의 수온 흐름을 통해 녹조 발생 전에 수질현황과 녹조 발생 가능성을 정밀하게 예측할 수 있다.Accordingly, the green algae possibility determination unit 240 converts the multispectral image into a vegetation index, and then identifies each nutrient factor through correlation, and the water temperature distribution and RGB image obtained through a thermal infrared camera together with the nutrient factor. Through the flow of water temperature, it is possible to accurately predict the water quality status and the possibility of algal blooms before the occurrence of algal blooms.

특히, 식생지수는 영상으로 획득이 가능하고, 열적외선 영상과 RGB 영상의 경우에도 이미지이므로, 신경망 학습을 통해 녹조 발생 가능성을 손쉽게 예측할 수 있다. 즉, 드론을 통해 촬영된 광범위한 지역의 영상을 통해 수질현황과 녹조 발생 가능성을 미리 파악하고 모니터링하는 시스템을 구현할 수 있다.In particular, the vegetation index can be obtained as an image, and since the thermal infrared image and the RGB image are also images, the possibility of algal blooms can be easily predicted through neural network learning. In other words, it is possible to implement a system to identify and monitor the water quality status and the possibility of algal blooms in advance through images of a wide area captured by drones.

수질 분포 맵 제공부(250)는 식생지수 영상과 열적외선 영상, RGB 영상을 신경망에 입력하여 출력으로 하천녹조지도를 획득할 수 있다.The water quality distribution map providing unit 250 may obtain a river green algae map as an output by inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to the neural network.

도 3은 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법을 나타내는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a water quality monitoring method using a drone according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템에 의해 수행되는 수질현황 모니터링 방법은, 드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득하는 단계(310), 및 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 다중분광영상 및 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계(330)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 3 , a water quality monitoring method performed by a water quality monitoring system using a drone implemented through a computer device according to an embodiment is performed by mounting a multi-spectral sensor on the drone, thereby providing multiple monitoring for an area requiring monitoring. Acquiring a spectral image (310), and after converting the multispectral image to a vegetation index, predicting the eutrophication state and water pollution level for each point through the correlation between the multispectral image and the vegetation index and water quality factors (330) ) can be included.

여기서, 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과 RGB 영상을 취득하는 단계(320)를 더 포함할 수 있다.Here, the method may further include the step 320 of acquiring the thermal infrared image and the RGB image through the thermal infrared camera and the RGB camera of the drone.

또한, 예측된 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도와, 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 분포와 RGB 영상을 통해 파악된 수온 흐름을 이용하여 녹조 발생 이전에 수질 현황과 녹조 발생 가능성을 파악하는 단계(340)를 더 포함할 수 있다.In addition, using the predicted eutrophication state and water pollution level at each point, the water temperature distribution identified through the thermal infrared image, and the water temperature flow identified through the RGB image, the step of identifying the water quality and the possibility of the occurrence of algae before the occurrence of algae (340) ) may be further included.

또한, 식생지수는 영상으로 획득되어, 식생지수 영상, 열적외선 영상 및 RGB 영상을 신경망 기반 수질예측모형에 입력하여 수질 분포 맵을 출력하는 단계(350)를 더 포함할 수 있다.In addition, the vegetation index is obtained as an image, and inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to a neural network-based water quality prediction model may further include outputting a water quality distribution map ( 350 ).

그리고, 각 지역마다 채수를 진행하여 수질분석을 실시하여 수질오염에 기여하는 수질인자를 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include the step of identifying water quality factors contributing to water pollution by performing water quality analysis by collecting water for each region.

아래에서 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법의 각 단계를 보다 상세히 설명한다.Below, each step of the water quality monitoring method using a drone according to an embodiment will be described in more detail.

일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법은 도 2에서 설명한 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템(200)을 예를 들어 설명할 수 있다.The water quality monitoring method using a drone according to an embodiment may be described by taking the water quality monitoring system 200 using a drone according to the embodiment described with reference to FIG. 2 as an example.

단계(310)에서, 다중분광영상 수집부(210)는 드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득할 수 있다. 보다 구체적으로, 다중분광영상 수집부(210)는 취득된 다중분광영상은 영상 처리를 통해 이미지들을 정합하여 지역의 지도로 활용되는 다중분광 정사영상으로 제작될 수 있다.In step 310 , the multi-spectral image collecting unit 210 may acquire a multi-spectral image for an area requiring monitoring by mounting a multi-spectral sensor on the drone. More specifically, the multi-spectral image collecting unit 210 may be produced as a multi-spectral orthogonal image that is used as a map of a region by matching the acquired multi-spectral images through image processing.

단계(320)에서, 열적외선 영상 및 RGB 영상 수집부(220)는 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과 RGB 영상을 추가로 취득할 수 있다.In step 320 , the thermal infrared image and RGB image collecting unit 220 may additionally acquire the thermal infrared image and the RGB image through the thermal infrared camera and RGB camera of the drone.

한편, 수질인자 파악부는 각 지역마다 채수를 진행하여 수질분석을 실시하여 수질오염에 기여하는 수질인자를 파악할 수 있다.Meanwhile, the water quality factor identification unit may perform water quality analysis by collecting water for each region to identify water quality factors contributing to water pollution.

단계(330)에서, 수질오염도 예측부(230)는 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 다중분광영상 및 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측할 수 있다.In step 330, the water pollution level prediction unit 230 converts the multi-spectral image to a vegetation index, and then predicts the eutrophication state and water pollution level for each point through the multi-spectral image and the correlation between the vegetation index and water quality factors. have.

보다 구체적으로, 수질오염도 예측부(230)는 다중분광영상 및 식생지수과 수질인자의 상관관계를 상관분석 및 회귀분석을 통해 수질예측모형을 제작 후 분석할 수 있다. 또한, 수질오염도 예측부(230)는 상관분석 및 회귀분석을 통해 제작된 수질예측모형에 식생지수들을 입력하여 수질오염에 기여하는 클로로필-a 및 영양염류인자를 파악할 수 있다.More specifically, the water pollution level prediction unit 230 may analyze the multispectral image and the correlation between the vegetation index and the water quality factor through correlation analysis and regression analysis after producing a water quality prediction model. In addition, the water pollution level prediction unit 230 can identify chlorophyll-a and nutrient factors contributing to water pollution by inputting vegetation indices into the water quality prediction model produced through correlation analysis and regression analysis.

