KR102575675B1 - Hyperspectral imaging-based waterworks monitoring and analysis device and method - Google Patents

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KR102575675B1
KR102575675B1 KR1020230020104A KR20230020104A KR102575675B1 KR 102575675 B1 KR102575675 B1 KR 102575675B1 KR 1020230020104 A KR1020230020104 A KR 1020230020104A KR 20230020104 A KR20230020104 A KR 20230020104A KR 102575675 B1 KR102575675 B1 KR 102575675B1
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박용균
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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 적어도 하나의 초분광 센서로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집하는 데이터 수집부; 상기 초분광 영상을 분석하여 상기 상수도 시설물의 변화를 검출하는 데이터 분석부; 상기 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상기 상수도 시설물의 이상을 검출하는 이상 검출부; 및 상기 이상 검출에 관한 알림을 생성하여 제공하는 알림 제공부;를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for monitoring and analyzing water supply facilities based on hyperspectral imaging. a data analyzer configured to analyze the hyperspectral image and detect a change in the water supply facility; an abnormality detection unit for detecting an abnormality in the waterworks facility when the change in the waterworks facility exceeds a preset reference range; and a notification providing unit generating and providing a notification regarding the detection of the abnormality.

Description

초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치 및 방법{HYPERSPECTRAL IMAGING-BASED WATERWORKS MONITORING AND ANALYSIS DEVICE AND METHOD}Hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device and method {HYPERSPECTRAL IMAGING-BASED WATERWORKS MONITORING AND ANALYSIS DEVICE AND METHOD}

본 발명은 시설물 모니터링을 위한 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초분광 센서 기반의 데이터 분석 알고리즘을 이용하여 정확한 상수도관 진단을 수행할 수 있는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for monitoring facilities, and more particularly, to a hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device and method capable of performing accurate water supply pipe diagnosis using a data analysis algorithm based on a hyperspectral sensor. will be.

초분광 센서(Hyperspectral Sensor)는 입사되는 빛을 분광시켜 영상의 각 화소에 해당하는 지표물의 연속적이고 좁은 파장역으로 수십에서 수백개의 분광 정보를 취득하므로 물질마다 존재하는 고유의 광학적 성질 및 물질의 흡수와 반사 특징을 분석할 수 있는 센서에 해당할 수 있다.Hyperspectral sensor divides the incident light and acquires tens to hundreds of spectral information in a continuous and narrow wavelength range of the index corresponding to each pixel of the image, so that the unique optical properties and absorption of each material and a sensor capable of analyzing reflection characteristics.

초분광 센서에서 얻은 초분광 영상은 대상체로부터 반사된 연속적인 수백개의 분광 파장대의 분광밴드를 갖는 이미지에 해당할 수 있으며, 전자기 스펙트럼을 통해 정보를 처리하고 수집할 수 있다. 초분광 영상을 활용하면 원하는 개체의 성분을 식별하거나 프로세스를 검출하는 것으로 원하는 이미지의 각 픽셀에 대한 고유의 스펙트럼을 수집할 수 있다.A hyperspectral image obtained from a hyperspectral sensor may correspond to an image having spectral bands of hundreds of consecutive spectral wavelength bands reflected from an object, and information may be processed and collected through an electromagnetic spectrum. Using hyperspectral imaging, it is possible to collect a unique spectrum for each pixel of a desired image by identifying the components of a desired object or detecting a process.

사람은 적색, 녹색, 청색 영역의 세 가지 밴드의 가시영역만 볼 수 있는 반면, 초분광 센서는 전자기 스펙트럼의 넓은 부분을 이용하여 개체를 구분할 수 있으며, 그 범위는 가시영역 이상으로 확장이 가능할 뿐 아니라 더 많은 밴드로 스펙트럼을 구분할 수 있다. 초분광 영상에서 기록되는 스펙트럼은 높은 파장의 해상도를 가지고 넓은 범위의 파장대를 처리하며 주어진 화면 내의 물질로부터 공간적 스펙트럼 정보를 포함할 수 있다. 그러므로, 각 픽셀은 각각의 스펙트럼 속성을 포함하고 있어 스펙트럼은 스캔된 개체를 구성하는 물질의 식별을 가능하게 할 수 있다.While humans can only see three bands of the visible band of red, green, and blue, hyperspectral sensors can distinguish objects using a wide part of the electromagnetic spectrum, and the range can only be extended beyond the visible band. Rather, the spectrum can be divided into more bands. The spectrum recorded in the hyperspectral image has high wavelength resolution, handles a wide range of wavelength bands, and can include spatial spectral information from materials within a given screen. Therefore, each pixel contains a respective spectral attribute so that the spectra can enable identification of the material constituting the scanned object.

초분광 센서는 그 개체의 정보를 이미지의 형태로 확보가 가능하며, 각각의 개체는 스펙트럼 대역으로 알려진 전자기 스펙트럼의 범위에서 폭이 좁은 파장으로 나타날 수 있다. 스펙트럼 영상은 두 개의 공간적 차원과 하나의 스펙트럼 크기로 구성된 3차원 (x, y, λ)으로 나타날 수 있다. 이때, x와 y는 그 장면의 공간적 2차원을 나타내고 λ는 스펙트럼 크기를 나타낼 수 있다. 2차원(2-D) 검출기에서 각 화소에 스펙트럼 정보를 수집하면 초분광 큐브로 알려진 공간 및 스펙트럼 정보인 3차원(3-D) 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 프로세스로 천문학, 농업, 생물의학, 광물학, 그리고 물리학 등 여러 분야에서 초분광 센서 및 처리 시스템을 구축할 수 있다. A hyperspectral sensor can obtain information about an object in the form of an image, and each object can appear as a narrow wavelength in a range of the electromagnetic spectrum known as a spectral band. A spectral image can be presented in three dimensions (x, y, λ) consisting of two spatial dimensions and one spectral size. In this case, x and y may represent two spatial dimensions of the scene and λ may represent a spectrum size. Collecting spectral information at each pixel in a two-dimensional (2-D) detector can generate three-dimensional (3-D) data, spatial and spectral information known as a hyperspectral cube. These processes enable the construction of hyperspectral sensors and processing systems in many fields, including astronomy, agriculture, biomedicine, mineralogy and physics.

한국공개번호 제10-2019-0027419호 (2019.03.15)Korean Publication No. 10-2019-0027419 (2019.03.15)

본 발명의 일 실시예는 초분광 센서 기반의 데이터 분석 알고리즘을 이용하여 정확한 상수도관 진단을 수행할 수 있는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치 및 방법을 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device and method capable of accurately diagnosing water supply pipes using a data analysis algorithm based on a hyperspectral sensor.

실시예들 중에서, 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치는 적어도 하나의 초분광 센서로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집하는 데이터 수집부; 상기 초분광 영상을 분석하여 상기 상수도 시설물의 변화를 검출하는 데이터 분석부; 상기 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상기 상수도 시설물의 이상을 검출하는 이상 검출부; 및 상기 이상 검출에 관한 알림을 생성하여 제공하는 알림 제공부;를 포함한다.Among embodiments, an apparatus for monitoring and analyzing water supply facilities based on hyperspectral imaging may include a data collection unit configured to collect a hyperspectral image including at least a part of a water supply facility from at least one hyperspectral sensor; a data analyzer configured to analyze the hyperspectral image and detect a change in the water supply facility; an abnormality detection unit for detecting an abnormality in the waterworks facility when the change in the waterworks facility exceeds a preset reference range; and a notification providing unit generating and providing a notification regarding the detection of the abnormality.

