KR20200103180A - Method for estimating disaster using Big-data based Synthetic Aperture Radar, and Computer readable medium storing a program of the same - Google Patents

Method for estimating disaster using Big-data based Synthetic Aperture Radar, and Computer readable medium storing a program of the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a technique for classifying and analyzing an occurrence possibility and a real-time occurrence situation of a disaster of a disaster damage area using synthetic aperture radar (SAR). The method comprises: collecting useful high-definition image big data of a disaster (flooding, drought, earthquake, typhoon, and the like) damage area by using synthetic aperture radar (SAR) in real-time; based on big data, detecting changes by comparing images before and after a disaster in a specific area, and analyzing and predicting the degree of damage; and performing accurate disaster, disaster damage identification, and current situation analysis using multi-temporal SAR image big data to provide systematic information such as analysis, prediction, and response to flooding and drought damage such as river flooding and dry streams.

Description

SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법 및 그 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독이 가능한 기록매체 {Method for estimating disaster using Big-data based Synthetic Aperture Radar, and Computer readable medium storing a program of the same}Method for estimating disaster using Big-data based Synthetic Aperture Radar, and Computer readable medium storing a program using SAR-based big data of the same}

본 발명은 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 활용한 재난, 재해 피해 지역의 재난의 발생가능성 및 실시간 발생 상황을 분류 및 분석하는 기술에 대한 것이다.The present invention relates to a technology for classifying and analyzing a disaster using SAR (Synthetic Aperture Radar), a possibility of a disaster in a disaster-damaged area, and a real-time occurrence situation.

지구 온난화 등에 기인하여 해마다 급격한 기후변화에 따른 피해가 빈번하게 발생하고 있으며, 특히 여름철 발생하는 국지성 집중호우, 태풍 등에 의해 상습적인 침수 및 피해가 빈번하게 발생하고 있다. 이에 따라 재난상황 시 재난현장의 파악뿐만 아니라 재난 위험지역을 관리하는 방안이 필요하게 되었다.Due to global warming, etc., damage caused by rapid climate change occurs every year, and in particular, frequent flooding and damage are frequently caused by localized torrential rains and typhoons occurring in summer. Accordingly, in the event of a disaster, it is necessary not only to identify the disaster site but also to manage the disaster risk area.

현재 광범위하게 사용되고 있는 폐쇄회로 텔레비전(CCTV; closed circuit television, 이하, "CCTV"라 칭함)은, 현대화의 진행에 따라 경제가 발전하고 사회가 복잡해지면서 각종 사회범죄와 자연적 및 인위적 재난 등의 다양한 사회문제에 직면하게 되었고, 이를 해결하기 위한 방편의 일환으로서 주요 시설이나 시가지 도로에 방범 및 보안 그리고 재난의 예방 및 대처를 위하여, 현장을 실시간 감시하면서 녹화할 수 있는 감시 카메라 시스템으로서, 이를 이용한 재난관리는 범죄예방, 생활안전 뿐만 아니라 자연 재해/재난상황의 신속한 파악 및 대책 수립에도 이용되고 있다.Closed circuit television (CCTV; hereinafter referred to as "CCTV"), which is widely used now, is a variety of societies such as various social crimes and natural and artificial disasters as the economy develops and society becomes complex with the progress of modernization. It is a surveillance camera system that can record while monitoring the site in real time for crime prevention and security and disaster prevention and response to major facilities or urban roads as part of a way to solve this problem, and disaster management using this Is used not only for crime prevention and life safety, but also for rapid identification of natural disasters/disaster situations and establishment of countermeasures.

