KR102461468B1 - 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 그 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법은, k(k는 자연수)개의 서로 다른 분광 밴드를 가진 다분광 카메라를 이용하여 수표면을 관측하되, 대상 영역의 수표면 영상과 관측 정보를 포함하는 관측자료를 획득하는 단계; 획득된 관측자료를 전처리하여 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계; 및 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼을 기반으로, 적조생물이 가진 엽록소의 농도를 추정하여 적조 발생강도를 출력하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 탐지시스템에 관한 것이다.
일반적으로 잘 알려진 적조는 식물성 플랑크톤이 대량으로 번식하여 바다 및 강의 색깔이 적색, 황색, 적갈색 등으로 변색되는 자연 현상을 말하는 것으로, 최근에는 적조로 인한 직간접적 피해로 인해 유해조류의 대번식의 의미로 사용되고 있다.
적조는 해류 및 조류의 소통이 원활하지 않고 일조량, 수온, 염분, 영양염류 등 적조생물의 대량번식에 알맞은 해양환경이 조성되어야 발현되며, 우리나라에서는 8월에서 10월 중 대규모 유해성 적조가 발생되고 있다.
이러한, 대규모 유해성 적조는 높은 수온 등 적조생물의 성장에 알맞은 환경, 적조 플랑크톤의 광합성에 필요한 풍부한 일조량 및 장마로 육지의 영양염류가 연안에 대량으로 유입됨에 따라 발생하는 것으로 알려져 있으며, 우리나라에서 적조를 일으키는 종수는 대략 60여종이 있는 것으로 보고되었다.
적조가 본격화되면 피해액이 한해에도 1백억 이상에 달하기도하지만 미리 탐지하여 적시에 방제가 이루어지면 양식어가에 적조 피해에 대비할 시간을 줄 수 있기 때문에 그 피해액을 감소시킬 수 있다. 현재까지 사용되는 적조 탐지방법으로는 직접 바닷물 또는 강물에 계측기를 투입하여 농도를 측정하는 방식, 물을 채집한 후 현미경 분석을 통해 농도 및 생물개체량을 측정하는 방식, 광학센서를 탑재한 인공위성을 이용하여 넓은 영역에 발생하는 적조를 탐지하는 방식 및 무인 항공기를 이용하여 적조를 탐지하는 방식 등을 사용하였다.
그러나, 상기한 적조 탐지방법은 아래와 같은 한계점이 있다.
먼저, 계측기, 채집기 등을 이용한 채수방법은 주로 선박을 이용하여 이루어지는데, 시간과 인력의 소모가 많고 해양에 동시다발적으로 발생하는 적조의 특성 상 체계적인 방제계획을 세우기 힘들고 넓은 영역을 탐사하기 힘들다.
또한, 광학센서를 탑재한 인공위성을 이용한 적조 탐지방법은 공간해상도가 낮은 경우 육상에 가까운 곳에 출몰하는 적조가 탐지되지 않고, 위성의 관측주기가 짧게는 하루 길게는 16일에 이르고 구름에 가려져 관측하지 못하는 날이 존재하기 때문에 원하는 시점에 관측을 수행하지 못할 경우가 많다는 한계점이 있다.
또한, 지금까지의 무인 항공기를 이용한 적조 탐지방법은 RGB 카메라를 이용하므로, 해수의 표면반사로 인하여 적조 유무의 식별이 어렵고 색이 비슷한(주로 거무스름하게 나타남) 다른 비적조 목표물과 구별이 어렵다는 단점이 있으며, 적조 유무를 판별하였다고 해도 적조의 강도를 정량화할 수 없다는 한계점이 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 물을 채집하지 않고 원격으로 넒은 영역의 적조를 비슷한 색깔의 비적조 물체와 구별하여 탐지하고, 그 발생강도를 정량화할 수 있는 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 탐지시스템을 제공하고자 한다.
