KR20110135594A - 광학식 적설량 계측방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

한 대의 레이저빔과 한 대의 카메라만으로 적설량을 측정할 수 있는 광학식 적설량 계측방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 적설량 계측방법은 레이저빔을 설치하여 지면을 향해 일정한 각도로 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 광원의 반사각쪽에서 광원의 반사면을 향해 카메라를 설치하여 촬영하도록 하고, 카메라에서 촬영된 이미지에서 지면에서 반사된 영상을 기준점(p1)으로 정한 후, 광원이 설면에서 반사된 영상의 지점(p2, p3, pn)과 기준점(p1)의 거리를 바탕으로 기준점(p1)에 대한 설면의 높이를 피타고라스의 정리를 이용해 상대값으로 계산하여 적설량을 얻을 수 있게 된다. 이때, 광원의 반사각과 카메라의 촬영각은 1:1이 가장 좋고, 광원은 등간격으로 된 수개 내지 수십개의 슬릿형태로 조사하여 이 슬릿들 중에서 가장 뚜렷한 하나의 슬릿을 선택할 수도 있다. 또한, 슬릿들의 폭(t)과, 슬릿들간의 거리(d)를 비교 판독하여 설면의 등고선을 얻을 수도 있다. 또한, 광원이 지면에서 반사되는 지점(p1)을 원점으로 하여 90ㅀ되는 위치에 또 다른 카메라를 설치하여 경사지게 촬영되는 카메라의 원근감에 따른 오차를 줄일 수도 있다.

Description

광학식 적설량 계측방법 및 장치{Method and device for measuring snow}

본 발명은 적설량 계측방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 설면위에 광원을 주사하고 설면에 반사되는 모습을 카메라로 촬영하며 촬영된 이미지를 판독하여 적설량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 적설은 기상현상 분석에 있어서 매우 중요한 기상요소 중 하나로서, 통상 (mm)단위로 측정되며, 강우나 온도, 습도, 풍속 등의 타 기상요소와는 달리 측정의 자동화가 용이하지 않아서, 그 측정법은 적설판위의 눈금자를 사용하여 그 쌓인 눈의 양을 목측하는 방법이 대부분이었다.

한편, 과학기술의 발달로 인하여 다양한 센싱기술이 개발되었고, 이를 기상의 관측에 적용하는 사례가 늘고 있다.

그 중 초음파를 이용한 적설계가 제안되었으나, 이는 온도에 따라 초음파 전파 속도가 변화하고, 이를 보상하기 위해 별도의 온도센서를 사용하여야만 하는 문제점이 있다. 또한, 눈발이 흩날리는 극심한 강설 환경에서는 초음파 산란으로 인해 정확한 측정이 곤란한 문제점이 있었다.

이와 같은 초음파를 이용한 적설계에서의 온도 보상과 강설 환경에서의 초음파 산란 등의 문제를 극복하기 위하여 광학식 적설계 기술이 제안되었다.

종래의 광학식 적설계의 방식중 하나는 적설 기준면에 수직으로 눈금이 있는 측정자를 설치하고 이를 카메라로 영상 획득함으로써, 적설 높이를 계측하는 방식이다.

다른 계측 방식은 측정자의 발광 및 수광소자를 내장하여 발광소자에서 방출된 광이 눈에 반사되어 이를 수광소자에서 수신함으로써, 그 높이를 산출하는 방식이다.

그러나 종래의 광학식 절설계 측정방식은 레이저빔을 여러대 갖추어야 하는 문제점과 각 레이저빔을 눈의 적설량에 따라 보정하면서 측정해주어야 하는 문제점이 있었다.

