KR20140062756A - Water quality montoring method with observation satellite - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 관측위성에서 다중밴드로 촬영한 위성영상에 근거하여 수계의 수질을 다중회귀모형으로 분석 및 모니터링하는 한편, 위성영상을 추가 입력받을 때마다 다중회귀모형을 검증하여 추가 입력 자료에 따라 갱신함으로써, 다중회귀모형의 정확도를 점차 향상시키고, 상관성 분석 및 통계 분석에 따라 밴드를 선별한 후에 다중회귀모형을 획득 또는 갱신하게 함으로써, 수질 분석의 오차를 줄일 수 있는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법에 관한 것이다.The present invention analyzes and monitors the quality of aquatic water using a multiple regression model based on a satellite image photographed in multiple bands on an observing satellite, and verifies a multiple regression model every time a satellite image is additionally input. By updating the multiple regression model, the accuracy of the multiple regression model is gradually improved and the multiple regression model is acquired or updated after the bands are selected according to the correlation analysis and statistical analysis. Thus, the water quality monitoring ≪ / RTI >
강, 하천, 호수 등의 수계(水系)에 대한 수질을 모니터링하는 방법은, 일반적으로 수계의 특정 지점에서 시료를 채취하여 직접 분석하는 방법을 채용하고 있으나, 이러한 점 채취(point sampling) 및 직접 분석 방법은 특정 지점의 수질을 정확하게 얻을 수는 있는 반면에 수계 전체의 수질 상태를 모니터링할 수 없다. The method of monitoring the water quality of a river system, a river system, a lake system, etc., generally adopts a method of directly sampling a sample at a specific point in the water system, but this point sampling and direct analysis The method can obtain the water quality of a certain point accurately, but can not monitor the water quality of the whole water system.
수계 전역에 대해 수질을 모니터링하여야 하는 이유는, 오염물질의 분포, 이동경로, 이동속도 등을 다각적으로 분석할 필요성이 있기 때문이다.The reason why water quality should be monitored for the entire water system is because it is necessary to analyze the distribution of pollutants, the movement route, and the movement speed in various ways.
이와 같이 수계 전역의 수질을 모니터링하기 위한 종래기술로서, 공개특허 제10-2011-0067964호는 인공위성인 관측위성에서 촬영하여 얻는 영상을 분석하여 수질을 모니터링하는 방법을 제시하였다. 상기 종래기술은, 다중밴드로 된 위성영상 데이터와 실측 데이터 사이의 상관관계식을 이용하여서, 실측하지 아니한 수계의 영역에 대해 수질 데이터를 얻는다.As a conventional technique for monitoring the quality of water throughout the water system, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2011-0067964 proposes a method of monitoring the water quality by analyzing an image taken by a satellite, which is a satellite. In the above-described conventional art, water quality data is obtained for an area of a water body that is not measured by using a correlation formula between satellite image data and actual data in multi-bands.
하지만, 상기 종래기술은 수질항목별로 특정밴드를 독립변수로 하는 상관관계식을 미리 정하여 사용하므로, 위성영상의 품질 및 상관관계식의 형태에 따라 성능이 크게 좌우되는 문제점을 갖는다. 즉, 위성영상의 품질이 촬영 환경 및 기상 조건 등의 다양한 요인에 의해 크게 변동하므로 특정된 상관관계식 및 데이터만으로는 수계 전역에 대한 수질을 정량적으로 정확하게 보여주지 못하고, 상관관계식이 수질항목별로 각각 고정되어 있어서 상관관계식 자체의 오차가 있는 경우에 수질 분석의 오차가 매우 크게 나타나는 문제점을 갖는 것이다.However, the above-mentioned prior art uses a correlation formula that uses a specific band as an independent variable for each water quality item, and thus has a problem that the performance depends largely on the quality of the satellite image and the form of the correlation formula. That is, since the quality of the satellite image fluctuates largely due to various factors such as the shooting environment and the weather conditions, the specified correlation correlation data and data alone can not quantitatively show the water quality over the entire water system, and the correlation formula is fixed for each water quality item The error of the water quality analysis becomes very large when there is an error of the correlation formula itself.
따라서 본 발명의 목적은, 위성영상과 수질 데이터 간의 상관모델을 이용하여 수계 전역의 수질을 모니터링함에 있어서, 밴드별 상관성 분석 및 통계 분석을 통해 정확한 상관모델을 유도하여서, 촬영 환경 및 기상 조건에 따라 변하는 위성영상을 사용하더라도 수질을 정확하게 모니터링할 수 있는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an accurate correlation model by correlated analysis and statistical analysis for monitoring water quality across a water system using a correlation model between a satellite image and water quality data, The present invention provides a water quality monitoring method using an observation satellite image that can accurately monitor water quality even when using a satellite image that changes.
본 발명의 다른 목적은, 상관모델을 특정하지 아니하고 지속적으로 갱신하게 구성하여 상관모델의 자체에 의한 오차를 최소화하는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a water quality monitoring method using an observation satellite image that minimizes an error caused by a correlation model itself by continuously updating the correlation model without specifying the correlation model.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 수계(水系)의 위성영상을 입력받아 분석하여 수질 정보를 제공하는 수질 모니터링 방법에 있어서, 관측위성에서 수계를 촬영한 다중밴드 위성영상, 및 수계의 복수 지정개소에서 각각 위성영상의 촬영날짜에 맞춰 측정한 수질 데이터를 서로 다른 날짜별로 입력받는 기초 자료 수집단계(S10); 기하보정(Geometric Correction) 및 방사보정(Radiometric Correction)을 포함한 영상전처리를 밴드별 위성영상에 대해 수행한 후에, 밴드별 반사도(Reflectance)를 획득하고, 위성영상, 수질 데이터 및 반사도를 데이터베이스에 저장관리하는 영상 처리단계(S20); 상기 지정개소의 수질 데이터와 상기 지정개소의 위치에 대응되는 밴드별 반사도 사이의 상관관계를 분석하여 밴드를 선별하고, 선별한 밴드별 반사도를 독립변수로 하고 수질을 종속변수로 하는 다중회귀모형을 획득하는 상관모델 획득단계(S30); 다중밴드 위성영상 및 지정개소의 수질 데이터를 추가 입력받아 영상전처리하고, 추가 입력받은 지정개소에 대한 수질 데이터와 추가 입력받은 위성영상의 반사도에 따라 상기 다중회귀모형으로 산출하는 지정개소의 수질 데이터를 비교하여 미리 설정한 오차보다 크게 되면, 상기 상관모델 획득단계(S30)로 돌아가서 추가 입력받은 위성영상의 반사도 및 추가 입력받은 수질 데이터를 이전 반사도 및 수질 데이터에 반영하여 다중회귀모형을 갱신하는 검증단계(S40); 위성영상에 대한 반사도를 상기 상관모델 획득단계(S30)에 의해 획득한 다중회귀모형에 대입하여 수계 전체에 대한 수질분포도를 생성하는 수질정보 제공단계(S50); 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a water quality monitoring method for receiving and analyzing satellite images of an aquatic system to provide water quality information, the method comprising the steps of: A basic data collection step (S10) of receiving the water quality data measured in accordance with the shooting date of the satellite image at different locations by different dates; After image preprocessing including Geometric Correction and Radiometric Correction is performed on the satellite image per band, the reflectance of each band is acquired and the satellite image, water quality data and reflectivity are stored in the database (S20); A band is selected by analyzing the correlation between the water quality data of the designated point and the reflectance of each band corresponding to the position of the designated spot, a multiple regression model in which the selected band reflectivity is set as an independent variable and the water quality is a dependent variable Acquiring a correlation model (S30); The satellite image of the multi-band satellite image and the water quality data of the designated spot are additionally input and subjected to image preprocessing, and the water quality data of the designated spot calculated by the multiple regression model according to the reflectance of the satellite image imposed on the additional location, If the difference is greater than a predetermined error, the process returns to the correlation model acquisition step S30 to reflect the reflectivity of the satellite image and the additional input water quality data to the previous reflectivity and water quality data to update the multiple regression model (S40); A water quality information providing step (S50) of generating a water quality map for the entire water system by substituting the reflectance of the satellite image into the multiple regression model obtained by the correlation model acquiring step (S30); And a control unit.
