KR102501581B1 - Method for predicting concentration of pathogenic microorganism using remote sensing hiperspectral images - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용하여 1차 수질지표를 산출하고, 이 1차 수질지표와 실측한 병원성 미생물의 농도 데이터를 이용하여 수질 데이터베이스를 구축한 다음, 이 수질 데이터베이스를 이용하여 실측하지 않은 수계의 병원성 미생물 농도를 예측할 수 있도록 해주는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법은, 원격 촬영을 통해 대상이 되는 수계(水系)의 초분광 영상이미지를 획득하는 단계; 상기 획득한 초분광 영상이미지를 사용하여 회귀분석 모델을 통해 계산이 가능한 하나 이상의 수질 항목으로 구성된 1차 수질 지표를 산출하는 단계; 상기 산출된 1차 수질 지표와 상기 대상 수계에서 실측한 병원성 미생물의 농도 데이터를 하나의 집합으로 하여 수질 데이터베이스를 구축하는 단계; 및 상기 대상 수계에서 원격 촬영한 새로운 초분광 영상이미지로부터 산출한 1차 수질 지표와 상기 수질 데이터베이스를 통해 훈련된 기계학습 모델을 사용해 실측하지 않은 병원성 미생물의 농도를 예측하는 단계;를 포함한다.
In the present invention, a first water quality index is calculated using a remote sensing hyperspectral image, a water quality database is constructed using the first water quality index and the actually measured concentration data of pathogenic microorganisms, and then the water quality database is used for actual measurement. The main purpose is to provide a method that can predict the concentration of pathogenic microorganisms in untreated water systems.
To achieve the above object, the method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using a hyperspectral image for remote sensing of the present invention includes the steps of acquiring a hyperspectral image of a target water system through remote imaging; Calculating a first water quality index composed of one or more water quality items that can be calculated through a regression analysis model using the obtained hyperspectral image; constructing a water quality database by combining the calculated primary water quality index and actually measured concentration data of pathogenic microorganisms in the target water system as one set; and predicting the concentration of pathogenic microorganisms that have not been actually measured using a first water quality indicator calculated from a new hyperspectral image taken remotely from the target water system and a machine learning model trained through the water quality database.

Description

원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법{METHOD FOR PREDICTING CONCENTRATION OF PATHOGENIC MICROORGANISM USING REMOTE SENSING HIPERSPECTRAL IMAGES}A method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using remote sensing hyperspectral imagery

본 발명은 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용해 산출 가능한 1차 수질지표와 실측한 병원성 미생물 농도를 사용하여 수질 데이터베이스를 구축하고 이 수질 데이터베이스를 이용하여 향후 병원성 미생물 농도를 정확하게 예측할 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using remote sensing hyperspectral imagery, and more particularly, to a water quality database using a primary water quality index that can be calculated using remotely monitored hyperspectral imagery and the actually measured concentration of pathogenic microorganisms. and how to accurately predict the concentration of pathogenic microorganisms in the future using this water quality database.

최근에 요트, 수상스키, 카누, 조정 등과 같은 수상 스포츠에 대한 관심이 높아지고, 하천의 수변 공간이 정비되면서 가족 단위의 물놀이 인구가 증가하고 있다. 그러나, 하천에서의 수상 활동은 수체와의 접촉을 통해 이용자가 수인성 질병 등에 감염될 우려가 있기 때문에 수질에 대한 안전성이 확보되어야 하며, 이를 위해 일기 예보와 마찬가지로 하천 등의 수질 정보를 일반인에게 예보하는 시스템이 개발되고 있다.Recently, interest in water sports such as yachting, water skiing, canoeing, and rowing has increased, and as waterside spaces in rivers have been improved, the number of families playing water has increased. However, since water activities in rivers may infect users with water-borne diseases through contact with water bodies, safety for water quality must be ensured. To this end, water quality information on rivers, etc. system is being developed.