상기 데이터 분석부는 상기 초분광 영상으로부터 동일한 제1 시간 간격마다 연속적으로 추출된 초분광 이미지들 각각으로부터 기 설정된 대역의 스펙트럼을 추출하고 상기 스펙트럼을 분석하여 상기 상수도 시설물에 대한 관심 영역(Region of Interest, ROI)를 결정할 수 있다.The data analysis unit extracts a spectrum of a predetermined band from each of the hyperspectral images continuously extracted at the same first time interval from the hyperspectral image, analyzes the spectrum, and analyzes the region of interest (Region of Interest, ROI) can be determined.

상기 데이터 분석부는 상기 스펙트럼의 평균, 피크(peak) 및 기울기(gradient) 중 적어도 하나의 변화량을 기준으로 상기 관심 영역의 결정을 위한 후보 위치를 결정할 수 있다.The data analyzer may determine a candidate location for determining the ROI based on a change amount of at least one of an average, a peak, and a gradient of the spectrum.

상기 데이터 분석부는 상기 초분광 이미지들 사이에 형성된 복수의 시간 구간들 중에서 상기 관심 영역과 연관된 관심 구간을 결정할 수 있다.The data analyzer may determine a region of interest associated with the region of interest from among a plurality of time intervals formed between the hyperspectral images.

상기 데이터 분석부는 상기 초분광 이미지와 상기 관심 영역을 입력으로 수신하여 상기 관심 영역에 관한 인코딩 데이터를 생성하는 인코더(incoder) 및 상기 인코딩 데이터를 입력으로 수신하여 상기 관심 영역에 관한 초분광 이미지를 복원하는 디코더(decoder)를 포함하는 딥러닝 모델을 구축하고, 상기 딥러닝 모델의 인코더를 이용하여 상기 제1 시간 간격으로 추출된 상기 초분광 이미지들 각각의 관심 영역에 대한 특징 정보를 상기 인코딩 데이터로서 생성할 수 있다.The data analysis unit receives the hyperspectral image and the ROI as inputs and generates encoded data related to the ROI, and receives the encoded data as inputs to restore the hyperspectral image related to the ROI. A deep learning model including a decoder is constructed, and feature information on a region of interest of each of the hyperspectral images extracted at the first time interval using the encoder of the deep learning model is used as the encoding data. can create

상기 데이터 분석부는 상기 초분광 영상으로부터 상기 관심 구간 내에서 상기 제1 시간 간격보다 더 작은 제2 시간 간격마다 연속적인 초분광 이미지들을 추출하고 해당 초분광 이미지들의 관심 영역으로부터 상기 이상 검출을 위한 특징 정보를 생성할 수 있다.The data analysis unit extracts successive hyperspectral images at every second time interval smaller than the first time interval within the interest interval from the hyperspectral image, and characteristic information for detecting the anomaly from the interest region of the corresponding hyperspectral images. can create

상기 이상 검출부는 상기 특징 정보를 기 구축된 이상 검출 모델에 입력하여 상기 상수도 시설물의 이상을 예측할 수 있다.The anomaly detection unit may predict an anomaly of the water supply facility by inputting the feature information to a pre-constructed anomaly detection model.

상기 이상 검출부는 상기 상수도 시설물의 변화 패턴에 따라 상기 상수도 시설물의 이상을 균열, 부식, 변형 또는 파손으로 분류할 수 있다.The abnormality detection unit may classify the abnormality of the waterworks facility into crack, corrosion, deformation or damage according to the change pattern of the waterworks facility.

실시예들 중에서, 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 방법은 데이터 수집부를 통해, 적어도 하나의 초분광 센서로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집하는 단계; 데이터 분석부를 통해, 상기 초분광 영상을 분석하여 상기 상수도 시설물의 변화를 검출하는 단계; 이상 검출부를 통해, 상기 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상기 상수도 시설물의 이상을 검출하는 단계; 및 알림 제공부를 통해, 상기 이상의 검출에 관한 알림을 생성하여 제공하는 단계;를 포함한다.Among embodiments, a hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis method may include collecting a hyperspectral image including at least a portion of a water supply facility from at least one hyperspectral sensor through a data collection unit; detecting a change in the waterworks facility by analyzing the hyperspectral image through a data analyzer; detecting an abnormality in the water supply facility through an abnormality detection unit when a change in the water supply facility exceeds a predetermined reference range; and generating and providing a notification regarding the detection of the abnormality through a notification providing unit.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology may have the following effects. However, it does not mean that a specific embodiment must include all of the following effects or only the following effects, so it should not be understood that the scope of rights of the disclosed technology is limited thereby.

본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치 및 방법을 통해 정수장, 하수처리장, 상수관망, 하수관거 시설의 효율적인 운영 및 유지관리가 가능하며, 모니터링 시스템을 통해 지속적으로 상하수도 오염물질에 따른 수질사고를 조기 대응할 수 있다.Through the hyperspectral imaging-based monitoring and analysis device and method for water supply facilities according to an embodiment of the present invention, it is possible to efficiently operate and maintain water purification plants, sewage treatment plants, water pipe networks, and sewage pipe facilities, and continuously pollute water and sewage through a monitoring system. It is possible to respond early to water quality accidents according to substances.

또한, 초분광 이미징 기술 활용을 통해 육안으로 평가가 어려운 자연 환경 및 상하수도 시설의 효율적인 감시 및 정확한 진단이 가능하고, 스마트 통합물관리시스템과 연계되어 효율적인 유지관리가 가능하며, 관리자의 경험 또는 추측에 의한 정성적인 관리에서 탈피하여 정량적인 데이터에 의한 정확한 판단과 세밀한 진단 및 조사가 가능할 수 있다.In addition, through the use of hyperspectral imaging technology, it is possible to efficiently monitor and accurately diagnose the natural environment and water supply and sewerage facilities, which are difficult to evaluate with the naked eye, and enable efficient maintenance in connection with the smart integrated water management system. Accurate judgment based on quantitative data and detailed diagnosis and investigation can be possible by breaking away from qualitative management by

또한, 시설물에 대한 대상 범위가 넓고 지속적인 모니터링이 필요한 수계와 직접적인 계측 및 평가가 어려운 지중 매설물인 상수도 관망 수질 감시 및 시설 진단에 소요되는 인력 및 비용을 획기적으로 저감시킬 수 있으며, 이를 통해 효율적이며 정확한 수자원 관리 및 모니터링이 가능할 수 있다.In addition, it is possible to drastically reduce manpower and costs required for monitoring water quality and diagnosing facilities, which are water systems that have a wide range of facilities and require continuous monitoring, and underground facilities that are difficult to directly measure and evaluate. Water resource management and monitoring may be possible.