상기 다중회귀모형은, In the multiple regression model,
로 이루어지며, 여기서, Y는 수질항목이고, 은 계수이고, 은 다중밴드 위성영상에서 얻는 밴드별 반사도이고, N은 밴드의 개수이고, 상기 지정개소에 대응되는 픽셀마다 획득한 밴드별 반사도를 독립변수로 하고, 상기 지정개소에서 측정한 수질 데이터의 수질항목을 종속변수로 한 다중회귀분석에 의해 계수를 얻어 다중회귀모델을 획득함을 특징으로 한다.Where Y is a water quality item, Is a coefficient, Wherein N is the number of bands, and the reflectance of each band obtained for each pixel corresponding to the designated point is used as an independent variable, and the water quality item of the water quality data measured at the designated point is expressed as And a multiple regression model is obtained by taking a coefficient by a multiple regression analysis as a dependent variable.
상기 상관모델 획득단계(S30)는, 상기 다중회귀모형을 획득하기에 앞서서, 밴드별 반사도와 수질항목별 상관계수(coefficient of correlation, 相關係數)를 산출하여 미리 설정된 임계치보다 큰 상관계수를 보이는 밴드를 선정하고, 선정한 밴드를 제외한 나머지 밴드의 계수를 '0'으로 한 후, 상기 다중회귀모형을 획득함을 특징으로 한다.The correlation model acquiring step S30 may be performed before the multiple regression model is obtained by calculating a coefficient of correlation for each water quality item by the reflectivity of each band to obtain a band having a correlation coefficient greater than a preset threshold value And a coefficient of the remaining bands except for the selected band is set to '0', and the multiple regression model is obtained.
상기 상관모델 획득단계(S30)는, 상기 검증단계(S40)에 의해 추가 입력된 다중밴드 위성영상 및 지정개소의 수질 데이터에 따라 상기 다중회귀모형을 갱신할 때에, 상관계수를 다시 산출하여 밴드를 선택하고, 위성영상의 개수가 미리 설정된 개수 이상이 되면, 다중회귀모형으로 산출한 수질값과 입력받아 저장한 수질 데이터 사이의 오차를 위성영상별로 비교하여 미리 설정된 오차 이하인 위성영상을 선별하고, 선별한 위성영상들만으로 다중회귀모형을 획득하여 사용함을 특징으로 한다.In the correlation model acquisition step S30, when the multiple regression model is updated according to the multi-band satellite image and the water quality data at the designated location, which are further input in the verification step S40, When the number of the satellite images is equal to or more than the predetermined number, the satellite image is compared with the error between the water quality value calculated by the multiple regression model and the stored water quality data, And a plurality of regression models are acquired using only one satellite image.
상기 수질항목은, 수온(Temp), 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS) 및 총인 농도(TP) 중에 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.The water quality item includes at least one of water temperature (Temp), chlorophyll-a (Chl-a), suspended solids (SS) and total phosphorus concentration (TP).
상기와 같이 구성되는 본 발명은, 수질과 밴드별 반사도 사이의 상관관계에 근거하여 밴드를 선별한 후에 다중회귀모형을 생성하되, 기초 자료인 위성영상 및 실측 데이터를 입력받을 때마다 다중회귀모형을 갱신할 수 있게 하므로, 상관모델의 오차 및 위성영상의 부정확성에 의한 오차가 있더라도 통계학적으로 다중회귀모형의 정확성을 향상시킬 수 있으며, 다중회귀모형의 갱신 및 다중회귀모형을 이용한 수질정보 제공을 동시에 수행하므로, 기초 자료의 누적에 따라 점차 향상된 시스템을 구축할 수 있다.According to the present invention configured as described above, a multiple regression model is created based on the correlation between the water quality and the reflectivity of each band, and a multiple regression model is generated for each input of the satellite image and the actual data It is possible to improve the accuracy of the multiple regression model statistically even if there is an error due to the correlation model error and the inaccuracy of the satellite image and to provide the water quality information using the multiple regression model update and the multiple regression model It is possible to construct a system that is gradually improved according to the accumulation of basic data.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법을 구현하기 위한 수질 분석 장치의 블록구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법으로 제공하는 클로로필-a 및 부유물질에 대한 수질분포도의 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법으로 제공하는 총인농도 및 수온에 대한 수질분포도의 예시도.1 is a block diagram of a water quality analysis apparatus for implementing a water quality monitoring method using an observation satellite image according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a method for monitoring water quality through an observation satellite image according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an exemplary view showing a water quality distribution chart for chlorophyll-a and suspended matter provided by a method for monitoring water quality through an observation satellite image according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is an exemplary view illustrating a water quality distribution map for a total phosphorus concentration and water temperature provided by a method of monitoring water quality through an observation satellite image according to an embodiment of the present invention; FIG.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that, in the drawings, the same reference numerals are used to denote the same or similar components in other drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법을 설명하기 위해 첨부한 도면들로서, 도 1은 본 발명의 구현하기 위한 수질 분석 장치의 블록구성도이고, 도 2는 순서도이다.FIG. 1 is a block diagram of a water quality analyzing apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a water quality analyzing apparatus according to the present invention. Is a flowchart.