단계(340)에서, 녹조 가능성 판단부(240)는 예측된 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도와, 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 분포와 RGB 영상을 통해 파악된 수온 흐름을 이용하여 녹조 발생 이전에 수질 현황과 녹조 발생 가능성을 파악할 수 있다.In step 340, the algae possibility determination unit 240 uses the predicted eutrophication state and water pollution level for each point, the water temperature distribution identified through the thermal infrared image, and the water temperature flow identified through the RGB image before the occurrence of algae. You can check the water quality and the possibility of algal blooms.

단계(350)에서, 수질 분포 맵 제공부(250)는 식생지수는 영상으로 획득되어, 식생지수 영상, 열적외선 영상 및 RGB 영상을 신경망 기반 수질예측모형에 입력하여 수질 분포 맵을 출력할 수 있다.In step 350, the water quality distribution map providing unit 250 can output a water quality distribution map by inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to the neural network-based water quality prediction model by obtaining the vegetation index as an image. .

이상과 같이, 실시예들은 드론으로 획득된 다중분광영상 및 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측할 수 있다. As described above, the embodiments can predict the eutrophication state and water pollution level for each point through the correlation between the multispectral image and the vegetation index and water quality factors acquired by drones.

또한, 실시예들은 부영양화 상태뿐만 아니라 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 현황과 RGB 영상을 통해 파악된 물 흐름을 통해 녹조 발생 가능성을 파악할 수 있다. In addition, in the embodiments, it is possible to determine the possibility of algae occurrence not only through the eutrophication state, but also through the water temperature status identified through the thermal infrared image and the water flow identified through the RGB image.

그리고, 실시예들은 식생지수 영상과 열적외선 영상, RGB 영상을 신경망에 입력하여 출력으로 하천녹조지도를 획득할 수 있다.In addition, the embodiments may obtain a river green algae map as an output by inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to the neural network.

아래에서는 하나의 실시예를 들어 일 실시예에 따른 드론을 이용한 수질현황 모니터링 방법 및 시스템을 설명한다.Hereinafter, a method and system for monitoring water quality using a drone according to an embodiment will be described.

실시예Example

먼저, 드론을 이용한 수질현황 모니터링을 위한 데이터를 수집할 수 있다. 여기서, 데이터는 드론(UAV) 촬영 영상, 지상분광계 측정 및 수질 채수 데이터를 포함할 수 있다.First, it is possible to collect data for monitoring water quality using a drone. Here, the data may include drone (UAV) captured images, ground spectrometer measurement, and water quality sampling data.

본 실시예에서 UAV 및 Red edge-M 다중분광 센서를 사용할 수 있으며, 농업지역의 특성을 고려하여 이륙 및 착륙 지점에 제한이 큰 고정익 UAV가 아닌 다중분광 센서, LiDAR, 열적외선 등 다양한 센서의 장착이 가능한 회전익 UAV를 활용할 수 있다. 저가형 회전익 UAV인 3DR solo(3DR Robotics 社) 기체에 Red edge-M(Micasense 社) 다중분광 센서를 장착하여 촬영하였고, 비행 전 방사보정을 위해 캘리브레이션 판넬을 2-3회 촬영하였다. 다음으로 비행계획 수립 시 사전 현장조사를 통해 현장의 지형, 지물의 위치 및 특성을 파악한 후 고도 100m(GSD: 7.4 cm/pixcel), 중복도 75%, 비행시간 약 12분(100,000 m 2/회)으로 비행하였다.In this embodiment, UAV and Red edge-M multi-spectral sensors can be used, and in consideration of the characteristics of agricultural areas, various sensors such as multi-spectral sensors, LiDAR, thermal infrared, etc. This possible rotorcraft UAV can be utilized. 3DR solo (3DR Robotics), a low-cost rotorcraft UAV, was equipped with a Red edge-M (Micasense) multi-spectral sensor to shoot, and the calibration panel was photographed 2-3 times for radiation correction before flight. Next, when establishing a flight plan, after identifying the topography and features of the site through a preliminary on-site survey, an altitude of 100 m (GSD: 7.4 cm/pixcel), an overlap of 75%, a flight time of about 12 minutes (100,000 m 2/time) ) was flown.

UAV 영상은 Red edge-M 센서 취득 파장범위에 따라 취득되었으며, 총 5개의 밴드(Blue, Green, Red, Red edge, NIR)로 구성되어 있다. 1회 촬영 시 각 밴드별로 5개의 파장에 대한 사진이 촬영되고, 대상지에 대해 기상상황에 따라 수질 채수 지점을 포함하는 약 12-14회 비행을 실시하여 1회당 약 1,500장, 총 18,000-21,000장의 대상지 전체 면적 영상을 취득하였다.The UAV image was acquired according to the acquisition wavelength range of the Red edge-M sensor, and consists of a total of 5 bands (Blue, Green, Red, Red edge, NIR). At one time, photos of 5 wavelengths for each band are taken, and depending on the weather conditions, about 1,500 photos per one time, a total of 18,000-21,000 photos, are carried out for about 12-14 flights including the water quality sampling point depending on the weather conditions. An image of the entire area of the target site was acquired.

UAV를 운용하여 촬영한 영상 맵핑에는 PIX4D mapper 소프트웨어(PIX4D 社)를 활용하였다. PIX4D mapper 소프트웨어는 UAV 영상과 같은 2D 이미지를 활용하여 고정밀 지도와 3D모델을 생성하는 프로그램이다. 또한 SIFT(Scale Invariant Feature Transform) 방식을 사용하여 자료수집에 활용한 UAV 특성상 흔들림이 있을 수 있는 사진에 대해 일정한 영상 정합 성능을 유지할 수 있고, SFM(Structure from Motion) 알고리즘을 적용하여 다방향에서 찍은 영상의 3차원 좌표 데이터를 복원하여 영상의 왜곡보정이 가능한 장점이 있어 본 실시예의 다중분광 정사영상 제작에 활용하였다. 다중분광 정사영상 제작은 영상 전처리, 초기처리, 포인트 클라우드 생성, 오쏘 모자이크(Ortho mosaic) 생성의 4단계를 거쳐 제작된다. 1단계 영상 전처리 단계에서는 촬영된 사진 좌표, 고도 등의 정보를 확인하여 정사영상 제작 시 노이즈를 유발할 수 있는 사진을 사전에 제거하는 단계이다. PIX4D mapper software (PIX4D, Inc.) was used to map the images taken by operating the UAV. PIX4D mapper software is a program that creates high-precision maps and 3D models using 2D images such as UAV images. In addition, by using the SIFT (Scale Invariant Feature Transform) method, it is possible to maintain a constant image matching performance for photos that may be shaken due to the characteristics of the UAV used for data collection. It has the advantage of being able to correct the distortion of an image by restoring the three-dimensional coordinate data of the image, so it was used in the production of the multispectral orthogonal image of this embodiment. Multispectral orthoimage production is produced through four steps: image preprocessing, initial processing, point cloud generation, and ortho mosaic generation. In the first stage image preprocessing stage, information such as the coordinates and altitude of the photographed photo is checked, and the photo that may cause noise during orthogonal image production is removed in advance.