도 1은 본 발명에 따른 상수도 시설물 감시 분석 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 감시 분석 장치의 시스템 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 감시 분석 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 초분광 센서의 시스템 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은 초분광 센서를 통해 초분광 이미지의 픽셀별 정보 수집 과정을 설명하는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a water supply facility monitoring and analysis system according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram explaining the system configuration of the monitoring and analysis device of FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram explaining the functional configuration of the monitoring and analysis device of FIG. 1 .
4 is a flowchart illustrating a method for monitoring and analyzing water supply facilities based on hyperspectral imaging according to the present invention.
5 is a diagram explaining a system configuration of a hyperspectral sensor.
6 is a diagram illustrating a process of collecting information for each pixel of a hyperspectral image through a hyperspectral sensor.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Since the description of the present invention is only an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of terms described in this application should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It should be understood that when an element is referred to as being “connected” to another element, it may be directly connected to the other element, but other elements may exist in the middle. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" to another element, it should be understood that no intervening elements exist. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “adjacent to” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Expressions in the singular number should be understood to include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as “comprise” or “having” refer to an embodied feature, number, step, operation, component, part, or these. It should be understood that it is intended to indicate that a combination exists, and does not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, the identification code (eg, a, b, c, etc.) is used for convenience of explanation, and the identification code does not describe the order of each step, and each step clearly follows a specific order in context. Unless otherwise specified, it may occur in a different order than specified. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can be implemented as computer readable code on a computer readable recording medium, and the computer readable recording medium includes all types of recording devices storing data that can be read by a computer system. . Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed to computer systems connected through a network, so that computer-readable codes may be stored and executed in a distributed manner.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as consistent with meanings in the context of the related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application.

도 1은 본 발명에 따른 상수도 시설물 감시 분석 시스템을 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a water supply facility monitoring and analysis system according to the present invention.

도 1을 참조하면, 상수도 시설물 감시 분석 시스템(100)은 초분광 센서(110), 감시 분석 장치(130) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the water supply facility monitoring and analysis system 100 may include a hyperspectral sensor 110 , a monitoring and analysis device 130 and a database 150 .

초분광 센서(110)는 측정 대상인 대상체에 대한 초분광 영상을 생성할 수 있는 센서에 해당할 수 있으며, 초분광 영상을 저장하고 외부로 전송할 수 있는 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다. 즉, 초분광 센서(110)는 감시 분석 장치(130)와 유선 또는 무선 네트워크를 통해 연결될 수 있고, 복수의 초분광 센서(110)들은 감시 분석 장치(130)와 동시에 연결될 수 있다. 예를 들어, 초분광 센서(110)는 정수장, 하수처리장, 상수관망 및 하수관거 시설 등의 상수도 시설물에 직접 결합하거나 또는 인근에 설치되어 동작할 수 있으며, 수집된 데이터를 실시간으로 또는 주기적으로 감시 분석 장치(130)에 제공할 수 있다.The hyperspectral sensor 110 may correspond to a sensor capable of generating a hyperspectral image of an object to be measured, and may be implemented as a computing device capable of storing and transmitting the hyperspectral image to the outside. That is, the hyperspectral sensor 110 may be connected to the monitoring and analysis device 130 through a wired or wireless network, and the plurality of hyperspectral sensors 110 may be simultaneously connected to the monitoring and analysis device 130 . For example, the hyperspectral sensor 110 may be directly coupled to, or installed nearby, water supply facilities such as water purification plants, sewage treatment plants, water pipe networks and sewerage facilities, and may monitor and analyze collected data in real time or periodically. device 130.

감시 분석 장치(130)는 초분광 센서(110)를 통해 수집한 초분광 영상을 분석하여 상수도 시설물의 이상을 검출하고 이를 알릴 수 있는 컴퓨터 또는 서버에 해당할 수 있다. 감시 분석 장치(130)는 초분광 센서(110)와 네트워크를 통해 연결될 수 있고 정보를 주고받을 수 있다. 일 실시예에서, 감시 분석 장치(130)는 데이터베이스(150)와 연동하여 시설물 모니터링 및 이상 검출을 위해 필요한 데이터를 저장할 수 있다.The monitoring and analysis device 130 may correspond to a computer or server capable of detecting and reporting an abnormality of water supply facilities by analyzing the hyperspectral image collected through the hyperspectral sensor 110 . The monitoring and analysis device 130 may be connected to the hyperspectral sensor 110 through a network and exchange information. In one embodiment, the monitoring and analysis device 130 may store data necessary for facility monitoring and abnormality detection in association with the database 150 .

데이터베이스(150)는 감시 분석 장치(130)의 동작 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장하는 저장장치에 해당할 수 있다. 데이터베이스(150)는 시설물 모니터링 과정에서 수집된 초분광 영상 및 이미지를 저장할 수 있고, 데이터 분석을 위한 알고리즘 및 학습 모델에 관한 정보를 저장할 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 감시 분석 장치(130)가 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 과정에서 다양한 형태로 수집 또는 가공된 정보들을 저장할 수 있다.The database 150 may correspond to a storage device for storing various pieces of information necessary for the operation of the monitoring and analysis device 130 . The database 150 may store hyperspectral images and images collected during the facility monitoring process, and may store information on algorithms and learning models for data analysis, but is not limited thereto, and the monitoring and analysis device 130 may store In the process of monitoring and analyzing water supply facilities based on hyperspectral imaging, collected or processed information in various forms can be stored.

도 2는 도 1의 감시 분석 장치의 시스템 구성을 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram explaining the system configuration of the monitoring and analysis device of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 감시 분석 장치(130)는 프로세서(210), 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the monitoring and analysis device 130 may include a processor 210 , a memory 230 , a user input/output unit 250 and a network input/output unit 270 .

프로세서(210)는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 프로시저를 실행할 수 있고, 이러한 과정에서 읽혀지거나 작성되는 메모리(230)를 관리할 수 있으며, 메모리(230)에 있는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 간의 동기화 시간을 스케줄 할 수 있다. 프로세서(210)는 감시 분석 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있고, 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)와 전기적으로 연결되어 이들 간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다. 프로세서(210)는 감시 분석 장치(130)의 CPU(Central Processing Unit) 또는 GPU(Graphics Processing Unit)로 구현될 수 있다.The processor 210 may execute a water supply facility monitoring and analysis procedure based on hyperspectral imaging according to an embodiment of the present invention, manage the memory 230 read or written in this process, and store the data in the memory 230. You can schedule the synchronization time between volatile memory and non-volatile memory. The processor 210 can control the overall operation of the monitoring and analysis device 130, and is electrically connected to the memory 230, the user input/output unit 250, and the network input/output unit 270 to control data flow between them. can The processor 210 may be implemented as a Central Processing Unit (CPU) or a Graphics Processing Unit (GPU) of the monitoring and analysis device 130 .

메모리(230)는 SSD(Solid State Disk) 또는 HDD(Hard Disk Drive)와 같은 비휘발성 메모리로 구현되어 감시 분석 장치(130)에 필요한 데이터 전반을 저장하는데 사용되는 보조기억장치를 포함할 수 있고, RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리로 구현된 주기억장치를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(230)는 전기적으로 연결된 프로세서(210)에 의해 실행됨으로써 본 발명에 따른 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 방법을 실행하는 명령어들의 집합을 저장할 수 있다.The memory 230 may include a secondary storage device implemented as a non-volatile memory such as a solid state disk (SSD) or a hard disk drive (HDD) and used to store all data necessary for the monitoring and analysis device 130, It may include a main memory implemented as a volatile memory such as RAM (Random Access Memory). In addition, the memory 230 may store a set of instructions for executing the hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis method according to the present invention by being executed by the electrically connected processor 210 .