먼저, 상기 도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법을 구현하기 위한 수질 분석 장치는, 자료 수집부(10), 영상 전처리부(20), 상관모델 획득부(30), 수질정보 제공부(40) 및 데이터베이스부(50)를 포함하여 구성된다.1, a water quality analyzing apparatus for implementing a water quality monitoring method using an observation satellite image according to an embodiment of the present invention includes a
상기 자료 수집부(10)는, 관측위성에서 다중밴드로 수계(水系)를 촬영하여 얻는 위성영상과, 수계에 복수개로 지정된 지정개소에서 각각 위성영상의 촬영날짜에 맞춰 측정한 수질 데이터를 입력받으며, 초기 다중회귀모형을 얻기 위해서 서로 다른 날짜별로 획득한 위성영상 및 수질 데이터를 입력받는다. 후술하는 바와 같이, 초기에 다중회귀모형을 얻은 이후에는, 최근 날짜의 다중밴드 위성영상을 입력받아서, 입력받은 다중밴드 위성영상을 해독하여 다중회귀모형으로 수질을 계산하여 분석 및 모니터링하며, 아울러, 그 날짜에 지정개소에서 측정한 수질 데이터도 입력받아 후술하는 바와 같이 다중회귀모형을 검증하고 검증결과에 따라 갱신하기도 한다. The
여기서, 상기 지정개소는 일반적으로 수계의 수질을 감시하기 위해서 일반적으로 행하는 수질 검사 개소로서, 관련기관에서 지정하여 주기적으로 수질을 측정하지만, 수계 전체에 대한 수질분포도를 보여주지는 못한다. 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이 다중회귀모형으로 수계 전체에 대한 수질분포도를 작성한다.Here, the designated location is a water quality inspection site generally performed in order to monitor the water quality of the water system, and the water quality is periodically designated by the related organization, but the water quality map for the entire water system is not shown. According to the present invention, a water distribution map for the whole water system is created by a multiple regression model as described later.
상기 영상 전처리부(20)는, 입력받은 다중밴드 위성영상의 왜곡된 이미지를 보정하는 것으로서, 일반적으로, 기하보정(21) 및 방사보정(22)을 포함한다.The image preprocessing
기하보정(21, Geometric Correction)은, 위성의 자세, 지구의 곡률, 위성의 진행 방향, 관측기기의 오차, 지구 자전 등에 의해서 기하학적으로 왜곡된 이미지를 보정하는 것으로서, 지상기준점(Ground Control Point, GCP)을 이용함으로써 영상내의 위치와 실제 지상 좌표상의 위치 간의 관계식을 만들어 좌표를 변환시킨다. 통상적으로 지상기준점은 최소 3개 이상이어야 하며, 많으면 많을수록 보정의 정확성을 높일 수 있다.The Geometric Correction 21 corrects the geometrically distorted image by the attitude of the satellite, the curvature of the earth, the direction of the satellite, the error of the observation instrument, the earth rotation, To transform the coordinates by creating a relational expression between the position in the image and the position on the actual ground coordinates. Normally, the ground reference point should be at least three or more, and the greater the number, the more accurate the correction can be.
방사보정(22, Radiometric Correction)은, 방사적 오차에 따라 발생하는 왜곡을 보정하는 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 대기 흡수와 산란에 의한 오차를 제거하기 위해 주변의 히스토그램을 분석하여 최소 밝기값을 결정한 후 밝기값을 교정하는 히스토그램교정(Histogram djustment) 방식을 채택하여서 대기에 의한 오차를 줄였다.In the embodiment of the present invention, the histogram of the surroundings is analyzed to remove errors due to atmospheric absorption and scattering, so that the minimum brightness value After determining the brightness value, a histogram djustment method was adopted to reduce the error caused by the atmosphere.
본 발명의 실시예에서는, 기하보정(21)과 방사보정(22)만을 예로 들었으나, 위성영상의 왜곡을 보정하기 위한 다양한 보정방식을 추가할 수도 있음은 자명하다.
In the embodiment of the present invention, only the
상기 상관모델 획득부(30)는, 위성영상의 픽셀별 DN(Digital Number) 값으로부터 수질을 추정하는 다중회귀모형으로 이루어지는 상관모델을 획득하는 구성요소로서, DN 추출부(31), 반사도 획득부(32), 상관관계 분석부(33), 다중회귀모형 획득부(34) 및 위성영상 선별부(35)를 포함하여 구성된다.The correlation
상기 DN 추출부(31)는, 수질을 측정한 상기 지정개소의 위치에 대응되는 밴드별 픽셀의 DN(Digital Number) 값을 추출한다. 위성영상의 해상도 한계를 극복하여 DN 값의 정확성을 기하기 위해서, 상기 지정개소에 대응되는 픽셀의 주변 픽셀(예를 들면 3X3 픽셀)을 포함하는 윈도우를 씌워 평균값을 취하는 것이 좋다.The
상기 반사도 획득부(32)는, 지정개소에 대한 밴드별 DN 값을 반사도(reflectance)로 변환하는 구성요소이다. DN 값을 반사도로 변환하는 이유는, 관측위성에서 서로 다른 날짜에 촬영하거나 또는 서로 다른 센서를 이용하여 촬영한 위성영상이 대기의 영향으로 DN 값이 왜곡되기 때문이며, 이러한 대기의 영향을 보정하여 표준화할 필요가 있다. 특히, 위성영상의 촬영시기에 따라 태양 고도각, 지표면의 광학적 특성 등이 변하므로, 태양 고도각을 보정해 주어야만 지표면의 광학적인 특정을 정확하게 알아내어 측정 신뢰도를 높일 수 있다.The
위성영상의 DN 값을 반사도로 변환시키기 위해서는 먼저 DN 값을 방사도(radiance)로 변환하고, 이 방사도로부터 반사도(reflectance)를 얻을 수 있으며, DN 값의 방사도 변환 및 반사도의 변환은 다음의 수식으로 이루어진다.
In order to convert the DN value of the satellite image into the reflectance, the DN value is firstly converted into radiance, and the reflectance can be obtained from this degree of radiance. The conversion of the DN value and the conversion of the reflectance are as follows It is made up of formulas.
여기서, here,
: 방사도 : Emissivity
: DN 값이 0일 때의 방사도 : Emissivity when the DN value is 0
: DN 값이 255일 때의 방사도 : Emissivity when the DN value is 255
: 밴드별 DN 값 중에 최고치(=255) : Maximum value (= 255) among DN values per band
: DN 값 : DN value
를 의미한다.
.
여기서, here,
: 반사도 : Reflectivity
: 방사도 : Emissivity
d : 지구와 태양과의 거리d: Distance between Earth and Sun
: 외기권에서의 방사도 : Emissivity in outer space
: 태양 천정각 : Solar zenith angle
을 의미한다..
상기 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 상기 지정개소의 DN 값에 대응되는 반사도를 밴드별로 구할 수 있다.The reflectance corresponding to the DN value of the designated portion can be obtained for each band by using Equations (1) and (2).
상기 지정개소에 대해 위성영상에서 얻은 반사도와 지상에서 실측 데이터로 얻은 수질 데이터 간의 상관성이 높아야 수질 데이터를 위성영상의 반사도로부터 신빙성 있게 추측할 수 있다. The correlation between the reflectance obtained from the satellite image and the water quality data obtained from the measured data on the ground is high for the designated spot, so that water quality data can be reliably estimated from the reflectivity of the satellite image.
