KR20120003746A - 광학식 강우량 측정방법 및 장치 - Google Patents

광학식 강우량 측정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

빗물의 표면을 향해 레이저빔 광원을 조사하여 광원이 반사되는 위치에 따라 빗물의 높이가 달라짐을 분석하여 강우량을 측정할 수 있는 광학식 강우량 측정방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 강우량 측정방법은 레이저빔을 설치하여 빗물이 담기는 저장통을 향해 일정한 각도로 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 광원의 반사각쪽에서 광원의 반사면을 향해 카메라를 설치하여 촬영하도록 하고, 카메라에서 촬영된 이미지에서 저장통의 바닥면에서 반사된 영상을 기준상(p1)으로 정한 후, 광원이 빗물표면에서 반사된 영상의 측정상(p2, p3, pn)에서부터 기준상(p1)까지의 거리(L)를 계산하여 광원의 입사각(θ)과 거리(L)를 삼각비의 관계에 의해 빗물표면의 높이를 얻을 수 있게 된다. 이때, 저장통에는 광원이 반사될 수 있도록 반사막을 설치함이 바람직하다. 또한, 본 발명은 레이저빔을 저장통내에 설치하여 레이저빔의 광원이 빗물에 굴절되는 모습을 촬영하여 빗물의 높이를 구할 수도 있다. 그리고 카메라에서 촬영된 이미지를 인텐서티를 분석하여 이 인텐서티의 최대값이나 특정 지정값을 기준상 및 측정상의 위치로 결정하여 강우량 측정의 오차를 줄일 수도 있다.

Description

광학식 강우량 측정방법 및 장치{Method and device for measuring a rainfall}
본 발명은 강우량 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빗물 표면으로 레이저빔을 조사하고 빗물표면에서 반사 또는 굴절되는 모습을 카메라로 촬영하며 촬영된 이미지를 판독하여 강우량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 우량계는 대기 중에 일어나는 기상 현상 중 강우현상(예; 비, 눈 등)과 대기온도를 측정하는 우량계의 기구로서, 보통 20cm 내외의 원통에 비 또는 눈을 받아 그 깊이를 측정하여 mm단위로 표시하는 것이다.
이렇게 강우량을 측정하는 우량계는 저수형 원통 우량계, 저수형 자기 우량계, 전도형 우량계, 중량형 우량계, 로드 셀(load cell)형 우량계 등 여러 종류가 있으며, 관측원리에 따라 무게에 의한 방법과 부피에 의한 측정방법으로 분류된다.
이러한 강우량 측정장치로는 티핑버켓(Tipping bucket)형 강우량계가 가장 널리 사용되고 있는데, 이 장치는 집수된 강우에 의해 티핑버켓이 주기적으로 기울어질 때 그 움직임에 따른 펄스신호를 생성하여 이로부터 강우량을 산출하는 방식을 사용한다.
이를 위해 종래에는 강우량수수기 내에서 강우량에 따른 펄스신호를 얻기 위한 검출수단으로 리드스위치가 일반적으로 사용되었다. 리드스위치는 한 쌍의 자성 리드(Magnetic lead)를 불활성가스와 함께 유리관내에 봉입한 것으로서, 티핑버켓의 움직임에 연동하여 자성체가 리드스위치에 주기적으로 근접하도록 구성하면 자성 리드가 주기적으로 온/오프 되어 강우량에 상응하는 펄스신호를 얻을 수 있다.
그러나 이와 같이 리드스위치는 그 몸체가 유리 소재로 이루어짐으로 인해 외부 충격에 의해 깨지기 쉬운 취약점이 있고, 접점의 마모에 의해 오동작이 발생할 우려가 있음은 물론이며, 오랜 시간 사용하다 보면 리드간의 간격이 점차 벌어져서 작동이 되지 않는 경우도 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 빗물의 표면을 향해 레이저빔을 조사하여 광원이 반사 또는 굴절되는 위치에 따라 빗물의 높이가 달라짐을 분석하여 강우량을 측정할 수 있는 광학식 강우량 측정방법 및 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 측정방법은,
레이저빔을 설치하여 빗물이 담기는 저장통을 향해 일정한 각도로 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 광원의 반사각쪽에서 광원의 반사면을 향해 카메라를 설치하여 촬영하도록 하고, 카메라에서 촬영된 이미지에서 저장통의 바닥면에서 반사된 영상을 기준상(p1)으로 정한 후, 광원이 빗물표면에서 반사된 영상의 측정상(p2, p3, pn)에서부터 기준상(p1)까지의 거리(L)를 계산하여 광원의 입사각(θ)과 거리(L)를 삼각비의 관계에 의해 빗물표면의 높이를 얻는 것을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 강우량 측정방법은 레이저빔을 저장통내에 설치하여 레이저빔의 광원이 빗물의 표면에서 굴절되는 모습에 의해 빗물의 높이를 구할 수도 있다.