이와 같은 목적으로 지자체별 운영 및 관리되는 CCTV는 2012년 말 기준 약 45만대(안전행정부 2013)로 재난안전에 대한 CCTV의 중요성이 대두함에 따라 점차적으로 증가하고 있는 실정이다. 이와 같은 CCTV를 이용한 재난관리 수단으로서는 대한민국 특허등록번호 제101321444호에서, "감시지역에 설치되는 복수의 감시카메라와, 화면상에 복수의 감시카메라의 위치를 포함하는 지도정보와 복수의 감시카메라에서의 촬영영상을 선택적으로 디스플레이 하는 디스플레이부, 디스플레이부의 화면상에서의 마우스 동작신호를 검출하고 검출된 마우스 동작신호에 따라 복수의 감시카메라의 동작과 디스플레이부의 출력화면을 제어하는 관리서버 및, 관리서버와 복수의 감시카메라를 상호 신호 전달이 가능하도록 하는 통신부;를 포함하며, 관리서버는, 디스플레이부의 화면의 지도정보 또는 촬영영상에서의 마우스 동작신호를 검출하는 마우스 동작검출부와, 마우스 동작검출부에서 촬영영상 영역 내에서의 마우스 클릭신호 및 클릭위치를 검출시, 검출된 클릭위치를 기준으로 해당 촬영영상을 촬영하는 감시카메라의 촬영방향을 클릭위치 쪽으로 향하도록 제어하는 팬틸팅 제어신호를 생성하여 통신부를 통해 감시카메라로 전송하는 카메라 제어부를 포함하며, 감시 카메라는 카메라 제어부로부터 전달되는 팬틸팅 제어신호에 따라 팬틸팅 구동제어되는 것을 특징으로 하는 CCTV 모니터링 시스템"을 개시하고 있으며, 모바일 기기를 이용한 것으로는 대한민국 특허공개공보 제2013-0043422호에서, 모바일기기를 이용한 지도기반의 실시간 재난정보서비스 운용방법이라는 명칭으로, "(a) 모바일기기의 애플리케이션이 서버에 모든 유형의 재난위치정보를 요청하는 단계; (b) 상기 서버가 상기 모바일기기의 맵 상에 재난 유형별로 재난위치정보를 별개의 아이콘으로 표시하는 단계; (c) 상기 모바일기기의 콤보박스에서 상기 애플리케이션이 전체(All), 침수, 해일, 산사태, 풍해, 대설, 화재를 포함한 재난유형 중 어느 하나의 재난위치정보를 상기 서버에 요청하는 단계; 및 (d) 상기 서버가 상기 모바일기기의 맵 상에 상기 (c)단계에서 요청된 재난유형의 재난위치정보를 해당 아이콘으로 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일기기를 이용한 지도기반의 실시간 재난정보 서비스 운용방법"을 개시하고 있다.As of the end of 2012, the number of CCTVs operated and managed by local governments for this purpose is approximately 450,000 units (by the Ministry of Security and Public Administration, 2013), which is gradually increasing as the importance of CCTVs for disaster safety emerges. As such disaster management means using CCTV, in Korean Patent Registration No. 101321444, "a plurality of surveillance cameras installed in a surveillance area, map information including the locations of a plurality of surveillance cameras on the screen, and a plurality of surveillance cameras. A display unit that selectively displays the captured image of the display unit, a management server that detects a mouse motion signal on the screen of the display unit and controls the operation of a plurality of surveillance cameras and an output screen of the display unit according to the detected mouse operation signal, and a management server A communication unit that enables a plurality of monitoring cameras to transmit signals to each other; includes, and the management server includes: a mouse motion detection unit for detecting a mouse motion signal from a map information or a photographed image on the screen of the display unit, and a photographed image from the mouse motion detection unit. When detecting the mouse click signal and the click position within the area, based on the detected click position, a pan-tilting control signal is generated to control the shooting direction of the surveillance camera that shoots the corresponding image toward the click position, and through the communication unit. It includes a camera control unit that transmits to a surveillance camera, and the surveillance camera is disclosed "CCTV monitoring system, characterized in that the pan-tilting operation is controlled according to the pan-tilting control signal transmitted from the camera control unit." In Patent Laid-Open Publication No. 2013-0043422, under the name of a map-based real-time disaster information service operation method using a mobile device, "(a) an application of a mobile device requests all types of disaster location information from a server; ( b) the server displaying the disaster location information for each type of disaster on the map of the mobile device as a separate icon; (c) the application in the combo box of the mobile device is All, flood, tsunami, landslide , Requesting the server for disaster location information of any one of the types of disasters, including storm, heavy snow, and fire; And (d) the server displays the type of disaster requested in step (c) on the map of the mobile device. A mobile device comprising the step of displaying the disaster location information with a corresponding icon. A method of operating a map-based real-time disaster information service" is disclosed.

또한, 대한민국 특허등록번호 제10-1317961호에서는 "재난 및 방범 관리 시스템으로서, 이벤트 발생 시 사용자 또는 이벤트 발생 감지 모듈로부터 비상 신호를 입력받아 상기 재난 및 방범 관리 시스템을 작동시키는 비상 신호 입력 모듈; 미리 정해진 범위 내에 설치된 복수 개의 CCTV 카메라; 및 상기 복수 개의 CCTV 카메라의 작동을 제어하는 카메라 작동 제어 모듈을 포함하되, 상기 카메라 작동 제어 모듈은, 상기 비상 신호 입력 모듈을 통해 비상 신호가 입력되면, 상기 비상 신호가 입력된 지점 및 해당 지점으로부터 이동 가능한 방향의 좌표로, 상기 비상 신호가 입력된 지점 및 상기 좌표와 매칭 되는 상기 복수의 CCTV카메라의 촬영 방향을 변경시키며, 상기 카메라 작동 제어 모듈은, 상기 CCTV 카메라가 설치된 미리 정해진 범위 내에, 복수의 지점들로부터 이동 가능한 방향의 좌표들이 각각의 지점별로 저장된 이동 방향 좌표 저장 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트기기와 CCTV를 활용한 재난 및 방범 관리 시스템"을 개시하고 있다.In addition, Republic of Korea Patent Registration No. 10-1317961 describes "as a disaster and crime prevention management system, an emergency signal input module that operates the disaster and crime prevention management system by receiving an emergency signal from a user or an event detection module when an event occurs; A plurality of CCTV cameras installed within a predetermined range; And a camera operation control module for controlling the operation of the plurality of CCTV cameras, wherein the camera operation control module, when an emergency signal is input through the emergency signal input module, the emergency Changes the photographing direction of the plurality of CCTV cameras matching the point where the emergency signal is input and the coordinates with the coordinates of the point where the signal is input and the direction moveable from the point, and the camera operation control module includes the CCTV Disaster and crime prevention management system using smart devices and CCTV, characterized in that it further comprises a moving direction coordinate storage module in which coordinates of a direction that can be moved from a plurality of points are stored for each point within a predetermined range in which the camera is installed "Initiating.

그러나, 상기한 발명들은 2차원 지도를 기반으로 하는 것으로 단지 재해 영상 정보를 제공하는 것에 지나지 않으며, 특히 상기한 선행 기술의 방법들은 발생된 재난의 상황, 위치와 그 형태를 관리자에게 실시간으로 정보를 제공하는 방법을 개시하는 것에 지나지 않는다.However, the above-described inventions are based on a two-dimensional map, and are merely providing disaster image information, and in particular, the above-described methods of the prior art provide real-time information to the manager about the situation, location, and type of a disaster that has occurred. It's nothing more than a disclosure of how to deliver.