이에, 상기 상관관계 분석부(33)는, 위성영상의 다중밴드 중에 어느 밴드가 수질 데이터와 상관성을 갖는지를 분석하여서, 상관성이 상대적으로 높게 나타나는 밴드를 선정하여, 선정한 밴드의 반사도를 독립변수로 하는 다중회귀모형을 후술하는 바와 같이 다중회귀모형 획득부(34)에서 획득하게 한다.Accordingly, the
본 발명의 실시예에서는, 밴드와 수질 데이터 간의 상관성을 분석하기 위해서 각 밴드별로 상관계수(coefficient of correlation, 相關係數)를 계산하여서, 상관계수가 미리 설정된 임계치보다 크게 나타나는 밴드를 선정하였다. 여기서 선정되지 못한 밴드는 후술하는 다중회귀모형에서 계수를 '0'으로 하여 선정한 밴드만 종속변수로 하는 다중회귀모형을 얻는다. 한편, 동일 날짜에 복수의 지정개소에서 실측한 수질 데이터를 사용하므로, 각각 지정개소에서 측정한 수질 데이터 및 각각 지정개소에 대응되는 반사도 간의 상관계수를 날짜별로 산출하고, 서로 다른 날짜에 대해 산출한 상관계수를 다시기(또는 다중시기) 표준화한 후에, 표준화한 상관계수를 미리 설정된 임계치와 비교하여 밴드를 선정한다.In the embodiment of the present invention, to analyze the correlation between the band and the water quality data, a coefficient of correlation coefficient for each band is calculated, and a band whose correlation coefficient is larger than a preset threshold value is selected. For the bands not selected here, we obtain a multiple regression model with only the selected band as a dependent variable with a coefficient of '0' in the multiple regression model described later. On the other hand, since the water quality data measured at a plurality of designated points on the same day are used, correlation coefficients between the water quality data measured at the designated points and the reflectances corresponding to the designated points are calculated for each day, After the correlation coefficient is normalized again (or multiple times), the band is selected by comparing the standardized correlation coefficient with a preset threshold value.
본 발명의 실시예에서는, 수온(Temp), 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS) 및 총인 농도(TP)를 수질항목으로 한 수질 데이터를 실측하고, 위성영상과 연계하여 위성영상으로부터 각각의 수질항목을 추측하므로, 상기한 수질항목에 대해 각각 상관계수를 산출하여 수질항목별로 밴드를 선정한다.In the embodiment of the present invention, water quality data including water temperature (Temp), chlorophyll-a (Chl-a), suspended solids (SS) and total phosphorus concentration (TP) And therefore, the correlation coefficient is calculated for each of the water quality items, and bands are selected for each water quality item.
상기 다중회귀모형 획득부(34)는, 상기한 바와 같이 상관성이 상대적으로 높게 나타나는 밴드의 반사도를 독립변수로 하고 수질항목을 종속변수로 하는 다중회귀모형을 유도하며, 다중회귀모형의 기본 모형은 다음의 수학식 3으로 이루어진다.As described above, the multiple regression
여기서, Y는 수질항목이고, 은 계수이고, 은 다중밴드 위성영상에서 얻는 밴드별 반사도이고, N은 밴드의 갯수이다.Here, Y is a water quality item, Is a coefficient, Is the reflectivity of each band obtained from a multi-band satellite image, and N is the number of bands.
그리고, 다중회귀모형은 상기한 바와 같이 수질항목별로 선정한 밴드를 제외하고 나머지 밴드의 계수를 '0'으로 하여 선정한 밴드만이 독립변수로 하고 수질항목을 종속변수로 하는 다중회귀분석(multiple regression analysis , 多重回歸分析)을 실시하여 획득한다.In addition, the multiple regression model is a multiple regression analysis in which only bands selected with the coefficients of the remaining bands as '0' are independent variables and water quality items are dependent variables except the bands selected by the water quality item as described above , Multiple return analysis).
예외적으로, 상기한 수질항목 중에 수온은 열적외선 파장의 밴드와 높은 상관관계를 갖으므로, 수온에 한해서는 밴드를 미리 선정한 상태로 다중회귀모형을 얻는 것이 좋으며, 수질항목에 한해서 방사도를 독립변수로 하여도 된다.Exceptionally, since the water temperature has a high correlation with the band of the infrared infrared wavelength, it is preferable to obtain the multiple regression model with the band selected in advance for the water temperature. .
한편, 다중회귀모형의 정확성을 높이기 위해서는, 적합한 위성영상을 선별한 후에 선별한 위성영상만으로 다중회귀모형을 획득하는 것이 바람직하다. 위성영상의 DN 값은 영상전리부(20)로 보정하고 반사도로 변환하더라도 다양한 환경요인에 의한 오차를 완전히 없앨 수는 없으므로, 복수의 위성영상으로부터 다중회귀모형을 획득할 경우에 그 오차로 인해 정확성이 저하된다. 예를 들어 기상조건이 매우 좋지 않아 오차가 크게 나타나면, 이러한 위성영상은 배제하여 상태가 좋은 위성영상만으로 다중회귀모형을 얻는 것이 좋다. 이에, 상기 도 1에 도시한 바와 같이, 상관모델 획득부(30)는, 위성영상 선별부(35)를 더욱 구비한다.On the other hand, in order to improve the accuracy of the multiple regression model, it is desirable to select a suitable satellite image and acquire a multiple regression model using only the selected satellite image. Since the DN value of the satellite image is corrected by the
상기 위성영상 선별부(35)는, 후술하는 바와 같이 위성영상 및 수질 데이터를 추가 입력받아 다중회귀모형을 갱신할 때에 사용되는 위성영상의 개수가 미리 설정된 개수 이상이 되어 통계적으로 충분하면, 상기 다중회귀모형 획득부(34)로 얻는 다중회귀모형을 이용하여 각각의 위성영상별로 수질을 산출하고(즉, 상기 지정개소에 해당되는 픽셀의 반사도를 대입하여 수질을 산출하고), 입력받은 수질 데이터와 비교하여 미리 설정된 오차 이하인 위성영상을 선별한다. 그리고, 선별한 위성영상만으로 상기 다중회귀모형 획득부(34)에서 다중회귀모형을 수정하게 한다. 물론, 위성영상, 수질 데이터, 및 상기 지정개소에 대한 반사도는 데이터베이스부(50)에 저장관리되므로, 과거의 위성영상에 근거하여 현재의 다중회귀모형으로 수질 데이터를 산출할 수 있다. If the number of satellite images to be used in updating the multiple regression model is more than a predetermined number and the satellite image and water quality data are additionally input as described later, The water quality is calculated for each satellite image by using the multiple regression model obtained by the regression model acquiring unit 34 (that is, the water quality is calculated by substituting the reflectance of the pixel corresponding to the designated point) And selects a satellite image having a preset error or less. Then, the multiple regression
이와 같이 위성영상을 선별함으로써, 위성영상을 선별하기 전의 다중회귀모형보다는 선별한 위성영상을 이용한 다중회귀모형의 정확성을 높일 수 있다.By selecting the satellite images in this way, it is possible to improve the accuracy of the multiple regression model using the selected satellite images rather than the multiple regression models before selecting the satellite images.