또한, 저고도에서 운용될 수 있는 무인 이동체를 이용하여 구름의 유무에 관계없이 고해상도의 적조 발생강도를 표시한 지도를 생성할 수 있는 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 탐지시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법은 원격 적조 탐지시스템이, k(k는 자연수)개의 서로 다른 분광 밴드를 가진 다분광 카메라를 이용하여 수표면을 관측하되, 대상 영역의 수표면 영상과 관측 정보를 포함하는 관측자료를 획득하는 단계; 획득된 관측자료를 전처리하여 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계; 및 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼을 기반으로, 적조생물이 가진 엽록소의 농도를 추정하여 적조 발생강도를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 관측자료를 획득하는 단계는: 상기 다분광 카메라를 통해 상기 관측 정보인 수면 복사휘도, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도를 측정하는 단계; 및 상기 다분광 카메라를 통해 상기 수표면 영상인 k개의 단색 영상을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 관측 정보인 수면 복사휘도, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도를 측정하는 단계에서, 상기 다분광 카메라는 상기 수면 복사휘도의 측정을 위하여 태양과의 상대 방위각이 90 ~ 180 도 범위 내에 포함되고, 수표면과의 관측 천정각이 30 ~ 45 도 범위 내에 포함되도록 유지하면서 관측하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계는: 생성된 k개의 단색 영상을 투영 변환을 통해 정합하여 다분광 영상을 생성하는 단계; 상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 반사효율(ρ)을 설정하고, 설정된 반사효율을 이용하여 수표면 반사에 의한 영향을 제거한 수출 복사휘도를 도출하는 단계; 및 도출된 수출 복사휘도와 상기 하향 복사조도를 기반으로, 상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 원격 탐사반사도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수출 복사휘도를 도출하는 단계는: 적조가 미발생된 물의 경우, 근적외선 파장대의 대기 복사휘도에 대한 근적외선 파장대의 수면 복사휘도의 비율을 반사효율로 설정하는 단계; 및 적조가 발생된 물의 경우, 미리 설정된 이론값을 반사효율로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 원격 탐사반사도를 결정하는 단계에서: 상기 원격 탐사반사도는 도출된 수출 복사휘도에 대한 상기 하향 복사조도의 비율이다.
또한, 상기 적조 발생강도를 출력하는 단계는: 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼에서, 청색 파장대의 원격 탐사반사도에 대한 근적외선 파장대의 원격 탐사반사도의 비율인 청적비를 설정하는 단계; 설정된 청적비와 직접 바닷물을 채취하여 얻은 현장관측 엽록소 농도를 이용하여 n개(n은 자연수)의 서로 다른 계수값을 계산하는 단계; 계산된 n개의 서로 다른 계수값과 설정된 청적비를 기반으로 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도를 추정하는 단계; 및 추정된 엽록소의 농도에 따라 다분광 영상의 각 픽셀마다 색상이 결정된 적조 발생강도 맵을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 탐지시스템은 물을 채집하지 않고 원격으로 넒은 영역의 적조를 비슷한 색깔의 비적조 물체와 구별하여 탐지하고, 그 발생강도를 정량화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 저고도에서 운용될 수 있는 무인 이동체를 이용하여 구름의 유무에 관계없이 고해상도의 적조 발생강도를 표시한 지도를 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관측자료를 획득하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적조 발생강도를 출력하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 탐지반사도 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법을 통해 출력된 엽록소 농도를 이용한 적조 발생강도 맵과 일반 카메라 영상을 이용한 적조 맵을 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관측자료를 획득하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적조 발생강도를 출력하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 탐지반사도 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법을 통해 출력된 엽록소 농도를 이용한 적조 발생강도 맵과 일반 카메라 영상을 이용한 적조 맵을 비교한 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱 할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저, 본 발명의 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 시스템은 드론, 무인항공기 등의 무인 이동체에 설치된 다분광 카메라를 이용하여 직접적인 접촉 없이 수표면을 관측하고, 표층에서 관측되는 분광과 적조생물의 엽록소 농도의 관계를 분석한다.
이에 따라, 원격으로 적조의 정량 분석이 가능하도록 하고, 정량화된 적조 농도의 공간적인 분포를 쉽게 파악할 수 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관측자료를 획득하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적조 발생강도를 출력하는 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 무인 이동체를 활용한 원격 적조 탐지방법에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법은 원격 적조 탐지시스템이, k(k는 자연수)개의 서로 다른 분광 밴드를 가진 다분광 카메라를 이용하여 수표면을 관측하되, 대상 영역의 수표면 영상과 관측 정보를 포함하는 관측자료를 획득하는 단계(S100), 획득된 관측자료를 전처리하여 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계(S200), 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼을 기반으로, 적조생물이 가진 엽록소의 농도를 추정하여 적조 발생강도를 출력하는 단계(S300)을 포함한다.
먼저, S100단계는, 무인 이동체(예컨대, 드론, 무인 항공기)를 통해 관측하고자 하는 대상지역을 설정하고, 직접 관측하는 단계이다.
무인 이동체는 다분광 영상을 획득할 수 있는 다분광 카메라가 탑재되어 있으며, 위성이나 유인 항공기와 비교하여 상대적으로 낮은 고도에서 고해상도의 자료를 획득할 수 있다.