또한, 이러한 종래의 기술들은 국부적인 지역이나 건물에 한정되는 영상자원을 토대로 하는 재난 예측에 대한 것으로, 광범위한 지역이나 하천을 포함하는 영역 등에서는 적용이 불가능하며, 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.In addition, these conventional techniques are for disaster prediction based on image resources limited to a local area or a building, and cannot be applied to a wide area or an area including a river, and various studies on this are being conducted.

이에, 본 발명에서 제안하는 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 활용한 재난, 재해 피해 지역의 종합적인 분석 연구는 미흡한 상황이다.Accordingly, a comprehensive analysis of disaster-damaged areas using SAR (Synthetic Aperture Radar) proposed by the present invention is insufficient.

한국 특허등록번호 제10-1317961호Korean Patent Registration No. 10-1317961 한국 특허공개공보 제2013-0043422호Korean Patent Publication No. 2013-0043422

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실시간으로 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 재난, 재해(홍수, 가뭄, 지진, 태풍 등) 피해 지역의 유용한 고해상도 영상 빅데이터 수집하고, 이를 기반으로, 특정 지역에 재난 전후의 영상을 서로 비교함으로써 변화를 탐지하고 피해정도를 분석하고 예상할 수 있는 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 제공하는 데 있다.The present invention was conceived to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to use SAR (Synthetic Aperture Radar) in real time to provide useful high-resolution images of disasters and disasters (flood, drought, earthquake, typhoon, etc.) The purpose is to provide a disaster classification and analysis method using SAR-based big data that collects data and compares images before and after a disaster in a specific area to detect changes, analyze damage levels, and predict. .

구체적으로, 본 발명의 세부 실시예를 통해서, SAR 기반 빅데이터를 이용하여 하천 수위를 모니터링하고, 하천수위에 따른 재난, 재해 피해 유형을 분류하고, 이를 토대로 하천의 홍수 및 가뭄 상태를 분류하고 통계적으로 하천의 상태를 분석하기 위해, SAR 영상 빅데이터를 이용한 재난, 재해 연구 개발 현황을 분석하고, SAR 영상의 신호 레벨의 변화를 줄이기 위해 정규화(normalization) 및 표적의 화소로 부터 특징점 추출(segmentation) 등의 전처리(pre-processing) 알고리즘을 구현할 수 있도록 한다. 그리고 다시간대 SAR 영상 간의 차이를 탐지(detection)하고, 변화 하천 유역을 추출하여 재난, 재해 피해 하천 유역과 분포를 파악하는 변별(discrimination) 방법을 제공할 수 있도록 한다. 더불어 하천의 홍수 및 가뭄 피해 관련 SAR 영상의 통계적 요소를 이용한 재난, 재해 피해 유형 클러스터링(clustering) 기법을 구현하고, 이러한 기법을 금강, 한강, 낙동강 등의 특정 지점의 SAR 영상 빅데이터을 이용하여 하천 홍수 및 가뭄 피해 유형 매칭(matching) 및 분류(classification) 알고리즘을 통해 SAR 영상을 기반으로 하천 홍수 및 가뭄 피해 유형을 분류하고, 유형을 분석하며, 이를 토대로 하천의 폭 통계를 산출하여 가뭄과 홍수 등의 피해 유형 분류를 구현할 수 있도록 하는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.Specifically, through a detailed embodiment of the present invention, river water level is monitored using SAR-based big data, disasters and disaster damage types are classified according to the river level, and flood and drought conditions of rivers are classified based on this and statistically To analyze the state of the river, analyze disaster and disaster research and development using SAR image big data, normalization and segmentation from target pixels to reduce the change in signal level of SAR image It enables to implement the pre-processing algorithm of. In addition, it is possible to provide a discrimination method that detects the difference between multi-time SAR images and extracts the changed river basin to identify the river basin and distribution affected by disaster and disaster. In addition, a disaster and disaster damage type clustering method using statistical elements of SAR images related to river flood and drought damage is implemented, and river flooding using SAR image big data of specific points such as Geum River, Han River, and Nakdong River. And drought damage type matching and classification algorithms to classify river floods and drought damage types based on SAR images, analyze the types, and calculate the width statistics of rivers based on this. We intend to provide a system and method that enables the classification of damage types to be implemented.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 실시간으로 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 특정지역의 고해상도 영상 빅데이터를 수집하고, 이를 활용해 재난재해 여부를 분류하는 방법에 있어서, 동일한 위치에 대한 서로 다른 시점의 두개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상를 입력하고, 상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상에서 동일 지역의 SAR 이미지 세트 간의 변화여부를 감지(detection) 하는 1단계; 상기 1단계에서 변화가 감지되는 SAR 이미지 세트의 경우, 변경된 영역의 이미지를 추출하는 2단계; 사용 가능한 데이터 집합에서 SAR 영상의 상기 변경된 영역 유형을 기반으로 하는 클러스터링을 수행하는 3단계; 상기 3단계에서 수행된 클러스터 세트를 기반으로, 새롭게 제공된 SAR 이미지를 분류하는 4단계; 상기 분류된 SAR 이미지를 사용하여 재난 및 재해 여부에 대한 자동 확률 분포분석을 수행하는 5단계;를 포함하는, SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 제공할 수 있도록 한다.As a means for solving the above-described problems, in an embodiment of the present invention, a method of collecting high-resolution image big data of a specific area using a Synthetic Aperture Radar (SAR) in real time, and using this to classify a disaster In this regard, two SAR (Synthetic Aperture Radar) images at different viewpoints for the same location are input, and the two SAR (Synthetic Aperture Radar) images are input to detect whether there is a change between SAR image sets in the same region. Level 1; In the case of the SAR image set in which the change is detected in the first step, a second step of extracting an image of the changed area; A third step of performing clustering based on the changed region type of the SAR image in an available data set; A fourth step of classifying a newly provided SAR image based on the cluster set performed in step 3; It is possible to provide a disaster classification and analysis method using SAR-based big data, including; 5 steps of performing an automatic probability distribution analysis on whether a disaster or a disaster has occurred using the classified SAR image.