사용자 입출력부(250)은 사용자 입력을 수신하기 위한 환경 및 사용자에게 특정 정보를 출력하기 위한 환경을 포함하고, 예를 들어, 터치 패드, 터치 스크린, 화상 키보드 또는 포인팅 장치와 같은 어댑터를 포함하는 입력장치 및 모니터 또는 터치 스크린과 같은 어댑터를 포함하는 출력장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 사용자 입출력부(250)은 원격 접속을 통해 접속되는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있고, 그러한 경우, 감시 분석 장치(130)는 독립적인 서버로서 수행될 수 있다.The user input/output unit 250 includes an environment for receiving a user input and an environment for outputting specific information to the user, and includes an adapter such as a touch pad, a touch screen, an on-screen keyboard, or a pointing device. It may include devices and output devices including adapters such as monitors or touch screens. In one embodiment, the user input/output unit 250 may correspond to a computing device connected through a remote connection, and in such a case, the monitoring and analysis device 130 may be implemented as an independent server.

네트워크 입출력부(270)은 네트워크를 통해 외부 장치와 연결되기 위한 통신 환경을 제공하고, 예를 들어, LAN(Local Area Network), MAN(Metropolitan Area Network), WAN(Wide Area Network) 및 VAN(Value Added Network) 등의 통신을 위한 어댑터를 포함할 수 있다. 또한, 네트워크 입출력부(270)는 데이터의 무선 전송을 위해 WiFi, 블루투스 등의 근거리 통신 기능이나 4G 이상의 무선 통신 기능을 제공하도록 구현될 수 있다.The network input/output unit 270 provides a communication environment for connection with an external device through a network, and includes, for example, a local area network (LAN), a metropolitan area network (MAN), a wide area network (WAN), and a value VAN (VAN). Added Network) may include an adapter for communication. In addition, the network input/output unit 270 may be implemented to provide a short-range communication function such as WiFi or Bluetooth or a 4G or higher wireless communication function for wireless transmission of data.

도 3은 도 1의 감시 분석 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.FIG. 3 is a diagram explaining the functional configuration of the monitoring and analysis device of FIG. 1 .

도 3을 참조하면, 감시 분석 장치(130)는 데이터 수집부(310), 데이터 분석부(330), 이상 검출부(350), 알림 제공부(370) 및 제어부(도 3에 미도시함)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the monitoring and analysis device 130 includes a data collection unit 310, a data analysis unit 330, an anomaly detection unit 350, a notification providing unit 370, and a control unit (not shown in FIG. 3). can include

이때, 본 발명의 실시예에 따른 감시 분석 장치(130)는 상기의 기능적 구성들을 동시에 모두 포함해야 하는 것은 아니며, 각각의 실시예에 따라 상기의 구성들 중 일부를 생략하거나, 상기의 구성들 중 일부 또는 전부를 선택적으로 포함하여 구현될 수도 있다. 이하, 각 구성들의 동작을 구체적으로 설명한다.At this time, the surveillance and analysis device 130 according to an embodiment of the present invention does not have to include all of the above functional components at the same time, and some of the above components may be omitted or selected from among the above components according to each embodiment. It may be implemented by selectively including some or all of them. Hereinafter, the operation of each component will be described in detail.

데이터 수집부(310)는 적어도 하나의 초분광 센서(110)로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집할 수 있다. 이를 위하여, 초분광 센서(110)는 상수도 시설물에 직접 결합되거나 또는 인근에 설치되어 동작할 수 있으며, 감시 분석 장치(130)와 네트워크를 통해 연결될 수 있다. 예를 들어, 상수도 시설물이 상수도관일 경우 복수의 초분광 센서(110)들은 상수도관을 따라 소정의 간격마다 설치될 수 있고, 초분광 센서(110)들에 의해 상수도관의 각 구간 별로 초분광 영상이 수집될 수 있다.The data collection unit 310 may collect a hyperspectral image including at least a part of the water supply facility from the at least one hyperspectral sensor 110 . To this end, the hyperspectral sensor 110 may be directly coupled to a water supply facility or may be installed and operated nearby, and may be connected to the monitoring and analysis device 130 through a network. For example, when the water supply facility is a water supply pipe, a plurality of hyperspectral sensors 110 may be installed at predetermined intervals along the water supply pipe, and a hyperspectral image is obtained for each section of the water supply pipe by the hyperspectral sensors 110. this can be collected.

또한, 초분광 센서(110)는 휴대용 초분광 카메라, 드론용 초분광 카메라 등과 같이 사람에 의해 휴대 가능한 형태로 구현될 수 있고, 이 경우 데이터 수집부(310)는 상수도 시설물의 검사 과정에서 의심 지점 또는 의심 구간에 대해 사용자에 의해 직접 측정된 초분광 영상을 수집할 수도 있다.In addition, the hyperspectral sensor 110 may be implemented in a form portable by a person, such as a portable hyperspectral camera or a hyperspectral camera for drones. Alternatively, hyperspectral images directly measured by the user for the suspicious section may be collected.

일 실시예에서, 데이터 수집부(310)는 초분광 센서(110) 대신 다중 분광 카메라, 열화상 카메라, 내시경용 카메라 등 다양한 영상 센서를 통해 상수도 시설물에 관한 영상을 수집할 수 있다. 한편, 데이터 수집부(310)는 상기의 방법들에 제한되지 않고 초분광 센서(110)와 유사한 측정 장치 등을 통해 초분광 영상과 유사한 영상 및 데이터들을 수집할 수 있음은 물론이다.In an embodiment, the data collection unit 310 may collect images of water supply facilities through various image sensors such as a multi-spectral camera, a thermal imaging camera, and an endoscope camera instead of the hyperspectral sensor 110 . Meanwhile, the data collection unit 310 is not limited to the above methods and can collect images and data similar to the hyperspectral image through a measuring device similar to the hyperspectral sensor 110 .

또한, 데이터 수집부(310)는 초분광 센서(110)로부터 수집된 초분광 영상을 데이터베이스(150)에 저장할 수 있으며, 필요에 따라 전처리(preprocessing) 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 데이터 수집부(310)는 영상 분할, 회전, 보정 등의 전처리 동작을 수행할 수 있다.In addition, the data collection unit 310 may store the hyperspectral image collected from the hyperspectral sensor 110 in the database 150 and may perform a preprocessing operation as needed. For example, the data collection unit 310 may perform preprocessing operations such as image segmentation, rotation, and correction.

데이터 분석부(330)는 초분광 영상을 분석하여 상수도 시설물의 변화를 검출할 수 있다. 데이터 분석부(330)는 초분광 영상을 시간 순으로 분석할 수 있고, 동일한 초분광 센서(110)를 통해 연속적으로 수집된 초분광 영상들 사이의 차이를 통해 시설물의 변화를 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 서로 연속하여 수집된 초분광 영상 내에서 특정 영역의 차이가 정상적인 범위를 초과한 경우 데이터 분석부(330)는 해당 영역에 대응되는 상수도 시설물에 변화가 발생한 것으로 결정하고 보다 정밀한 분석 동작이 개시되도록 할 수 있다.The data analyzer 330 may analyze the hyperspectral image to detect changes in water supply facilities. The data analyzer 330 may analyze the hyperspectral images in chronological order, and may monitor changes in facilities through a difference between hyperspectral images continuously collected through the same hyperspectral sensor 110 . For example, if a difference in a specific area exceeds a normal range in hyperspectral images collected consecutively, the data analysis unit 330 determines that a change has occurred in the waterworks facility corresponding to the corresponding area and performs a more precise analysis operation. This can be initiated.

