KR20110067964A - Method and apparatus for water quality monitoring using remote sensing technique - Google Patents

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KR20110067964A
KR20110067964A KR1020090124763A KR20090124763A KR20110067964A KR 20110067964 A KR20110067964 A KR 20110067964A KR 1020090124763 A KR1020090124763 A KR 1020090124763A KR 20090124763 A KR20090124763 A KR 20090124763A KR 20110067964 A KR20110067964 A KR 20110067964A
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Abstract

PURPOSE: A method and apparatus for monitoring water quality are provided to enable the water quality assessment of the entire area of the river system by deriving and using the image band of remote exploration data and correlation between the actually surveyed water systems. CONSTITUTION: An image band extractor(10) extracts an image band from the image data acquired by the remote exploration. A correlation analyzer(20) compares the image data of the image band with the real data, and analyze the correlation. A TSI determination unit(30) determines the tropic state index(TSI) of the image data using the correlation. A water quality evaluator(40) evaluates the water quality of water system quantitatively by comparing a reference TSI with the TSI. A transmitter(50) transmits the water quality.

Description

원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WATER QUALITY MONITORING USING REMOTE SENSING TECHNIQUE}Water quality monitoring method using remote sensing data and water quality monitoring device using the same {METHOD AND APPARATUS FOR WATER QUALITY MONITORING USING REMOTE SENSING TECHNIQUE}

본 발명은 수질 모니터링 방법 및 수질 모니터링 장치에 관한 것이다. 구체적으로 원격탐사 자료를 이용하여 수질을 모니터링 하는 방법 및 장치에 관한 분야이다. The present invention relates to a water quality monitoring method and a water quality monitoring apparatus. Specifically, the present invention relates to a method and apparatus for monitoring water quality using remote sensing data.

종래의 광역 수계에 대한 수질 검사방식은 주로 지형이나 수계 특성상 몇 개의 주요 조사지점을 대상으로 측정된 수질자료로부터 평가하고 있는 실정이다. The conventional water quality inspection method for the wide area water system is mainly evaluated from the water quality data measured for several main survey points due to the topography and the characteristics of the water system.

이러한 수질 검사방식은 수계 전반에 대한 종합적인 수질을 파악하기 어려운 문제가 있었으며, 종합적인 수질을 파악하기 위해서는 수계 전반을 대상으로 하는 수질조사가 수행되어야 하므로 상당한 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있었다. Such a water quality inspection method has a problem that it is difficult to grasp the overall water quality of the whole water system, and in order to grasp the comprehensive water quality, a water quality survey should be performed on the whole water system, which has a considerable cost and time.

본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치는 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다. Water quality monitoring method using the remote sensing data according to the present invention and the water quality monitoring apparatus using the same aims to solve the following problems.

첫째, 원격탐사 데이터를 이용하여 수계 전반의 종합적인 수질평가 및 모니터링이 가능하게 하고자 한다. First, it is intended to enable comprehensive water quality evaluation and monitoring of the entire water system using remote sensing data.

둘째, 수질평가의 인자별로 수계 전반의 평가가 가능하게 하고자 한다. Second, I would like to be able to evaluate the whole water system by the factors of water quality evaluation.

셋째, 상시적인 수질 모니터링이 가능하게 하고자 한다. Third, we want to enable constant water quality monitoring.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다. The solution to the problem of the present invention is not limited to those mentioned above, and other solutions not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법은 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용하는 것으로 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계와, S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계와, S2단계에서 분석된 상관관계와, S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계와, S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계와, S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함한다.The water quality monitoring method using the remote sensing data uses the image data obtained by the remote sensing and the remote sensing data using the actual measurement data of the water system to determine an image band from the image data obtained by the remote sensing. And S2 to analyze the correlation by comparing the image data and the measured data of the step S1, and the correlation analyzed in the step S2, and the image band passed through the step S1, the transparency of the undetected water system, the chlorophyll a concentration In step S3, at least one of the total phosphorus concentrations is obtained, and in step S4, the trophic state index is determined using the data obtained in step S3, and the eutrophication index determined in S4 is used. Step S5 to evaluate the water quality.

이때, S2단계에서, 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도, 총인(T-P) 농도 또는 정규수질평가지수(normalized water quality assessment index) 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.At this time, in step S2, the comparison factor when comparing the image data and the measured data is at least one of transparency, chlorophyll a concentration, total phosphorus (TP) concentration, or normalized water quality assessment index. It is preferable.

또한, S2단계에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 1을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.  In addition, in the step S2, when the comparison factor is the transparency, the correlation analysis is preferably performed using Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009077478512-PAT00001
Figure 112009077478512-PAT00001

SDT : 실측데이터의 투명도SDT: Transparency of measured data

Figure 112009077478512-PAT00002
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00002
: Image data band value of blue visible light region

Figure 112009077478512-PAT00003
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00003
: Image data band value of red visible ray region

a0, a1, a2 : 모회귀계수a0, a1, a2: population regression coefficient

또한, S2단계에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 2를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, in the step S2, when the factor to be compared is the concentration of chlorophyll a, it is preferable that the correlation analysis is performed using Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009077478512-PAT00004
Figure 112009077478512-PAT00004

Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도Chl-a: Chlorophyll a concentration in actual data

Figure 112009077478512-PAT00005
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00005
: Image data band value of green visible light area

Figure 112009077478512-PAT00006
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00006
: Image data band value of blue visible light region

Figure 112009077478512-PAT00007
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00007
: Image data band value of near infrared region

a0, a1, a2 : 모회귀계수a0, a1, a2: population regression coefficient

또한, S2단계에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 3을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, in the step S2, when the comparison factor is the total phosphorus (T-P) concentration, the correlation analysis is preferably performed using the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112009077478512-PAT00008
Figure 112009077478512-PAT00008

TP : 실측데이터의 총인 농도TP: Total phosphorus concentration of measured data

Figure 112009077478512-PAT00009
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00009
: Image data band value of red visible ray region

a0, a1 : 모회귀계수a0, a1: population regression coefficient

또한, S5단계에서 기준값을 입력받고, S4단계에서 결정된 부영양화지수와 비교하여, 부영양화지수가 기준값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 부영양화지수가 기준값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단하는 것이 바람직하다.In addition, when the reference value is input in step S5, and compared to the eutrophication index determined in step S4, it is preferable that the eutrophication index is determined to be eutrophicated when the eutrophication index is greater than or equal to the reference value, and that the eutrophication index is lower than the reference value.

또한, S5단계에는 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송하는 S6단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the step S5 preferably further includes a step S6 for transmitting the results of the eutrophication index determined in step S4 and the eutrophication index compared to the reference value in step S5.

여기서, S1단계는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 S1a 단계와, S1a단계를 거친 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 S1b단계와, S1b단계를 거친 영상데이터로부터 영상데이터 내 영상밴드의 밝기값을 정규화하는 S1c단계와, S1c단계를 거친 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정을 수행하는 S1d단계를 포함한다.Here, step S1 is a step S1a for geometrically correcting the image data obtained by remote sensing, and converts the digital number into a radiance from the image data passed through step S1a, and uses the converted radiance S1b and the S1b step to normalize the brightness value of the image band in the image data from the image data passed through the S1b step and the absolute atmospheric correction by converting it into reflectance S1d step of performing a radiation correction to reduce.