2단계 초기처리 과정은 업로드한 이미지 사이에서 공통점(Key point)을 자동으로 탐색하여 하나의 3D 점을 생성하고, 정합하는 과정이다. 본 실시예에서는 2단계 초기처리 과정 후 영상의 기하보정을 위해 사전에 대상지 내에서 취득한 GCP를 입력하여 재최적화 한 후 단계별 작업을 실시하였다. 여기서, 두 개의 이미지 사이에 높은 공통점(Key point)이 있는 경우 캡처된 공통영역이 더 커지고 더 많은 공통점을 일치시킬 수 있다. 공통점(Key point)이 되기 위한 조건은 다음과 같다. 물체의 형태, 크기, 위치 등이 변해도 쉽게 식별이 가능하고, UAV에 장착된 센서의 시점, 조명이 변화하여도 영상에서 해당 지점을 쉽게 찾아낼 수 있으며, 영상에서 이러한 조건을 만족하는 이상적인 공통점은 코너점(corner point)이다.The two-step initial processing process is a process of creating and matching a single 3D point by automatically searching for a common point (key point) between uploaded images. In this embodiment, after the two-step initial processing process, for the geometric correction of the image, the GCP acquired in the target site in advance was input and re-optimized, and then the work was carried out step-by-step. Here, if there is a high key point between two images, the captured common area becomes larger and more common points can be matched. The conditions to become a key point are as follows. Even if the shape, size, and location of an object change, it is easy to identify, and even if the viewpoint and lighting of the sensor mounted on the UAV change, it is easy to find the corresponding point in the image. It is a corner point.

재최적화 과정이 완료된 후, 3단계 포인트 클라우드 생성 단계를 진행하였다. 마지막으로 각 파장마다 비행 전 촬영하였던 캘리브레이션 판넬 촬영사진을 기반으로 방사보정(Blue : 0.506, Green : 0.509, Red : 0.511, Red edge : 0.511, NIR : 0.512) 후 정사영상을 제작하였다. After the re-optimization process was completed, a three-step point cloud generation step was performed. Finally, an orthographic image was produced after radiation correction (Blue: 0.506, Green: 0.509, Red: 0.511, Red edge: 0.511, NIR: 0.512) based on the photos of the calibration panel taken before flight for each wavelength.

제작된 다중분광 영상은 소하천의 수질 분포 및 특성 파악 시 UAV 다중분광센서에서 기본적으로 취득되는 파장인 Blue, Red, Green, Red edge, NIR 다섯 가지 파장뿐만 아니라 단파장의 조합을 통해 산출 가능한 식생지수 영상을 활용하고자 하였다.The produced multi-spectral image is a vegetation index image that can be calculated through a combination of short wavelengths as well as five wavelengths, Blue, Red, Green, Red edge, and NIR, which are basically acquired from the UAV multi-spectral sensor when identifying the water quality distribution and characteristics of small streams. was intended to be used.

식생지수는 녹조, 영양염류 등 하천 수질 및 식생 모니터링에 활용되는 6가지 식생지수를 선정하였다. 선정된 식생지수 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index), NDRE(Normalized Difference Red edge), CIRE(Chlorophyll Index Red edge), CVI(Chlorophyll Vegetation Index), GNDVI(Green Normalized Difference Vegetation Index), NGRDI(Normalized Green/Red Difference Index)는 PIX4D mapper 소프트웨어에서 제작된 정사영상을 ArcGIS 10.6 소프트웨어의 Raster calculator 도구를 활용하여 제작하였으며, 산출식은 표 1과 같이 나타낼 수 있다.As for the vegetation index, six vegetation indices such as green algae and nutrients were selected to be used for monitoring river water quality and vegetation. Selected vegetation index NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), NDRE (Normalized Difference Red edge), CIRE (Chlorophyll Index Red edge), CVI (Chlorophyll Vegetation Index), GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index), NGRDI (Normalized Green/Red) Difference Index) was produced using the Raster calculator tool of ArcGIS 10.6 software for orthoimages made in PIX4D mapper software, and the formula can be expressed as Table 1.

[표 1][Table 1]

Figure 112021023925817-pat00001
Figure 112021023925817-pat00001

또한, UAV 기반 원격탐사 기법에 다중분광 영상을 활용하기 위해서는 지상분광계 측정을 통해 다중분광 정사영상 제작 시 실시한 방사보정의 정확도를 검증하고 영상을 보정하는 과정이 필요하다. 이에 본 실시예에서는 ASD Field spec® 4 Standard-Res Spectroradiometer(Malvern Panalytical 社) 지상분광계를 활용하였다. In addition, in order to utilize multispectral images in UAV-based remote sensing techniques, it is necessary to verify the accuracy of the radiation correction performed during the production of multispectral orthographic images through terrestrial spectrometer measurement and to correct the image. Therefore, in this example, an ASD Field spec® 4 Standard-Res Spectroradiometer (Malvern Panalytical) terrestrial spectrometer was used.