일 실시예에서, 데이터 분석부(330)는 초분광 영상으로부터 동일한 제1 시간 간격마다 연속적으로 추출된 초분광 이미지들 각각으로부터 기 설정된 대역의 스펙트럼을 추출하고 스펙트럼을 분석하여 상수도 시설물에 대한 관심 영역(Region of Interest, ROI)를 결정할 수 있다. 데이터 분석부(330)는 초분광 영상에서 프레임 별로 분할된 초분광 이미지를 생성할 수 있으며, 동일한 시간 간격을 두고 초분광 이미지를 추출할 수 있다.In one embodiment, the data analysis unit 330 extracts a spectrum of a predetermined band from each of the hyperspectral images continuously extracted at the same first time interval from the hyperspectral image and analyzes the spectrum to analyze the region of interest for the water supply facility. (Region of Interest, ROI) can be determined. The data analyzer 330 may generate a hyperspectral image divided by frame from the hyperspectral image, and may extract the hyperspectral image at the same time interval.

예를 들어, 데이터 분석부(330)는 초, 분, 시간 등의 시간 간격을 적용하여 일정한 간격마다 초분광 이미지를 생성할 수 있다. 데이터 분석부(330)는 초분광 이미지들 각각에서 가시광선 대역 또는 적외선 대역의 스펙트럼을 추출할 수 있으며, 필요에 따라 가시광선 대역 및 적외선 대역 모두에서 스펙트럼을 추출할 수도 있다. 한편, 데이터 분석부(330)는 다양한 방법을 통해 초분광 이미지로부터 스펙트럼을 추출할 수 있으며, 구체적인 방법에 대한 설명은 생략한다.For example, the data analyzer 330 may generate a hyperspectral image at regular intervals by applying time intervals such as seconds, minutes, and hours. The data analyzer 330 may extract a spectrum of a visible ray band or an infrared band from each of the hyperspectral images, and may extract a spectrum of both the visible ray band and the infrared band, if necessary. Meanwhile, the data analyzer 330 may extract the spectrum from the hyperspectral image through various methods, and description of the specific method is omitted.

또한, 데이터 분석부(330)는 추출된 초분광 이미지들 중 시간적으로 연속된 이미지 간의 비교를 통해 차이가 상대적으로 큰 영역을 관심 영역으로 결정할 수 있다. 이를 위하여, 데이터 분석부(330)는 각 이미지들의 스펙트럼 간의 비교를 통해 차이가 큰 픽셀들을 수집할 수 있고, 픽셀 위치를 기준으로 클러스터링을 통해 차이가 상대적으로 크면서 인접한 위치에 존재하는 영역을 관심 영역으로 결정할 수 있다. 즉, 관심 영역은 상수도 시설물에서 변화가 일정 시간 동안 크게 나타나는 부분에 대응될 수 있다.In addition, the data analyzer 330 may determine a region having a relatively large difference as a region of interest through comparison between temporally consecutive images among the extracted hyperspectral images. To this end, the data analyzer 330 may collect pixels with a large difference through comparison between the spectra of each image, and focus on a region with a relatively large difference and existing in an adjacent position through clustering based on pixel positions. area can be determined. That is, the region of interest may correspond to a portion where a large change occurs for a certain period of time in a water supply facility.

일 실시예에서, 데이터 분석부(330)는 스펙트럼의 평균, 피크(peak) 및 기울기(gradient) 중 적어도 하나의 변화량을 기준으로 관심 영역의 결정을 위한 후보 위치를 결정할 수 있다. 데이터 분석부(330)는 초분광 이미지로부터 스펙트럼을 추출한 다음 스펙트럼의 평균, 피크 및 기울기 등의 정보를 산출할 수 있다. 데이터 분석부(330)는 스펙트럼의 특징값들에 대한 변화량이 기 설정된 임계값을 초과하는 픽셀들을 관심 영역에 관한 후보 위치로 결정할 수 있다. 즉, 데이터 분석부(330)는 후보 위치들 간의 시간적 또는 지역적 유사성을 기반으로 관심 영역을 결정할 수 있다. 한편, 데이터 분석부(330)는 스펙트럼을 정규화할 수 있고, 정규화된 스펙트럼을 이용하여 관심 영역을 결정할 수도 있다. 또한, 데이터 분석부(330)는 스펙트럼의 반사율(reflection) 또는 흡수율(absorption)의 변화량을 기준으로 관심 영역을 결정할 수도 있다.In an embodiment, the data analyzer 330 may determine a candidate position for determining a region of interest based on a change amount of at least one of a mean, a peak, and a gradient of a spectrum. The data analyzer 330 may extract a spectrum from the hyperspectral image and then calculate information such as an average, peak, and slope of the spectrum. The data analyzer 330 may determine, as candidate positions of the ROI, pixels having a variation amount of spectral feature values exceeding a preset threshold value. That is, the data analyzer 330 may determine a region of interest based on temporal or regional similarities between candidate locations. Meanwhile, the data analyzer 330 may normalize the spectrum and determine a region of interest using the normalized spectrum. Also, the data analyzer 330 may determine a region of interest based on a change in reflectance or absorption of the spectrum.

일 실시예에서, 데이터 분석부(330)는 초분광 이미지들 사이에 형성된 복수의 시간 구간들 중에서 관심 영역과 연관된 관심 구간을 결정할 수 있다. 상수도 시설물의 변화는 일시적일 수 있으며, 데이터 분석부(330)는 관심 영역을 기반으로 초분광 영상에서 변화가 발생한 시점의 시간 구간 동안의 초분광 이미지들을 추출할 수 있다. 특히, 초분광 이미지들이 일정한 시간 간격에 따라 추출된 경우, 초분광 이미지들 사이의 시간 구간들 중에서 상수도 시설물의 변화와 시간적으로 가장 연관된 구간이 관심 구간으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 초분광 이미지들의 스펙트럼 간의 차이가 가장 큰 시간 구간이 관심 구간으로 결정될 수 있으며, 스펙트럼의 평균, 피크 또는 기울기의 변화가 가장 큰 시간 구간이 관심 구간으로 결정될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이다.In one embodiment, the data analysis unit 330 may determine a region of interest associated with the region of interest from among a plurality of time intervals formed between hyperspectral images. Changes in water supply facilities may be temporary, and the data analysis unit 330 may extract hyperspectral images during a time interval at a point in time when a change occurs in the hyperspectral image based on the region of interest. In particular, when the hyperspectral images are extracted at regular time intervals, a section most temporally related to a change in water supply facilities among time sections between the hyperspectral images may be determined as a section of interest. For example, a time interval in which the difference between the spectra of hyperspectral images is the largest may be determined as the interest interval, and a time interval in which a change in the mean, peak, or slope of the spectrum is greatest may be determined as the interest interval, but is not necessarily limited thereto. Of course not.