또한, S1c단계에서 S1b단계를 거친 영상데이터가 단일영상데이터인 경우, 영상데이터 내 밴드 사이의 밝기값 히스토그램을 조정하여 정규화하는 것이 바람직하다.In addition, when the image data passing through the step S1b to the step S1b is single image data, it is preferable to normalize by adjusting the brightness value histogram between bands in the image data.

또한, S1c단계에서 S1b단계를 거친 영상데이터가 다중영상데이터인 경우, 다중영상데이터 내에서 의사불변형상(pseudo-invariant features)을 선정하여 다중 영상데이터 간 정규화를 수행하는 것이 바람직하다.In addition, when the image data having passed through the S1b step S1b is multi-image data, it is preferable to select the pseudo-invariant features within the multi-image data to perform normalization between the multiple image data.

또한, S1d단계를 거친 영상데이터의 수계(水系)영역을 추출하는 S1e단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.The method may further include a step S1e for extracting an aqueous region of the image data which has passed the step S1d.

또한, S1e 단계는 S1d단계를 거친 영상데이터의 근적외선 영역의 밴드를 이용하는 것이 바람직하다.In the step S1e, it is preferable to use a band of the near infrared region of the image data which has passed the step S1d.

원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용하는 것으로, 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 영상밴드 추출부와, 영상밴드 추출부에서 추출된 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부와, 상관관계 분석부에서 분석된 상관관계를 이용하여, 영상밴드가 추출된 영상데이터의 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 부영양화지수 결정부와, 기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 부영양화지수 결정부에서 결정된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력하는 수질평가부와, 수질평가부에서 출력된 수질을 전송하는 전송부를 포함한다.The water quality monitoring apparatus using the remote sensing data includes an image band extracting unit which extracts an image band from the image data obtained by remote sensing by using image data obtained by remote sensing and actual measurement data of water systems; By using the correlation analysis unit comparing the image data extracted from the image band extracting unit and the measured data and analyzing the correlation, and using the correlation analyzed in the correlation analysis unit, the eutrophication index of the image data extracted from the image band ( a trophic index determining unit for determining trophic state index, a water quantitative evaluation unit for quantitatively evaluating and outputting water quality quantitatively by inputting a sub-film index value as a reference, and a nutrient nutrient index determined by the nutrient nutrient index determining unit; It includes a transmission unit for transmitting the water quality output from the water quality evaluation unit.

또한, 상관관계 분석부에서 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도 또는 총인(T-P) 농도 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the comparison factor is at least one of transparency, chlorophyll a concentration or total phosphorus (T-P) concentration when comparing the image data and the measured data in the correlation analyzer.

또한, 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 4를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. In the correlation analysis unit, when the comparison factor is transparency, the correlation analysis is preferably performed using Equation 4 below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112009077478512-PAT00010
Figure 112009077478512-PAT00010

SDT : 실측데이터의 투명도SDT: Transparency of measured data

Figure 112009077478512-PAT00011
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00011
: Image data band value of blue visible light region

Figure 112009077478512-PAT00012
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00012
: Image data band value of red visible ray region

a0, a1, a2 : 모회귀계수a0, a1, a2: population regression coefficient

또한, 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 5를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.In the correlation analyzer, when the factor to be compared is chlorophyll a concentration, the correlation analysis is preferably performed using Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112009077478512-PAT00013
Figure 112009077478512-PAT00013

Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도Chl-a: Chlorophyll a concentration in actual data

Figure 112009077478512-PAT00014
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00014
: Image data band value of green visible light area

Figure 112009077478512-PAT00015
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00015
: Image data band value of blue visible light region

Figure 112009077478512-PAT00016
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00016
: Image data band value of near infrared region

a0, a1, a2 : 모회귀계수a0, a1, a2: population regression coefficient

또한, 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우, 상관관계분석은 아래의 수학식 6을 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다. Also, in the correlation analysis unit, when the comparison factor is the total phosphorus (T-P) concentration, the correlation analysis is preferably performed using Equation 6 below.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112009077478512-PAT00017
Figure 112009077478512-PAT00017

TP : 실측데이터의 총인 농도TP: Total phosphorus concentration of measured data

Figure 112009077478512-PAT00018
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00018
: Image data band value of red visible ray region

a0, a1 : 모회귀계수a0, a1: population regression coefficient

여기서, 영상밴드 추출부는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 기하보정처리부와, 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 대기보정처리부와, 영상데이터로부터 영상데이터 내 밴드의 밝기값을 정규화하는 정규화처리부와, 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정처리부를 포함하는 것이 바람직하다. Here, the image band extracting unit geometrically corrects image data obtained by remote sensing, and converts a digital number from the image data into radiance and reflects the converted luminance using the converted luminance. It is preferable to include an atmospheric correction processing unit for converting (reflectance) to absolute atmospheric correction, a normalization processing unit for normalizing the brightness value of the band in the image data from the image data, and a radiation correction processing unit for reducing the scattering influence of the atmosphere from the image data. Do.

본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법 및 이를 이용한 수질 모니터링 장치는 원격탐사 데이터의 영상밴드를 이용하여 실측된 수계와 영상밴드 사이의 상관관계를 도출하고, 도출된 상관관계를 통하여 수계의 전 지역의 수질평가를 가능하게 하는 효과가 있다. The water quality monitoring method using the remote sensing data and the water quality monitoring apparatus using the same according to the present invention derive a correlation between the measured water system and the image band using the image band of the remote sensing data, and through the derived correlation, This has the effect of enabling water quality assessment in all areas.

또한, 투명도, 엽록소 a, 총인 농도 등과 같은 수질평가의 인자별로 수계 전반의 수질평가가 가능하게 하는 효과가 있다. In addition, there is an effect of enabling the overall water quality evaluation by the factors of the water quality evaluation, such as transparency, chlorophyll a, total phosphorus concentration, and the like.

또한, 평가된 수질정보를 사용자에게 전송할 수 있도록 함으로써 상시적인 수질 모니터링이 가능하게 하는 효과가 있다. In addition, it is possible to transmit the evaluated water quality information to the user has the effect of enabling constant water quality monitoring.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다. The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법에 관하여 구체적으로 설명하겠다. Hereinafter, a water quality monitoring method using remote sensing data according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법의 순서도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터로부터 영상밴드를 결정하는 방법에 관한 순서도이다. 1 is a flowchart of a method for monitoring water quality using remote sensing data according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart of a method for determining an image band from remote sensing data according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정하는 S1단계는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정한다.Step S1 of determining the image band of the visible light region and the near infrared region from the image data acquired by remote sensing according to the present invention determines the image band of the visible light region and the near infrared region from the image data obtained by remote sensing.

이러한 영상밴드의 결정방법은 다양한 방법으로 수행될 수 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 영상밴드 결정방법은 도 2에 도시된 보정순서에 따라 수행된다. The image band determination method may be performed by various methods, but the image band determination method according to an embodiment of the present invention is performed according to the correction procedure shown in FIG.

우선 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정(S1a단계)하고, 영상데이터의 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환한 뒤 반사도로 변환하여 절대 대기보정(S1b)하며, 영상밴드 내 밝기값을 정규화하고(S1c단계), 방사보정(S1d)을 수행하여 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정한다. First, the image data obtained by remote sensing is geometrically corrected (step S1a), and the brightness value (digital number) of the image data is converted into a radiance and then converted into a reflectance to absolute atmospheric correction (S1b). Brightness values in the band are normalized (step S1c), and radiation correction (S1d) is performed to determine image bands of the visible light region and the near infrared region.