본 발명의 실시예에 따르면, 실시간으로 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 재난, 재해(홍수, 가뭄, 지진, 태풍 등) 피해 지역의 유용한 고해상도 영상 빅데이터 수집하고, 이를 기반으로, 특정 지역에 재난 전후의 영상을 서로 비교함으로써 변화를 탐지하고 피해정도를 분석하고 예상할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, using SAR (Synthetic Aperture Radar) in real time to collect useful high-resolution image big data of disaster and disaster (flood, drought, earthquake, typhoon, etc.) damaged area, and based on this, to a specific area By comparing the images before and after a disaster, there is an effect of detecting changes, analyzing the degree of damage, and predicting.

특히, 다시간대(Multi-temporal) SAR 영상 빅데이터를 이용한 정확한 재난,재해 피해 식별 및 현황 분석을 수행할 수 있어 하천의 범람, 건천화 등의 홍수 및 가뭄 피해에 대한 분석, 예측, 대응 등의 체계적인 정보 제공이 가능한 장점이 있다.In particular, it is possible to perform accurate disaster and disaster damage identification and status analysis using multi-temporal SAR image big data, so it is possible to systematically analyze, predict, and respond to flood and drought damage such as river flooding and drying. It has the advantage of being able to provide information.

또한, 하천의 홍수 및 가뭄 피해 관련 SAR 영상의 통계적 요소를 이용한 재난, 재해 피해 유형 클러스터링(clustering) 기법을 적용하고, SAR 영상 빅데이터를 이용한 하천 홍수 및 가뭄 피해 유형 매칭(matching) 및 분류(classification) 알고리즘을 적용하는 프로그램을 통해 보다 신뢰성 있고 연속성 있는 재난 재해 유형을 분석할 수 있는 효과도 있다.In addition, disaster and disaster damage type clustering method using statistical elements of SAR images related to river flood and drought damage is applied, and river flood and drought damage type matching and classification using SAR image big data. ) There is also an effect that a more reliable and continuous disaster type of disaster can be analyzed through a program that applies the algorithm.

본 발명에 따른 시스템 및 방법을 통한 기술은, 다양한 활용성을 가지고 적용될 수 있다.The technology through the system and method according to the present invention can be applied with various applications.

이를테면, 고해상도 SAR 영상을 이용하여 재난피해 저감으로 인한 사회비용 절감하고, 인공위성(KOMPSAT-2 등)의 활용성 제고로 인한 수입증대 효과로 설명하는 데 기여할 수 있다. 그리고 대부분의 자연재해는 발생근원지 뿐만 아니라 비교적 넓은 지역에 걸쳐 영향을 주기 때문에 현장 탐사로는 빠른 시간 내에 정확한 피해 정보를 수집하기 어려우며, 멀리 떨어져 있는 피해지역을 전체적으로 파악하여야 희생자나 자원부족을 줄일 수 있다.For example, using high-resolution SAR images can contribute to the effect of reducing social costs due to the reduction of disaster damage, and the effect of increasing income due to improved utilization of satellites (KOMPSAT-2, etc.). And since most natural disasters affect not only the origin but also a relatively large area, it is difficult to collect accurate damage information in a short time by field exploration, and it is possible to reduce victims and resource shortages only by fully grasping the distant damaged area. have.

최근 이상기후로 인한 강우 양상의 변화는 국내에서도 다양한 풍수재해를 통해 수자원 관리가 절실하나, 국내의 경우, 호소수가 많지 않고, 접근이 쉬워서 간단한 수위 측정자를 활용해 주기적으로 모니터링하고 있으나, 지역이 넓고 많은 수체의 수위를 관측하기에는 효율적이지 못하여 고해상도 SAR 영상을 이용한 측정 연구에 기여할 수 있다.Recently, changes in rainfall patterns due to abnormal climates are urgently needed to manage water resources through various wind and water disasters in Korea, but in Korea, there are not many lakes and access is easy, so they are regularly monitored using simple water level gauges. Since it is not efficient to observe the water level of many water bodies, it can contribute to measurement studies using high-resolution SAR images.

특히, 넓은 지역의 수체 간의 상호 관계를 연구하기에도 많은 어려움이 뒤따르고, 이곳의 많은 습지는 사람의 접근이 어렵고, 그 수도 너무 많아 기존의 측정자나 레이저, GPS 부표와 동일한 방법은 현실적으로 어려우며, 광역정보를 한 번에 모니터링 할 수 있는 위성의 고해상도 SAR 영상을 이용한 작은 호수, 강이나 천의 수위를 모니터링하는 데 도움이 될 것이다.In particular, there is a lot of difficulty in studying the interrelationships between water bodies in a large area, and many wetlands here are difficult to access by humans, and the number of them is so large that it is practically difficult to use the same methods as conventional measuring instruments, lasers, and GPS buoys. It will help to monitor the water level of a small lake, river or stream using high-resolution SAR images from satellites that can monitor information at once.