또한, 무인 이동체는 유인 항공기가 접근하기 힘든 지역에서도 운용이 가능하고, 최소한의 경제적 비용으로 원격 탐사가 가능한 것이면, 특별히 제한되지 않는다.
다분광 카메라는 다분광 센서를 포함할 수 있으며, 상기 다분광 센서를 통해 대상 영역으로부터 반사된 불연속적인 수 개의 분광 파장대의 분광 밴드를 가지는 이미지인 다분광 영상을 생성할 수 있다. 이 때, 다분광 센서는 가시광 영역과 근적외선 영역 내에서 일반적으로 10개 이하의 불연속적인 분광 밴드에서 이미지를 얻을 수 있다.
즉, 다분광 영상은 광을 파장에 따라 수개의 밴드로 나누는 다분광 카메라에 의해 관측된 영상이며, 상기 다분광 카메라로 관측된 영상은 광원이 물체에 도달한 후 반사되는 에너지(광량)을 기록한 것이다.
또한, 다분광 영상을 활용하면 원하는 개체를 구별하는데 있어 각 개체의 성분을 식별하거나 프로세스를 검출하는 것으로 원하는 이미지의 각 픽셀에 대한 고유의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
더하여, 다분광 영상에서 각 픽셀마다 기록되는 스펙트럼은 높은 파장 해상도를 가지고 넓은 범위의 파장대를 처리하며 주어진 화면 내의 물질로부터 공간적 스펙트럼 정보가 포함될 수 있다. 즉, 각 픽셀은 각각의 스펙트럼 속성이 포함되어 있어 스펙트럼은 관측된 개체를 구성하는 물질의 식별을 가능하게 한다.
더하여, 다분광 센서는 수표면을 관측하면서, 수출 복사휘도, 대기광량 등의 광량을 측정할 수 있으며, 구체적으로 수면 복사휘도(Water Radiance, LwT), 대기 복사휘도(Sky Radiance, Lsky), 및 하향 복사조도(Downward Irradiance, Ed)를 포함하는 관측 정보를 측정할 수 있다.
더 구체적으로, 상기 수면 복사휘도는 수면 아래에서 올라오는 수출 복사휘도(water-leaving radiance, Lu)와 대기 복사휘도가 수표면에서 반사되어 관측되는 반사 복사휘도(ρLsky)의 합으로 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, S100 단계는, 상기 다분광 카메라를 통해 상기 관측 정보인 수면 복사휘도, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도를 측정하는 단계(S110)를 포함한다.
이 때, 수면 복사휘도는 넓은 영역에 대한 적조 탐지를 위하여, 드론 및 무인 항공기 등의 무인 이동체로부터 직접 관측되는 것이 바람직하고, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도는 상기 무인 이동체로부터 직접 관측이 어려울 경우 지상에서 관측된 값으로 대체 가능하다.
더하여, 수면 복사휘도 및 대기 복사휘도는 휘도센서로 측정될 수 있으며, 하향 복사조도는 조도센서로 직접 측정되거나, 휘도센서와 Spectralon과 같은 특정한 반사특성을 가지는 표면을 포함하는 참조패널을 이용하여 측정될 수 있다.
나아가, 수표면 관측 시, 상기 다분광 카메라는 구면 좌표계에서 원점에 있는 관측자로부터 태양까지의 백터를 기준 평면에 수직으로 투영한 제 1 투영선과 관측자로부터 무인 이동체까지의 백터를 기준 평면에 수직으로 투영한 제 2 투영선이 이루는 각도인 상대 방위각을 고려하여 관측할 수 있다.
또한, 수표면 관측 시, 상기 다분광 카메라는 무인 이동체로부터 수표면까지의 수직선과 무인 이동체의 다분광 카메라가 수표면을 바라보는 관측선이 이루는 각도인 관측 천정각을 고려하여 관측한다.
즉, S110 단계에서, 수표면 관측이 기 설정된 관측 기하 요구조건을 만족시킬 수 있도록, 다분광 카메라는 수면 복사휘도의 측정을 위하여 태양과의 상대 방위각이 90 ~ 180 도 범위 내에 포함되고, 수표면과의 관측 천정각이 30 ~ 45 도 범위 내에 포함되도록 유지하면서 관측하는 단계(S111)를 포함할 수 있다.
상기 S111 단계를 통해, 태양광 직접반사로 인하여 사용이 불가능하게 되는 수표면 영상의 픽셀의 수가 최소화되고, 추후 적용될 수표면 반사에 의한 영향 제거과정을 통한 결과물의 품질이 향상될 수 있다.