기하보정(S1a단계)은 인공위성 또는 항공기를 통해 촬영된 영상데이터에 포 함되어 있는 기하학적 왜곡을 제거하는 보정으로, 명확하게 식별되는 지상기준점(Ground Control Points, GCPs)을 선정하여 1:5000 수치지형도나 GPS 측량 등을 통해 3차원 좌표를 취득한 후 아핀변환(affine transformation) 등을 통해 영상데이터의 기하학적 왜곡을 제거한다. Geometric correction (step S1a) is a correction that removes geometric distortions included in image data captured by satellites or aircraft, and selects 1: 5000 digital topographic maps by selecting clearly identified ground control points (GCPs). After acquiring three-dimensional coordinates through GPS surveying, geometric distortion of image data is removed through affine transformation.

절대 대기보정(S1b단계)은 영상데이터에 포함되어 있는 대기에 의한 영향을 제거하는 보정으로, 원격탐사 영상데이터의 각 픽셀의 밝기값(Digital Number; DN)으로부터 센서에서 감지한 방사휘도(radiance)를 계산하고 이를 다시 수계영역에 대한 비율표면 반사도(reflectance)로 변환한다.Absolute atmospheric correction (step S1b) is a correction to remove the influence of the atmosphere included in the image data, and the radiance detected by the sensor from the digital number (DN) of each pixel of the remote sensing image data. Calculate and convert it back into the ratio surface reflectance for the water domain.

이러한 방사휘도 전환은 수학식 1에 의해 수행되며, 반사도 전환은 수학식 2에 의해 수행된다. This luminance conversion is performed by Equation 1, and reflectance conversion is performed by Equation 2.

Figure 112009077478512-PAT00019
Figure 112009077478512-PAT00019

여기서 here

QCAL : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 측정값(quantized calibrated pixel value in DN)QCAL: Quantized calibrated pixel value in DN

QCALMAX : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 최대 측정값(maximum quantized pixel value(DN=225) corresponding to Lmax)QCAL MAX : maximum quantized pixel value (DN = 225) corresponding to L max )

Lmax : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 최대 측정값에 대해 조정된 분광스펙트럼(spectral radiance that is scaled to QCALMAX)L max : Spectral radiance that is scaled to QCAL MAX for the maximum measured value of the quantized pixel within the brightness value of each pixel

Lmin : 각 픽셀의 밝기값 내에 양자화된 픽셀의 최소 측정값에 대해 조정된 분광스펙트럼(spectral radiance that is scaled to QCALMIN)L min : Spectral radiance that is scaled to QCAL MIN for the minimum measurement of the quantized pixel within each pixel's brightness value

를 의미한다.Means.

Figure 112009077478512-PAT00020
Figure 112009077478512-PAT00020

여기서,here,

θ : 원격데이터를 획득한 시점에서 태양의 고도θ: altitude of the sun at the time of obtaining remote data

ESUN : 평균태양조도ESUN: Average solar illuminance

D : 태양과 지구 사이의 정규화된 거리D: normalized distance between sun and earth

를 의미한다. Means.

반사로도 변환하는 과정에서 수계의 부유물질, 온도, 생물량과 같은 생물리적 인자를 정확하게 추출하기 위해 원격탐사데이터 수집 당시의 대기 상황을 현장 에서 분광복사계(spectroradiometer)와 같은 탐측장비를 통해 수집하고, 원격탐사데이터로부터 대기의 흡수 및 산란 특성을 추정하는 방사전달모델을 이용하여 원격탐사데이터의 절대 대기보정(S1b단계)을 수행한다.In order to accurately extract the biological factors such as suspended solids, temperature, and biomass in the process of converting into reflections, the atmospheric conditions at the time of remote sensing data collection are collected in the field by means of a probe such as a spectroradiometer. Absolute atmospheric correction of the remote sensing data (step S1b) is performed using a radiation transfer model that estimates the absorption and scattering characteristics of the atmosphere from the sensing data.

정규화(S1c단계)는 영상데이터 내 영상밴드의 밝기값을 동일한 대기 조건이나 같은 센서로 취득된 자료의 형태로 보정하는 것이다. Normalization (step S1c) is to correct the brightness value of the image band in the image data in the form of data acquired by the same atmospheric conditions or the same sensor.

영상테이터가 단일영상데이터인 경우, 대기 산란효과로 인하여 가시광선 영역에서 최소 밝기값이 증가하면서 발생한 대기효과를 영상데이터 내 영상 밴드들 간의 밝기값 히스토그램의 조정을 통해 정규화한다. When the image data is single image data, the atmospheric effect generated by increasing the minimum brightness value in the visible region due to the atmospheric scattering effect is normalized by adjusting the histogram of the brightness value between the image bands in the image data.

영상데이터가 다중영상데이터인 경우, 영상데이터 내에서 기준 영상데이터와 적절한 의사불변형상(Pseudo-Invariant Features, PIF)을 선정한 후, 다중시기의 원격탐사 자료별로 서로 다른 태양고도, 대기조건, 지표면 피복 상태 등으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 기준영상데이터의 PIF와 기준영상데이터와 다른 시기 영상데이터의 PIF 간의 분광특성을 선형 회귀분석을 통해 정규화(Normalization)를 수행한다. If the image data is multi-image data, select the reference image data and the appropriate pseudo-invariant features (PIF) in the image data, and then use different solar altitudes, atmospheric conditions, and surface coverage for the remote sensing data at multiple time periods. In order to minimize the effects due to the state, the spectral characteristics between the PIF of the reference image data and the PIF of the reference image data and other time-phase image data are normalized through linear regression analysis.

이때, 다중영상영상데이터의 상관관계는 상호 대응하는 화소단위로 계산하거나 정방형의 다중 화소 격자(grid)들의 평균 밝기값을 계산하여 수행한다. At this time, the correlation of the multi-image image data is calculated by calculating the pixel unit corresponding to each other or by calculating the average brightness value of the square multi-pixel grid (grid).

선형 회귀모델식의 계수는 최소제곱법(Least Square Method)으로 추정하고 결정계수를 이용하여 상관성을 평가한다. The coefficients of the linear regression model are estimated by the Least Square Method and the correlation coefficients are evaluated.

최소 제곱법에 의한 잔차와 과대 오차 추정은 신뢰도가 높은 표준잔차(Standardized residual)를 이용하여 과대오차를 제거하는 통계적인 기법을 수행한다.Residual error and excess error estimation by the least square method is performed by using a statistical standard that removes excessive error using standardized residuals.

방사보정(S1d단계)는 태양의 고도, 지형, 안개, 에어로졸 등의 대기 조건, 센서의 반응 등과 같은 여러 가지 영향 인자로 인해 나타나는 영상데이터의 왜곡을 보정하는 것을 말한다. Radiation correction (S1d step) is to correct the distortion of the image data caused by various influence factors such as the sun's altitude, terrain, fog, atmospheric conditions such as aerosol, sensor response.

본 실시예의 방사보정(S1d단계)은 정규화된 원격탐사 영상데이터에 대해 각 영상밴드에서 표준적인 동일 대상물(깊은 물 지역과 같은 어두운 대상물)를 선정, 추출하고, 아래의 수학식 3과 같이, 주변의 히스토그램을 분석하여 최소 밝기값을 결정한 뒤, 이를 원래 밝기값에서 차감하여 대기 산란의 영향을 줄이는 어두운 대상물 추출(Dark Object Subtraction, DOS)기법으로 대기효과에 의한 왜곡을 감소시킨다. Radiation correction (step S1d) of the present embodiment selects and extracts the same standard object (dark object such as a deep water area) from each image band with respect to the normalized remote sensing image data, and then, as shown in Equation 3 below, After analyzing the histogram, the minimum brightness value is determined and then subtracted from the original brightness value to reduce the distortion caused by the atmospheric effect by dark object subtraction (DOS) technique that reduces the effects of atmospheric scattering.