또한, 국내 하천수 감소 및 댐 무단방류로 인한 피해, 산림지역감소로 인한 홍수 유출율 상승 등 수자원 관리를 해결하는 기술로 활용되며, 더불어 SAR 영상을 이용하여 사람 접근이 불가한 하천 지역의 상황을 파악하고, 그 지역의 하천 수위 자료를 파악할 수 있고 하천을 모니터링하여 홍수나 가뭄 등을 예방하고 수자원을 관리하는 데 기여할 수 있다.In addition, it is used as a technology to solve water resource management, such as the reduction of domestic river water, damage due to unauthorized discharge of dams, and increase in the outflow rate of floods due to the reduction of forest areas. In this case, it is possible to grasp the water level data of the river in the area and monitor the river to prevent floods or droughts and contribute to water resource management.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 수행하는 시스템 구성 블록도이다.
도 2는 도 1의 시스템을 통해 구현되는 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법의 순서도이다.
도 3은 도 1의 구현 과정을 구현하는 과정을 구체화하한 작용 블록도이다.
도 4 내지 도 22는 본 발명의 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 수행하는 과정에 대한 설명도 및 실시예 적용예시 도면을 도시한 것이다.
1 is a block diagram of a system configuration for performing a disaster classification and analysis method using SAR-based big data according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a disaster classification and analysis method using SAR-based big data implemented through the system of FIG. 1.
FIG. 3 is a block diagram illustrating the implementation process of FIG. 1.
4 to 22 are diagrams illustrating a process of performing a disaster classification and analysis method using SAR-based big data according to the present invention and an example of application of an embodiment.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to embodiments to be described later in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. In the present specification, the present embodiment is provided to complete the disclosure of the present invention, and to completely inform the scope of the invention to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. And the invention is only defined by the scope of the claims. Thus, in some embodiments, well-known components, well-known operations, and well-known techniques have not been described in detail in order to avoid obscuring interpretation of the present invention.

본 발명의 실시예에서 제공되는 구성은 하천의 홍수 및 가뭄 피해 관련 SAR 영상의 통계적 요소를 이용한 재난, 재해 피해 유형 클러스터링(clustering) 기법을 적용하고, SAR 영상 빅데이터를 이용한 하천 홍수 및 가뭄 피해 유형 매칭(matching) 및 분류(classification) 알고리즘을 적용하는 프로그램을 통해 보다 신뢰성 있고 연속성 있는 재난 재해 유형을 분석할 수 있는 기술을 제공하는 것을 요지로 한다.The configuration provided in an embodiment of the present invention applies a disaster and disaster damage type clustering technique using statistical elements of SAR images related to river flood and drought damage, and river flood and drought damage types using SAR image big data. The aim is to provide a more reliable and continuous disaster type of disaster analysis technology through a program that applies matching and classification algorithms.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 수행하는 시스템 구성 블록도이며, 도 2는 도 1의 시스템을 통해 구현되는 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법의 순서도이다. 도 3은 도 1의 구현 과정을 구현하는 과정을 구체화하한 작용 블록도이다.1 is a system configuration block diagram for performing a disaster classification and analysis method using SAR-based big data according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a SAR-based big data implemented through the system of FIG. It is a flow chart of a disaster classification and analysis method. FIG. 3 is a block diagram illustrating the implementation process of FIG. 1.

도 1 내지 도 3을 참조하면, SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법은, 실시간으로 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 특정지역의 고해상도 영상 빅데이터를 수집하고, 이를 활용해 재난재해 여부를 분류하는 방법에 있어서, 동일한 위치에 대한 서로 다른 시점의 두개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상를 입력하고, 상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상에서 동일 지역의 SAR 이미지 세트 간의 변화여부를 감지(detection) 하는 1단계와, 상기 1단계에서 변화가 감지되는 SAR 이미지 세트의 경우, 변경된 영역의 이미지를 추출하는 2단계, 사용 가능한 데이터 집합에서 SAR 영상의 상기 변경된 영역 유형을 기반으로 하는 클러스터링을 수행하는 3단계, 상기 3단계에서 수행된 클러스터 세트를 기반으로, 새롭게 제공된 SAR 이미지를 분류하는 4단계, 상기 분류된 SAR 이미지를 사용하여 재난 및 재해 여부에 대한 자동 확률 분포분석을 수행하는 5단계를 포함하여 구성될 수 있다.1 to 3, the disaster classification and analysis method using SAR-based big data collects high-resolution image big data of a specific area using SAR (Synthetic Aperture Radar) in real time, and utilizes the disaster. In the method of categorizing whether there is a disaster, two SAR (Synthetic Aperture Radar) images at different viewpoints for the same location are input, and the change between SAR image sets of the same region in the input two SAR (Synthetic Aperture Radar) images Step 1 of detecting whether or not, in the case of the SAR image set in which the change is detected in step 1, step 2 of extracting the image of the changed area, based on the changed area type of the SAR image from the available data set Step 3 of performing clustering, step 4 of classifying a newly provided SAR image based on the cluster set performed in step 3, and performing automatic probability distribution analysis for disasters and disasters using the classified SAR image It can be configured including five steps.