그리고, 카메라에서 촬영된 이미지의 인텐서티를 분석한 후, 이 인텐서티의 최대값을 기준상 및 측정상의 위치로 결정할 수 있고, 인텐서티를 가우스함수로 변환하여 이 함수그래프의 최대값을 기준상 및 측정상의 위치로 결정할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 측정장치는,
빗물이 담기는 저장통의 내부를 향해 일정한 각도로 설치되어 슬릿형태의 광원을 조사하는 레이저빔과, 저장통내의 빗물표면에서 광원이 반사되도록 부력에 의해 띄우는 반사막과, 광원의 반사각쪽에 설치되어 광원의 반사되는 지점들을 촬영하는 카메라와, 카메라에서 촬영된 영상들에서 광원이 저장통의 바닥면에서 반사되는 부분을 기준상(p1)으로 하여 빗물표면에서 반사되는 지점(p2, p3, pn)과의 거리를 산출하면서 이 산출된 값을 이용해 빗물표면의 높이를 구하는 판독부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정장치를 제공한다.
이때, 반사막은 얇은 수지판이나, 금속판 또는 종이판이 사용되며, 그물판형태, 타공판형태, 다수의 조각편형태 중 어느 한가지로 실시된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 광학식 강우량 측정방법 및 장치는 일반적인 우량계는 비의 양을 무게를 재서 측정하는 방식을 사용하지만, 본 발명은 광학 레이저와 카메라를 활용하여 자동화하고 정밀화한 것이다.
또한, 우량계 및 물의 증발량도 응용이 가능한 잇점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 강우량 측정장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 강우량 측정장치를 위에서 바라본 도면이고,
도 3은 카메라에서 촬영된 이미지를 나타낸 도면이고,
도 4는 빗물표면의 높이를 측정하는 방법을 나타낸 도면이고,
도 5는 빗물위에 띄우는 반사막의 여러 형태를 나타낸 도면이고,
도 6은 반사막의 하부면을 보인 도면이고,
도 7은 본 발명에 따른 강우량 측정장치의 다른 실시예를 보인 도면이며,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 판독부에서 촬영된 이미지의 인텐서티 및 가우스함수에 의해 슬릿의 위치를 결정하는 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광학식 강우량 측정방법 및 장치를 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 광학식 강우량 측정방법은 빗물을 담는 저장통(40)의 내부를 향해 레이저빔(10)의 적색광원(11)을 일정한 각도로 조사하고, 이 적색광원(11)이 반사되는 저장통(40)을 향해 레이저빔(10)의 반대편쪽에서 카메라(20)를 이용하여 일정한 각도로 촬영하며, 이 카메라(20)에서 촬영한 이미지를 픽셀화하여 판독해서 강우량을 측정할 수 있게 된다.
촬영된 이미지를 이용하여 강우량을 판독하는 방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 광학식 강우량 측정장치(100)는 레이저빔(10)과 카메라(20)가 동일한 각도로 설치되어 있어 1:1로 주거나 받음으로써, 측정이 용이하게 된다. 이때, 최적의 조사 및 촬영 각도는 45°이다.
레이저빔(10)은 저장통(40)을 향해 45°각도로 조사되고, 조사되는 반대편쪽에 동일한 45°의 각도로 카메라(20)가 촬영되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
빗물이 없는 상태에서 저장통(40)을 향해 레이저빔을 조사하게 되면, 광원은 저장통(40)의 바닥면에 반사된다. 이 상태를 카메라(20)로 촬영하면, 도 3과 같은 이미지를 얻을 수 있게 된다. 즉, 저장통(40)의 바닥에서 광원이 반사되는 지점(p1)이 이미지상에서는 제일 아래쪽의 기준상(p1)이 된다.
저장통(40)내로 빗물이 유입되어 빗물의 높이가 올라가게 되면, 레이저빔(10)의 광원(11)이 반사되는 위치도 변하게 된다. 즉, 레이저빔(10)이 일정한 각도로 조사되기 때문에 이 각도의 빗변을 따라 반사되는 지점이 변하게 되는 것이다. 따라서 빗물이 있는 상태에서 광원(11)이 반사되는 지점(p2, p3...pn)이 이미지상에서도 측정상(p1, p2..pn)으로 되어 기준상(p1)에서부터 측정상(p1, p2..pn)까지의 거리를 픽셀화하여 구한후, 이 거리를 삼각비의 계산식에 의해 높이를 구할 수 있게 되는 것이다.