상기 수질정보 제공부(40)는, 상기 상관모델 획득부(30)에서 얻은 수질항목별 다중회귀모형을 특정 위성영상에 적용하여 수질분포도를 작성하고, 작성한 수질분포도를 활용하는 관련기관 또는 필요로 하는 소비자에 제공한다. 여기서, 특정 위성영상이라 함은 도 2의 순서도에서 확인할 수 있는 바와 같이 위성영상을 지속적으로 입력받을 경우에 매 입력받는 위성영상에 해당된다. 그리고, 그 특정 위성영상에 대한 수질분포도는 데이터베이스부(50)에 저장함으로써, 관련기관에서 요청하는 날짜의 위성영상에 대한 수질분포도를 제공할 수 있게 하는 것도 가능함은 자명하다.The water quality
수질분포도의 작성은 특정 위성영상에서 수계 전역에 대한 밴드별 반사도를 획득하는 반사도 획득부(41), 특정 위성영상에서 수계 부분만 마스킹 처리하여 수계 이미지를 얻는 마스킹 파일 작성부(42), 수계 전체에 대한 밴드별 반사도를 수질항목별 다중회귀모델에 대입하여 수질항목별 수질을 픽셀단위로 계산하고 계산한 수질을 마스킹 처리한 수계 이미지에 표시한 수질항목별 수질분포도를 작성하는 수질분포도 작성부(43)에 의해서 이루어진다.The water quality map is composed of a
여기서, 마이스킹 파일 작성부(42)는 밴드별 위성영상에서 수계 이미지를 얻기에 용이한 밴드의 위성영상을 미리 설정하는 것이 좋다. 그리고, 수질분포도는 색상으로 구분하여 수질을 표시하는 것이 좋다.Here, it is preferable that the mysacking
한편, 상기 수질정보 제공부(40)는, 검증부(44)를 더욱 구비한다. On the other hand, the water quality
상기 검증부(44)는, 수질분포도를 작성하기 위한 다중밴드 위성영상과 함께 그 다중밴드 위성영상의 촬영 날짜에 측정한 상기 지정개소의 수질 데이터를 추가 입력받아, 상기 반사도 획득부(41), 마스킹 파일 작성부(42) 및 수질분포도 작성부(43)를 가동하여 추가 입력받은 위성영상에 대응되는 수질분포도를 제공하는 과정에서 수질 데이터를 얻게 되는 데, 이때 얻은 수질 데이터를 추가 입력 입력받은 수질 데이터와 상호 비교한다. 그리고, 비교 결과, 오차가 미리 설정한 오차보다 크게 되면, 상기 상관모델 획득부(30)를 가동하여 다중회귀모형을 갱신하게 한다. 이때의 다중회귀모형의 갱신은 추가 입력받은 다중밴드 위성영상 및 수질 데이터를 이전의 다중밴드 위성영상 및 수질 데이터와 함께 적용하여서, 추가 입력한 자료를 반영한 다중회귀모형을 얻게 한다.
The verification unit 44 further receives a multi-band satellite image for creating a water quality map and further receives the water quality data of the designated location measured at the photographing date of the multi-band satellite image, and the
상기 데이터베이스부(40)는, 상기 자료 수집부(10)에서 수집한 위성영상 및 수질 데이터, 상기 상관모델 획득부(30)에서 생성되는 반사도 및 다중회귀모형, 상기 수질정보 제공부(40)에서 얻는 수질분포도, 를 포함하는 각종 정보를 저장관리한다. 이와 같이 저장관리되는 수질 데이터 및 반사도는, 다중회귀모형을 갱신할 시에 추가 입력받는 수질 데이터 및 추가 입력받는 위성영상의 반사도와 함께 반영된다. 그리고, 저장관리하는 수질분포도는 관련기관이 요청한 날짜의 수질분포도를 통신망을 통해 전송하여서 활용되게 한다. 물론, 수질분포도는 인터넷망을 통한 게시판 형태로 제공할 수도 있다.
The
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법을 설명하며, 상기 도 1의 블록구성도를 참조하여 설명한 내용과 중복되는 내용을 일부 생략함에 유의해야 한다.Hereinafter, a method for monitoring water quality through an observation satellite image according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2, and redundant description will be omitted with reference to the block diagram of FIG.
본 발명의 실시예에 따르면, 초기 다중회귀모형을 얻기 위해 다중밴드 위성영상 및 수질 데이터를 포함한 기초 자료를 수집하는 기초 자료 수집단계(S10), 기초 자료 중에 다중밴드 위성영상을 처리하여 밴드별 반사도를 획득하는 영상 처리단계(S20), 반사도 및 수질데이터에 근거하여 다중회귀모형을 획득하는 상관모델 획득단계(S30), 다중회귀모형을 검증하는 검증단계(S40), 및 다중회귀모형을 이용한 수질분포도를 제공하는 수질정보 제공단계(S50), 를 포함하여 이루어진다.According to an embodiment of the present invention, in order to obtain an initial multiple regression model, a basic data collection step (S10) for collecting basic data including multi-band satellite images and water quality data, a multi- (S30) for acquiring a multiple regression model based on reflectivity and water quality data (S30), a verification step (S40) for verifying multiple regression models, and a water quality using a multiple regression model And a water quality information providing step (S50) for providing a distribution chart.
상기 기초 자료 수집단계(S10)는, 수질항목별 초기 다중회귀모형을 얻기 위한 기초 자료로서, 관측위성에서 수계를 촬영한 다중밴드 위성영상 및 수계의 복수 지정개소에서 각각 위성영상의 촬영날짜에 맞춰 측정한 수질 데이터를 서로 다른 날짜별로 자료 수집부(10)를 통해 입력받는 단계이다. The basic data collection step (S10) is a basic data for obtaining an initial multiple regression model for each water quality item. In the multi-band satellite image taken by the observation satellite and a plurality of designation points of the water system, And receiving the measured water quality data through the
본 발명에 따르면, 초기의 다중회귀모형을 획득하여 위성영상에 근거한 수질정보를 제공하면서, 새로운 위성영상을 추가 입력받을 때마다 검증하여 다중회귀모형을 갱신하게 되는데, 초기의 다중회귀모형을 획득하기 위해서는 서로 다른 날짜에 촬영한 복수의 위성영상이 필요하고, 그 날짜별로 지상에서 실측한 수질 데이터가 필요하므로, 초기 다중회귀모형을 얻기 위해서는 복수의 날짜에서 각각 획득한 자료를 얻어야 하는 것이다. According to the present invention, an initial multiple regression model is acquired, and water quality information based on a satellite image is provided, and a new multiple satellite image is updated every time a new satellite image is received to update a multiple regression model. In order to obtain the initial multiple regression model, it is necessary to obtain the data acquired from a plurality of dates, since a plurality of satellite images photographed on different dates are required and water quality data measured from the ground is required for each date.
상기 기초 자료 수집단계(S10)에서 수집하는 상기 지정개소의 수질 데이터는, 수온(Temp), 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS) 및 총인 농도(TP) 중에 적어도 어느 하나 이상을 수질항목으로 한 데이터이다. The water quality data of the designated location collected in the basic data collection step S10 includes at least one of water temperature Temp, chlorophyll-a (Chl-a), suspended solids SS and total phosphorus concentration TP It is the data as the water quality item.