또한, 발광소자 및 수광소자를 이용하는 경우에는 설면의 높이에 따라 광원의 반사되는 위치가 다르기 때문에 측정 높이별로 수광소자를 여러개 구축해야 하는 문제도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 카메라를 고정시켜 놓고, 이미지상에 지면에 대한 기준선을 제시한 다음, 이 기준선을 원점으로 하여 적설량을 원점에 대한 상대값으로 구하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은,

레이저빔을 설치하여 지면을 향해 일정한 각도로 다중,복수 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 광원의 반사각쪽에서 광원의 반사면을 향해 카메라를 설치하여 촬영하도록 하고, 카메라에서 촬영된 이미지에서 지면에서 반사된 영상을 기준점(p1)으로 정한 후, 광원이 설면에서 반사된 영상의 지점(p2, p3, pn)과 기준점(p1)의 거리를 바탕으로 기준점(p1)에 대한 설면의 높이를 피타고라스의 정리 및 삼각비를 이용해 상대값으로 계산하여 적설량을 얻는 것을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측방법을 제공한다.

이때, 광원의 반사각과 카메라의 촬영각이 1:1임이 바람직하다.

또한, 광원은 등간격으로 된 수개 내지 수십개의 슬릿형태로 조사하여 이 슬릿들 중에서 가장 뚜렷한 하나의 슬릿을 선택할 수도 있다.

그리고 슬릿들의 폭(t)과, 슬릿들간의 거리(d)를 비교 판독하여 설면의 등고선을 얻을 수도 있다.

또한, 광원이 지면에서 반사되는 지점(p1)을 원점으로 하여 90ㅀ되는 위치에 또 다른 카메라를 설치하여 경사지게 촬영되는 카메라의 원근감에 따른 오차를 줄일 수도 있다.

또한, 본 발명은,

지면을 향해 일정한 각도로 설치되어 슬릿형태의 광원을 조사하는 레이저빔과, 광원의 반사각쪽에 설치되어 광원의 반사되는 지점들을 촬영하는 카메라와, 카메라에서 촬영된 영상들에서 광원이 지면에서 반사되는 부분을 기준점(p1)으로 하여 설면에서 반사되는 지점(p2, p3, pn)과의 거리를 산출하면서 이 산출되 값을 이용해 설면의 높이를 구하는 데이터처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측장치를 제공한다.

여기에서, 레이저빔의 출구에는 다수의 줄홈이 등간격으로 형성되어 광원이 줄홈을 통과하면서 슬릿이 여러 개로 형성되도록 하는 커버가 장착될 수도 있다.

또는, 레이저빔의 출구에는 다수의 줄돌기가 등간격으로 형성되어 광원이 줄돌기를 투과하면서 슬릿이 여러 개로 형성되도록 하는 위상반전글라스가 장착될 수도 있다.

또한, 빛의 반사를 조절하기위해 레이저빔에 편광판 FILTER가 장착 되며, 카메라에는 외부광원(태양빛)의 영향을 배제하도록 IR 또는 UV FILTER를 장착할 수 있다.

그리고 데이터처리부는 카메라에서 전송되는 데이터를 수신하는 관제소에 설치될 수도 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 광학식 적설량 계측방법 및 장치는 하나의 레이저빔과 하나의 카메라만을 이용하여 적설량을 구할 수 있는 잇점이 있게 된다.

또한, 본 발명은 슬릿을 여러 개로 하여 슬릿들의 모양 및 배치에 따라 적설의 일정면적에서의 등고선을 판독해 내어 부분적 오차를 제거할수 있는 눈높이 측정이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 입사된 빛의 반사광을 사용함으로서 낮은 INTENSITY의 LASER광원을 사용할 수 있으며, LASER 빛의 복수개 SLIT이 동시에 입사되고 순간적으로 영상을 구하므로 바람에 의한 흔들림 효과가 극소화 된다.