종래의 수질 정보는 주로 지형이나 수계 특성상 몇 개의 조사지점을 대상으로 수질 정보 데이터를 실측하여 수집해 왔다. 이러한 수질 검사방식은 수계 전반에 종합적인 수질을 파악하기 어려운 문제가 있었다. 더욱이, 수인성 질병에 주요 원인이 되는 병원성 미생물의 농도는 현장에서 샘플링을 통해 수집한 후 실험실에서 수질 샘플을 배지(평판, Colilert, Enterolert 등)에 투여한 후 18 ~ 24 시간 동안 배양을 한 다음 미생물의 농도를 판독하는 방식으로 측정하여 왔는데, 이러한 분석 과정은 상당한 시간과 인력이 소모되었을 뿐만 아니라, 분석에 따른 시간 딜레이로 인해 일반인에게 실시간으로 수질 정보를 제공하는데 한계가 있었다. Conventional water quality information has mainly been collected by actually measuring water quality information data targeting several survey points due to the characteristics of topography or water system. This water quality inspection method has a problem in that it is difficult to grasp the comprehensive water quality of the entire water system. Moreover, the concentration of pathogenic microorganisms, which are the main cause of water-borne diseases, is collected through sampling in the field, and then cultured for 18 to 24 hours after administering the water quality sample to a medium (plate, Colilert, Enterolert, etc.) It has been measured by reading the concentration of microorganisms, and this analysis process not only consumes considerable time and manpower, but also has limitations in providing water quality information to the general public in real time due to the time delay according to the analysis.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 항공기 등에서 원격으로 촬영한 영상이미지를 사용하여 수질 정보를 신속하게 모니터링하는 방식이 개발되어 왔다. 그 일예가 대한민국 등록특허 제10-1116462호(발명의 명칭: 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치)(특허문헌 1)에 개시되어 있다. 이에 따르면, 원격탐사 영상데이터와 실측 데이터를 이용하여 투명도, 엽록소 a 농도, 총 인 농도 등의 회귀분석 모델(상관관계 함수)을 만들고, 이 회귀분석 모델을 이용해 실측하지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총 인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득한 다음, 이 데이터를 이용해 부영양화지수를 결정하고, 이 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 방법에 개시되어 있다.In order to solve this problem, a method of quickly monitoring water quality information using a video image remotely photographed from an aircraft has been developed. An example thereof is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1116462 (title of invention: method for monitoring water quality using remote sensing data and apparatus for monitoring water quality using the same) (Patent Document 1). According to this, a regression analysis model (correlation function) such as transparency, chlorophyll a concentration, and total phosphorus concentration was created using remote sensing image data and actual measurement data, and this regression analysis model was used to determine the transparency and chlorophyll a A method of obtaining data of at least one of concentration and total phosphorus concentration, determining a eutrophication index using this data, and evaluating the water quality of a water system using the determined eutrophication index.

그러나 상기한 종래의 수질 모니터링 방법은 항공기와 같이 매우 높은 고도에서 수계를 촬영한 영상이미지를 사용하였기 때문에 이 영상이미지의 노이즈를 제거하기 위하여 태양고도, 대기조건, 지표면의 피복 상태, 기하학적 지형에 따른 복잡한 보정 과정을 거쳐야 했다. 더욱이, 투명도, 엽록소 a 농도, 총 인 농도와 같이 원격탐사 영상이미지와 상관관계가 있는 수질 지표만을 예측할 수 있을 뿐이고, 수인성 전염병에 주요 원인이 되는 병원성 미생물의 농도는 예측할 수 없다는 한계가 있었다.However, since the above-mentioned conventional water quality monitoring method uses a video image taken of a water system at a very high altitude, such as from an aircraft, in order to remove noise from the video image, it is determined according to the sun altitude, atmospheric condition, ground surface cover state, and geometric topography. It had to go through a complex correction process. Moreover, only water quality indicators correlated with remote sensing images, such as transparency, chlorophyll a concentration, and total phosphorus concentration, can be predicted, and the concentration of pathogenic microorganisms, which are the main cause of waterborne infectious diseases, cannot be predicted.

KRKR 10-111646210-1116462 BB

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용하여 1차 수질지표를 산출하고, 이 1차 수질지표와 실측한 병원성 미생물의 농도 데이터를 이용하여 수질 데이터베이스를 구축한 다음, 이 수질 데이터베이스를 이용하여 실측하지 않은 수계의 병원성 미생물 농도를 예측할 수 있도록 해주는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다. The present invention was developed to solve these conventional problems, and a first water quality index is calculated using a hyperspectral image of remote sensing, and a water quality database is obtained using the first water quality index and the actually measured concentration data of pathogenic microorganisms. After constructing the water quality database, the main purpose is to provide a method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms in unmeasured water systems using the water quality database.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법은, 원격 촬영을 통해 대상이 되는 수계(水系)의 초분광 영상이미지를 획득하는 단계; 상기 획득한 초분광 영상이미지를 사용하여 회귀분석 모델을 통해 계산이 가능한 하나 이상의 수질 항목으로 구성된 1차 수질 지표를 산출하는 단계; 상기 산출된 1차 수질 지표와 상기 대상 수계에서 실측한 병원성 미생물의 농도 데이터를 하나의 집합으로 하여 수질 데이터베이스를 구축하는 단계; 및 상기 대상 수계에서 원격 촬영한 새로운 초분광 영상이미지로부터 산출한 1차 수질 지표와 상기 수질 데이터베이스를 통해 훈련된 기계학습 모델을 사용해 실측하지 않은 병원성 미생물의 농도를 예측하는 단계;를 포함한다.To achieve the above object, the method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using a hyperspectral image for remote sensing of the present invention includes the steps of acquiring a hyperspectral image of a target water system through remote imaging; Calculating a first water quality index composed of one or more water quality items that can be calculated through a regression analysis model using the obtained hyperspectral image; constructing a water quality database by combining the calculated primary water quality index and actually measured concentration data of pathogenic microorganisms in the target water system as one set; and predicting the concentration of pathogenic microorganisms that have not been actually measured using a first water quality indicator calculated from a new hyperspectral image taken remotely from the target water system and a machine learning model trained through the water quality database.