지상분광계 측정 횟수는 8월 9일(수질 채수 지점 미포함), 9월 30일 (수질 채수 지점 포함) 2회 실시하였으며, 측정 재질은 하천, 식생, 도로, 야적퇴비, 비닐하우스 재질에 대해 측정하였다. 토지피복 유형에 대한 측정 데이터는 토지피복유형별 분광특성 분석 및 UAV 다중분광 영상의 검증 및 보정에 활용하였으며, 수질 채수 지점에 대한 측정 데이터는 채수 지점 선정의 적절성 검증에 활용하였다. 이 때, 수질 채수 지점에서의 지상분광계 측정은 채수 지점별 분광특성을 분석하여 수질예측모형 제작 시 활용한 UAV 영상값이 하천 바닥면의 영향을 배제하였다는 검증을 실시함으로써 개발한 모형의 신뢰성을 확보하기 위함이다(수심이 너무 깊고, 지상분광계 장비를 착용한 조사자의 접근이 어려운 N3, N4, N5 지점의 경우 측정 항목에서 제외하였다). 측정 시간은 일사량이 높은 11:00-14:00 사이에 측정 하였으며, 기상상황(운량 등), 지면의 상태를 고려하여 측정하였다. 다음으로 측정 시 오차를 최소화하기 위해 RS3 소프트웨어를 활용하여 센서의 Optimizing 이후 재질마다 >99% 반사율의 백색패널을 활용한 White Reference 실시 후 3-5회씩 측정하였다.The terrestrial spectrometer was measured twice on August 9 (not including the water quality sampling point) and September 30 (including the water quality sampling point), and the measurement materials were measured for rivers, vegetation, roads, yard compost, and plastic house materials. . The measurement data on land cover type was used for spectral characteristic analysis by land cover type and verification and correction of UAV multi-spectral images, and the measurement data for water quality sampling points were used to verify the appropriateness of the selection of collection points. At this time, the terrestrial spectrometer measurement at the water quality sampling point analyzes the spectral characteristics of each water sampling point and verifies that the UAV image value used in the production of the water quality prediction model excludes the influence of the river bed, thereby confirming the reliability of the developed model. (In the case of points N3, N4, and N5 where the water depth is too deep and it is difficult for an investigator wearing ground spectrometer equipment to access it, it was excluded from the measurement items). The measurement time was measured between 11:00-14:00 when the amount of insolation is high, and it was measured in consideration of weather conditions (cloudiness, etc.) and ground conditions. Next, after optimizing the sensor using RS3 software to minimize the measurement error, the White Reference was performed using a white panel with >99% reflectance for each material, followed by measurements 3-5 times.

지상분광계 측정 데이터는 RS3 소프트웨어를 활용하여 취득하였기 때문에 파일 확장자(.asd)를 변환해주는 전처리 과정이 필요하다. 데이터 전처리 과정에는 ViewSpecPro 소프트웨어를 활용하였으며, .asd 확장자 파일을 ASCII 코드로 변환하는 작업을 실시하였다. 데이터의 전처리 후 측정 데이터의 분석은 다음의 방법으로 진행하였다. UAV 다중분광 영상의 검증 및 보정 시에는 지상분광계 측정 파장인 350-2500 nm에서 Red edge-M 다중분광 센서 파장 범위(Blue : 465-475 nm, Green : 550-570 nm, Red : 663-673 nm, Red edge : 712-722 nm, NIR : 820-860 nm)와 중첩되는 부분의 값을 추출한 후 평균값을 산정하여 활용하였다. 이 때, 3-5회 측정값 중 측정기기 또는 조사자에 의해 발생된 것으로 판단되는 오류는 배제하였다. 다음으로 수질 채수 지점 및 재질별 분광 특성 파악 시 입사광이 반사되는 경향을 분석하고자 하였기 때문에 측정된 값을 도식화하여 분석하였다.Since the terrestrial spectrometer measurement data was acquired using RS3 software, a preprocessing process to convert the file extension (.asd) is required. In the data preprocessing process, ViewSpecPro software was used, and the .asd extension file was converted to ASCII code. After the data pre-processing, the analysis of the measured data was carried out in the following way. When verifying and correcting UAV multi-spectral images, the wavelength range of the Red edge-M multi-spectral sensor is from 350-2500 nm, which is the measurement wavelength of the terrestrial spectrometer, (Blue: 465-475 nm, Green: 550-570 nm, Red: 663-673 nm). , Red edge: 712-722 nm, NIR: 820-860 nm) and the overlapping part were extracted and the average value was calculated and used. At this time, errors determined to be caused by the measuring device or the investigator among the 3-5 measured values were excluded. Next, in order to analyze the tendency of the incident light to be reflected when the water quality sampling point and the spectral characteristics of each material were identified, the measured values were analyzed in a diagrammatic manner.

한편, 수질 채수 지점은 농경지와 야적퇴비 분포, 하천의 합류지점을 고려한 9개 지점을 선정하였다. 이는 강우 시 비점오염원인자에 의해 인, 질소 등의 영양염류가 실제로 하천으로 유입되는지 여부와 유입된 후 부영양화 및 녹조현상을 유발하는지를 판별하기 위함이다. 수질 채수 방법은 하천 수질의 대표성을 고려하여 하천 중심부에 조사자가 접근하였고, 수심 약 50cm이상의 지점에 대해 채수를 실시하였다. 총 9개 지점에 대해 2,000 mL씩 8월 9일, 9월 30일 2회 실시하였으며 생물화학적산소요구량(BOD), 화학적산소요구량(COD), 총질소(TN), 총인(TP), 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS) 총 6개 항목에 대해 분석하였다.Meanwhile, as for the water quality collection point, nine points were selected considering the distribution of agricultural land, yard compost, and the confluence of rivers. This is to determine whether nutrients such as phosphorus and nitrogen actually flow into rivers due to non-point pollution factors during rainfall, and whether they cause eutrophication and algal blooms. As for the water quality sampling method, the investigator approached the center of the river in consideration of the representativeness of the river water quality, and the water was collected at a point more than about 50cm deep. It was conducted twice on August 9th and September 30th by 2,000 mL at a total of 9 points. Biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), chlorophyll- A (Chl-a) and suspended solids (SS) were analyzed for a total of 6 items.

다음으로, 각 지점의 수질 분석값은 수질 및 수생태계 환경기준(환경정책기본법시행령 별표-환경기준 제2조)에서 하천의 생활환경기준, 호소의 생활환경기준을 참고하여 각 항목에 대한 등급을 매긴 후 지점별 수질 특성을 분석하였다.Next, the water quality analysis value of each point is evaluated for each item by referring to the living environment standards of rivers and living environment standards of lakes in the water quality and aquatic ecosystem environmental standards (Annexed Table of the Enforcement Decree of the Framework Act on Environmental Policy-Environmental Standards Article 2). After grading, water quality characteristics were analyzed at each point.

다음으로, UAV 영상 정확성 검증 및 보정을 수행하고 수질예측모형을 제공할 수 있다.Next, UAV image accuracy verification and correction can be performed and a water quality prediction model can be provided.

수질 채수 후 분석한 수질인자 값과 UAV 영상의 상관분석 및 회귀분석을 위해 본 실시예에서는 지상분광계 측정 데이터를 기반으로 UAV 다중분광영상의 정확성을 검증 및 보정하였으며, 분석방법은 다음과 같다.For correlation analysis and regression analysis between the water quality factor values analyzed after water quality and the UAV image, in this embodiment, the accuracy of the UAV multispectral image was verified and corrected based on the terrestrial spectrometer measurement data, and the analysis method is as follows.