그리고 모든 광학계가 고정상태이므로 혹한기 외부환경에 영향을 적게 받는다. 또한 적은 적설량에도 정확도를 높힐 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광학식 적설량 계측장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 레이저빔과 카메라를 위에서 바라본 평면도이고,
도 3은 본 발명의 카메라에서 촬영된 영상을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 레이저빔에 장착되는 슬릿캡을 나타낸 도면이고,
도 5는 슬릿캡의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 슬릿이 여러 개일 경우 선택되는 슬릿의 영상을 나타낸 도면이고,
도 7 내지 도 9는 슬릿영상에 따라서 적설 등고선을 알 수 있는 방법을 나타낸 도면이며, 그리고
도 10은 적설 높이를 구할 수 있는 방법에 대해 설명한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광학식 적설량 계측방법 및 장치를 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 광학식 적설량 계측장치(100)는 지면을 향해 일정한 각도로 적색광원(11)을 주사하는 레이저빔(10)과, 이 적색광원(11)이 반사되는 지면을 향해 일정한 각도로 촬영하는 카메라(20)와, 카메라(20)에서 촬영한 이미지를 픽셀화하여 판독하는 데이터처리부(30) 또는, 카메라(20)에서 송신된 데이터를 수신하여 처리하는 관제소(40)를 포함한다.

여기에서, 레이저빔(10)의 광원(11)은 도 2 및 도 3에서 보는 것과 같이 가로방향으로 된 슬릿형태로 조사됨이 바람직하다. 즉, 광원이 슬릿형태일 때, 이미지 처리가 용이하며, 다른 부수적인 결과값도 함께 얻을 수도 있다.

이처럼 광원을 슬릿형태로 주사하기 위해서 두가지 형태의 슬릿캡이 사용될 수 있다.

첫 번째 슬릿캡(12)은 도 4에서 보는 것과 같이 레이저빔(10)의 출구에 횡방향으로 줄홈(13)이 형성된 커버를 장착할 수 있다. 이때, 줄홈(13)은 하나에서부터 수개 내지 수십개를 등간격으로 형성하여 사용될 수도 있다.

두 번째 슬릿캡(12)은 도 5에서 보는 바와 같이 레이저빔(10)의 출구에 위상반전글라스를 장착할 수 있다. 위상반전글라스는 평판의 글라스상 어느 일면에 줄돌기(14)를 형성하여, 이 글라스를 통과하는 광원이 줄돌기(14)를 통과하면서 슬릿형태로 조사되게 하는 것이다. 이러한 줄돌기(14)도 첫 번째의 슬릿캡(12)처럼 수개 내지 수십개를 등간격으로 형성하여 위의 설명과 동일한 작용 및 효과를 얻게 된다.

줄홈(13)을 여러 개로 사용하는 이유는 도 6에서 보는 바와 같이 설면에 반사되는 여러 슬릿들 중에서 가장 밝고 뚜렷한 슬릿이 광원의 입사각과 일치하는 슬릿이 되고, 선택된 슬릿 외의 다른 슬릿들의 모양에 따라 주변환경도 함께 판독할 수 있기 때문이다.

즉, 설면에 반사되는 슬릿들 중에서 가장 명확한 슬릿이 측정하고자 하는 슬릿의 위치가 되며, 선택된 슬릿과 이웃한 다른 슬릿과의 간격이나, 다른 슬릿들끼리의 간격 또는, 슬릿들의 각각의 폭에 따라 그 주변 등고선을 예측할 수 있게 되는 것이다. 그리고 도 7에서 보는 것과 같이 슬릿이 직선일 경우와 구불구불한 경우에도 슬릿의 길이방향으로의 등고선을 예측할 수 있게 되는 것이다.

보다 상세하게는 도 8의 (a)에서 보는 것과 같이 광원(11)이 경사지게 조사되는 상태에서 설면도 광원의 경사방향과 같은 방향으로 또 경사지게 된다면, (b)에서 보는 것과 같이 처음에는 슬릿(s1)의 두께가 일정하다가 경사지게 되는 시점에서부터 슬릿(s2)의 두께가 두꺼워 질 것이다.