상기 영상 처리단계(S20)는, 기초 자료로 수집한 다중밴드 위성영상을 영상전처리부(20)에서 각각 영상전처리(기하보정 및 방사보정을 포함함)하여 왜곡을 보정하고(S21), 상관모델 획득부(30)의 DN 추출부(31) 및 반사도 획득부(32)에서 날짜별 및 밴드별 반사도(Reflectance)를 상기 지정개소별로 획득하는(S22) 단계이다. 이때 획득하는 날짜별 및 밴드별 반사도는, 기초 자료로 입력받은 수질 데이터의 획득지점, 즉, 상기 복수의 지정개소의 위치에 대응하는 픽셀의 반사도이다.In the image processing step S20, the multi-band satellite images collected as basic data are subjected to image preprocessing (including geometric correction and radiation correction) in the
그리고, 상기 영상 처리단계(S20)에서 획득하는 지정개소별, 날짜별 및 밴드별 반사도는, 상기 기초 자료 수집단계(S10)에서 입력받은 수질 데이터 및 위성영상과 함께 데이터베이스부(50)에 저장된다. 이때, 저장하는 반사도 및 수질 데이터는, 하기의 검증단계(S40)에 의해 다중회귀모델을 갱신할 시에 다시 사용된다.The reflectance of each point, date, and band obtained in the image processing step S20 is stored in the
상기 상관모델 획득단계(S30)는, 상관모델 획득부(30)의 상관관계 분석부(33) 및 다중회귀모형 획득부(34)에 의해서 다중회귀모형을 획득하는 단계로서, 상기 영상 처리단계(S20)에서 획득한 상기 지정개소에 대응되는 날짜별 및 밴드별 반사도와 상기 기초 자료 수집단계(S10)에서 입력받는 수질 데이터 간의 상관계수를 산출하여 상관계수가 미리 설정된 임계치보다 높게 나타나는 밴드를 선정하고(S31), 선정한 밴드의 반사도 및 입력받은 수질 데이터를 다중회귀분석하여 상관성이 높은 밴드를 독립변수로 하고 수질항목을 종속변수로 하는 다중회귀모형을 획득한다(S32). 여기서, 상관관계가 높은 밴드의 선정, 및 다중회귀모형의 획득은 수질항목별로 분리하여 개별적으로 실시한다.The correlation model obtaining step S30 is a step of obtaining a multiple regression model by the
하기의 표는, 구체적인 실시예로서 국내 어느 하나의 댐에 형성된 호소에 적용하여 얻은 다중회귀모형이다. 다중밴드 위성영상은 LANDSAT에 탑재한 TM 센서로 촬영한 7개의 밴드(Band) 영상이고, 서로 다른 날짜에 촬영한 3일치의 영상을 채용하였으며, 수질 데이터는 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS), 총인 농도(TP) 및 수온(Temp)을 수질항목으로 하여 서로 다른 위치의 6개소에서 실측한 데이터를 적용하였다. The following table is a multiple regression model obtained by applying to a lake formed in any dam in Korea as a concrete example. The multi-band satellite images are seven band images taken by a TM sensor mounted on LANDSAT, and three identical images taken on different dates were adopted. The water quality data are chlorophyll-a (Chl-a), floating The measured data at six different locations are applied to the water quality items (SS), total phosphorus concentration (TP) and water temperature (Temp).
(R2)Determination coefficient
(R 2 )
상기 표 1을 참조하면, 상관계수를 산출하여 선정한 밴드는 수질항목별로 서로 다르게 된다. 그리고, 각각의 수질항목별로 획득한 다중회귀모형은 상관계수에 따라 선정한 밴드를 종속변수로 한다. 즉, 상관성이 낮거나 아니면 나타나지 아니하여 선정하지 아니한 밴드의 계수는, 상기 수학식 3의 기본 모형과 비교하여 '0'으로 설정함으로써, 선정한 밴드의 계수만 종속변수로 하는 다중회귀모형이 완성되는 것이다.Referring to Table 1, the selected bands calculated by the correlation coefficient are different for each water quality item. The multiple regression model obtained for each water quality item has the selected band as the dependent variable according to the correlation coefficient. That is, by setting the coefficient of the band that is not selected because the correlation is low or not selected to be "0" in comparison with the basic model of Equation (3), a multiple regression model in which only the coefficient of the selected band is a dependent variable is completed will be.
다중회귀모형의 정확성을 위해 결정계수를 별도로 산출하였다. 상기한 다중회귀모형의 결정계수를 살펴보면, 상기 표 1의 결과를 위해 적용한 위성영상의 개수 및 수질 데이터의 양이 많지 아니하여서, 결정계수가 낮게 나오는 다중회귀모형도 나타남을 볼 수 있다. 하지만, 하기의 검증단계(S40)에 따라 새로운 위성영상 및 수질 데이터에 근거하여 다중회귀모형을 지속적으로 갱신한다면, 보다 정확한 모형을 얻을 수 있다.The decision coefficients were calculated separately for the accuracy of the multiple regression model. As shown in Table 1, the multiple regression model in which the number of satellite images and water quality data applied for the result of Table 1 are not so small and the coefficient of determination is low can be seen. However, if the multiple regression model is continuously updated based on the new satellite image and water quality data according to the following verification step (S40), a more accurate model can be obtained.
상기 검증단계(S40)는, 수질정보 제공부(40)에서 수질분포도를 포함한 수질정보를 제공하는 중에, 새로운 위성영상 및 수질 데이터를 자료 수집부(10)에서 추가 입력받을 시에 영상전처리부(20)로 처리한 후, 검증하는 단계이다.In the verification step S40, while the water quality
즉, 상기 검증단계(S40)는, 다중밴드 위성영상 및 지정개소의 수질 데이터를 추가 입력받을 시에(S41) 영상전처리하고(S42) 반사도를 산출한 후에(S43), 상기 지정개소에 대응되는 반사도를 추출하여(S44) 지정개소에 대한 수질항목별 수질 데이터를 다중회귀모형으로 산출한다. 그리고, 산출한 수질 데이터와 입력받은 수질 데이터를 비교하여 그 오차가 미리 설정한 오차보다 크게 되면, 상기 상관모델 획득단계(S30)로 돌아가서, 다중회귀모형을 갱신한다. 이때, 다중회귀모형의 갱신은, 이전에 데이터베이스부(50)에 저장한 반사도 및 수질 데이터와 추가 입력에 따른 반사도 및 수질 데이터를 모두 반영하며, 상관관계(즉, 상관계수)의 도출, 종속변수로서 밴드의 선정 및 다중회귀모형의 획득은 동일하게 하되, 반사도 및 수질 데이터가 이전 보다 증가한 점에서 차이 난다.That is, in the verification step S40, the multi-band satellite image and the water quality data of the designated point are additionally input (S41), preprocesses the image (S42), calculates the reflectivity (S43) The reflectivity is extracted (S44) and the water quality data for each water quality item at the designated location is calculated by a multiple regression model. If the calculated water quality data is compared with the input water quality data and the error is greater than a preset error, the flow returns to the correlation model acquisition step (S30) to update the multiple regression model. At this time, the update of the multiple regression model reflects both the reflectivity and the water quality data previously stored in the
상기 검증단계(S40)에 의해서 다중회귀모형을 갱신할 때에는, 상관계수를 다시 산출하여 밴드를 선정한다. 즉, 이전에 선정한 밴드가 자료의 부족 또는 자료의 부정확성(예를 들면, 위성영상의 오차 또는 보정의 오차)에 의해 잘못 선정된 것일 수도 있으므로, 추가한 자료에 따라 밴드를 처음부터 다시 선정하여 다중회귀모형을 획득하는 것이다.When the multiple regression model is updated by the verification step (S40), the correlation coefficient is again calculated to select a band. In other words, the previously selected bands may have been erroneously selected due to lack of data or inaccuracies in the data (for example, errors in satellite images or correction errors) Regression model.