Figure 112009077478512-PAT00021
Figure 112009077478512-PAT00021

여기서,here,

BVmin : 최소 밝기값BV min : minimum brightness

BVinput : 영상데이터의 밝기값BV input : Brightness value of image data

BVoutput : 방사보정된 영상데이터의 밝기값BV output : Brightness value of radiation-corrected image data

을 의미한다. Means.

앞에서 언급한 S1a ~ S1d 단계로 이루어진 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 가시광선 영역과 근적외선 영역의 영상밴드를 결정하는 S1단계에는 영상데이터의 수계(水系)영역을 추출하는 S1e단계가 더 포함될 수 있다.The step S1 of determining the image band of the visible light region and the near infrared region from the image data obtained by the remote sensing consisting of the above-described steps S1a to S1d may further include an S1e step of extracting an aqueous region of the image data. have.

본 발명에 있어 S1e단계는 영상데이터에서 수계영역을 추출하는 단계로, 영상데이터에는 수계영역을 포함한 지리적데이터가 존재하므로 영상의 가시적인 판별효과를 향상시키고 분석을 보다 용이하게 수행하기 위해서는 영상데이터로부터 수계영역의 데이터만을 추출하는 것이 바람직하다. In the present invention, step S1e is a step of extracting an aqueous region from the image data. Since the geographic data including the aqueous region is included in the image data, in order to improve the visual discrimination effect of the image and to perform the analysis more easily, It is preferable to extract only the data of the aqueous zone.

이러한 S1e 단계는 다양한 방식으로 수행될 수 있으나, 본 발명에 따른 S1e단계는 S1d단계를 거친 영상데이터의 근적외선 영역의 밴드를 이용하여 수계영역을 추출한다. The step S1e may be performed in various ways, but the step S1e according to the present invention extracts an aqueous region using a band of the near infrared region of the image data which has undergone the step S1d.

영상데이터에 있어서, 수역(水域)과 육역(陸域)의 경우, 영상밴드 중 근적외선영역의 밴드의 자료의 대비가 뚜렷하므로, 근적외선 영역의 밴드 자료를 이용하여 마스크 필터링(mask filtering)과 이웃 화소들의 밝기값을 고려하여 컨볼루션 필터링(convolution filtering)을 수행하여 영상으로부터 수계 영역을 추출한다In the image data, in the case of water and land, the contrast of the data of the band of the near infrared region of the image band is clear, so mask filtering and neighboring pixels are performed using the band data of the near infrared region. Convolution filtering is performed in consideration of the brightness value of the light source to extract the water domain from the image.

앞에서 언급된 S1단계를 거친 영상데이터는 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 양 데이터 사이의 상관관계를 분석하는 S2단계를 수행하게 된다. Image data that has passed the above-mentioned step S1 is performed by comparing the image data with the measured data to analyze the correlation between the two data.

본 발명에 있어 영상데이터와 실측데이터의 비교는 각 데이터에 포함되어 있는 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인농도와 같은 비교대상 인자 중 적어도 어느 하나를 선정하여 수행하게 된다. In the present invention, the comparison between the image data and the measured data is performed by selecting at least one of comparison factors such as transparency, chlorophyll a concentration, or total phosphorus concentration included in each data.

비교대상 인자가 투명도인 경우, 영상데이터와 실측데이터의 비교를 통해 얻어지는 상관관계분석은 수학식 4를 이용하여 수행된다. When the comparison factor is transparency, the correlation analysis obtained by comparing the image data and the measured data is performed using Equation 4.

Figure 112009077478512-PAT00022
Figure 112009077478512-PAT00022

여기서 here

SDT : 실측데이터의 투명도SDT: Transparency of measured data

Figure 112009077478512-PAT00023
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00023
: Image data band value of blue visible light region

Figure 112009077478512-PAT00024
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00024
: Image data band value of red visible ray region

a0, a1, a2 : 모회귀계수a 0 , a 1 , a 2 : population regression coefficient

를 의미한다. Means.

이러한 수학식 4에 의하여 모회귀계수 a0, a1, a2가 결정된다. By this equation 4, the regression coefficients a 0 , a 1 , a 2 are determined.

모회귀계수 a0, a1, a2가 결정되면, 수학식 4는 BandBlue와 BandRed의 함수식으로 표현되며, S3단계에서 실측되지 않은 수계에 관한 S1단계를 거친 영상밴드를 BandBlue와 BandRed의 함수식에 대입하면 실측되지 않은 수계의 투명도를 획득할 수 있다. If all the coefficient a 0, a 1, a 2 are determined, Equation (4) Band being expressed as a function formula of the Blue and Band Red, the image band passed through the step S1 on the non-measured water system in step S3 Band Blue and Band Substituting into Red 's equation gives us the transparency of the unrealized water system.

비교대상 인자가 엽록소 a 농도인 경우, 영상데이터와 실측데이터의 비교를 통해 얻어지는 상관관계분석은 수학식 5를 이용하여 수행된다. When the factor to be compared is the concentration of chlorophyll a, correlation analysis obtained by comparing the image data and the measured data is performed using Equation 5.

Figure 112009077478512-PAT00025
Figure 112009077478512-PAT00025

여기서, here,

Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도Chl-a: Chlorophyll a concentration in actual data

Figure 112009077478512-PAT00026
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00026
: Image data band value of green visible light area

Figure 112009077478512-PAT00027
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00027
: Image data band value of blue visible light region

Figure 112009077478512-PAT00028
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00028
: Image data band value of near infrared region

a0, a1, a2 : 모회귀계수a 0 , a 1 , a 2 : population regression coefficient

를 의미한다. Means.

이러한 수학식 5에 의하여 모회귀계수 a0, a1, a2가 결정된다. The regression coefficients a 0 , a 1 , and a 2 are determined by Equation 5.

모회귀계수 a0, a1, a2가 결정되면, 수학식 5는 BandBlue와 Bandgreen 및 BandNIR의 함수식으로 표현되며, S3단계에서 실측되지 않은 수계에 관한 S1단계를 거친 영상밴드를 BandBlue와 Bandgreen 및 BandNIR의 함수식에 대입하면 실측되지 않은 수계의 엽록소 a의 농도를 획득할 수 있다. When the regression coefficients a 0 , a 1 , and a 2 are determined, Equation 5 is Band Blue and Band green. And Band NIR , which is expressed as a function of Band NIR , and has passed the S1 step of the water system not measured in step S3, Band Blue and Band green. By substituting the function of Band NIR , it is possible to obtain the concentration of chlorophyll a in the unrealized water system.

또한, 비교대상 인자가 총인 농도인 경우, 영상데이터와 실측데이터의 비교를 통해 얻어지는 상관관계분석은 수학식 6을 이용하여 수행된다. In addition, when the comparison factor is the total phosphorus concentration, correlation analysis obtained by comparing the image data and the measured data is performed using Equation 6.

Figure 112009077478512-PAT00029
Figure 112009077478512-PAT00029

여기서, here,

TP : 실측데이터의 총인 농도TP: Total phosphorus concentration of measured data

Figure 112009077478512-PAT00030
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00030
: Image data band value of red visible ray region

a0, a1 : 모회귀계수a 0 , a 1 : population regression coefficient

를 의미한다. Means.