또한, S100 단계는, 상기 다분광 카메라를 통해 상기 수표면 영상인 k개의 단색 영상을 생성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 다분광 카메라가 k개의 분광 밴드를 가지고 있는 경우, 1회에 관측으로 k개의 단색 영상이 생성될 수 있으며, 본 발명에 따른 다분광 카메라는 5개의 분광 밴드를 이루어져 있고, 350 ~ 850 nm 사이의 파장대에서 영상 획득이 가능하며, 총 5개의 단색 영상을 생성한다.
도 3을 참조하면, S200 단계는, 관측자료를 전처리하고, 물의 특성을 나타내는 핵심적인 광학 물리량인 수표면에서의 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계이다.
먼저, S200 단계는, 생성된 k개의 단색 영상을 투영 변환(Projective transformation)을 통해 정합하여 다분광 영상을 생성하는 단계(S210)를 포함한다.
구체적으로, 다분광 카메라의 경우 k개의 분광 밴드에 따라 서로 다른 렌즈 위치를 가지고 있기 때문에 각 분광 밴드에서의 영상간의 기하학적 차이가 불가피하게 발생하게 된다. 이에 따라, 생성된 k개의 단색 영상의 정합이 선행된다.
또한, S200 단계는, 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 반사효율(ρ)을 설정하고, 설정된 반사효율을 이용하여 수표면 반사에 의한 영향을 제거한 수출 복사휘도(Lu)를 도출하는 단계(S220)를 포함할 수 있다.
수표면에서의 반사효율은 Fresnel equation에 따라 결정되며, 구체적으로 수표면의 자세에 따른 입사광 및 반사광의 방향에 따라 결정될 수 있다.
일반적으로, 무인 이동체로부터의 수표면 관측에 있어서, 반사효율은 주로 바람의 강도에 따른 통계적 관계식을 통해 얻어질 수 있으며, 바람의 세기, 관측 천정각, 태양 천정각 등에 의해 결정되며, 바람의 세기가 강하고 관측 천정각 및 태양 천정각이 커질수록 증가하는 특성을 가지고 있다.
즉, 반사효율은 대기 상태에 따른 해수 표면 반사도 인자를 의미하는 것으로, 해당 인자값을 정확하게 설정하여 수표면 반사에 의한 영향을 제거할 수 있는 것이며, 추후 수표면에서의 원격 탐사반사도를 정확하게 결정할 수 있다.
이에 따라, 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 반사효율의 값은 서로 다르며, 본 발명에서는 적조가 발생된 영역과 적조가 비발생된 영역을 나누어 반사효율을 설정한다.
더하여, 앞서 설명한 바와 같이 상기 수면 복사휘도는 수면 아래에서 올라오는 수출 복사휘도(Lu)와 상기 대기 복사휘도가 수표면에서 반사되어 관측되는 반사 복사휘도(ρLsky)의 합으로 구성되므로 측정된 수면 복사휘도 및 대기 복사휘도를 이용하여 반사효율을 설정하였다. 여기서, 상기 수면 복사휘도를 구하는 수학식 1은 하기와 같다.
즉, 상기 반사효율은 수면 복사휘도, 수출 복사휘도 및 대기 복사휘도를이용하여 상기 수학식 1을 통해 설정될 수 있다.
더하여, S220 단계는, 적조가 미발생된 물의 경우, 근적외선 파장대의 대기 복사휘도에 대한 근적외선 파장대의 수면 복사휘도의 비율을 반사효율로 설정하는 단계(S221)와 적조가 발생된 물의 경우, 미리 설정된 이론값을 반사효율로 설정하는 단계(S222)를 포함한다.
구체적으로, S221 단계에서, 근적외선 파장대의 대기 복사휘도(Lsky(NIR))는 750 nm 보다 큰 파장대의 대기 복사휘도이고, 마찬가지로 근적외선 파장대의 수면 복사휘도(LwT(NIR))는 750 nm 보다 큰 파장대의 수면 복사휘도이다.
나아가, 적조가 미발생된 물에서는 750 nm 이상의 파장대의 수출 복사휘도가 실질적으로 0에 가깝다는 이론을 기반으로, 근적외선 파장대의 수면 복사휘도가 모두 표면 반사에 의한 것으로 간주하고 픽셀별 반사효율을 설정할 수 있다. 여기서 적조가 미발생된 물의 경우, 반사효율을 설정하는 수학식 2는 하기와 같다.
반면에, 적조가 발생된 물의 경우, 근적외선 파장대의 수면 복사휘도가 실질적으로 0에 가깝지 않으므로, 미리 설정된 이론값을 반사효율로 설정하며, 상기 미리 설정된 이론값은 0.02 ~ 0.025인 것이 바람직하다.