우선적으로 연구 대상지에 대해 측정한 지상분광계 데이터에서 UAV 다중분광 센서와 중첩되는 파장의 값을 추출한 후 동일한 지점에 대한 UAV 영상값을 추출하여 상관분석을 진행하였다. 이 때, 상관분석 결과 유의수준 0.05 이내에서 지상분광계 측정자료와 UAV 다중분광 영상의 상관관계를 확인함으로써 영상 제작 시 실시한 방사보정의 정확성을 검증하고자 하였다. 다음으로 다중분광 영상 보정 시에는 UAV 영상값과 지상분광계 데이터의 회귀분석을 통해 Blue, Green, Red, Red edge, NIR 파장별 회귀모형을 제작하였다. 다음으로 제작된 회귀모형을 활용하여 추출된 다중분광 영상 및 식생지수 영상값을 보정하였다.First, the value of the wavelength overlapping with the UAV multi-spectral sensor was extracted from the terrestrial spectrometer data measured for the study site, and then the UAV image value for the same point was extracted and correlation analysis was performed. In this case, as a result of the correlation analysis, the accuracy of the radiation correction performed during image production was verified by confirming the correlation between the terrestrial spectrometer measurement data and the UAV multispectral image within the significance level of 0.05. Next, in the case of multi-spectral image correction, regression models for each blue, green, red, red edge, and NIR wavelength were produced through regression analysis of UAV image values and terrestrial spectrometer data. Next, the extracted multispectral image and vegetation index image values were corrected by using the regression model.

도 4는 일 실시예에 따른 드론에서 촬영한 다중분광영상을 변환한 식생지수 영상을 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a vegetation index image obtained by converting a multi-spectral image taken by a drone according to an embodiment.

도 4에 도시된 바와 같이, 수질예측모형 개발 시 보정된 다중분광 영상 및 식생지수 영상과 수질 분석값의 상관분석을 실시하여 각 수질인자에 대한 상관관계를 보이는 파장을 도출함으로써 수질인자가 민감하게 반응하는 파장 도출 및 다중분광 영상을 활용한 수질 분포 파악 가능성을 확인하였다. 다음으로 수질 분포 예측을 위한 회귀모형 제작을 위해 상관분석 결과 유의수준 0.05 범위 내에서 상관관계를 보이는 항목간의 회귀분석을 실시하였다.As shown in FIG. 4, when the water quality prediction model is developed, the correlation analysis of the corrected multispectral image and the vegetation index image and the water quality analysis value is performed to derive the wavelength showing the correlation for each water quality factor, so that the water quality factor is sensitive. The possibility of identifying the distribution of water quality using the response wavelength derivation and multi-spectral image was confirmed. Next, regression analysis was performed between items showing correlation within the significance level of 0.05 as a result of correlation analysis to prepare a regression model for predicting water quality distribution.

도 5는 일 실시예에 따른 회귀분석에 따른 수질예측모형 제작 결과를 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating a result of producing a water quality prediction model according to a regression analysis according to an embodiment.

도 5에 도시된 바와 같이, 회귀분석 결과 제작된 회귀모형 중 가장 결정계수(R2)가 가장 높게 도출된 회귀모형은 ArcGIS 소프트웨어의 Raster calculator 도구를 활용하여 수질 분포 예측을 위한 지도 제작에 활용하였다. 이 때, 제작된 지도는 수질인자의 농도가 높게 분포되는 지역에 대한 원인 분석, 향후 소하천 수질 모니터링 시 우선적으로 관리되어야 하는 우심지역 도출에 적용하였을 때 활용성이 용이하도록 하천부분에 대한 영역만 추출하여 RGB 영상 위에 중첩하여 제작하였다.As shown in FIG. 5 , the regression model with the highest coefficient of determination (R2) among the regression models produced as a result of the regression analysis was utilized to produce a map for water quality distribution prediction using the Raster calculator tool of ArcGIS software. At this time, only the area for the river is extracted for ease of use when the prepared map is applied to the cause analysis of the area where the concentration of water quality factors is high, and the derivation of the right-center area that should be managed first in the future water quality monitoring of small rivers. Thus, it was produced by superimposing it on the RGB image.

도 6은 일 실시예에 따른 수질 분포 맵의 제작 결과를 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating a result of manufacturing a water quality distribution map according to an exemplary embodiment.

도 6에 도시된 바와 같이, 최종적으로 개발된 수질예측모형을 활용하여 수질 분포 맵을 제작하고, 연구 대상지의 수질 분포 파악, 농도가 높게 도출되는 지역에 대한 원인을 분석하였다. 또한 선행연구의 결과와 비교를 통해 대권역, 국가하천으로 유입되기 전 비점오염의 초기 유입이 발생하는 소하천의 수질예측을 위해 제작한 예측모형의 적절성 및 유의성을 판별하였다.As shown in FIG. 6 , a water quality distribution map was prepared using the finally developed water quality prediction model, and the cause of the water quality distribution in the research target area was analyzed and the cause of the high concentration was analyzed. Also, by comparing the results of previous studies with the results of previous studies, the relevance and significance of the prediction model produced for the prediction of water quality in small rivers, where nonpoint pollution initially occurs before flowing into large and national rivers, was determined.