이러한 수학식 6에 의하여 모회귀계수 a0, a1가 결정된다. By the equation (6), the regression coefficients a 0 and a 1 are determined.

모회귀계수 a0, a1가 결정되면, 수학식 6은 Bandred의 함수식으로 표현되며, S3단계에서 실측되지 않은 수계에 관한 S1단계를 거친 영상밴드를 Bandred의 함수식에 대입하면 실측되지 않은 수계의 총인 농도를 획득할 수 있다. When the regression coefficients a 0 and a 1 are determined, Equation 6 is expressed as a function of Band red. If the image band that passed the step S1 of the water system not measured in step S3 is substituted into the function of Band red , The total phosphorus concentration in the water system can be obtained.

S3단계를 통하여 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도에 관한 데이터가 결정되면, 다음과 같은 S4단계를 통하여 영상데이터의 부영양화지수를 결정할 수 있다. If data on transparency, chlorophyll a concentration, or total phosphorus concentration is determined through step S3, the eutrophication index of the image data may be determined through step S4 as follows.

칼슨(Carlson)이나 아이자키(Aizaki) 등이 제안한 부영양화지수(Trophic State Index; TSI)의 대수 변환식을 이용하여 선택된 인자에 따라 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도, 총질소 농도 등을 정량적으로 결정할 수 있다. Using the algebraic conversion equation of the Trophic State Index (TSI) proposed by Carlson or Aizaki, the transparency, chlorophyll a concentration, total phosphorus concentration, and total nitrogen concentration can be quantitatively determined according to the selected factors. have.

수계의 부영양화지수가 결정되면, S5단계에서 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가할 수 있게 된다.Once the eutrophication index of the water system is determined, it is possible to evaluate the water quality of the water system using the eutrophication index in step S5.

부영양화지수를 통한 수질의 평가는 S5단계에서 부영양화와 빈영양화의 경계값인, 기준값을 입력받고, S4단계에서 결정된 부영양화지수와 비교하여, 부영양화 지수가 기준값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 부영양화지수가 기준값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단하는 방법을 통해 수행된다. The assessment of water quality through the eutrophication index received the reference value, which is the boundary value between eutrophication and poor nutrientization in step S5, and compared with the eutrophication index determined in step S4, it is judged to be eutrophication when the eutrophication index is above the reference value, and the eutrophication index If is less than the reference value is carried out through the method to determine that the empty.

이 경우 기준값은 하나의 정량화된 값을 나타낼 수도 있으나, 상한과 하한을 갖는 범위로 나타낼 수도 있다. In this case, the reference value may represent one quantified value, but may be represented by a range having an upper limit and a lower limit.

S6단계는 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 사용자의 단말기로 전송하는 단계로, 사용자의 컴퓨터 또는 휴대폰과 같은 무선 단말기로, S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송한다. Step S6 is a step of transmitting the results of the eutrophication index determined in step S4 and the eutrophication index compared to the reference value in step S5 to the user's terminal, the wireless terminal such as a user's computer or mobile phone, the eutrophication index determined in step S4 and S5 Send the results of the eutrophication index compared to the reference value in step.

이렇게 전송된 결과를 통해 사용자는 수계의 오염 정도를 모니터링 할 수 있다. The transmitted results allow the user to monitor the contamination of the water system.

또한, 전송된 결과를 지형공간정보체계를 통해 시각화하여 수계의 어느 영역이 부영양화되어 있고, 어느 영역이 빈영양화 되어 있는지 모니터링할 수도 있다.In addition, the transmitted results can be visualized through the geospatial information system to monitor which areas of the water system are eutrophicated and which areas are vacant-nutrition.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 영상밴드 추출부(10)의 구성도이다.3 is a block diagram of a water quality monitoring apparatus using remote sensing data according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is an image band extraction unit 10 of the water quality monitoring apparatus using remote sensing data according to an embodiment of the present invention ) Is a configuration diagram.

본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치는 영상밴드 추출부(10)와, 상관관계 분석부(20), 부영양화지수 결정부(30), 수질평가부(40) 및 전송부(50)로 이루어진다. Water quality monitoring apparatus using the remote sensing data according to the present invention is an image band extraction unit 10, correlation analysis unit 20, eutrophication index determination unit 30, water quality evaluation unit 40 and transmission unit 50 Is made of.

본 발명에 따른 영상밴드 추출부(10)는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 기능을 한다. The image band extracting unit 10 according to the present invention functions to extract an image band from image data obtained by remote sensing.

영상밴드 추출부(10)에서 추출된 영상밴드는 가시광선 영역의 영상밴드와 근적외선 영역의 영상밴드를 추출한다. The image band extracted by the image band extractor 10 extracts an image band in the visible light region and an image band in the near infrared region.

이러한 기능을 수행하는 영상밴드 추출부(10)를 보다 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. The image band extracting unit 10 performing such a function will be described in more detail with reference to FIG. 4 as follows.

본 발명에 따른 영상밴드 추출부(10)는 기하보정처리부(11)와, 대기보정 처리부(12), 정규화처리부(13) 및 방사보정처리부(14)로 이루어진다. The image band extracting unit 10 according to the present invention includes a geometric correction processing unit 11, an atmospheric correction processing unit 12, a normalization processing unit 13, and a radiation correction processing unit 14.

본 발명에 따른 기하보정처리부(11)는 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정 하는 것으로, 영상데이터에서 명확하게 식별되는 지상기준점(Ground Control Points; GCPs)을 선정하여 1:5000 수치지형도나 GPS 측량 등을 통해 3차원 좌표를 취득한 후 아핀변환(affine transformation) 등을 통해 영상데이터의 기하학적 왜곡을 제거한다. The geometric correction processing unit 11 according to the present invention performs geometric correction of image data obtained by remote sensing, and selects ground control points (GCPs) that are clearly identified from the image data. After 3D coordinates are acquired through GPS surveying, geometric distortion of image data is removed through affine transformation.

본 발명에 따른 대기보정 처리부(12)는 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 것으로, 앞에서 설명한 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 영상데이터로부터 절대대기 보정을 한다. The atmospheric correction processing unit 12 according to the present invention converts a brightness value (digital number) from the image data into a radiance (radiance), and converts into a reflectance (reflectance) using the converted radiance to absolute atmospheric correction, Absolute atmospheric correction is performed from the image data by using Equations 1 and 2 described above.

본 발명에 따른 정규화처리부(13)는 영상데이터로부터 영상데이터 내 밴드의 밝기값을 정규화한다. The normalization processor 13 according to the present invention normalizes brightness values of bands in the image data from the image data.

정규화처리부(13)에서 처리되는 영상데이터가 영상테이터가 단일영상데이터인 경우, 대기 산란효과로 인하여 가시광선 영역에서 최소 밝기값이 증가하면서 발생한 대기효과를 영상데이터 내 영상 밴드들 간의 밝기값 히스토그램의 조정을 통해 정규화한다.If the image data processed by the normalization processor 13 is single image data, the atmospheric effect generated by increasing the minimum brightness value in the visible light region due to the atmospheric scattering effect is obtained from the histogram of the brightness value between the image bands in the image data. Normalize through adjustment.