이로써, S220 단계에서, 각 픽셀에 대응되는 반사효율이 설정되면, 설정된 반사효율과 상기 S100 단계에서 측정된 수면 복사휘도 및 대기 복사휘도를 이용하여 상기 수학식 1을 통해 다분광 파장 영역대의 수출 복사휘도를 도출할 수 있다.
여기서, 다분광 파장 영역대는 본 발명의 다분광 카메라의 사용가능한 파장대인 350 ~ 800 nm의 파장대를 의미한다.
예를 들어, 적조가 미발생된 물의 경우, 상기 수면 복사휘도에서 상기 수학식 2를 통해 설정된 반사효율과 상기 대기 복사휘도의 곱을 뺀 값을 구하여 수출 복사휘도를 도출하고, 적조가 발생된 물의 경우, 상기 수면 복사휘도에서 0.02 ~ 0.025로 설정된 반사효율과 상기 대기 복사휘도의 곱을 뺀 값을 구하여 수출 복사휘도를 도출할 수 있다.
또한, S200 단계는, 도출된 수출 복사휘도와 상기 하향 복사조도를 기반으로, 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 원격 탐사반사도(Rrs)를 결정하는 단계(S230)를 포함한다. 이 때, 상기 원격 탐사반사도는 도출된 수출 복사휘도에 대한 상기 하향 복사조도의 비율이다.
즉, S200 단계에서, 하기 수학식 3을 통해 다분광 파장 영역대의 원격 탐사반사도 스펙트럼(Rrs(λ))이 도출될 수 있다.
여기서, λ는 상기 다분광 파장 영역대의 파장을 의미한다.
도 4에 도시된 바와 같이, S300 단계는, 적조생물의 엽록소 농도를 추정하고, 적조 발생강도를 정량화하여 출력하는 단계이다.
S300 단계는, 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼에서, 청색 파장대의 원격 탐사반사도(Rrs(blue))에 대한 근적외선 파장대의 원격 탐사반사도(Rrs(NIR))의 비율인 청적비(R)를 설정하는 단계(S310)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 청적비를 설정하는 수학식 4는 하기와 같다.
구체적으로, 본 발명의 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법은 적조 생물의 색소가 청색 파장대에서 큰 흡광을 일으켜, 청색 파장대의 원격 탐사반사도가 급격하게 감소하는 특징과 적조 발생강도가 강할 때, 근적외선 파장대의 원격 탐사반사도의 피크가 급격하게 증가하는 특징을 이용한 방법이다.
이에 따라, 적조 발생강도가 강할수록 감소하는 청색 파장대의 원격 탐사반사도와 적조 발생강도가 강할수록 증가하는 근적외선 파장대의 원격 탐사반사도를 이용하여 청적비를 설정한다.
또한, S300 단계는, 설정된 청적비와 직접 바닷물을 채취하여 얻은 현장관측 엽록소 농도를 이용하여 n(n은 자연수)개의 서로 다른 계수값을 계산하는 단계(S320)를 포함한다. 여기서, n개의 서로 다른 계수값은 하기 수학식 5를 통해 계산될 수 있다.
이 때, 서로 다른 계수값의 수(i)는 다분광 카메라가 가진 분광 밴드의 개수(k)와 동일하며, 구체적으로, 상기 k는 다분광 카메라가 가진 분광 밴드의 개수이므로, 예를 들어, 분광 밴드가 5개이면, 5개의 서로 다른 계수값이 존재할 수 있다.
더하여, 바닷물의 채취는 서로 다른 계수값의 개수인 n개의 지점에서 수행될 수 있으며, 이에 따라 n개의 현장관측 엽록소 농도를 획득할 수 있다.
예를 들어, 다분광 카메라가 가진 분광 밴드가 5개라면, 5개의 서로 다른 계수값이 존재하고, 5개의 서로 다른 지점에서 현장관측 엽록소 농도를 획득하여 총 5개의 다항식이 만들어지며, 상기 5개의 다항식을 이용하여 5개의 서로 다른 계수값을 계산할 수 있다.
또한, S300 단계는, 계산된 n개의 서로 다른 계수값과 설정된 청적비를 기반으로 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도(Chla)를 추정하는 단계(S330)를 포함할 수 있다.
구체적으로, S330 단계에서 상기 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도는 다음의 수학식 6를 이용하여 추정할 수 있다.
즉, S320 단계에서 계산된 n개의 서로 다른 계수값(C0, C1, C2, Cn-1)과 설정된 청적비를 수학식 6에 대입함으로써, 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도를 추정한다.