따라서, 본 발명에 따르면 추가 자료를 입력받을 때에 이전에 획득한 다중회귀모형을 검증하여 추가 자료가 이전 자료와는 다른 형태일 경우에 다중회귀모형을 갱신함으로써 추가 자료를 수집할 때마다 다중회귀모형의 정확성을 높일 수 있다.Therefore, according to the present invention, when the additional data is input, the previously obtained multiple regression model is verified. When the additional data is different from the previous data, the multiple regression model is renewed, Can be improved.
다중회귀모형의 정확성을 더욱 높이기 위해서, 상기 위성영상 선별부(35)를 사용한다. 즉, 추가 자료를 입력받아 수질 데이터와 함께 입력받아 저장관리하는 위성영상의 개수가 미리 설정된 개수 이상이 되면, 다중회귀모형으로 산출한 수질값과 입력받아 저장관리한 수질 데이터 사이의 오차를 위성영상별로 비교한다. 그리고, 그 오차가 미리 설정한 오차 이하인 위성영상을 선별하고, 선별한 위성영상들만을 이용하여 다중회귀모형을 다시 얻는다. In order to further improve the accuracy of the multiple regression model, the
한편, 상기 검증단계(S40)에서 산출하는 반사도는 수계 전역에 대한 것으로 설명하였다. 이는, 수계 전역에 대한 반사도를 산출하여 후술하는 수질분포도를 얻기 위함이다. 만약, 수질을 측정한 상기 지정개소의 반사도만을 산출한다면, 후술하는 수질정보 제공단계(S50)에서 수계 전역에 대한 반사도를 산출하여야 한다.On the other hand, the reflectivity calculated in the verification step (S40) is described for the entire water system. This is for obtaining the water quality distribution map, which will be described later, by calculating the reflectivity with respect to the entire water system. If only the reflectance of the designated site where the water quality is measured is calculated, the reflectivity of the entire water system should be calculated in the water quality information providing step (S50), which will be described later.
상기 수질정보 제공단계(S50)는, 위성영상에서 얻은 반사도를 상기 상관모델 획득단계(S30)에서 획득한 다중회귀모형에 대입하여 수계 전체에 대한 수질분포도를 생성하여 제공하는 단계이며, 상술한 바와 같이 마스킹 파일을 작성하여 수계 전역의 이미지를 얻은 후에(S51) 수질 데이터를 픽셀에 맞춰 표시하여 수질분포도를 작성한다(S52).The water quality information providing step (S50) is a step of generating and providing a water quality map for the entire water system by substituting the reflectivity obtained from the satellite image into the multiple regression model obtained in the correlation model acquiring step (S30) Similarly, a masking file is created to obtain an image of the entire water system (S51), and the water quality data is displayed in accordance with the pixels to create a water quality map (S52).
이때의 다중회귀모형은 갱신하였으면 갱신한 모형을 채택하는 것이 바람직하며, 수계 전역에 대한 반사도를 필요로 하므로 상기한 바와 같이 검증단계(S40)에서 수계 전역에 대한 반사도를 산출한 위성영상에 대해서는 그 반사도를 이용하고, 수계 전역에 대한 반사도를 산출하지 아니한 초기 자료에 대해서는 별도로 수계 전역에 대한 반사도를 산출한다.Since the multiple regression model at this time is preferable to adopt the updated model if it is updated and it is necessary to reflect the whole area of the water system, as described above, in the verification step (S40), the satellite image, Reflectivity is used to calculate the reflectivity for the whole water system separately for the initial data that does not calculate the reflectivity for the entire water system.
물론, 수계 전역에 대한 반사도를 데이터 베이스에 저장관리하거나, 아니면, 위성영상별로 작성한 수질분포도를 데이터 베이스에 저장관리하여서, 관련기관에서 요청한 날짜의 수질분포도를 제공할 수 있게 하는 것도 좋다. 그리고, 이전의 위성영상에 대해서도 새로 갱신한 다중회귀모형을 이용하여 수질분포도를 수정하는 것도 좋다.
Of course, it is also good to be able to manage the reflectivity of the entire water system in the database, or to store the water quality map created for each satellite image in the database, and to provide the water quality map of the date requested by the relevant organization. It is also good to modify the water quality map using the newly updated multiple regression model for the previous satellite images.
도 3 및 도 4는 상기 표 1의 결과를 보여준 수계에 대해 수질분포도를 작성한 것이다.3 and 4 show the water quality map for the water system showing the results of Table 1 above.
상기 도 3 및 도 4는 수온(Temp), 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS) 및 총인 농도(TP)에 대한 날짜별 수질분포도를 보여주며, 수질의 값에 따라 색상을 달리하여 수질분포를 한눈에 인지할 수 있다.
FIGS. 3 and 4 show the distribution of water quality by date with respect to water temperature (Temp), chlorophyll-a (Chl-a), suspended solids (SS) and total phosphorus concentration (TP) So that the water quality distribution can be recognized at a glance.
한편, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 다중회귀모형을 획득하고 수질 정보를 제공하기 위해 다중밴드 위성영상을 사용하였으나, 비행기 또는 열기구에서 다중밴드로 촬영하여 얻는 항공영상을 위성영상을 대신하여 사용할 수 있다.In describing the embodiment of the present invention, the multi-band satellite image is used to acquire the multiple regression model and provide the water quality information. However, instead of the satellite image, the aerial image obtained by photographing the multi- Can be used.
항공영상도 촬영고도, 촬영각도, 이동속도, 대기조건 등에 의해 왜곡되므로, 상술한 바와 같이 영상전처리를 수행하고 반사도를 산출하여야 한다. 이때의 영상전처리는 항공영상에 적합한 방식으로 할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명하다.Since the aerial image is distorted by the shooting altitude, the shooting angle, the moving speed, the atmospheric condition, etc., the image preprocessing is performed as described above and the reflectivity is calculated. It is obvious in the technical field that the image preprocessing at this time can be performed in a manner suitable for aerial image.
따라서, 본 발명은 위성영상을 대신하여 항공영상을 사용하더라도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 할 것이다.