또한, 상기 초분광 영상이미지 획득 단계는, 무인항공기 또는 드론을 이용하여 상기 대상 수계를 근접 촬영할 수 있다.In addition, in the hyperspectral image acquisition step, the target water system may be closely photographed using an unmanned aerial vehicle or a drone.

또한, 상기 수질 항목은 수심, 탁도, 총부유물질(TSS), 휘발성 부유물질(VSS), 식물 플랑크톤, 유색 용존 유기물(CDOM), 비조류 입자(NAP), 총인(TP), 총질소(TN), Cyanobacteria, Microcystin, Phycocyanin, Chlorophyll-a 중 하나 또는 둘 이상일 수 있다.In addition, the water quality items include water depth, turbidity, total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), phytoplankton, colored dissolved organic matter (CDOM), non-algal particles (NAP), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN) ), one or more of Cyanobacteria, Microcystin, Phycocyanin, and Chlorophyll-a.

또한, 상기 병원성 미생물은 분원성 대장균, 장구균, 황색포도상구균, 장염비브리오균, 살모넬라, 바실러스 세레우스, 클로스트리디움 퍼프리젠스, 엔테로바이러스, 디프테리아균, 이질균 중 하나 또는 둘 이상일 수 있다.In addition, the pathogenic microorganism may be one or two or more of fecal coliform, enterococci, Staphylococcus aureus, Vibrio enteritis, Salmonella, Bacillus cereus, Clostridium perfringens, enterovirus, diphtheria, and Shigella.

또한, 상기 기계학습 모델은 인공신경망(Artificial Neutral Network) 모델 또는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 모델 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the machine learning model may be characterized in that it is any one of an artificial neural network model and a support vector machine model.

또한, 상기 수질 데이터베이스 구축 단계는, 예측의 정확도를 높이기 위하여 추가 수질 데이터베이스를 이용해 기계학습 모델을 자동 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the step of constructing the water quality database may further include automatically correcting the machine learning model using an additional water quality database to increase prediction accuracy.

상기와 같이 구성된 본 발명의 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법에 따르면, 무인항공기 또는 드론을 통해 촬영한 초분광 영상이미지를 이용하여 대상 수계를 병원성 미생물의 농도를 실시간으로 예측할 수 있어 수질 정보를 신속하게 예보할 수 있도록 해준다.According to the method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using remote sensing hyperspectral imagery of the present invention configured as described above, the concentration of pathogenic microorganisms in a target water system can be predicted in real time using hyperspectral imagery taken by an unmanned aerial vehicle or a drone. This enables rapid forecasting of water quality information.

또한, 병원성 미생물의 농도를 실측하지 않고도 정확하게 예측할 수 있으므로, 기존에 병원성 미생물의 농도를 실측하는데 소요되는 시간, 인력 및 비용을 절감할 수 있다. In addition, since the concentration of pathogenic microorganisms can be accurately predicted without actually measuring the concentration of pathogenic microorganisms, it is possible to reduce time, manpower, and cost previously required to actually measure the concentration of pathogenic microorganisms.

또한, 무인항공기나 드론을 이용해 실시간으로 구축할 수 있는 1차 수질 지표의 데이터가 방대함에 따라 모델의 지속적 보정 및 정확도 개선이 가능해진다. 그 결과, 시간이 경과함에 따라 병원성 미생물의 농도에 대한 예측 정확도가 더욱 향상된다. In addition, as the data of primary water quality indicators that can be built in real time using unmanned aerial vehicles or drones is vast, it is possible to continuously calibrate and improve the accuracy of the model. As a result, the prediction accuracy for the concentration of pathogenic microorganisms is further improved over time.