상기 수학식 5와 마찬가지로, 상기 수학식 6의 k는 다분광 카메라가 가진 분광 밴드의 개수이며, 앞서 수학식 5를 통해 계산된 n개의 서로 다른 계수값(C0, C1, C2, Cn-1)과 상기 수학식 4를 통해 설정된 청적비(R)를 상기 수학식 6에 대입하여 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도를 추정한다.
또한, S300 단계는, 추정된 엽록소의 농도에 따라 다분광 영상의 각 픽셀마다 색상이 결정된 적조 발생강도 맵을 출력하는 단계(S340)를 포함한다.
이 때, 적조 발생강도는 적조의 발생량과 비례하는 적조 생물의 엽록소 농도로 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지시스템은, 무인 이동체를 활용한 원격 적조 탐지시스템에 있어서, 다분광 카메라(100), 전처리부(200), 출력부(300)를 포함한다.
다분광 카메라(100)는 수표면을 관측하되, 대상 영역의 수표면 영상과 관측 정보를 포함하는 관측자료를 획득하는 k(k는 자연수)개의 서로 다른 분광 밴드를 가질 수 있다.
또한, 다분광 카메라(100)는 관측 정보인 수면 복사휘도, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도를 측정하되, 상기 수면 복사휘도의 측정을 위하여 태양과의 상대 방위각이 90 ~ 180 도 범위 내에 포함되고, 수표면과의 관측 천정각이 30 ~ 45 도 범위 내에 포함되도록 유지하면서 관측한다.
더하여, 다분광 카메라(100)는 복사휘도를 측정하는 휘도센서(111)와 복사조도를 측정하는 조도센서(112)로 구성된 다분광 센서(110)를 포함하고, 상기 하향 복사조도는 상기 조도센서(112) 및 상기 휘도센서(111)와 특정한 반사특성을 가지는 표면을 포함하는 참조패널을 이용하여 측정될 수 있다.
상기 다분광 센서(110)는 개체의 정보를 이미지의 형태로 확보가 가능하며, 각각의 개체는 스펙트럼 대역으로 알려진 전자기 스렉트럼의 범위에서 폭이 좁은 파장으로 나타날 수 있다.
또한, 다분광 카메라(100)는 수표면 영상인 k개의 단색 영상을 생성할 수 있다.
전처리부(200)는 생성된 k개의 단색 영상을 투영 변환을 통해 정합하여 다분광 영상을 생성하고, 상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 반사효율(ρ)을 설정하고, 설정된 반사효율을 이용하여 수표면 반사에 의한 영향을 제거한 수출 복사휘도를 도출하고, 도출된 수출 복사휘도와 상기 하향 복사조도를 기반으로, 상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 원격 탐사반사도를 결정한다.
또한, 전처리부(200)는 적조가 미발생된 물의 경우, 근적외선 파장대의 대기 복사휘도에 대한 근적외선 파장대의 수면 복사휘도의 비율을 반사효율로 설정하고, 적조가 발생된 물의 경우, 미리 설정된 이론값을 반사효율로 설정할 수 있다.
출력부(300)는 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼에서, 청색 파장대의 원격 탐사반사도에 대한 근적외선 파장대의 원격 탐사 반사도의 비율인 청적비를 설정하고, 설정된 청적비와 직접 바닷물을 채취하여 얻은 현장관측 엽록소 농도를 이용하여 n개의 서로 다른 계수값을 계산하고, 계산된 n개의 서로 다른 계수값과 설정된 청적비를 기반으로 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도를 추정하고, 추정된 엽록소의 농도에 따라 상기 다분광 영상의 각 픽셀마다 색상이 결정된 적조 발생강도 맵을 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 탐지반사도 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼은 적조 생물이 발생한 수역과, 적조 생물이 발생하기 시작하는 수역을 대상 지역으로 설정하고, 별도의 초분광 센서를 이용하여 획득하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 초분광 스펙트럼에서 다분광 카메라가 측정할 수 있는 분광 밴드의 값을 보면, k개의 서로 다른 분광 밴드를 가진 다분광 카메라를 통해 도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼을 확인할 수 있다.
이 때, 적조 강도를 고려하여 4개(Line 1, Line 2, Line 3, Line 4)의 서로 다른 수표면의 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하였으며, Line 1은 적조 발생강도가 가장 강한 수표면의 원격 탐사반사도 스펙트럼이며, Line 4는 적조 발생강도가 가장 약한 수표면의 원격 탐사반사도 스펙트럼을 나타낸다.
즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 적조생물이 발생한 수역으로부터 얻어진 스펙트럼과 적조생물이 미발생한 수역에서 얻어진 스펙트럼은 확연한 차이를 보이며, 적조 발생강도가 강해질수록 청색 파장대(430 ~ 500 nm)의 원격 탐사반사도는 낮아지고, 적조 발생강도가 강해질수록 근적외선 파장대(670 ~ 730 nm)의 원격 탐사반사도는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
실시예
: 원격 적조 탐지방법을 활용한 적조 발생강도
맵의
출력
MicaSense사의 RedEdg-M 다분광 카메라를 이용하여 전남 여수 수역에서 발생한 적조를 관측하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
상기 RedEdg-M 다분광 카메라의 경우, 5개의 분광 밴드를 가지고 있으며, 각각의 분광 밴드는 475, 560, 668, 717, 840 nm의 중심파장을 가진다.
구체적으로, 상기 RedEdg-M 다분광 카메라는 청색 파장대에 속하는 475 nm의 중심파장을 가지는 분광 밴드와 근적외선 파장대에 속하는 717 nm의 중심파장을 가지는 분광 밴드를 가지고 있으므로, 상기 수학식 4를 이용하여 Rrs(717)/Rrs(475)의 청적비를 설정할 수 있다.
다음으로, 현장의 10개 지점에서 해수를 채취하여 현장관측 엽록소 농도를 획득하고, 상기 수학식 5에 획득된 현장관측 엽록소 농도와 설정된 청적비 Rrs(717)/Rrs(475)를 대입하여 2차항까지의 서로 다른 계수값을 계산하였다.
여기서, 계산된 서로 다른 계수값(C0, C1, C2)은 각각 C0=0.9253, C1=2.8400, C2=1.6346 이다.
구체적으로, 식의 계수 계산을 위해서 선박 조사를 통하여 해수에서 직접 엽록소 농도를 측정하여, 동시에 관측한 다분광 카메라 자료와 매칭하는 작업을 수행하고자, 총 10여개의 다른 위치에서 해수를 직접 채수하여 적조 생물이 맞는지 확인한 후, 단위체적당 존재하는 엽록소 농도를 직접 측정하여 현장 자료를 마련하였다.
이 때, 현장관측 엽록소 농도와 동시에 관측된 다분광 카메라 자료에 대하여, 상기 수학식 6의 오차의 제곱을 최소화할 수 있는 계수를 구한 것이 상기 Co, C1, C2 계수이다.
이후, 계산된 서로 다른 계수값(C0, C1, C2)과 설정된 청적비 Rrs(717)/Rrs(475)를 상기 수학식 6에 대입하여 적조생물이 가진 엽록소의 농도를 추정하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법을 통해 출력된 엽록소 농도를 이용한 적조 발생강도 맵과 일반 카메라 영상을 이용한 적조 맵을 비교한 도면이다.
도 7a는 일반 카메라로부터 출력되는 R,G,B 영상이고, 도7b는 다분광 카메라로부터 출력되는 다분광 영상을 도시한다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 일반 카메라를 통해 출력된 적조 영상과 다분광 카메라를 통해 출력된 적조 발생강도 영상을 비교하면, 도 7a의 적조 영상 상단에서는 관측각이 증가함에 따라 발생하는 강한 표면반사를 확인할 수 있으나, 도 7b의 적조 발생강도 영상에서는 강한 표면반사가 나타나지 않으며, 수표면에 존재하는 적조의 양을 정량적으로 추정하여 표시하므로 수표면 전체에 걸쳐 적조의 농도 분포를 쉽게 구분할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다.