반대로 도 9의 (a)에서 보는 것과 같이 광원(11)이 경사지게 조사되는 상태에서 설면도 그 경사와 반대 방향으로 또 경사지게 된다면, (b)에서 보는 것과 같이 처음에는 슬릿(a1)의 두께가 일정하다가 경사지게 되는 시점에서부터 슬릿(s2)의 두께가 얇아질 것이다.

또한, 슬릿들(s)의 폭두께(t)와 함께 슬릿들(s)간의 간격(d)에 의해서도 이와 같은 추론을 할 수 있기 때문에 슬릿(s)들의 모양이 설면에 대한 종합적인 판독에 큰 역할을 하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 광학식 적설량 계측장치(100)는 레이저빔(10)과 카메라(20)가 동일한 각도로 조사되거나 촬영되는 것이 1:1로 주거나 받음으로써, 측정이 용이하게 된다. 이때, 최적의 조사 및 촬영 각도는 45°이다.

하기에는 이와 같이 구성된 광학식 적설량 계측장치(100)를 이용하여 적설량을 얻어내는 방법을 간략하게 설명한다.

레이저빔(10)은 지면을 향해 45°각도로 조사되고, 조사되는 반대편쪽에 동일한 45ㅀ의 각도로 카메라(20)가 촬영되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

먼저, 카메라(20)에서 촬영된 이미지에서 도 3의 이미지에서처럼 지면에 해당되는 기준선(p1)을 제시하는 것이 선행되어야 할 것이다. 기준선은 카메라(20)가 고정되어 있으므로 카메라(20) 설치후 처음에 한번만 수행하면 되는 것으로, 레이저빔(10)의 광원(11)이 지면에 반사(p1)되어 촬영된 이미지의 슬릿영상(p1)이 기준선이 된다.

눈이 내리기 시작하면 점차 눈의 높이가 올라가면서 레이저빔(10)의 광원(11)이 설면에 반사되는 위치가 변하게 된다. 즉, 도 10에서 보는 것과 같이 설면이 올라가면 반사면(p2, p3)은 위쪽으로 그리고 레이저빔(10)쪽으로 점차 이동되는데, 이때, 광원(11)의 입사각이 45ㅀ이므로 반사되는 지점(p2, p3)은 이등변삼각형의 빗변으로 이동하게 된다. 다시 말해 기준점(p1)이 지면과 이루는 제1변(a)과, 설면에서 광원이 반사되는 지점(p2)이 제1변(a)과 직교되도록 만나는 제2변(b)과, 그리고 기준점(p1)과 설면의 반사시점(p2)가 연결되는 제3변(c)이 삼각형을 이루고, 이 삼각형은 입사각이 45°이므로 이등변삼각형이 된다.

이러한 반사면의 이동상황이 카메라(20)에 촬영되면서 연속된 이미지를 얻게 되고, 촬영된 이미지상의 기준점(p1)과 설면에서 반사된 지점(p2, p3)과의 거리(l)가(도 3참조) 이등변삼각형의 빗변의 길이(c)와 동일하게 된다.

따라서 이러한 이미지를 픽셀화하여 거리를 계산하고, 이 계산된 빗변의 길이와, 지면과 빗변이 이루는 각도(45°)를 삼각비에 의해 적설높이를 구할 수 있게 된다. 즉,

이고,

이므로 적설높이(h)를 쉽게 얻을 수 있게 된다.

물론, 입사각이 45°가 아니라도 충분히 계산식에 의해서 높이 값을 얻을 수 있고, 카메라(20)의 촬영각도가 광원의 반사각과 1:1이 아니더라도 벌어진 각도의 차이만큼의 길이를 보정하여 계산할 수도 있다.

또한, 광원(11)이 설면에 반사되는 지점(p)은 연속해서 촬영되므로 반사지점은 p2, p3, p4 등 pn까지라고 규정할 수 있다.