반면에 정규화처리부(13)에서 처리되는 영상데이터가 다중영상데이터인 경우, 영상데이터 내에서 기준 영상데이터와 적절한 의사불변형상(Pseudo-Invariant Features, PIF)을 선정한 후, 다중시기의 원격탐사 자료별로 서로 다른 태양고도, 대기조건, 지표면 피복 상태 등으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 기준영상데이터의 PIF와 기준영상데이터와 다른 시기 영상데이터의 PIF 간의 분광특성을 선형 회귀분석을 통해 정규화(Normalization)를 수행한다. On the other hand, if the image data processed by the normalization processor 13 is multi-image data, after selecting the reference image data and the appropriate pseudo-invariant features (PIF) in the image data, for each remote sensing data of the multi-time In order to minimize the effects of different sun altitudes, atmospheric conditions, and surface cover conditions, normalization is performed through linear regression analysis of the spectral characteristics between the PIF of the reference image data and the PIF of the reference image data and other time-phase image data. do.

이때, 다중영상영상데이터의 상관관계는 상호 대응하는 화소단위로 계산하거나 정방형의 다중 화소 격자(grid)들의 평균 밝기값을 계산하여 수행한다. At this time, the correlation of the multi-image image data is calculated by calculating the pixel unit corresponding to each other or by calculating the average brightness value of the square multi-pixel grid (grid).

선형 회귀모델식의 계수는 최소제곱법(Least Square Method)으로 추정하고 결정계수를 이용하여 상관성을 평가한다. 최소 제곱법에 의한 잔차와 과대 오차 추정은 신뢰도가 높은 표준잔차(Standardized residual)를 이용하여 과대오차를 제거 한다.The coefficients of the linear regression model are estimated by the Least Square Method and the correlation coefficients are evaluated. Residual error and excess error estimation by least squares method eliminates excessive error by using standardized residual.

본 발명에 따른 방사보정처리부(14)는 태양의 고도, 지형, 안개, 에어로졸 등의 대기 조건, 센서의 반응 등과 같은 여러 가지 영향 인자로 인해 나타나는 영상데이터의 외곡을 보정하는 것으로, 각 영상밴드에서 표준적인 동일 대상물(깊은 물 지역과 같은 어두운 대상물)를 선정, 추출하고, 앞에서 설명한 수학식 3을 이용하여 대기효과에 의한 왜곡을 감소시킨다. The radiation correction processor 14 according to the present invention corrects the distortion of the image data caused by various influence factors such as the sun's altitude, terrain, fog, aerosol, air condition, sensor response, etc. A standard identical object (dark object such as a deep water area) is selected and extracted, and the distortion caused by the atmospheric effect is reduced by using Equation 3 described above.

기하보정처리부(11)와, 대기보정 처리부(12), 정규화처리부(13) 및 방사보정처리부(14)로 이루어진 영상밴드 추출부(10)는 원격탐사에 의해 획득된 영상을 가시광선 영역의 영상밴드와 근적외선 영역의 영상밴드로 추출한다. The image band extracting unit 10 including the geometric correction processing unit 11, the atmospheric correction processing unit 12, the normalization processing unit 13, and the radiation correction processing unit 14 displays an image obtained by remote sensing in the visible light region. The bands and the image bands in the near infrared region are extracted.

상관관계 분석부(20)는 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출하는 기능을 한다. The correlation analysis unit 20 performs a function of extracting a correlation between the data by analyzing the image obtained by remote sensing and the data of the actually measured water system.

이러한 상관관계 분석부(20)는 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터 중 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 인자를 선택하여, 선택된 인자에 대응되는 상관관계식을 추출한다. The correlation analyzer 20 selects at least one of transparency, chlorophyll a concentration, and total phosphorus concentration from the image acquired by remote sensing and the data of the measured water system, and generates a correlation equation corresponding to the selected factor. Extract.

투명도가 인자로 선택되는 경우, 상관관계 분석부(20)는 앞에서 설명한 수학식 4를 이용하여 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분 석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출한다. When transparency is selected as a factor, the correlation analyzer 20 analyzes the image obtained by the remote sensing and the data of the actually measured water system by using Equation 4 described above to extract a correlation between the two data. do.

엽록소 a가 인자로 선택되는 경우, 상관관계 분석부(20)는 앞에서 설명한 수학식 5를 이용하여 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출한다. When chlorophyll a is selected as a factor, the correlation analysis unit 20 extracts a correlation between the two data by analyzing the image acquired by the remote sensing and the data of the actually measured water system using Equation 5 described above. do.

총인 농도가 인자로 선택되는 경우, 상관관계 분석부(20)는 앞에서 설명한 수학식 6를 이용하여 원격탐사에 의해 획득된 영상과 실제 측정된 수계의 데이터를 분석하여 양 데이터 사이에 상관관계식을 추출한다. When the total phosphorus concentration is selected as a factor, the correlation analyzer 20 extracts a correlation between the data obtained by analyzing the image obtained by the remote sensing and the data of the actually measured water system using the above-described Equation 6 do.

본 발명에 따른 부영양화지수 결정부(30)는 상관관계 분석부(20)에서 추출된 상관관계식에 영상데이터의 영상밴드를 적용하여, 실측되지 않은 수계를 포함하는 수계 전 영역의 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도를 연산한다. The eutrophication index determination unit 30 according to the present invention applies the image band of the image data to the correlation expression extracted by the correlation analysis unit 20, the transparency of the entire area including chlorophyll a, including the unrealized water system, chlorophyll a concentration Or calculate the total phosphorus concentration.

이때 연산되는 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도는 상관관계 분석부(20)에서 선택된 인자에 대응되는 것으로, 예를 들어 상관관계 분석부(20)에서 투명도를 인자로 선택한 경우, 투명도의 농도를 연산하게 된다. In this case, the calculated transparency, chlorophyll a concentration, or total phosphorus concentration correspond to a factor selected by the correlation analyzer 20. For example, when the transparency is selected as a factor, the concentration of the transparency is calculated. Done.

연산된 투명도, 엽록소 a 농도 또는 총인 농도는 칼슨(Carlson)이나 아이자키(Aizaki) 등이 제안한 부영양화지수(Trophic State Index; TSI)의 대수 변환식을 이용하여 부영양화지수로 정량화된다. The calculated transparency, chlorophyll a concentration, or total phosphorus concentration is quantified by eutrophication index using the logarithmic conversion equation of the Trophic State Index (TSI) proposed by Carlson or Aizaki.

본 발명에 따른 수질평가부(40)는 기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 부 영양화지수 결정부(30)에서 정량화된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력한다. The water quality evaluation unit 40 according to the present invention receives a sub-film index value, which is a reference, and compares and outputs the water quality of the water system quantitatively in comparison with the eutrophication index quantified by the sub-nutrient quantification index determiner 30.

입력된 부영화지수값은 수계의 부영양화와 빈영양화의 경계가 되는 값으로, 입력된 부영양화지수값이 부영양화지수 결정부(30)에서 정량화된 부영양화지수와 비교하여, 정량화된 부영양화지수가 입력된 부영양화지수값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 정량화된 부영양화지수가 입력된 부영양화지수값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단한다. The input subfilm index value is a boundary between the hydrotrophic and empty nutrition of the water system, and the input eutrophic index value is compared with the eutrophication index quantified by the eutrophication index determination unit 30, and the quantified eutrophication index is inputted. If it is above the eutrophication index value, it is considered as eutrophication, and if it is less than the entered eutrophication index value, it is judged to be empty.