또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당 업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 다분광 카메라
200: 전처리부
300: 출력부
200: 전처리부
300: 출력부
Claims (10)
- 원격 적조 탐지시스템이,
k(k는 자연수)개의 서로 다른 분광 밴드를 가진 다분광 카메라를 이용하여 수표면을 관측하되, 대상 영역의 수표면 영상과 관측 정보를 포함하는 관측자료를 획득하는 단계;
획득된 관측자료를 전처리하여 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계;
도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼을 기반으로, 적조생물이 가진 엽록소의 농도를 추정하여 적조 발생강도를 출력하는 단계;를 포함하고,
상기 관측자료를 획득하는 단계는:
상기 다분광 카메라를 통해 상기 관측 정보인 수면 복사휘도, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도를 측정하는 단계; 및
상기 다분광 카메라를 통해 상기 수표면 영상인 k개의 단색 영상을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 관측 정보인 수면 복사휘도, 대기 복사휘도 및 하향 복사조도를 측정하는 단계에서:
상기 다분광 카메라는 상기 수면 복사휘도의 측정을 위하여 태양과의 상대 방위각이 90 ~ 180 도 범위 내에 포함되고, 수표면과의 관측 천정각이 30 ~ 45 도 범위 내에 포함되도록 유지하면서 관측하는 단계를 포함하고,
상기 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 단계는:
생성된 k개의 단색 영상을 투영 변환을 통해 정합하여 다분광 영상을 생성하는 단계;
상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 반사효율(ρ)을 설정하고, 설정된 반사효율을 이용하여 수표면 반사에 의한 영향을 제거한 수출 복사휘도를 도출하는 단계; 및
도출된 수출 복사휘도와 상기 하향 복사조도를 기반으로, 상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 원격 탐사반사도를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 수출 복사휘도를 도출하는 단계는:
적조가 미발생된 물의 경우, 근적외선 파장대의 대기 복사휘도에 대한 근적외선 파장대의 수면 복사휘도의 비율을 반사효율로 설정하는 단계; 및
적조가 발생된 물의 경우, 미리 설정된 이론값을 반사효율로 설정하는 단계를 더 포함하는 원격 적조 탐지방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 원격 탐사반사도를 결정하는 단계에서:
상기 원격 탐사반사도는 도출된 수출 복사휘도에 대한 상기 하향 복사조도의 비율인 원격 적조 탐지방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 적조 발생강도를 출력하는 단계는:
도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼에서, 청색 파장대의 원격 탐사반사도에 대한 근적외선 파장대의 원격 탐사반사도의 비율인 청적비를 설정하는 단계;
설정된 청적비와 직접 바닷물을 채취하여 얻은 현장관측 엽록소 농도를 이용하여 n개(n은 자연수)의 서로 다른 계수값을 계산하는 단계;
계산된 n개의 서로 다른 계수값과 설정된 청적비를 기반으로 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도를 추정하는 단계; 및
추정된 엽록소의 농도에 따라 상기 다분광 영상의 각 픽셀마다 색상이 결정된 적조 발생강도 맵을 출력하는 단계를 포함하는 원격 적조 탐지방법.
- 다분광 카메라를 통해 획득된 관측자료를 전처리하여 원격 탐사반사도 스펙트럼을 도출하는 전처리부; 및
도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼을 기반으로 적조생물이 가진 엽록소의 농도를 추정하여 적조 발생강도를 출력하는 출력부를 포함하고,
상기 전처리부는,
생성된 k개의 단색 영상을 사영 변환을 통해 정합하여 다분광 영상을 생성하고,
상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 반사효율(ρ)을 설정하고, 설정된 반사효율을 이용하여 수표면 반사에 의한 영향을 제거한 수출 복사휘도를 도출하고,
도출된 수출 복사휘도와 획득된 관측자료인 하향 복사조도를 기반으로, 상기 다분광 영상의 각 픽셀에 대응되는 원격 탐사반사도를 결정하고,
적조가 미발생된 물의 경우, 근적외선 파장대의 대기 복사휘도에 대한 근적외선 파장대의 수면 복사휘도의 비율을 반사효율로 설정하고,
적조가 발생된 물의 경우, 미리 설정된 이론값을 반사효율로 설정하는 원격 적조 탐지시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,
상기 출력부는,
도출된 원격 탐사반사도 스펙트럼에서, 청색 파장대의 원격 탐사반사도에 대한 근적외선 파장대의 원격 탐사반사도의 비율인 청적비를 설정하고,
설정된 청적비와 직접 바닷물을 채취하여 얻은 현장관측 엽록소 농도를 이용하여 n개(n은 자연수)의 서로 다른 계수값을 계산하고,
계산된 n개의 서로 다른 계수값과 설정된 청적비를 기반으로 적조 생물이 가지는 엽록소의 농도를 추정하고,
추정된 엽록소의 농도에 따라 상기 다분광 영상의 각 픽셀마다 색상이 결정된 적조 발생강도 맵을 출력하는 원격 적조 탐지시스템.
Priority Applications (1)
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| KR1020200107842A KR102461468B1 (ko) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 그 시스템 |
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| KR1020200107842A KR102461468B1 (ko) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 다분광 영상을 이용한 원격 적조 탐지방법 및 그 시스템 |
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ID=80817616
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|---|---|---|---|---|
| KR102674917B1 (ko) * | 2023-09-11 | 2024-06-13 | (주)유에스티21 | 위성영상 분석을 통한 해색 데이터 합성장 생산 및 클로로필-a 농도 추정 시스템 및 그 방법 |
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