좀더 상세하게는 도 4에서 보는 바와 같이 기준점(p1)을 지나는 저장통(40)바닥의 제1변(a)과, 빗물 표면에서 광원이 반사되는 지점(p2)이 제1변(a)과 직교되도록 만나는 제2변(b)과, 그리고 빗물에서 반사되는 지점(p2)에서 기준점(p1)으로 연장되는 제3변(c)이 삼각형을 이루고, 이 삼각형은 직각삼각형이 된다.
이러한 반사면의 이동상황이 카메라(20)에 촬영되면서 연속된 이미지를 얻게 되고, 촬영된 이미지상의 기준상(p1)과 빗물 표면에서 반사된 측정상(p2, p3)과의 거리(L)가 직각삼각형의 빗변의 길이(c)와 동일하게 된다.
따라서 이러한 이미지를 픽셀화하여 거리를 계산하고, 이 계산된 빗변의 길이와, 광원의 조사각도(θ)를 삼각비에 의해 적설높이를 구할 수 있게 된다.
즉, 기준상과 측정상의 거리(L)와, 레이저빔의 주사 각도(θ)를 알게 되면,
Figure pat00001
가 되고, (θ)는 45°이며, (c)는 (L)이므로 빗물의 높이(b)를 구할 수 있게 되는 것이다.
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 빗물표면에 반사되는 지점(p)은 연속해서 촬영되므로 반사지점은 p2, p3, p4 등 pn까지라고 규정할 수 있다.
이러한 강우량을 측정하기 위해 광원은 도 2에서 보는 바와 같이 슬릿형태로 조사됨이 좋고, 빗물의 표면에서 광원이 반사되도록 반사막을 띄워 주어야 한다.
빗물은 광원이 반사되기 보다는 투과하게 되는데, 이러한 상태로는 반사지점을 얻을 수 없으므로 반사막이 반드시 필요하게 된다.
반사막은 부력에 의해 물에 뜰 수 있으면서 빛을 반사시키는 재질이어야 한다. 따라서 ??은 수지나 얇은 금속 또는 얇은 종이 등이 사용될 수 있고, 이 반사막은 빗물의 유입을 위해 통공이 뚫려 있어야 한다.
본 발명에서는 반사막을 도 5에서 보는 바와 같이 세가지 형태로 실시하였다.
첫 번째는 그물판형태의 반사막이고,
두 번째는 타공판형태의 반사막이고,
세 번째는 작은 조각편들을 빗물위에 넓게 포진되도록 깔아둔 형태의 반사막이다.
그리고 그물판이나 타공판 형태의 경우 얇은판이 물결에 의해 일그러질 수 있으므로, 반사막(41)의 하부면상에는 도 6에서 보는 바와 같이 일그러짐을 방지할 수 있도록 보강리브(42)가 더 형성될 수도 있다.
한편, 카메라(20)에서 촬영된 이미지는 별도의 판독부가 필요하게 되는데, 이 판독부는 카메라(20)에서 촬영이미지를 송신하고 송신된 이미지를 관제소(30)에서 수신하여 원격측정을 할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 광학식 강우량 측정장치(100)는 도 7에서 보는 바와 같이 광원의 굴절을 이용하여 실시할 수도 있다.
즉, 빛은 제1물질인 물과, 제2물질인 공기를 통과할때에 서로 다른 물질과의 접촉면에서 굴절하는 특성을 갖는다. 따라서 저장통(40)의 바닥면상에 레이저빔(10)을 설치하고, 이 레이저빔(10)의 광원(11)이 상측으로 일정한 각도를 갖도록 조사되도록 하면, 강우량이 점점 많아질수록 굴절위치가 변하면서 최초의 기준상(p1)과 측정상(p2, p3, pn)들의 간격을 도 4와 같은 방법에 의해 얻을 수 있고 이 데이터를 이용해 높이를 구할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 판독부는 이미지에서 기준상(p1) 및 측정상(p2, p3, pn)들의 위치를 찾기 위해 "intensity"를 분석후 근사된"gauss"분포 또는 다항식을 구하여, 최대값을 구하거나 또는 특정 지정값을 구하여 산출하는 방법을 사용한다. 카메라에서 촬영된 이미지에서 슬릿의 기준상 및 측정상의 위치를 찾는 기술은 단순히 명암도에서 가장 어두운 슬릿지점으로 사용되지만, 이러한 방법은 슬릿의 두께에 따라 오차가 발생할 수 있으므로 최적의 슬릿위치를 찾아 최대한의 오차범위를 줄일 수 있는 방법이 모색되었다.
먼저, 촬영된 이미지를 도 8에서 보는 바와 같이 상용화된 영상분석 프로그램을 이용하여 영상분석도를 실시하면, 이 영상분석도에서는 그림의 그래프와 같이 슬릿이 위치한 구간에서 가장 명암도가 높게 나타나게 된다.