Accordingly, the present invention should be considered as falling within the scope of the present invention even if an aerial image is used instead of a satellite image.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, . ≪ / RTI > Accordingly, such modifications are deemed to be within the scope of the present invention, and the scope of the present invention should be determined by the following claims.
10 : 자료 수집부 20 : 영상 전처리부
30 : 상관모델 획득부 40 : 수질정보 제공부
50 : 데이터베이스부10: data collecting unit 20: image preprocessing unit
30: correlation model acquisition unit 40: water quality information providing unit
50:
Claims (5)
관측위성에서 수계를 촬영한 다중밴드 위성영상, 및 수계의 복수 지정개소에서 각각 위성영상의 촬영날짜에 맞춰 측정한 수질 데이터를 서로 다른 날짜별로 입력받는 기초 자료 수집단계(S10);
기하보정(Geometric Correction) 및 방사보정(Radiometric Correction)을 포함한 영상전처리를 밴드별 위성영상에 대해 수행한 후에, 밴드별 반사도(Reflectance)를 획득하고, 위성영상, 수질 데이터 및 반사도를 데이터베이스에 저장관리하는 영상 처리단계(S20);
상기 지정개소의 수질 데이터와 상기 지정개소의 위치에 대응되는 밴드별 반사도 사이의 상관관계를 분석하여 밴드를 선별하고, 선별한 밴드별 반사도를 독립변수로 하고 수질을 종속변수로 하는 다중회귀모형을 획득하는 상관모델 획득단계(S30);
다중밴드 위성영상 및 지정개소의 수질 데이터를 추가 입력받아 영상전처리하고, 추가 입력받은 지정개소에 대한 수질 데이터와 추가 입력받은 위성영상의 반사도에 따라 상기 다중회귀모형으로 산출하는 지정개소의 수질 데이터를 비교하여 미리 설정한 오차보다 크게 되면, 상기 상관모델 획득단계(S30)로 돌아가서 추가 입력받은 위성영상의 반사도 및 추가 입력받은 수질 데이터를 이전 반사도 및 수질 데이터에 반영하여 다중회귀모형을 갱신하는 검증단계(S40);
위성영상에 대한 반사도를 상기 상관모델 획득단계(S30)에 의해 획득한 다중회귀모형에 대입하여 수계 전체에 대한 수질분포도를 생성하는 수질정보 제공단계(S50);
를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법.A water quality monitoring method for receiving and analyzing satellite images of a water system to provide water quality information,
(S10) a basic data collection step (S10) of receiving, by different dates, water quality data measured in accordance with a shooting date of a satellite image at a plurality of designated points of a multi-band satellite image and a water system in which a water system is photographed by an observation satellite;
After image preprocessing including Geometric Correction and Radiometric Correction is performed on the satellite image per band, the reflectance of each band is acquired and the satellite image, water quality data and reflectivity are stored in the database (S20);
A band is selected by analyzing the correlation between the water quality data of the designated point and the reflectance of each band corresponding to the position of the designated spot, a multiple regression model in which the selected band reflectivity is set as an independent variable and the water quality is a dependent variable Acquiring a correlation model (S30);
The satellite image of the multi-band satellite image and the water quality data of the designated spot are additionally input and subjected to image preprocessing, and the water quality data of the designated spot calculated by the multiple regression model according to the reflectance of the satellite image imposed on the additional location, If the difference is greater than a predetermined error, the process returns to the correlation model acquisition step S30 to reflect the reflectivity of the satellite image and the additional input water quality data to the previous reflectivity and water quality data to update the multiple regression model (S40);
A water quality information providing step (S50) of generating a water quality map for the entire water system by substituting the reflectance of the satellite image into the multiple regression model obtained by the correlation model acquiring step (S30);
And monitoring the quality of the water through the observation satellite image.
상기 다중회귀모형은,
로 이루어지며, 여기서, Y는 수질항목이고, 은 계수이고, 은 다중밴드 위성영상에서 얻는 밴드별 반사도이고, N은 밴드의 개수이고,
상기 지정개소에 대응되는 픽셀마다 획득한 밴드별 반사도를 독립변수로 하고, 상기 지정개소에서 측정한 수질 데이터의 수질항목을 종속변수로 한 다중회귀분석에 의해 계수를 얻어 다중회귀모델을 획득함을 특징으로 하는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법.The method according to claim 1,
In the multiple regression model,
Where Y is a water quality item, Is a coefficient, Is the reflectivity of each band obtained from the multi-band satellite image, N is the number of bands,
A multiple regression model is obtained by taking a coefficient by a multiple regression analysis in which the water level data of the water quality data measured at the designated point is used as a dependent variable and the reflectivity of each band corresponding to the designated point is taken as an independent variable A method of monitoring water quality through observation satellite images.
상기 상관모델 획득단계(S30)는,
상기 다중회귀모형을 획득하기에 앞서서, 밴드별 반사도와 수질항목별 상관계수(coefficient of correlation, 相關係數)를 산출하여 미리 설정된 임계치보다 큰 상관계수를 보이는 밴드를 선정하고, 선정한 밴드를 제외한 나머지 밴드의 계수를 '0'으로 한 후, 상기 다중회귀모형을 획득함을 특징으로 하는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법.3. The method of claim 2,
The correlation model acquisition step (S30)
Prior to obtaining the multiple regression model, a band having a correlation coefficient greater than a predetermined threshold value is calculated by calculating a coefficient of correlation (coefficient of correlation) between the band-specific reflectance and the water quality item, and the remaining band excluding the selected band And the multiple regression model is obtained after setting the coefficient of the water quality monitoring unit to '0'.
상기 상관모델 획득단계(S30)는,
상기 검증단계(S40)에 의해 추가 입력된 다중밴드 위성영상 및 지정개소의 수질 데이터에 따라 상기 다중회귀모형을 갱신할 때에, 상관계수를 다시 산출하여 밴드를 선택하고,
위성영상의 개수가 미리 설정된 개수 이상이 되면, 다중회귀모형으로 산출한 수질값과 입력받아 저장한 수질 데이터 사이의 오차를 위성영상별로 비교하여 미리 설정된 오차 이하인 위성영상을 선별하고, 선별한 위성영상들만으로 다중회귀모형을 획득하여 사용함을 특징으로 하는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법.The method of claim 3,
The correlation model acquisition step (S30)
When the multiple regression model is updated according to the multi-band satellite image and the water quality data of the designated point, which are further inputted in the verification step (S40), the correlation coefficient is again calculated to select a band,
When the number of the satellite images is equal to or more than a predetermined number, the satellite image is compared with the error between the water quality value calculated by the multiple regression model and the stored water quality data, The method of monitoring water quality through observation satellite images is characterized in that a plurality of regression models are acquired and used.
상기 수질항목은,
수온(Temp), 클로로필-a(Chl-a), 부유물질(SS) 및 총인 농도(TP) 중에 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 관측위성 영상을 통한 수질 모니터링 방법.5. The method of claim 4,
The water quality item includes:
Wherein at least one of water temperature (Temp), chlorophyll-a (Chl-a), suspended solids (SS) and total phosphorus concentration (TP) is included.
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