일 실시예에서, 데이터 분석부(330)는 인코더-디코더 기반의 딥러닝 모델을 구축할 수 있고, 딥러닝 모델을 이용하여 초분광 이미지에 대한 분석을 수행할 수 있다. 구체적으로, 딥러닝 모델은 인코더와 디코더를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 딥러닝 모델은 오토인코더(Autoencoder) 모델을 통해 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이다. 인코더는 초분광 이미지를 인코딩 데이터로 변환할 수 있고, 디코더는 인코딩 데이터를 초분광 이미지로 복원할 수 있다. 특히, 인코더는 초분광 이미지와 관심 영역을 입력으로 수신하여 관심 영역에 관한 인코딩 데이터를 생성하도록 정의될 수 있고, 디코더는 인코딩 데이터를 입력으로 수신하여 관심 영역에 관한 초분광 이미지를 복원하도록 정의될 수 있다. 결과적으로, 데이터 분석부(330)는 딥러닝 모델의 인코더를 이용하여 제1 시간 간격으로 추출된 초분광 이미지들 각각의 관심 영역에 대한 특징 정보를 인코딩 데이터로서 생성할 수 있다.In one embodiment, the data analysis unit 330 may build an encoder-decoder-based deep learning model and perform analysis on the hyperspectral image using the deep learning model. Specifically, the deep learning model may include an encoder and a decoder. For example, the deep learning model may be implemented through an autoencoder model, but is not necessarily limited thereto. The encoder may convert the hyperspectral image into encoded data, and the decoder may reconstruct the encoded data into a hyperspectral image. In particular, an encoder may be defined to receive a hyperspectral image and a region of interest as inputs to generate encoded data relating to a region of interest, and a decoder may be defined to receive encoded data as inputs and reconstruct a hyperspectral image associated with a region of interest. can As a result, the data analyzer 330 may generate feature information on the ROI of each of the hyperspectral images extracted at the first time interval as encoding data by using the encoder of the deep learning model.

일 실시예에서, 데이터 분석부(330)는 초분광 영상으로부터 관심 구간 내에서 제1 시간 간격보다 더 작은 제2 시간 간격마다 연속적인 초분광 이미지들을 추출하고 해당 초분광 이미지들의 관심 영역으로부터 이상 검출을 위한 특징 정보를 생성할 수 있다. 데이터 분석부(330)는 초분광 영상의 관심 구간에 대해 더 많은 초분광 이미지를 수집하기 위하여 수집 간격을 제1 시간 간격보다 더 작은 간격에 해당하는 제2 시간 간격을 적용할 수 있다. 따라서, 데이터 분석부(330)는 더 짧은 간격마다 연속적으로 수집된 초분광 이미지들의 관심 영역 간의 비교를 통해 상수도 시설물의 변화를 효과적으로 분석할 수 있다.In one embodiment, the data analysis unit 330 extracts successive hyperspectral images at every second time interval smaller than the first time interval within the ROI from the hyperspectral image, and detects an anomaly from the ROI of the corresponding hyperspectral images. It is possible to generate feature information for. The data analyzer 330 may apply a second time interval corresponding to a collection interval smaller than the first time interval in order to collect more hyperspectral images for the section of interest of the hyperspectral image. Accordingly, the data analyzer 330 may effectively analyze changes in water supply facilities through comparison between regions of interest in hyperspectral images continuously collected at shorter intervals.

이상 검출부(350)는 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상수도 시설물의 이상을 검출할 수 있다. 이때, 상수도 시설물의 변화는 초분광 이미지 간의 차이에 기초하여 판단될 수 있다. 즉, 이상 검출부(350)는 초분광 이미지 사이의 차이가 클수록 상수도 시설물의 변화가 비정상적으로 발생한 것으로 결정할 수 있으며, 이상 검출을 위한 기준 범위를 사전에 설정하여 활용할 수 있다.The anomaly detection unit 350 may detect an anomaly in a waterworks facility when a change in the waterworks facility exceeds a preset reference range. At this time, the change of the water supply facility may be determined based on the difference between the hyperspectral images. That is, the anomaly detection unit 350 may determine that the change in the water supply facility has occurred abnormally as the difference between the hyperspectral images increases, and may set and utilize a reference range for anomaly detection in advance.

일 실시예에서, 이상 검출부(350)는 특징 정보를 기 구축된 이상 검출 모델에 입력하여 상수도 시설물의 이상을 예측할 수 있다. 여기에서, 이상 검출 모델은 관심 영역에 관한 특징 정보를 입력으로 수신하여 상수도 시설물의 이상에 관한 예측 정보를 출력으로 생성하는 딥러닝 모델에 해당할 수 있다. 이상 검출부(350)는 데이터 분석부(330)에 의해 생성된 관심 영역에 대한 특징 정보를 이상 검출 모델에 입력으로 제공하여 상수도 시설물의 이상에 관한 확률 정보를 수신하고, 확률 정보에 기초하여 상수도 시설물의 이상을 검출할 수 있다.In one embodiment, the anomaly detection unit 350 may predict an anomaly of a water supply facility by inputting feature information to a pre-constructed anomaly detection model. Here, the anomaly detection model may correspond to a deep learning model that receives feature information about a region of interest as an input and generates predictive information about anomaly of a water supply facility as an output. The anomaly detection unit 350 provides feature information on the region of interest generated by the data analysis unit 330 as an input to an anomaly detection model to receive probability information about an anomaly in the water supply facility, and based on the probability information, the water supply facility abnormalities can be detected.

일 실시예에서, 이상 검출부(350)는 상수도 시설물의 변화 패턴에 따라 상수도 시설물의 이상을 균열, 부식, 변형 또는 파손으로 분류할 수 있다. 이상 검출부(350)는 초분광 이미지 간의 비교를 통해 상수도 시설물의 변화에 관한 시계열 정보를 획득할 수 있으며, 시계열 정보를 통해 변화 패턴을 생성할 수 있다. 이상 검출부(350)는 상수도 시설물의 변화 패턴을 사전에 구축된 패턴 데이터와 비교하여 구체적인 이상 정보를 생성할 수 있다. 균열은 시설물의 구조적 결함이나 불량 등으로 인해 발생할 수 있고, 부식은 금속성 물질이 다양한 전기·화학적 반응 등에 의해 발생할 수 있으며, 변형은 시설물의 하중이나 압력 등에 의해 발생할 수 있고, 파손은 시설물의 노후화 및 외부 충격 등에 의해 발생할 수 있다. 이상 검출부(350)는 상수도 시설물의 이상을 다양한 변화 패턴에 매핑하여 사전에 정의할 수 있고, 초분광 영상의 분석 결과를 분류하여 상수도 시설물의 이상을 효과적으로 예측할 수 있다.In one embodiment, the abnormality detection unit 350 may classify the abnormality of the waterworks facility into crack, corrosion, deformation, or damage according to the change pattern of the waterworks facility. The anomaly detection unit 350 may obtain time-series information on changes in water supply facilities through comparison between hyperspectral images, and may generate a change pattern through the time-series information. The anomaly detection unit 350 may generate specific anomaly information by comparing a change pattern of water supply facilities with previously established pattern data. Cracks may occur due to structural defects or defects in facilities, corrosion may occur due to various electrochemical reactions of metallic materials, deformation may occur due to the load or pressure of facilities, and damage may occur due to deterioration and deterioration of facilities. It can be caused by an external shock, etc. The anomaly detection unit 350 may map anomalies of waterworks facilities to various change patterns and define them in advance, and may effectively predict anomalies of waterworks facilities by classifying analysis results of hyperspectral images.