이상과 같이 수질예측모형은 총 3단계 과정을 통해 제작하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다. 1단계는 분석을 위한 DB 구축단계이다. 비점오염관리가 요구되는 대상지에서 8월 9일, 9월 30일 두 시기에 대해 다중분광 센서가 장착된 UAV 운용, 지상분광계 측정, 수질 채수를 실시하여 데이터를 수집하였다. 그 결과 5개의 다중분광 영상과 6개의 식생지수 영상 총 11개의 영상, 하천, 야적퇴비, 농수로, 비닐하우스, 도로 재질에 대한 지상분광계 측정 데이터 및 9개 지점에 대한 수질 데이터를 구축하였다. 구축된 데이터는 UAV 영상과 수질 채수 시료의 분석값의 경우 목표인 수질예측모형 제작에 활용하였고, 지상분광계 측정 데이터는 UAV 다중분광 영상의 검증 및 보정과 수질 채수 지점에 대한 UAV 영상값이 하천 바닥면의 영향을 배제하였는지에 대한 검증에 활용하였다. 특히, 지상분광계 데이터 분석 결과 수심이 낮은 농수로의 경우 도로 재질과 유사한 반사특성을 확인함으로써 소하천에 대해 원격탐사 기법 적용 시 활용한 영상과 수질 분석값의 비교분석을 진행하기 전 영상값이 바닥면의 값이 아닌 수면에 대한 값임을 검증하는 과정이 필요함을 알 수 있었다.As described above, the water quality prediction model was produced through a total of three steps, and the results are summarized as follows. The first stage is the DB construction stage for analysis. Data were collected by operating a UAV equipped with a multi-spectral sensor, measuring the ground spectrometer, and collecting water for two periods on August 9 and September 30 at the site requiring non-point pollution control. As a result, a total of 11 images, 5 multispectral images and 6 vegetation index images, ground spectrometer measurement data for rivers, yard compost, agricultural waterways, vinyl houses, and road materials, and water quality data for 9 points were constructed. The constructed data was used to produce a water quality prediction model, which is the target in the case of UAV images and analysis values of water quality samples, and the ground spectrometer measurement data was used for verification and correction of UAV multi-spectral images and UAV image values for water quality sampling points at the bottom of the river. It was used to verify whether the influence of cotton was excluded. In particular, as a result of analyzing ground spectrometer data, in the case of agricultural waterways with low water depth, reflection characteristics similar to the road material were confirmed. It was found that the process of verifying that it is a value for sleep rather than a value is necessary.

2단계에서는 원격탐사 기법 적용 시 선행되어야 하는 영상의 검증 및 보정 과정을 실시하였으며, 지상에서 취득한 지상분광계 측정 데이터를 활용하였다. 지상분광계 측정 지점에 대한 UAV 영상과 지상분광계 측정값의 비교분석 결과 모든 파장에서 상관계수 0.88 (p< 0.01) 이상의 높은 상관관계를 가지는 것을 확인하였고, 두 시기 모두 설명력이 평균 80% 이상인 회귀모형을 도출함으로써 영상에 대한 검증 및 보정을 실시하였다. 다음으로 수질 채수 지점에 대한 지상분광계 측정 데이터 분석 결과 수질 채수 지점 모두 근적외선 영역에서 입사광이 대부분 흡수되는 수체의 반사도 특성을 가지는 것을 확인하였다. 또한 수질 채수 지점에 대한 UAV 영상과 지상분광계 측정값의 상관분석 결과 모든 파장에서 0.7(p< 0.05) 이상의 높은 상관관계를 확인하였다. 따라서 본 실시예의 수질예측모형 제작 시 활용한 UAV 영상값은 수면에 대한 값으로 판단된다.In the second stage, the image verification and correction process, which must precede the application of the remote sensing technique, was carried out, and the terrestrial spectrometer measurement data acquired from the ground was utilized. As a result of comparative analysis of the UAV image of the terrestrial spectrometer measurement point and the terrestrial spectrometer measurement value, it was confirmed that the correlation coefficient was 0.88 (p<0.01) or higher at all wavelengths, and the regression model with an average of 80% or more of explanatory power in both periods was used. By deriving the image, verification and correction were performed. Next, as a result of analyzing ground spectrometer measurement data for water quality sampling points, it was confirmed that all water quality sampling points had reflectivity characteristics of the water body in which incident light was mostly absorbed in the near-infrared region. In addition, as a result of correlation analysis between UAV images and terrestrial spectrometer measurements for water quality sampling points, a high correlation of 0.7 (p<0.05) or more was confirmed at all wavelengths. Therefore, the UAV image value used in the production of the water quality prediction model of this embodiment is determined to be a value for water surface.

표 2는 8월 9일의 다중분광 및 식생지수 수질인자 간의 상관계수를 나타낸다.Table 2 shows the correlation coefficient between the multispectral and vegetation index water quality factors of August 9th.

[표 2][Table 2]

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Figure 112021023925817-pat00002

표 3은 9월 30일의 다중분광 및 식생지수 수질인자 간의 상관계수를 나타낸다.Table 3 shows the correlation coefficient between the multispectral and vegetation index water quality factors of September 30.

[표 3][Table 3]

Figure 112021023925817-pat00003
Figure 112021023925817-pat00003

3단계에서는 보정된 UAV 영상과 수질의 비교분석을 통해 수질인자의 분광특성 분석 및 수질예측모형을 제작하였다. 수질인자의 분광특성 분석 결과 Chl-a 항목은 NIR 파장과 양(+)의 상관관계를 보였으며, 근적외선 영역에서 입사광을 반사하는 식생과 유사한 분광특성을 가지는 것을 확인하였다. 다음으로 TN은 가시광선 영역(Blue, Green, Red)에서 음(-)의 상관관계를 가지는 것으로 분석되어 입사광이 반사되지 않고 흡수되는 경향이 높은 것을 알 수 있었다. BOD의 경우에는 농도가 높아질수록 Red(663-673 nm) 파장 영역에서 입사광이 주로 흡수되는 특징을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 앞의 분석 결과를 종합하여 BOD, TN, Chl-a의 수계 내 분포를 파악할 수 있는 수질예측모형을 제작하였고, 제작된 모형을 활용하여 각 인자별 지도를 제작하여 수질 채수를 실시하지 않은 지점에 대한 농도 분포를 파악하였다. BOD의 경우 하천 생활환경기준 보통 이상의 등급으로 예측되어 관리를 요하는 농도 범위는 아닌 것으로 판단하였다. 다음으로 TN과 Chl-a 항목은 보의 전·후, 수계로 직접 유출되는 농수로, 굴곡이 있는 지형으로 인한 유속이 급격이 감소하는 지점, 하천이 합류한 후 보에 의해 정체되는 지점에서 높은 농도를 가지는 것으로 예측되었다.In step 3, spectral characteristics analysis of water quality factors and water quality prediction model were prepared through comparative analysis of the corrected UAV image and water quality. As a result of analyzing the spectral characteristics of water quality factors, it was confirmed that Chl-a had a positive (+) correlation with the NIR wavelength, and had spectral characteristics similar to vegetation reflecting incident light in the near-infrared region. Next, TN was analyzed as having a negative (-) correlation in the visible light region (Blue, Green, Red), indicating that incident light has a high tendency to be absorbed rather than reflected. In the case of BOD, it was confirmed that as the concentration increased, incident light was mainly absorbed in the red (663-673 nm) wavelength region. By synthesizing the results of the previous analysis, a water quality prediction model was produced that can identify the distribution of BOD, TN, and Chl-a in the water system. Using the model, a map for each factor was produced to the point where water quality was not collected. Concentration distribution was identified. In the case of BOD, it was judged that it was not in the concentration range that required management because it was predicted to be above the average grade of the river living environment standard. Next, TN and Chl-a items are agricultural channels that directly flow out into the water system before and after the weir, and have high concentrations at the point where the flow rate rapidly decreases due to the curved topography, and at the point where the stream stagnates by the weir after the confluence. was predicted to have