도 1은 본 발명에 따른 병원성 미생물의 농도 예측방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 1차 수질지표 산출 과정을 예시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 1차 수질지표 산출 결과를 예시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 기계학습 과정을 예시한 도면.
1 is a flow chart showing a method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms according to the present invention.
2 is a diagram illustrating a first water quality index calculation process according to the present invention.
3 is a diagram illustrating the results of calculating the first water quality index according to the present invention.
4 is a diagram illustrating a machine learning process according to the present invention.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, a method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using a remote sensing hyperspectral image according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms, only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the person who has the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. For reference, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명에 따른 병원성 미생물의 농도 예측방법을 나타낸 순서도인 도 1을 참조로 본 발명의 주요 단계를 상세히 설명한다. The main steps of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1, which is a flow chart showing a method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms according to the present invention.

먼저, 원격 촬영을 통해 대상이 되는 수계(水系)의 초분광 영상이미지를 획득한다(S10). 상기 원격 촬영은 일반적으로 항공기 또는 인공위성과 같이 원거리 촬영수단을 통해서도 실행 가능하다. 이러한 원거리 촬영에 의한 영상이미지는 호소 및 해안과 같은 대면적 수계의 수질 측정에 사용할 수 있다는 장점은 있으나, 영상이미지에 노이즈가 많이 발생하므로, 태양고도, 대기조건, 지표면의 피복 상태, 기하학적 지형에 따른 복잡한 보정 과정을 거쳐야 하고, 그 만큼 수질 정보의 예측 정확도가 낮다는 단점이 있다. First, a hyperspectral video image of a target water system is acquired through remote shooting (S10). The remote photographing is generally possible through a remote photographing means such as an aircraft or a satellite. The video image obtained by this long-distance shooting has the advantage that it can be used to measure the water quality of large-area water systems such as lakes and coasts. It has a disadvantage that it needs to go through a complicated correction process according to the method, and the prediction accuracy of the water quality information is low.

이러한 점을 고려해 볼 때, 소형 무인항공기 또는 드론을 이용하여 대상 수계를 근거리 촬영한 영상이미지를 사용하는 것이 바람직하다. 가장 큰 이유는, 원거리 촬영한 영상이미지에 대해 수행되었던 복잡한 보정 절차를 거치지 않아도 되기 때문이다.Considering this point, it is preferable to use a video image taken from a short distance of the target water system using a small unmanned aerial vehicle or a drone. The biggest reason is that there is no need to go through the complicated correction procedure that was performed on video images taken from a distance.

한편, 상기 초분광 영상이미지라 함은 초분광 센서(Hyper Spectrum Sensor)에 의해 촬영된 영상이미지로서, 연속적이고 파장 폭이 좁은 수백 개의 분광밴드를 통해 촬영 대상물의 분광 특성을 표현할 수 있도록 해주는 영상이미지를 말한다. 각각의 분광밴드는 하나의 원자 또는 특정한 물질의 분광특성을 나타내므로, 이 초분광 센서를 이용하면 여러 가지 물질을 동시에 검출할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 종래에 One-point 체수를 통해 수질 정보를 취득하였으나, 초분광 센서를 이용하면 면단위 모니터링이 가능하다는 장점도 있다. 그 결과, 수계 표면의 오염물질의 공간적 분포와 이동 상태도 더욱 명확히 파악할 수 있다.On the other hand, the hyperspectral image is an image captured by a hyperspectral sensor, and allows the spectral characteristics of an object to be captured to be expressed through hundreds of spectral bands that are continuous and narrow in wavelength. says Since each spectral band represents the spectral characteristics of one atom or a specific substance, the hyperspectral sensor has the advantage of being able to simultaneously detect several substances. In addition, conventionally, water quality information was acquired through one-point body water, but there is also an advantage that surface-level monitoring is possible by using a hyperspectral sensor. As a result, the spatial distribution and movement of contaminants on the surface of the water system can be more clearly identified.

다음으로, 상기 획득한 초분광 영상이미지를 사용하여 회귀분석 모델을 통해 계산이 가능한 하나 이상의 수질 항목으로 구성된 1차 수질 지표를 산출한다(S20). 앞서 설명한 바와 같이, 특허문헌1에서 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용하여 투명도, 엽록소 a의 농도, 총인 농도와 같은 수질 항목을 회귀분석 모델을 통해 획득하는 방법이 개시되어 있다. Next, a first water quality index composed of one or more water quality items that can be calculated through a regression analysis model is calculated using the obtained hyperspectral image (S20). As described above, Patent Document 1 discloses a method of acquiring water quality items such as transparency, concentration of chlorophyll-a, and total phosphorus through a regression analysis model using a remote sensing hyperspectral image.