이러한 수질평가부(40)에서의 판단은 수계에 대응되는 원격탐사 데이터를 이용하여 수행되므로 실제 측정되지 않은 수계의 수질을 포함하여 전 영역의 수질을 평가하여 출력한다. Since the determination in the water quality evaluation unit 40 is performed using the remote sensing data corresponding to the water system, the water quality of the entire area is evaluated and output including the water quality of the water system which is not actually measured.

본 발명에 따른 전송부(50)는 부영양화지수(30)에서 정량화된 부영양화지수와 수질평가부(40)에서 출력된 수계의 수질을 사용자의 컴퓨터 또는 휴대폰과 같은 무선 단말기로 전송한다. The transmitter 50 according to the present invention transmits the nutrient quantification index and the water quality of the water system output from the water quality evaluation unit 40 to the wireless terminal such as a user's computer or a mobile phone.

이렇게 전송된 결과를 통해 사용자는 수계의 오염 정도를 모니터링 할 수 있으며, 전송된 결과를 지형공간정보체계를 통해 시각화하여 수계의 어느 영역이 부영양화되어 있고, 어느 영역이 빈영양화되어 있는지 모니터링할 수도 있다.Through the transmitted results, the user can monitor the pollution level of the water system and visualize the transmitted result through the geospatial information system to monitor which areas of the water system are eutrophicated and which areas are vacant-nutrified. have.

본 발명에 따른 전송부(50)는 앞에서 설명한 것과 같이, 독립된 단말기로 정량화된 부영양화지수 및 수계의 수질 정보를 전송하나, 반드시 독립된 단말기로 정 량화된 부영양화지수 및 수계의 수질 정보를 전송할 필요는 없으며, 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치에 별도의 디스플레이부를 설치하여, 설치된 디스플레이부에 정량화된 부영양화지수 및 수계의 수질 정보를 전송할 수도 있다. As described above, the transmitter 50 according to the present invention transmits quantitative eutrophication index and water quality information to an independent terminal, but does not necessarily transmit quantified eutrophication index and water quality information to an independent terminal. In addition, by installing a separate display unit in the water quality monitoring device using the remote sensing data, it is also possible to transmit the quantitative eutrophication index and water quality information of the water system.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법의 순서도이다. 1 is a flow chart of a water quality monitoring method using remote sensing data according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 영상밴드를 결정하는 방법의 순서도이다. 2 is a flowchart of a method for determining an image band using remote sensing data according to the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 구성도이다. 3 is a block diagram of a water quality monitoring apparatus using remote sensing data according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치의 영상밴드 추출부의 구성도이다.4 is a block diagram of an image band extraction unit of the water quality monitoring apparatus using remote sensing data according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>

10 : 영상밴드 추출부 11 : 기하보정처리부10: image band extraction unit 11: geometric correction processing unit

12 : 대기보정처리부 13 : 정규화처리부12: atmospheric correction processing unit 13: normalization processing unit

14 ; 방사보정처리부 20 : 상관관계 분석부14; Radiation Correction Processing Unit 20: Correlation Analysis Unit

30 : 부영양화지수 결정부 40 : 수질평가부30: eutrophication index determination unit 40: water quality evaluation unit

50 : 전송부 50: transmission unit

S1 : 영상밴드 결정 S1: Video band determination

S1a : 기하보정 S1b : 절대대기보정S1a: Geometric correction S1b: Absolute atmospheric correction

S1c : 정규화 S1d : 방사보정S1c: Normalization S1d: Radiation Correction

S2 : 상관관계분석 S2: Correlation Analysis

S3 : 실측되지 않는 수계의 데이터 획득S3: Acquisition of data of undiscovered water system

S4 : 부영양화지수 결정S4: Determination of eutrophication index

S5 : 수질평가S5: Water Quality Assessment

S6 : 전송S6: transmission

Claims (18)