알림 제공부(370)는 이상 검출에 관한 알림을 생성하여 제공할 수 있다. 알림 제공부(370)는 이상 검출부(350)에 의해 이상이 검출되면 사전에 등록된 사용자, 관리자, 시설물 책임자 등의 단말로 알림 정보를 제공할 수 있다. 이때, 알림 정보는 이메일, 문자 메시지, 푸쉬 메시지, 소리, 진동 등 다양한 방식으로 구현되어 제공될 수 있다.The notification providing unit 370 may generate and provide a notification related to abnormality detection. The notification providing unit 370 may provide notification information to terminals registered in advance, such as users, managers, and facility managers, when an abnormality is detected by the abnormality detection unit 350 . In this case, the notification information may be implemented and provided in various ways such as e-mail, text message, push message, sound, and vibration.

제어부(도 3에 미도시함)는 감시 분석 장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 데이터 수집부(310), 데이터 분석부(330), 이상 검출부(350) 및 알림 제공부(370) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다.The control unit (not shown in FIG. 3) controls the overall operation of the monitoring and analysis device 130, and the communication between the data collection unit 310, the data analysis unit 330, the anomaly detection unit 350, and the notification providing unit 370 It can manage control flow or data flow.

도 4는 본 발명에 따른 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 방법을 설명하는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method for monitoring and analyzing water supply facilities based on hyperspectral imaging according to the present invention.

도 4를 참조하면, 감시 분석 장치(130)는 데이터 수집부(310)를 통해 적어도 하나의 초분광 센서로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집할 수 있다(단계 S410). 감시 분석 장치(130)는 데이터 분석부(330)를 통해 초분광 영상을 분석하여 상수도 시설물의 변화를 검출할 수 있다(단계 S430).Referring to FIG. 4 , the monitoring and analysis device 130 may collect a hyperspectral image including at least a part of the water supply facility from at least one hyperspectral sensor through the data collection unit 310 (step S410). The monitoring and analysis device 130 may analyze the hyperspectral image through the data analysis unit 330 to detect changes in water supply facilities (step S430).

또한, 감시 분석 장치(130)는 이상 검출부(350)를 통해 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상수도 시설물의 이상을 검출할 수 있다(단계 S450). 감시 분석 장치(130)는 알림 제공부(370)를 통해 이상 검출에 관한 알림을 생성하여 제공할 수 있다(단계 S470).In addition, the monitoring and analysis device 130 may detect an abnormality in the water supply facility through the abnormality detection unit 350 when the change in the water supply facility exceeds a predetermined standard range (step S450). The monitoring and analysis device 130 may generate and provide a notification regarding abnormality detection through the notification providing unit 370 (step S470).

도 5는 초분광 센서의 시스템 구성을 설명하는 도면이다.5 is a diagram explaining a system configuration of a hyperspectral sensor.

도 5를 참조하면, 초분광 센서의 시스템 구성은 크게 세가지 영역으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 초분광 센서는 대상체를 스캔하고 측정하는 전단 광학부(A), 수신한 빛을 분광하는 분광부(B) 및 분광된 빛을 스펙트럼으로 변환하는 검출부(C)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the system configuration of the hyperspectral sensor can be largely divided into three areas. Specifically, the hyperspectral sensor may include a front optical unit (A) that scans and measures an object, a spectrometer (B) that splits received light, and a detector (C) that converts the split light into a spectrum.

전단 광학부는 광학 렌즈(optical lens)를 포함할 수 있다. 광학 렌즈는 초점거리와 조리개값(F값)을 포함할 수 있다. 초점거리는 광학의 주요 점에서 초점까지의 거리에 해당할 수 있으며, 초점거리가 짧을수록 넓은 영역의 FOV를 형성할 수 있다. 조리개는 렌즈를 통과하는 빛의 양을 조절할 수 있으며, 조리개값은 렌즈의 개방 정도를 수치화한 것에 해당할 수 있다. 즉, 조리개값이 낮을수록 조리개가 더 개방될 수 있다.The front optical unit may include an optical lens. An optical lens may include a focal length and an aperture value (F value). The focal length may correspond to the distance from the main point of the optics to the focal point, and the shorter the focal length, the wider FOV can be formed. The diaphragm can control the amount of light passing through the lens, and the diaphragm value may correspond to numerical values of the degree of opening of the lens. That is, the lower the aperture value, the more the aperture can be opened.

분광부는 분산 소자의 형태에 따라 파장 분해 능력과 감도가 결정될 수 있다. 검출부는 이미지 센서를 통해 빛을 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 이미지 센서는 영상을 디지털 신호로 생성하는 제작 공정 및 응용 방식에 따라 CCD와 CMOS 등이 주로 사용될 수 있다.The wavelength resolution capability and sensitivity of the spectrometer may be determined according to the shape of the dispersing element. The detector may convert light into an electrical signal through an image sensor, and the image sensor may mainly use CCD, CMOS, or the like depending on a manufacturing process and application method for generating an image into a digital signal.

도 6은 초분광 센서를 통해 초분광 이미지의 픽셀별 정보 수집 과정을 설명하는 도면이다.6 is a diagram illustrating a process of collecting information for each pixel of a hyperspectral image through a hyperspectral sensor.

도 6을 참조하면, 감시 분석 장치(130)는 초분광 센서를 통해 상수도 시설물에 관한 초분광 영상을 수집할 수 있다. 감시 분석 장치(130)는 초분광 영상을 분석하여 상수도 시설물의 변화를 검출할 수 있다. 이때, 감시 분석 장치(130)는 초분광 영상의 초분광 이미지들 각각에서 동일한 위치에서 수집되는 분광 정보를 이용하여 상수도 시설물의 관심 영역에 관한 특징 정보를 생성할 수 있다. 감시 분석 장치(130)는 특징 정보를 이용하여 상수도 시설물의 이상을 검출하고 이를 신속히 알림으로써 시설 감시 및 진단에 소요되는 인력 및 비용을 획기적으로 줄이면서 효율적이고 정확한 관리 및 모니터링을 제공할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the monitoring and analysis device 130 may collect hyperspectral images of water supply facilities through a hyperspectral sensor. The monitoring and analysis device 130 may analyze the hyperspectral image to detect changes in water supply facilities. At this time, the monitoring and analysis device 130 may generate feature information about the region of interest of the water supply facility by using spectral information collected at the same location in each of the hyperspectral images of the hyperspectral image. The monitoring and analysis device 130 can provide efficient and accurate management and monitoring while dramatically reducing manpower and costs required for monitoring and diagnosing facilities by detecting abnormalities in water supply facilities and promptly notifying them using feature information.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that it can be done.