본 발명에서는 최종 목표인 수인성 전염성을 일으키는 병원성 미생물의 농도를 에측하기 위해 보다 다양한 수질 항목을 1차 수질 지표로 산출한다. 예를 들어, 수심, 탁도, 총부유물질(TSS), 휘발성 부유물질(VSS), 식물 플랑크톤, 유색 용존 유기물(CDOM), 비조류 입자(NAP), 총인(TP), 총질소(TN), Cyanobacteria, Microcystin, Phycocyanin, Chlorophyll-a 중 하나 또는 둘 이상의 수질 항목을 1차 수질 지표로 사용한다.In the present invention, more diverse water quality items are calculated as primary water quality indicators in order to predict the final target, the concentration of pathogenic microorganisms that cause water-borne infectivity. For example, water depth, turbidity, total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), phytoplankton, colored dissolved organic matter (CDOM), non-algal particulates (NAP), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), One or more water quality items among Cyanobacteria, Microcystin, Phycocyanin, and Chlorophyll-a are used as primary water quality indicators.

이 1차 수질 지표로 사용되는 수질 항목이 많아지면 더욱 방대한 수질 데이터베이스의 구축이 가능하기 때문에 예측의 정확도를 높일 수 있다. 나아가, 특정 병원성 미생물과 연관 관계가 입증된 수질 항목을 선택적으로 사용하여 해당 병원성 미생물에 대한 예측 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.If the number of water quality items used as the primary water quality index increases, it is possible to build a more extensive water quality database, thereby increasing the accuracy of prediction. Furthermore, it is possible to further improve the prediction accuracy of a specific pathogenic microorganism by selectively using a water quality item that has been proven to be associated with a specific pathogenic microorganism.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 1차 수질지표 산출 과정 및 그 결과를 간단히 나타낸다. 도 2의 (a)와 같이 초분광 센서를 이용하여 획득한 특정한 분광밴드의 시간 경과에 따른 변화 특성과 도 2의 (b)와 같이 실측한 Chlorophyll-a의 농도 데이터의 시간 경과에 따른 변화 특성을 비교할 때 동일한 변화 추이를 나타낸다. 이러한 특정 분광밴드와 Chlorophyll-a의 상관관계를 고려할 때, 도 2의 (c)에서 보는 바와 같이, 특정 분광밴드와 Chlorophyll-a은 1차 정비례 관계가 있음을 알 수 있다. 2 and 3 briefly show the first water quality index calculation process and results according to the present invention. Change characteristics over time of a specific spectral band obtained using a hyperspectral sensor as shown in FIG. 2 (a) and change characteristics over time of the concentration data of Chlorophyll-a measured as shown in FIG. shows the same change trend when comparing . Considering the correlation between the specific spectral band and Chlorophyll-a, as shown in (c) of FIG. 2, it can be seen that the specific spectral band and Chlorophyll-a have a first-order direct proportional relationship.

이와 같이, 특정 분광밴드와 Chlorophyll-a의 높은 상관관계를 사용한 회귀분석 모델을 이용하여 대상 수계 전체를 면단위로 촬영한 초분광 영상이미지를 분석하면 해당 수계의 Chlorophyll-a 농도 분포를 예측할 수 있다. 도 3은 Chlorophyll-a의 농도에 대한 예측 데이터 분포와 실측 데이터 분포를 동일 등고선으로 비교한 것이다. 이에 따르면, 초분광 영상이미지와 수질 항목의 회귀분석 모델을 통해 비교적 정확한 농도 예측이 가능하다는 것을 알 수 있다.In this way, the distribution of Chlorophyll-a concentration in the water system can be predicted by analyzing the hyperspectral image obtained by taking the entire target water system area by surface using the regression analysis model using the high correlation between the specific spectral band and Chlorophyll-a. . Figure 3 compares the predicted data distribution and the actual data distribution for the concentration of chlorophyll-a with the same contour line. According to this, it can be seen that relatively accurate concentration prediction is possible through the regression analysis model of the hyperspectral image and water quality items.

다음으로, 상기 산출된 1차 수질 지표와 상기 대상 수계에서 실측한 병원성 미생물의 농도 데이터를 하나의 집합으로 하여 수질 데이터베이스를 구축한다(S30). Next, a water quality database is constructed by combining the calculated primary water quality index and the actually measured concentration data of pathogenic microorganisms in the target water system as one set (S30).