한편, 광원이 슬릿형태로 반사된다고 하더라도 광원의 반대편에서 촬영되는 카메라(20)가 슬릿의 두께만큼(또는, 빗겨서 반사되므로 더큰 폭을 갖게 되므로) 오차가 발생된다. 이러한 오차는 촬영각도가 낮아질수록 더욱 큰 차이가 나게 되는데, 이러한 오차를 줄이기 위해 광원이 지면에서 반사되는 지점(p1)을 기준으로 카메라(20)의 90°방향에 또 다른 카메라를 더 설치함으로써, 오차범위를 줄일 수 있게 된다.

즉, 첫 번째 카메라(20)는 반사각쪽에서 촬영하여 원근감에 따른 슬릿의 두께에 오차가 발생되나, 두 번째 카메라는 반사각의 측면방향에서 광원의 반사면을 촬영하게 되므로, 촬영각도에 의한 원근감이 없어지므로 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 광학식 적설량 계측장치는 빛의 반사를 조절하기 위해 레이저빔(10)에 편광판 필터가 장착되며, 카메라(20)에는 외부광원(태양빛)의 영향을 배제하도록 IR 또는 UV FILTER를 장착할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 광학식 적설량 계측장치
10 : 레이저빔 11 : 광원
20, 20' : 카메라 30 : 데이터처리부
40 : 관제소 p : 광원이 반사되는 지점
s: 슬릿 t : 슬릿의 두께
d: 슬릿들의 간격

Claims (9)

1. 레이저빔을 설치하여 지면을 향해 일정한 각도로 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 상기 광원의 반사각쪽에서 상기 광원의 반사면을 향해 카메라를 설치하여 촬영하도록 하고, 상기 카메라에서 촬영된 이미지에서 상기 지면에서 반사된 영상을 기준점(p1)으로 정한 후, 상기 광원이 설면에서 반사된 영상의 지점(p2, p3, pn)과 상기 기준점(p1)의 거리를 바탕으로 기준점(p1)에 대한 설면의 높이를 피타고라스의 정리 및 삼각비를 이용해 상대값으로 계산하여 적설량을 얻는 것을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광원의 반사각과 상기 카메라의 촬영각이 1:1임을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 등간격으로 된 수개 내지 수십개의 슬릿형태로 조사하고, 상기 슬릿들의 폭(t)과, 슬릿들간의 거리(d)를 비교 판독하여 설면의 등고선을 얻을 수 있음을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광원이 지면에서 반사되는 지점(p1)을 원점으로 하여 90°되는 위치에 또 다른 카메라를 설치하여 경사지게 촬영되는 카메라의 원근감에 따른 오차를 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측방법.
5. 지면을 향해 일정한 각도로 설치되어 슬릿형태의 광원을 조사하는 레이저빔과, 상기 광원의 반사각쪽에 설치되어 상기 광원의 반사되는 지점들을 촬영하는 카메라와, 상기 카메라에서 촬영된 영상들에서 상기 광원이 지면에서 반사되는 부분을 기준점(p1)으로 하여 설면에서 반사되는 지점(p2, p3, pn)과의 거리를 산출하면서 이 산출된 값을 이용해 설면의 높이를 구하는 데이터처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저빔의 출구에는 다수의 줄홈이 등간격으로 형성되어 상기 광원이 상기 줄홈을 통과하면서 상기 슬릿이 여러 개로 형성되도록 하는 커버가 장착됨을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저빔의 출구에는 다수의 줄돌기가 등간격으로 형성되어 상기 광원이 상기 줄돌기를 투과하면서 상기 슬릿이 여러 개로 형성되도록 하는 위상반전글라스가 장착됨을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 데이터처리부는 상기 카메라에서 전송되는 데이터를 수신하는 관제소에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측장치.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저빔에는 편광판 필터가 장착되며, 카메라에는 IR 또는 UV FILTER가 장착됨을 특징으로 하는 광학식 적설량 계측장치.

Images