이하에서는, 상술한 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 단계별로 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for categorizing and analyzing a disaster disaster using the above-described SAR-based big data will be described in detail with reference to the drawings step by step.

1. 1단계(변화 감지 단계)1. Step 1 (change detection step)

본 발명에서의 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법은 우선, 동일한 위치에 대한 서로 다른 시점의 두개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상을 입력하고, 상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상에서 동일 지역의 SAR 이미지 세트 간의 변화여부를 감지(detection) 하는 1단계를 수행할 수 있도록 한다.In the disaster classification and analysis method using SAR-based big data in the present invention, first, two SAR (Synthetic Aperture Radar) images at different viewpoints for the same location are input, and the input two SAR (Synthetic Aperture Radar) images are input. In the radar) image, it is possible to perform step 1 of detecting whether there is a change between SAR image sets in the same region.

특히, 1단계에서는, 다시간 SAR 영상의 전처리와 변화 탐지(detection)를 수행하기 위해 다시간 변화 탐지(detection)를 하기 위해서는 SAR 영상의 잡음 및 이상을 제거하는 전처리와 정규화를 수행하며, 더불어 SAR 영상으로부터 변화 부분을 찾기 위해 세그먼트 과정을 수행하여 특정 하천 유역을 추출하기 위해 색역 임계치 방법을 이용하여 SAR 영상으로부터 하천 유역을 추출하는 특징점 추출을 적용한다.In particular, in step 1, to perform multi-time change detection to perform pre-processing and change detection of a multi-time SAR image, pre-processing and normalization are performed to remove noise and anomalies in the SAR image. In order to extract a specific river basin by performing a segmentation process to find a change part from the image, feature point extraction is applied to extract a stream basin from the SAR image using a gamut threshold method.

구체적으로, 본 1단계는 2개를 하나의 세트로 하는 이미지를 입력하고, 이에 대한 변화여부를 감지하는 과정으로 구성될 수 있다. 특히, 상기 1단계는, 입력되는 두개의 상기 SAR 이미지에 대한 전처리 단계를 수행하되, 상기 전처리는, SAR 이미지의 신호 레벨의 변화를 줄이기 위한 정규화(normalization) 및 표적의 화소로부터 분리(segmentation)를 수행하여 영상을 다른 세그먼트로 나누고 관심영역을 추출하며, 상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 이미지 간의 변화여부를 감지하여 정상과 비정상으로 구분하는 감지과정이 수행될 수 있다.Specifically, this first step may consist of a process of inputting an image of two as a set, and detecting whether there is a change. In particular, the first step performs a pre-processing step for the two input SAR images, and the pre-processing includes normalization and segmentation to reduce the change in signal level of the SAR image. By doing so, a detection process of dividing the image into different segments, extracting a region of interest, and detecting whether there is a change between the input two SAR (Synthetic Aperture Radar) images, and classifying it into normal and abnormal may be performed.

구체적으로 살펴보면, 도 4 및 도 5는 상기 1단계에서 입력되는 2개의 SAR 이미지 세트에 대한 전처리 과정을 수행하는 것을 도시한 것이다.Specifically, FIGS. 4 and 5 illustrate performing a preprocessing process for two sets of SAR images input in step 1 above.

본 과정에서는, 입력되는 2개의 SAR 이미지에 대한 노이즈를 제거하고, 이미지를 정상화하기 위한 사전 처리를 수행하게 된다. 노이즈 제거를 위한 필터로는, 이를테면, 특정 지역(이를테면, 하천 유역의 변화 탐지를 위한 동일한 하천 유역에 대한 다른 시간대의 두 개의 SAR 영상) 잡음 제거를 위해 중간 필터, 평균 필터, 위너 필터 및 퍼지 필터 등과 동일한 다른 필터가 SAR 영상에 이용될 수 있다. 일예로 본 발명의 실시예에서는, SAR 이미지에 존재하는 스텔스 노이즈를 제거하기 위한 위너(wiener) 필터를 사용한다. In this process, noise is removed from the input two SAR images and pre-processing is performed to normalize the image. Filters for noise removal include, for example, an intermediate filter, averaging filter, a Wiener filter and a fuzzy filter for noise removal in a specific area (e.g., two SAR images at different times of the same stream basin to detect changes in a stream basin). Other filters, such as the same may be used for the SAR image. For example, in an embodiment of the present invention, a wiener filter is used to remove stealth noise existing in the SAR image.

또한, SAR 이미지의 신호 레벨의 변화를 줄여 특이치를 제거하기 위한 정규화(normalization)를 수행할 수 있다.In addition, normalization to remove outliers may be performed by reducing the change in the signal level of the SAR image.

{정규화 수식}{Normalization formula}

Figure pat00001
Figure pat00001

이후, 전처리과정에서 수행되는 과정으로, 형상추출과정(Segnentation, Feature Extraction)이 수행된다. 즉, 도 6에 도시된 것과 같이, 원본(orifinal image)에 대하여, 분할 알고리즘(Color Thresholder(CT)을 사용하여 색상 이미지를 이진 영상으로 변환하는 색상 임계값 지정 알고리즘을 적용하여 수행하게 된다. 색상 임계치 방법은 SAR 영상을 특징점 추출하여 이진 마스크 SAR 영상을 생성하며, 임계치를 설정하고 해당 임계치에 따라 0과 1의 값이 각 픽셀에 할당된다.Thereafter, as a process performed in the pre-processing process, a shape extraction process (Segnentation, Feature Extraction) is performed. That is, as shown in FIG. 6, the original image is performed by applying a color threshold designation algorithm for converting a color image into a binary image using a color threshold (CT). In the threshold method, feature points are extracted from the SAR image to generate a binary mask SAR image, a threshold is set, and values of 0 and 1 are assigned to each pixel according to the threshold.