원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법으로서,A water quality monitoring method using remote sensing data using image data obtained by remote sensing and actual data of a water system, 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 결정하는 S1단계;Determining an image band from the image data acquired by remote sensing; 상기 S1단계를 거친 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 S2단계; S2 step of analyzing the correlation by comparing the image data and the measured data that passed the step S1; 상기 S2단계에서 분석된 상관관계와, 상기 S1단계를 거친 영상밴드로부터, 실측되지 않은 수계의 투명도, 엽록소 a 농도, 총인 농도 중 적어도 어느 하나의 데이터를 획득하는 S3단계;Step S3 of obtaining data of at least one of transparency, chlorophyll a concentration and total phosphorus concentration of the undiscovered water system from the correlation analyzed in step S2 and the image band passed through step S1; 상기 S3단계에서 획득된 데이터를 이용하여 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 S4단계; 및Step S4 of determining a trophic state index using the data obtained in step S3; And 상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수를 이용하여 수계의 수질을 평가하는 S5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.Water quality monitoring method using the remote sensing data comprising the step S5 of evaluating the water quality of the water system using the eutrophication index determined in step S4. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 S2단계에서, 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 In the step S2, the comparison target factor when comparing the image data and the measured data is 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도, 총인(T-P) 농도 또는 정규수질평가 지수(normalized water quality assessment index) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.A method for monitoring water quality using remote sensing data, characterized in that at least one of transparency, chlorophyll a concentration, total phosphorus (T-P) concentration or normalized water quality assessment index. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 S2단계에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우, In the step S2, when the comparison factor is transparency, 상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.Correlation analysis is a water quality monitoring method using remote sensing data, characterized in that made using the following equation.
Figure 112009077478512-PAT00031
Figure 112009077478512-PAT00031
SDT : 실측데이터의 투명도SDT: Transparency of measured data
Figure 112009077478512-PAT00032
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00032
: Image data band value of blue visible light region
Figure 112009077478512-PAT00033
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00033
: Image data band value of red visible ray region
a0, a1, a2 : 모회귀계수a 0 , a 1 , a 2 : population regression coefficient
제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 S2단계에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우,In the step S2, when the comparison factor is chlorophyll a concentration, 상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.Correlation analysis is a water quality monitoring method using remote sensing data, characterized in that made using the following equation.
Figure 112009077478512-PAT00034
Figure 112009077478512-PAT00034
Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도Chl-a: Chlorophyll a concentration in actual data
Figure 112009077478512-PAT00035
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00035
: Image data band value of green visible light area
Figure 112009077478512-PAT00036
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00036
: Image data band value of blue visible light region
Figure 112009077478512-PAT00037
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00037
: Image data band value of near infrared region
a0, a1, a2 : 모회귀계수a 0 , a 1 , a 2 : population regression coefficient
제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 S2단계에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우,In the step S2, when the comparison factor is the total phosphorus (T-P) concentration, 상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.Correlation analysis is a water quality monitoring method using remote sensing data, characterized in that made using the following equation.
Figure 112009077478512-PAT00038
Figure 112009077478512-PAT00038
TP : 실측데이터의 총인 농도TP: Total phosphorus concentration of measured data
Figure 112009077478512-PAT00039
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00039
: Image data band value of red visible ray region
a0, a1 : 모회귀계수a 0 , a 1 : population regression coefficient
제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 S5단계에서 기준값을 입력받고, 상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수와 비교하여, 상기 부영양화지수가 상기 기준값 이상인 경우 부영양화된 것으로 판단하고, 상기 부영양화지수가 상기 기준값 미만인 경우 빈영화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.In step S5, the reference value is input, and when compared with the eutrophication index determined in step S4, the eutrophication index is determined to be eutrophicated when the reference value is greater than the reference value, and when the eutrophication index is less than the reference value, characterized in that it is determined to be empty. Water quality monitoring method using remote sensing data. 제1항 또는 제6항에 있어서, 7. The method according to claim 1 or 6, 상기 S5단계에는 In step S5 상기 S4단계에서 결정된 부영양화지수 및 상기 S5단계에서 기준값과 비교된 부영양화지수의 결과를 전송하는 S6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사데이터를 이용한 수질 모니터링 방법.And a step S6 of transmitting the results of the eutrophication index determined in the step S4 and the eutrophication index compared with the reference value in the step S5. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 S1단계는 The step S1 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 S1a 단계와, Step S1a of geometrically correcting the image data obtained by remote sensing; 상기 S1a단계를 거친 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘 도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 S1b단계와, A step S1b of converting a digital number into a luminance from the image data which has passed the step S1a and converting the digital number into a radiance and converting it into a reflectance using the converted radiance to absolute atmospheric correction; 상기 S1b단계를 거친 영상데이터로부터 영상데이터 내 영상밴드의 밝기값을 정규화하는 S1c단계; 및Step S1c of normalizing the brightness value of the image band in the image data from the image data which has passed the step S1b; And 상기 S1c단계를 거친 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정을 수행하는 S1d단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 방법.And a step S1d of performing radiation correction to reduce the scattering effect of the atmosphere from the image data passing through the step S1c. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 S1c단계에서 In step S1c 상기 S1b단계를 거친 영상데이터가 단일영상데이터인 경우, When the image data that has passed the step S1b is single image data, 영상데이터 내 밴드 사이의 밝기값 히스토그램을 조정하여 정규화하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 방법.Water quality monitoring method characterized in that the normalization by adjusting the histogram of the brightness value between the bands in the image data. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 S1c단계에서 In step S1c 상기 S1b단계를 거친 영상데이터가 다중영상데이터인 경우,If the image data that has passed the step S1b is multi-image data, 다중영상데이터 내에서 의사불변형상(pseudo-invariant features)을 선정하여 다중 영상데이터 간 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 방 법.Water quality monitoring method characterized in that normalization between multiple image data is performed by selecting pseudo-invariant features within the multiple image data. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 S1d단계를 거친 영상데이터의 수계(水系)영역을 추출하는 S1e단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 방법The water quality monitoring method further comprises the step S1e of extracting the water region of the image data which has passed the step S1d. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 S1e 단계는 S1d단계를 거친 영상데이터의 근적외선 영역의 밴드를 이용하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 방법.The step S1e is a water quality monitoring method, characterized in that using the band of the near infrared region of the image data passed through step S1d. 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터와, 수계(水系)의 실측데이터를 이용한 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치로서,A water quality monitoring apparatus using video data obtained by remote sensing and remote sensing data using actual data of a water system, 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터로부터 영상밴드를 추출하는 영상밴드 추출부;An image band extracting unit extracting an image band from the image data obtained by remote sensing; 상기 영상밴드 추출부에서 추출된 영상데이터와 실측데이터를 비교하여 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부; A correlation analyzer for comparing correlations between the image data extracted from the image band extractor and the measured data; 상기 상관관계 분석부에서 분석된 상관관계를 이용하여, 상기 영상밴드가 추 출된 영상데이터의 부영양화지수(trophic state index)를 결정하는 부영양화지수 결정부;A eutrophication index determining unit for determining a trophic state index of the image data from which the image band is extracted using the correlations analyzed by the correlation analyzer; 기준이 되는 부영화지수값을 입력받고, 상기 부영양화지수 결정부에서 결정된 부영양화지수와 비교하여 정량적으로 수계의 수질을 평가하여 출력하는 수질평가부; 및 A water quality evaluation unit receiving a sub-film index value as a reference and quantitatively evaluating and outputting the water quality of the water system in comparison with the eutrophication index determined by the eutrophication index determination unit; And 상기 수질평가부에서 출력된 수질을 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.Water quality monitoring apparatus using the remote sensing data, characterized in that it comprises a transmission unit for transmitting the water quality output from the water quality evaluation unit. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 상관관계 분석부에서 영상데이터와 실측데이터의 비교시 비교대상 인자는 투명도, 엽록소 a(chlorophyll a) 농도 또는 총인(T-P) 농도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.The comparison factor in comparing the image data and the measured data in the correlation analyzer is at least one of transparency, chlorophyll a concentration or total phosphorus (TP) concentration, water quality monitoring apparatus using remote sensing data . 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 투명도인 경우, In the correlation analysis unit, when the comparison factor is transparency, 상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.Correlation analysis is a water quality monitoring apparatus using remote sensing data, characterized in that made using the following equation.
Figure 112009077478512-PAT00040
Figure 112009077478512-PAT00040
SDT : 실측데이터의 투명도SDT: Transparency of measured data
Figure 112009077478512-PAT00041
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00041
: Image data band value of blue visible light region
Figure 112009077478512-PAT00042
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00042
: Image data band value of red visible ray region
a0, a1, a2 : 모회귀계수a 0 , a 1 , a 2 : population regression coefficient
제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 엽록소a 농도인 경우,In the correlation analysis unit, when the comparison factor is chlorophyll a concentration, 상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.Correlation analysis is a water quality monitoring apparatus using remote sensing data, characterized in that made using the following equation.
Figure 112009077478512-PAT00043
Figure 112009077478512-PAT00043
Chl-a : 실측데이터의 엽록소a 농도Chl-a: Chlorophyll a concentration in actual data
Figure 112009077478512-PAT00044
: 녹색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00044
: Image data band value of green visible light area
Figure 112009077478512-PAT00045
: 청색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00045
: Image data band value of blue visible light region
Figure 112009077478512-PAT00046
: 근적외선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00046
: Image data band value of near infrared region
a0, a1, a2 : 모회귀계수a 0 , a 1 , a 2 : population regression coefficient
제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 상관관계 분석부에서, 비교대상 인자가 총인(T-P) 농도인 경우,In the correlation analysis unit, when the comparison factor is the total phosphorus (T-P) concentration, 상관관계분석은 아래의 수학식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격탐사 데이터를 이용한 수질 모니터링 장치.Correlation analysis is a water quality monitoring apparatus using remote sensing data, characterized in that made using the following equation.
Figure 112009077478512-PAT00047
Figure 112009077478512-PAT00047
TP : 실측데이터의 총인 농도TP: Total phosphorus concentration of measured data
Figure 112009077478512-PAT00048
: 적색 가시광선 영역의 영상데이터 밴드값
Figure 112009077478512-PAT00048
: Image data band value of red visible ray region
a0, a1 : 모회귀계수a 0 , a 1 : population regression coefficient
제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 영상밴드 추출부는 The image band extracting unit 원격탐사에 의해 획득된 영상데이터를 기하보정하는 기하보정처리부;A geometric correction processor for geometrically correcting image data obtained by remote sensing; 상기 영상데이터로부터 밝기값(digital number)을 방사휘도(radiance)로 변환하고, 변환된 방사휘도를 이용하여 반사도(reflectance)로 변환하여 절대 대기보정하는 대기보정처리부; An atmospheric correction processor for converting a digital number from the image data into a radiance and converting the digital number into a radiance and converting the luminance number into a reflectance using the converted radiance; 상기 영상데이터로부터 영상데이터 내 밴드의 밝기값을 정규화하는 정규화처리부; 및A normalization processor for normalizing brightness values of bands in the image data from the image data; And 상기 영상데이터로부터 대기의 산란영향을 감소시키는 방사보정처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 장치.And a radiation correction processor for reducing the scattering effect of the atmosphere from the image data.
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