결론적으로, 실시예들에 따르면 UAV와 지상분광계, 현장 수질 채수 데이터를 활용하여 농업지역 소하천을 대상지로 BOD, TN, Chl-a 세 항목의 수질예측모형을 제공할 수 있다. 또한 실시예들을 통해 소하천에 원격탐사 기법을 적용하여 연구 진행할 경우 고려해야 할 사항을 확인할 수 있었다. 우선, 원격탐사 시 활용되는 영상은 지상분광계 측정을 통해 보정하는 과정이 이루어져야 하지만, 수심이 얕은 특성을 가진 소하천의 경우 추가적으로 분석에 활용한 영상값이 수면에 대한 값임을 검증하는 과정이 필요함을 알 수 있었다. 다음으로, 본 실시예의 지상분광계 및 수질 채수 데이터 취득 시 하천의 폭이 좁아 태풍 또는 집중호우로 인해 접근이 불가한 지역이 발생한 경우가 있었다. 그러므로 채수 지점 선정 시 하천 수심, 농수로 유입, 보의 위치 이외에 추가적으로 강우에 의한 지형변화를 사전에 고려할 필요가 있다고 판단된다. 본 실시예에서 개발한 수질예측모형은 농업지역 소하천에 대한 수질 분포 파악 및 채수를 실시하지 않은 지점에 대한 농도 예측을 가능하게 함으로써 소하천 관리 시 의사결정 단계에서 유의미한 결과로 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 나아가 장기 모니터링을 위한 수질예측모형 제작의 기초자료로 활용될 수 있다.In conclusion, according to the embodiments, it is possible to provide a water quality prediction model of three items BOD, TN, and Chl-a as a target for small rivers in agricultural areas by using UAV, ground spectrometer, and field water quality sampling data. In addition, through the examples, it was possible to identify matters to be considered when conducting research by applying the remote sensing technique to small rivers. First, the image used for remote sensing needs to be corrected through terrestrial spectrometer measurement. However, in the case of small rivers with shallow water depth, it is known that it is necessary to verify that the image value used for the analysis is the value for the water surface. could Next, when acquiring the terrestrial spectrometer and water quality sampling data of this example, there was a case in which an inaccessible area occurred due to a typhoon or torrential rain due to a narrow river width. Therefore, it is judged that it is necessary to consider in advance the terrain change caused by rainfall in addition to the depth of the river, the inflow of agricultural water, and the position of the weir when selecting the collection point. The water quality prediction model developed in this example makes it possible to identify the distribution of water quality for small streams in agricultural areas and predict the concentration at points where sampling is not carried out, so it is judged that it can be utilized as a meaningful result in the decision-making stage when managing small rivers. , and furthermore, it can be used as basic data for making water quality prediction models for long-term monitoring.

실시예들에 따르면 녹조 현상을 모니터링할 경우, 녹조 발생 전에 녹조 발생 가능성을 미리 경고하고 모니터링 결과에 따라 대응하여 사전에 녹조 발생을 예방할 수 있다. 또한, 실시예들에 따르면 녹조 현상의 원인이 되는 영양염류인자를 현장 샘플링 없이 드론 영상을 통해 광범위한 영역에 대해 파악할 수 있어, 모니터링에 소요되는 시간과 자원을 크게 줄일 수 있다. 특히, 비점오염관리가 요구되는 대상지에 대한 녹조 예방이 가능하다. 그리고, 실시예들에 따르면 영양염류인자뿐만 아니라 영역 별 수온 현황과 물의 흐름을 파악하여, 녹조가 발생될 가능성을 정밀하게 예측할 수 있다.According to embodiments, when monitoring the algae phenomenon, it is possible to prevent the occurrence of algae in advance by warning of the possibility of the algal bloom before the occurrence of algae and responding according to the monitoring result. In addition, according to embodiments, it is possible to identify a nutrient factor that causes algal blooms over a wide area through drone images without on-site sampling, thereby greatly reducing the time and resources required for monitoring. In particular, it is possible to prevent algae in the target site requiring non-point pollution control. And, according to the embodiments, it is possible to accurately predict the possibility of occurrence of algae by understanding not only the nutrient factors but also the current state of water temperature and the flow of water for each area.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (15)