이후, 도 7에 도시된 것과 같이, 변화를 감지(Change Detection)를 수행하게 된다. 즉, 이진화(binary) 한 영상에 대하여, 두개의 이미지 사이의 상관 관계의 강도 여부를 통해 감지하도록 한다. 이러한 과정은, 하기의 {식 1}에 따른 상관계수를 사용한 비교법을 적용한다.Thereafter, as shown in FIG. 7, change detection is performed. That is, a binary image is detected through the strength of the correlation between the two images. In this process, a comparison method using a correlation coefficient according to the following {Equation 1} is applied.

{식 1}{Equation 1}

Figure pat00002
Figure pat00002

상관 계수를 사용한 비교과정은, 상관 관계 유형의 수치로, 두 이미지 사이에 관계가 얼마나 강한지 비교하기 위해 두 변수 간의 통계 관계를 의미하는 것으로, 값이 1에 가까워짐에 따라 강한 관계가 나타난다.The comparison process using the correlation coefficient refers to a statistical relationship between two variables in order to compare how strong the relationship is between two images, which is a value of a correlation type. As the value approaches 1, a strong relationship appears.

도 6의 경과를 예로 들면, 두 이미지 사이의 상관 계수는 0.4252로, 결과 영상 간에 강한 관계가 없음을 나타낸다. 구체적으로는, SAR 영상 상관 계수를 산출하기 위해 SAR 영상이 배열로 변환되고, 상관 계수는 두 개의 SAR 영상을 입력으로 이용하므로 제안된 연구에서 하나의 SAR 영상을 정상적인 것으로 추측한 참조 SAR 영상으로 간주한다. 따라서 상관 계수는 현재 SAR 영상과 참조 SAR 영상을 입력으로 가져와서 0과 1사이의 값을 산출하고 있다. 이 값들로부터 두 SAR 영상 간에 얼마나 많은 변화가 있었는지 추론할 수 있다. 여기서 예를 들어 상관계수가 0.42 인 경우 그 이상이면 변화가 없는 것으로 이하이면 변화가 있을 것으로 판단할 수 있게 된다.Taking the course of FIG. 6 as an example, the correlation coefficient between the two images is 0.4252, indicating that there is no strong relationship between the resulting images. Specifically, in order to calculate the SAR image correlation coefficient, the SAR image is converted into an array, and the correlation coefficient uses two SAR images as inputs, so in the proposed study, one SAR image is regarded as a reference SAR image that is assumed to be normal. do. Therefore, the correlation coefficient is calculated as a value between 0 and 1 by taking the current SAR image and the reference SAR image as inputs. From these values, it is possible to infer how much there was a change between the two SAR images. Here, for example, if the correlation coefficient is 0.42, it can be determined that there is no change, and if it is less than that, there is a change.

2. 2단계: 변경영역의 추출(Discrimination Using Change Differencing)2. Step 2: Discrimination Using Change Differencing

이상의 과정에서 수행된 2장의 동일지역에 대한 이미지 세트에 대한 변화 감지를 수행하고, 이에 대한 변화가 감지되는 SAR 이미지 세트의 경우, 변경된 영역의 이미지를 추출하는 과정이 수행된다.In the case of the detection of changes to the two image sets for the same region performed in the above process, and for the SAR image set in which the change is detected, a process of extracting the image of the changed region is performed.

이는 도 7에 도시된 것과 같이, 하나의 세트를 구성하는 이미지에 대하여 이미지의 차이점을 추출하고, t1의 시점에 영상을 분할하고, 다음 이미지에 대해서는 t2의 시점에 영상을 분할하여, 이후 하나의 영상을 보완하고 다른 영상에서 감산하는 이미지 차별화알고리즘(Discrimination Algorithm)을 적용하여, 변경영역을 추출하도록 한다. 구체적으로, 도 7에서와 같이, SAR 영상 차이 알고리즘을 이용하는 경우, 먼저 시간 t1에서 SAR 영상을 특징점을 추출하고 시간 t2에서 다음 SAR 영상을 특징점을 추출하고, 하나의 SAR 영상을 보완하고 다른 SAR 영상에서 뺄셈을 하고 있다. SAR 영상 차분에 대한 입력은 0이 강을 나타내고 1은 강 이외의 하천 유역을 나타내는 이진 SAR 영상이다. 먼저, SAR 영상 차분 알고리즘을 이용하고, SAR 영상으로부터 감산하기 전에 하나의 SAR 영상이 보완된다. 따라서 차이가 나는 SAR 영상에 검은 색 하천유역이 여전히 존재하는 경우 일부 변경 사항이 탐지되고 있다.As shown in FIG. 7, the difference between the images is extracted with respect to the image constituting one set, the image is divided at the time point t1, the image is divided at the time point t2 for the next image, and then one By applying an image discrimination algorithm that complements the image and subtracts it from another image, the changed area is extracted. Specifically, as shown in FIG. 7, when the SAR image difference algorithm is used, a feature point is first extracted from the SAR image at time t1, the next SAR image is extracted at time t2, and one SAR image is supplemented, and another SAR image I am subtracting from. The input to the SAR image difference is a binary SAR image where 0 represents a river and 1 represents a river basin other than the river. First, the SAR image difference algorithm is used, and one SAR image is supplemented before subtraction from the SAR image. Therefore, some changes are being detected when the black river basin still exists in the SAR image with the difference.