100: 상수도 시설물 감시 분석 시스템
110: 초분광 센서 130: 감시 분석 장치
150: 데이터베이스
210: 프로세서 230: 메모리
250: 사용자 입출력부 270: 네트워크 입출력부
310: 데이터 수집부 330: 데이터 분석부
350: 이상 검출부 370: 알림 제공부
100: water supply facility monitoring and analysis system
110: hyperspectral sensor 130: monitoring analysis device
150: database
210: processor 230: memory
250: user input/output unit 270: network input/output unit
310: data collection unit 330: data analysis unit
350: Abnormality detection unit 370: Notification providing unit

Claims (9)

적어도 하나의 초분광 센서로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집하는 데이터 수집부;
상기 초분광 영상을 분석하여 상기 상수도 시설물의 변화를 검출하고, 상기 초분광 영상으로부터 동일한 제1 시간 간격마다 연속적으로 추출된 초분광 이미지들 각각으로부터 기 설정된 대역의 스펙트럼을 추출하고 상기 스펙트럼을 분석하여 상기 상수도 시설물에 대한 관심 영역(Region of Interest, ROI)을 결정하는 데이터 분석부;
상기 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상기 상수도 시설물의 이상을 검출하는 이상 검출부; 및
상기 이상 검출에 관한 알림을 생성하여 제공하는 알림 제공부;를 포함하되,
상기 데이터 분석부는 상기 초분광 이미지와 상기 관심 영역을 입력으로 수신하여 상기 관심 영역에 관한 인코딩 데이터를 생성하는 인코더(incoder) 및 상기 인코딩 데이터를 입력으로 수신하여 상기 관심 영역에 관한 초분광 이미지를 복원하는 디코더(decoder)를 포함하는 인코더-디코더 기반의 딥러닝 모델을 구축하고, 상기 딥러닝 모델의 인코더를 이용하여 상기 제1 시간 간격으로 추출된 상기 초분광 이미지들 각각의 관심 영역에 대한 특징 정보를 상기 인코딩 데이터로서 생성하며,
상기 이상 검출부는 상기 특징 정보를 기 구축된 이상 검출 모델에 입력하여 상기 상수도 시설물의 이상을 예측하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치.
a data collection unit that collects a hyperspectral image including at least a portion of a water supply facility from at least one hyperspectral sensor;
Analyzing the hyperspectral image to detect changes in the water supply facility, extracting a spectrum of a preset band from each of the hyperspectral images continuously extracted at the same first time interval from the hyperspectral image, and analyzing the spectrum a data analysis unit determining a region of interest (ROI) for the water supply facility;
an abnormality detection unit for detecting an abnormality in the waterworks facility when the change in the waterworks facility exceeds a preset reference range; and
A notification providing unit generating and providing a notification related to the detection of the abnormality;
The data analysis unit receives the hyperspectral image and the ROI as inputs and generates encoded data related to the ROI, and receives the encoded data as inputs to restore the hyperspectral image related to the ROI. A deep learning model based on an encoder-decoder including a decoder is constructed, and feature information on a region of interest of each of the hyperspectral images extracted at the first time interval using the encoder of the deep learning model is used. as the encoding data,
The hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device, characterized in that the anomaly detection unit predicts an anomaly of the water supply facility by inputting the feature information into a pre-constructed anomaly detection model.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 데이터 분석부는
상기 스펙트럼의 평균, 피크(peak) 및 기울기(gradient) 중 적어도 하나의 변화량을 기준으로 상기 관심 영역의 결정을 위한 후보 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치.
The method of claim 1, wherein the data analysis unit
A hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device, characterized in that for determining a candidate position for determining the region of interest based on a change in at least one of the average, peak, and gradient of the spectrum.
제1항에 있어서, 상기 데이터 분석부는
상기 초분광 이미지들 사이에 형성된 복수의 시간 구간들 중에서 상기 관심 영역과 연관된 관심 구간을 결정하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치.
The method of claim 1, wherein the data analysis unit
A hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device, characterized in that for determining a section of interest associated with the region of interest from among a plurality of time sections formed between the hyperspectral images.
삭제delete 제4항에 있어서, 상기 데이터 분석부는
상기 초분광 영상으로부터 상기 관심 구간 내에서 상기 제1 시간 간격보다 더 작은 제2 시간 간격마다 연속적인 초분광 이미지들을 추출하고 해당 초분광 이미지들의 관심 영역으로부터 상기 이상 검출을 위한 특징 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치.
The method of claim 4, wherein the data analysis unit
Extracting successive hyperspectral images at every second time interval smaller than the first time interval within the interest interval from the hyperspectral image and generating feature information for detecting the anomaly from the region of interest of the corresponding hyperspectral images. Hyperspectral imaging-based monitoring and analysis device for water supply facilities.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 이상 검출부는
상기 상수도 시설물의 변화 패턴에 따라 상기 상수도 시설물의 이상을 균열, 부식, 변형 또는 파손으로 분류하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 장치.
The method of claim 1, wherein the abnormality detection unit
A hyperspectral imaging-based water supply facility monitoring and analysis device, characterized in that the abnormality of the water supply facility is classified as crack, corrosion, deformation or damage according to the change pattern of the water supply facility.
상수도 시설물 감시 분석 장치에서 수행되는 상수도 시설물 감시 분석 방법에 있어서,
데이터 수집부를 통해, 적어도 하나의 초분광 센서로부터 상수도 시설물의 적어도 일부를 포함하는 초분광 영상을 수집하는 단계;
데이터 분석부를 통해, 상기 초분광 영상을 분석하여 상기 상수도 시설물의 변화를 검출하고, 상기 초분광 영상으로부터 동일한 제1 시간 간격마다 연속적으로 추출된 초분광 이미지들 각각으로부터 기 설정된 대역의 스펙트럼을 추출하고 상기 스펙트럼을 분석하여 상기 상수도 시설물에 대한 관심 영역(Region of Interest, ROI)을 결정하는 단계;
이상 검출부를 통해, 상기 상수도 시설물의 변화가 기 설정된 기준 범위를 초과하는 경우 상기 상수도 시설물의 이상을 검출하는 단계; 및
알림 제공부를 통해, 상기 이상의 검출에 관한 알림을 생성하여 제공하는 단계;를 포함하되,
상기 관심 영역을 결정하는 단계는 상기 초분광 이미지와 상기 관심 영역을 입력으로 수신하여 상기 관심 영역에 관한 인코딩 데이터를 생성하는 인코더(incoder) 및 상기 인코딩 데이터를 입력으로 수신하여 상기 관심 영역에 관한 초분광 이미지를 복원하는 디코더(decoder)를 포함하는 인코더-디코더 기반의 딥러닝 모델을 구축하고, 상기 딥러닝 모델의 인코더를 이용하여 상기 제1 시간 간격으로 추출된 상기 초분광 이미지들 각각의 관심 영역에 대한 특징 정보를 상기 인코딩 데이터로서 생성하는 단계를 포함하고,
상기 이상을 검출하는 단계는 특징 정보를 기 구축된 이상 검출 모델에 입력하여 상기 상수도 시설물의 이상을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 기반의 상수도 시설물 감시 분석 방법.
In the water supply facility monitoring and analysis method performed in the water supply facility monitoring and analysis device,
Collecting a hyperspectral image including at least a part of a waterworks facility from at least one hyperspectral sensor through a data collection unit;
Through the data analysis unit, the hyperspectral image is analyzed to detect a change in the water supply facility, and a spectrum of a predetermined band is extracted from each of the hyperspectral images continuously extracted at the same first time interval from the hyperspectral image, analyzing the spectrum to determine a region of interest (ROI) for the water supply facility;
detecting an abnormality in the water supply facility through an abnormality detection unit when a change in the water supply facility exceeds a predetermined reference range; and
Generating and providing a notification related to the detection of the abnormality through a notification providing unit; including,
The determining of the ROI may include: an encoder generating encoded data related to the ROI by receiving the hyperspectral image and the ROI as inputs; and receiving the encoded data as inputs to generate encoding data related to the ROI. An encoder-decoder-based deep learning model including a decoder for reconstructing a spectral image is constructed, and a region of interest of each of the hyperspectral images extracted at the first time interval using the encoder of the deep learning model. Generating feature information for as the encoded data;
Wherein the step of detecting the anomaly comprises predicting the anomaly of the water supply facility by inputting feature information into a pre-constructed anomaly detection model.
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