병원성 미생물이란 세균, 바이러스 등 인간 등에게 병을 옮길 수 있는 미생물을 말한다. 특히 수인성 전염병을 일으키는 병원성 미생물은 분원성 대장균, 장구균, 황색포도상구균, 장염비브리오균, 살모넬라, 바실러스 세레우스, 클로스트리디움 퍼프리젠스, 엔테로바이러스, 디프테리아균, 이질균 등이 있다. 본 발명은 대상 수계 내에 수인성 전염성 발병 위험이 있는 상기 병원성 미생물 중 하나 또는 둘 이상의 농도를 실시간으로 예측할 수 있는 방법을 제공해준다.Pathogenic microorganisms refer to microorganisms such as bacteria and viruses that can transmit disease to humans. In particular, pathogenic microorganisms that cause water-borne infectious diseases include fecal coliform, enterococci, Staphylococcus aureus, Vibrio enteritis, Salmonella, Bacillus cereus, Clostridium perfringens, enterovirus, diphtheria, and dysentery. The present invention provides a method for predicting in real time the concentration of one or two or more of the pathogenic microorganisms at risk of developing water-borne infectious diseases in a target water system.

이를 위해 상기 원격탐사로 촬영한 초분광 영상이미지로부터 산출한 다수개의 1차 수질 지표와 동일한 시간에 대상 수계로부터 실측한 병원성 미생물의 농도를 묶어 하나의 집합으로 데이터베이스화 한다. 예를 들어, 곡류를 포함한 농작물이나 채소 등에 높은 비율로 존재하고, 수인성 설사, 어지러움과 복통 등을 일으키는 바실러스 세레우스가 수질 항목 중에서 유색 용존 유기물(CDOM), 총인(TP) 등의 함량과 뚜렷한 상관관계가 있다고 한다면, 유색 용존 유기물(CDOM), 총인(TP) 등을 포함한 다수개의 수질 항목의 데이터 값과 실측한 바실러스 세레우스의 농도를 하나의 집합으로 하여 수질 데이터베이스화하는 것이다. 이러한 반복 과정을 통해 방대한 양의 수질 데이터베이스가 구축되면, 이를 이용해 병원성 미생물의 농도를 실측하지 않고도 정확히 예측할 수 있다.To this end, the concentrations of pathogenic microorganisms actually measured from the target water system at the same time as the plurality of primary water quality indicators calculated from the hyperspectral image taken by remote sensing are grouped into a database as one set. For example, Bacillus cereus, which is present in a high proportion in crops and vegetables including grains and causes water-borne diarrhea, dizziness and abdominal pain, has a clear relationship with the content of colored dissolved organic matter (CDOM) and total phosphorus (TP) among water quality items. If there is a correlation, data values of a plurality of water quality items, including colored dissolved organic matter (CDOM) and total phosphorus (TP), and the actually measured concentration of Bacillus cereus are set as a water quality database. When a vast amount of water quality database is established through this iterative process, it is possible to accurately predict the concentration of pathogenic microorganisms without actually measuring it.

본 발명에 따르면, 예측의 정확도를 높이기 위하여 추가 수질 데이터베이스를 이용해 기계학습 모델을 자동 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다(S40). 상기한 바와 같이 수질 데이터베이스는 초분광 영상이미지로부터 얻어지는 1차 수질 지표와 실측한 병원성 미생물의 농도를 집합하여 저장한 것인데, 추가로 구축되는 수질 데이터베이스를 사용하여 기계학습 모델을 통해 반복적으로 훈련하고 자동 보정함으로써, 더욱 높은 정확도를 확보할 수 있는 것이다. 상기 기계학습 모델은 컴퓨터가 인간의 학습 과정을 모방하여 반복적인 훈련을 통해 최적의 함수를 도출함으로써 정확한 결과값을 도출하는 방법을 말하는 것으로, 대표적으로 인공신경망(Artificial Neural Network)와 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 등이 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 도 4를 참조로 후술하기로 한다.According to the present invention, a step of automatically correcting the machine learning model using an additional water quality database may be further included in order to increase the accuracy of prediction (S40). As described above, the water quality database is a collection and storage of primary water quality indicators obtained from hyperspectral imagery and concentrations of pathogenic microorganisms actually measured. By calibrating, higher accuracy can be secured. The machine learning model refers to a method in which a computer derives an accurate result value by deriving an optimal function through repetitive training by imitating a human learning process. Representatively, an artificial neural network and a support vector machine ( Support Vector Machine) and the like, and details thereof will be described later with reference to FIG. 4 .