컴퓨터 장치를 통해 구현되는 드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템에 의해 수행되는 수질현황 모니터링 방법에 있어서,
드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득하는 단계; 및
상기 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계
를 포함하고,
상기 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과 RGB 영상을 취득하는 단계;
예측된 상기 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도와, 상기 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 분포와 상기 RGB 영상을 통해 파악된 수온 흐름을 이용하여 녹조 발생 이전에 수질 현황과 녹조 발생 가능성을 파악하는 단계; 및
상기 식생지수는 영상으로 획득되어, 식생지수 영상, 상기 열적외선 영상 및 상기 RGB 영상을 신경망 기반 수질예측모형에 입력하여 수질 분포 맵을 출력하는 단계
를 더 포함하고,
상기 수질예측모형은 분석을 위해 데이터베이스(DB)가 구축된 후, 원격탐사 시 선행되어야 하는 영상의 검증 및 보정 과정을 실시하고 지상에서 취득한 지상분광계 측정 데이터를 활용하며, 보정된 드론 영상과 수질의 비교분석을 통해 수질인자의 분광특성을 분석함에 따라 신경망의 학습을 통해 구현되고,
상기 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 단계는,
상기 다중분광영상 및 상기 식생지수과 상기 수질인자의 상관관계를 상관분석 및 회귀분석을 통해 수질예측모형을 제작 후 분석하되, 상관분석 및 회귀분석을 통해 제작된 상기 수질예측모형에 식생지수들을 입력하여 수질오염에 기여하는 클로로필-a 및 영양염류인자를 파악하는 것
을 특징으로 하는, 수질현황 모니터링 방법.
In the water quality monitoring method performed by the water quality monitoring system using a drone implemented through a computer device,
Mounting a multi-spectral sensor on the drone to acquire a multi-spectral image for an area requiring monitoring; and
After converting the multi-spectral image into a vegetation index, predicting the eutrophication state and water pollution level for each point through the correlation between the multi-spectral image and the vegetation index and water quality factors
including,
acquiring a thermal infrared image and an RGB image through a thermal infrared camera and an RGB camera of the drone;
Using the predicted eutrophication state and water pollution level for each point, the water temperature distribution identified through the thermal infrared image, and the water temperature flow identified through the RGB image, determining the water quality status and the possibility of algal bloom before occurrence of algae; and
The vegetation index is obtained as an image, and outputting a water quality distribution map by inputting the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image to a neural network-based water quality prediction model.
further comprising,
After the database (DB) is built for analysis, the water quality prediction model performs the image verification and correction process that must be preceded during remote sensing, utilizes the ground spectrometer measurement data acquired from the ground, and measures the corrected drone image and water quality. By analyzing the spectral characteristics of water quality factors through comparative analysis, it is implemented through learning of the neural network,
The step of predicting the eutrophication state and water pollution level by point through the correlation is,
The multispectral image and the correlation between the vegetation index and the water quality factor are analyzed after producing a water quality prediction model through correlation analysis and regression analysis, but by inputting the vegetation index into the water quality prediction model produced through correlation analysis and regression analysis. Identification of chlorophyll-a and nutrient factors contributing to water pollution
A method for monitoring water quality, characterized in that.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 다중분광영상을 취득하는 단계는,
취득된 상기 다중분광영상은 영상 처리를 통해 이미지들을 정합하여 지역의 지도로 활용되는 다중분광 정사영상으로 제작되는 것
을 특징으로 하는, 수질현황 모니터링 방법.
According to claim 1,
Acquiring the multi-spectral image comprises:
The acquired multi-spectral image is produced as a multi-spectral orthographic image that is used as a map of the region by matching the images through image processing.
A method for monitoring water quality, characterized in that.
제1항에 있어서,
각 지역마다 채수를 진행하여 수질분석을 실시하여 수질오염에 기여하는 상기 수질인자를 파악하는 단계
를 더 포함하는, 수질현황 모니터링 방법.
According to claim 1,
Identifying the water quality factors contributing to water pollution by performing water quality analysis by collecting water for each area
Further comprising a, water quality monitoring method.
드론을 이용한 수질현황 모니터링 시스템에 있어서,
드론에 다중분광센서를 탑재하여, 모니터링이 필요한 지역에 대한 다중분광영상을 취득하는 다중분광영상 수집부; 및
상기 다중분광영상을 식생지수로 변환한 후, 상기 다중분광영상 및 상기 식생지수와 수질인자들 간의 상관관계를 통해 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도를 예측하는 수질오염도 예측부
를 포함하고,
상기 드론의 열적외선 카메라와 RGB 카메라를 통해 열적외선 영상과 RGB 영상을 취득하는 열적외선 영상 및 RGB 영상 수집부;
예측된 상기 지점별 부영양화 상태 및 수질오염도와, 상기 열적외선 영상을 통해 파악된 수온 분포와 상기 RGB 영상을 통해 파악된 수온 흐름을 이용하여 녹조 발생 이전에 수질 현황과 녹조 발생 가능성을 파악하는 녹조 가능성 판단부; 및
상기 식생지수는 영상으로 획득되어, 식생지수 영상, 상기 열적외선 영상 및 상기 RGB 영상을 신경망 기반 수질예측모형에 입력하여 수질 분포 맵을 출력하는 수질 분포 맵 제공부
를 더 포함하고,
상기 수질예측모형은 분석을 위해 데이터베이스(DB)가 구축된 후, 원격탐사 시 선행되어야 하는 영상의 검증 및 보정 과정을 실시하고 지상에서 취득한 지상분광계 측정 데이터를 활용하며, 보정된 드론 영상과 수질의 비교분석을 통해 수질인자의 분광특성을 분석함에 따라 신경망의 학습을 통해 구현되고,
상기 수질오염도 예측부는,
상기 다중분광영상 및 상기 식생지수과 상기 수질인자의 상관관계를 상관분석 및 회귀분석을 통해 수질예측모형을 제작 후 분석하되, 상관분석 및 회귀분석을 통해 제작된 상기 수질예측모형에 식생지수들을 입력하여 수질오염에 기여하는 클로로필-a 및 영양염류인자를 파악하는 것
을 특징으로 하는, 수질현황 모니터링 시스템.
In the water quality monitoring system using a drone,
A multi-spectral image collecting unit that mounts a multi-spectral sensor on the drone and acquires multi-spectral images for an area requiring monitoring; and
After converting the multi-spectral image into a vegetation index, a water pollution degree prediction unit for predicting the eutrophication state and water pollution level for each point through the correlation between the multi-spectral image and the vegetation index and water quality factors
including,
a thermal infrared image and RGB image collecting unit for acquiring thermal infrared images and RGB images through the thermal infrared camera and RGB camera of the drone;
Using the predicted eutrophication state and water pollution level for each point, the water temperature distribution identified through the thermal infrared image, and the water temperature flow identified through the RGB image, the water quality status and the possibility of algal bloom before the occurrence of algal blooms. judging unit; and
The vegetation index is obtained as an image, and the vegetation index image, the thermal infrared image, and the RGB image are input to a neural network-based water quality prediction model to output a water quality distribution map.
further comprising,
After the database (DB) is built for analysis, the water quality prediction model performs the image verification and correction process that must be preceded during remote sensing, utilizes the ground spectrometer measurement data acquired from the ground, and measures the corrected drone image and water quality. By analyzing the spectral characteristics of water quality factors through comparative analysis, it is implemented through learning of the neural network,
The water pollution degree prediction unit,
The multispectral image and the correlation between the vegetation index and the water quality factor are analyzed after producing a water quality prediction model through correlation analysis and regression analysis, but by inputting the vegetation index into the water quality prediction model produced through correlation analysis and regression analysis. Identification of chlorophyll-a and nutrient factors contributing to water pollution
Characterized in, the water quality monitoring system.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제9항에 있어서,
상기 다중분광영상 수집부는,
취득된 상기 다중분광영상은 영상 처리를 통해 이미지들을 정합하여 지역의 지도로 활용되는 다중분광 정사영상으로 제작되는 것
을 특징으로 하는, 수질현황 모니터링 시스템.
10. The method of claim 9,
The multi-spectral image collecting unit,
The acquired multi-spectral image is produced as a multi-spectral orthographic image that is used as a map of the region by matching the images through image processing.
Characterized in, the water quality monitoring system.
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