이러한 "intensity"에서 최대값 부근을 확대하여 보인 그림이 도 9이다. 도 9에서 보면, 인텐서티는 포인트에 의해서 그래프로 나타난 것을 알 수 있는데, 이때에 최대로 높은 포인트가 최대값이므로 이 포인트의 위치가 슬릿의 위치로 결정하게 된다.
또한, 보다 평균적인 값을 원하기 위해 도 9에서 보는 바와 같이 인텐서티들의 포인트를 가우스함수나 다항식으로 산출 혹은 도시하여 이 함수그래프의 최대값을 슬릿의 위치로 결정할 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 강우량 측정장치
10 : 레이저빔 11 : 광원
20 : 카메라 30 : 관제소
40 : 저장통 41 : 반사막
p : 광원의 반사면 및 반사면의 영상

Claims (9)

  1. 레이저빔을 설치하여 빗물이 담기는 저장통을 향해 일정한 각도로 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 상기 광원의 반사각쪽에서 상기 광원의 반사면을 향해 카메라를 설치하여 촬영하도록 하고, 상기 카메라에서 촬영된 이미지에서 상기 저장통의 바닥면에서 반사된 영상을 기준상(p1)으로 정한 후, 상기 광원이 빗물표면에서 반사된 영상의 측정상(p2, p3, pn)에서부터 기준상(p1)까지의 거리(L)를 계산하여 상기 광원의 입사각(θ)과 거리(L)를 삼각비의 관계에 의해 빗물표면의 높이를 얻는 것을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광원의 반사각과 상기 카메라의 촬영각이 1:1임을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정방법.
  3. 빗물이 담기는 저장통의 바닥면상에 레이저빔을 설치하여 상측으로 일정각도를 갖도록 슬릿형태의 광원을 조사하도록 하고, 상기 저장통의 어느 측면에서 상기 광원의 굴절면을 향해 일정한 각도로 촬영하도록 하고, 상기 카메라에서 촬영된 이미지에서 상기 저장통의 바닥면에서 조사된 광원 영상을 기준상(p1)으로 정한 후, 상기 광원이 빗물표면에서 굴절된 영상의 측정상(p2, p3, pn)에서부터 기준상(p1)까지의 거리(L)를 계산하여 상기 광원의 입사각(θ)과 거리(L)를 삼각비의 관계에 의해 빗물표면의 높이를 얻는 것을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 촬영된 이미지를 인텐서티 분석후, 상기 인텐서티 그래프에서 최대값을 상기 기준상 및 측정상의 위치로 결정함을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 인텐서티 그래프를 분석후 근사된 "gauss"분포 또는 다항식을 구하여 최대값을 구하거나 또는, 특정 지정값을 구하여 산출하는 방법을 사용하여 상기 기준상 및 측정상의 위치로 결정함을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정방법.
  6. 빗물이 담기는 저장통의 내부를 향해 일정한 각도로 설치되어 슬릿형태의 광원을 조사하는 레이저빔과, 상기 저장통내의 빗물표면에서 상기 광원이 반사되도록 부력에 의해 띄우는 반사막과, 상기 광원의 반사각쪽에 설치되어 상기 광원의 반사되는 지점들을 촬영하는 카메라와, 상기 카메라에서 촬영된 영상들에서 상기 광원이 저장통의 바닥면에서 반사되는 부분을 기준상(p1)으로 하여 빗물표면에서 반사되는 지점(p2, p3, pn)과의 거리를 산출하면서 이 산출된 값을 이용해 빗물표면의 높이를 구하는 판독부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 반사막은 물에 뜨는 재료중에서 얇은 수지판이나, 금속판 또는 종이판이 사용되며, 그물판형태, 타공판형태, 다수의 조각편형태 중 어느 한가지임을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 그물판형태의 반사막이나 타공판형태의 반사막의 하부면상에는 보강리브가 형성됨을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정장치.
  9. 빗물이 담기는 저장통의 바닥면상에 상측으로 일정한 각도로 슬릿형태의 광원을 조사하도록 설치되는 레이저빔과, 상기 저장통의 어느 측면 위쪽에 설치되어 상기 광원의 굴절되는 지점들을 촬영하는 카메라와, 상기 카메라에서 촬영된 영상들에서 상기 광원이 저장통의 바닥면에서 조사되는 부분을 기준상(p1)으로 하여 빗물표면에서 굴절되는 지점(p2, p3, pn)과의 거리를 산출하면서 이 산출된 값을 이용해 빗물표면의 높이를 구하는 판독부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 강우량 측정장치.
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