마지막으로, 상기 대상 수계에서 원격 촬영한 새로운 초분광 영상이미지로부터 산출한 1차 수질 지표와 상기 수질 데이터베이스로부터 반복 훈련된 기계학습 모델을 사용하여 실측하지 않은 병원성 미생물의 농도를 예측한다(S50).Finally, the concentration of pathogenic microorganisms that have not been actually measured is predicted using the first water quality index calculated from the new hyperspectral image taken remotely in the target water system and the machine learning model repeatedly trained from the water quality database (S50).

즉, 무인항공기 또는 드론을 이용해 원격 촬영한 초분광 영상이미지로부터 상기 S20 단계를 통해 미리 정해진 다수개의 1차 수질 지표를 산출한다. 이 다수개의 1차 수질 지표를 이용해 상기 수질 데이터베이스를 검색하여 가장 근접한 데이터 값을 가지는 1차 수질 지표를 추출하고, 이 1차 수질 지표와 하나의 집합으로 묶여 있는 병원성 미생물의 농도 값을 출력한다. 그 결과, 대상 수계의 병원성 미생물의 농도를 실측하지 아니하고도 실시간으로 이를 산출하여 예보할 수 있게 된다. That is, a plurality of predetermined primary water quality indicators are calculated from the hyperspectral video image remotely photographed using an unmanned aerial vehicle or drone through the step S20. The water quality database is searched using the plurality of primary water quality indicators, the primary water quality indicators having the closest data values are extracted, and the concentration values of pathogenic microorganisms grouped together with the primary water quality indicators are output. As a result, it is possible to calculate and forecast the concentration of pathogenic microorganisms in the target water system in real time without actually measuring the concentration.

병원성 미생물 농도 예측 단계는, 상기한 기계학습 모델을 이용하여 상기 병원성 미생물의 농도를 예측할 수 있다. 즉, 가장 근접한 데이터 값을 가지는 1차 수질 지표를 추출하는 과정에 인공지능과 같은 기계학습 모델을 적용함으로써 더욱 정확한 예측이 가능하도록 해준다. 특히, 회귀분석 모델에 비하여 기계학습을 통한 예측의 정확성이 더 높다는 사실은 일반적으로 잘 알려져 있다. In the step of predicting the concentration of pathogenic microorganisms, the concentration of the pathogenic microorganisms may be predicted using the machine learning model. In other words, by applying a machine learning model such as artificial intelligence to the process of extracting the primary water quality index with the closest data value, more accurate prediction is possible. In particular, it is generally known that the accuracy of prediction through machine learning is higher than that of the regression model.

도 4에는 기계학습 모델의 대표적인 2가지 방법이 도식적으로 나타나 있다. 먼저, 인공신경망 모델은 인간의 신경망을 단순화하여 부분적으로 모사한 것으로서, 여러 데이터를 합쳐서 처리를 한 후 다음 노즈로 결과를 전달하는 방식으로 구성된다. 이 중에서 상관관계가 높은 링크에는 가중치를 두고 연결하고, 각각의 뉴런은 여러 뉴런으로부터 정보를 받지만 결과적으로 단 하나의 값을 출력하게 된다.4 schematically shows two representative methods of the machine learning model. First, the artificial neural network model partially mimics the human neural network by simplifying it. Among them, links with high correlation are connected with weights, and each neuron receives information from several neurons, but as a result, only one value is output.

서포트 벡터 머신 모델은 주로 분류와 회귀 분석을 위해 사용되는 방법으로서, 초평면(hyperplane) 또는 초평면들의 집합으로 구성되어 있다. 직관적으로, 초평면이 가장 가까운 학습 데이터 점과 큰 차이를 가지고 있으며, 분류 오차가 작기 때문에 좋은 분류를 위해서는 어떤 분류된 점에 대해서는 가장 가까운 학습 데이터와 가장 먼 거리를 가지는 초평면을 찾는다. 즉, N 차원 공간 위에서 두 부류 간의 거리를 최대화하는 것과 동시에 같은 부류에 속하는 데이터들을 같은 쪽에 위치하게 만드는 N-1 차원의 초평면을 찾아가며 학습이 수행되도록 해준다.The support vector machine model is a method mainly used for classification and regression analysis, and is composed of a hyperplane or a set of hyperplanes. Intuitively, since the hyperplane has a large difference from the nearest training data point and the classification error is small, for a good classification, find the hyperplane that has the furthest distance from the closest training data point for any classified point. That is, learning is performed while maximizing the distance between the two classes on the N-dimensional space and searching for the N-1-dimensional hyperplane that positions the data belonging to the same class on the same side.

상기한 2가지 기계학습 모델은 가장 많이 사용되고 있는 방법을 예시한 것이므로, 본 발명에 따른 병원성 미생물의 농도 예측의 정확성을 높일 수 있는 것이며, 다른 기계학습 모델도 적용 가능함은 당연하다 할 것이다. Since the above two machine learning models exemplify the most commonly used methods, it is possible to increase the accuracy of predicting the concentration of pathogenic microorganisms according to the present invention, and it is natural that other machine learning models are also applicable.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be able to understand Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (6)

원격 촬영을 통해 대상이 되는 수계(水系)의 초분광 영상이미지를 획득하는 단계;
상기 획득한 초분광 영상이미지를 사용하여 회귀분석 모델을 통해 계산이 가능한 하나 이상의 수질 항목으로 구성된 1차 수질 지표를 산출하는 단계;
상기 산출된 1차 수질 지표를 구성하는 상기 하나 이상의 수질 항목과 상기 대상 수계에서 실측한 병원성 미생물의 농도 데이터 간의 상관관계를 결정하는 단계;
상기 상관관계에 따라 상기 하나 이상의 수질 항목과 상기 병원성 미생물의 농도 데이터를 하나의 집합으로 하여 수질 데이터베이스를 구축하는 단계; 및
상기 대상 수계에서 원격 촬영한 새로운 초분광 영상이미지로부터 산출한 1차 수질 지표와 상기 수질 데이터베이스를 통해 훈련된 기계학습 모델을 사용해 실측하지 않은 병원성 미생물의 농도를 예측하는 단계;를 포함하며,
상기 병원성 미생물은 분원성 대장균, 장구균, 황색포도상구균, 장염비브리오균, 살모넬라, 바실러스 세레우스, 클로스트리디움 퍼프리젠스, 엔테로바이러스, 디프테리아균, 이질균 중 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법.
Obtaining a hyperspectral image of a target water system through remote imaging;
Calculating a first water quality index composed of one or more water quality items that can be calculated through a regression analysis model using the obtained hyperspectral image;
determining a correlation between the one or more water quality items constituting the calculated primary water quality index and actually measured concentration data of pathogenic microorganisms in the target water system;
constructing a water quality database by combining the one or more water quality items and the concentration data of the pathogenic microorganisms into one set according to the correlation; and
Predicting the concentration of pathogenic microorganisms that have not been actually measured using a primary water quality index calculated from a new hyperspectral image image taken remotely in the target water system and a machine learning model trained through the water quality database;
The pathogenic microorganisms are remote sensing seconds, characterized in that one or two or more of fecal coliform, enterococci, Staphylococcus aureus, Vibrio enteritis, Salmonella, Bacillus cereus, Clostridium perfringens, enterovirus, diphtheria, and Shigella. A method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using spectroscopic images.
청구항 1에 있어서,
상기 초분광 영상이미지 획득 단계는, 무인항공기 또는 드론을 이용하여 상기 대상 수계를 근접 촬영하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법.
The method of claim 1,
The hyperspectral image acquisition step is a method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using a remote sensing hyperspectral image image, characterized in that for taking a close-up of the target water system using an unmanned aerial vehicle or a drone.
청구항 1에 있어서,
상기 수질 항목은 수심, 탁도, 총부유물질(TSS), 휘발성 부유물질(VSS), 식물 플랑크톤, 유색 용존 유기물(CDOM), 비조류 입자(NAP), 총인(TP), 총질소(TN), Cyanobacteria, Microcystin, Phycocyanin, Chlorophyll-a 중 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법.
The method of claim 1,
The water quality items include water depth, turbidity, total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), phytoplankton, colored dissolved organic matter (CDOM), non-algal particles (NAP), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), A method for predicting the concentration of pathogenic microorganisms using remote sensing hyperspectral image images, characterized in that one or more of Cyanobacteria, Microcystin, Phycocyanin, and Chlorophyll-a.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 기계학습 모델은 인공신경망(Artificial Neural Network) 모델 또는 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 모델 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법.
The method of claim 1,
The machine learning model is an artificial neural network model or a support vector machine model.
청구항 1에 있어서,
상기 수질 데이터베이스 구축 단계는, 예측의 정확도를 높이기 위하여 추가 수질 데이터베이스를 이용해 기계학습 모델을 자동 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 초분광 영상이미지를 이용한 병원성 미생물의 농도 예측방법.

The method of claim 1,
The water quality database construction step further comprises automatically correcting the machine learning model using an additional water quality database to increase the accuracy of the prediction.

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