3. 3단계(클러스터링)3. Step 3 (Clustering)

이후 단계는, 사용 가능한 데이터 집합에서 SAR 영상의 상기 변경된 영역 유형을 기반으로 하는 클러스터링을 수행하는 과정이 진행된다.In a later step, a process of performing clustering based on the changed region type of the SAR image in the usable data set proceeds.

도 9에 도시된 것과 같이, 클러스터링(clustering)은 동일한 그룹(이하, '클러스터(cluster)'라 함)의 개체가 다른 그룹(클러스터)의 개체보다 더 유사한 개체집합을 그룹화하는 과정으로, 본 발명에서는 이러한 클러스터링을 통해 출력되는 것은 변경된 영역(Change Area Type)에 대한 이미지이며, 이를 추후 분류 및 분석에 사용할 수 있도록 데이터베이스에 저장하게 된다. 즉, SAR 영상 기반의 하천 유역의 유형 클러스터링하고, 이 하천 유역은 데이터베이스에 저장된 SAR 영상을 변경하여 추가 처리 또는 의사 결정에 이용된다. 도 9는 이러한 SAR 영상 기반의 하천 유역의 유형 클러스터링을 보여주고 있다.As shown in Fig. 9, clustering is a process in which entities of the same group (hereinafter, referred to as'cluster') group more similar entity sets than entities of other groups (clusters). In, what is output through this clustering is an image of a changed area type, which is stored in a database so that it can be used for classification and analysis later. That is, the types of river basins based on SAR images are clustered, and the stream basins are used for further processing or decision making by changing the SAR image stored in the database. 9 shows the type clustering of a river basin based on such an SAR image.

본 발명의 실시예에서 적용하는 재해 지역의 대상을 하천으로 하는 경우를 예를 들면, 하천의 수위에 따라 다양한 변경 하천 유역 유형을 분류하며, 이를 위해 퍼지 추론 기반 모델을 이용하여 강한 홍수, 낮은 수준의 홍수, 정상적인 흐름, 약한 가뭄, 강한 가뭄 등으로 그룹핑할 수 있다. 이때 통계적 요소(예: 하천폭)를 이용하여 변경 하천 유역 유형을 분류하는 클러스터링 기법 알고리즘을 이용하다. 여러 SAR 영상의 다수 변경 하천 유역을 토대로 퍼지 로직을 이용하여 변경 하천 유역 유형을 분류하는 클러스터링하여 강한 수준의 홍수, 중간 홍수, 낮은 홍수, 정상적인 흐름, 약한 가뭄, 중간 가뭄, 강한 가뭄 등으로 구분할 수 있다. 다음으로 분류된 변경 하천 유역 유형을 데이터베이스에 저장할 수 있도록 한다.In the case where the target of the disaster area applied in the embodiment of the present invention is a river, for example, various altered river basin types are classified according to the water level of the river, and for this purpose, strong flood, low level using a fuzzy inference-based model Flood, normal flow, weak drought, strong drought, etc. At this time, a clustering algorithm is used to classify the changed river basin type using statistical factors (eg, river width). Clustering to classify the changed river basin types using fuzzy logic based on the multiple altered stream basins of several SAR images, it can be classified into strong flood, medium flood, low flood, normal flow, weak drought, medium drought, strong drought, etc. have. Next, it is possible to store the classified changed river basin types in the database.

이상의 과정은 클러스터링부(도 1, 130)에서 수행될 수 있다.The above process may be performed in the clustering unit (FIGS. 1 and 130 ).

구체적으로 도 10 내지 도 11을 참조하여 보면 다음과 같은 과정을 통해 본 단계는 수행될 수 있다.Specifically, referring to FIGS. 10 to 11, this step may be performed through the following process.

본 발명의 실시예에서는 다양한 자연재해의 예측 분석에 적용가능한 경우 중 하나의 실시예로 특정 지역의 하천의 이미지를 분석 분류하여 하천의 유동현황을 파악함으로써, 하천의 범람, 재해 여부를 확인하는 과정을 수행하는 것을 들어 설명하기로 한다.In the embodiment of the present invention, as one of the cases applicable to the predictive analysis of various natural disasters, the process of checking whether the river is flooded or a disaster by analyzing and classifying the image of a river in a specific area to determine the flow status of the river. I will explain by listening to the practice of.

(1) 퍼지 논리 모델을 이용한 하천유동현황(1) Stream flow status using fuzzy logic model

도 10은 퍼지 논리모델을 이용한 하천유동현황을 분류하는 과정을 도시한 도면이다. 도 11은 도 10에서 일예로 든 특정지역의 이미지 세트에서 드러나는 강(하천)의 평균 폭(St)과 해당 강의 기준이 되는 기준 강폭(Sr)을 산출하는 과정을 도시한 것이다.10 is a diagram showing a process of classifying a stream flow status using a fuzzy logic model. FIG. 11 is a diagram illustrating a process of calculating an average width (St) of a river (river) revealed in an image set of a specific region as an example in FIG. 10 and a reference river width (Sr) as a reference for the corresponding river.

도 10을 참조하면, 도 10은 SAR 영상 기반의 하천 유역의 유형 클러스터링을 위한 세부 과정을 도시한 것으로, 먼저 DR(Difference from Reference)은 현재와 기준 SAR 영상에서 하천의 폭 차이를 의미하며, 현재 하천의 폭 (Sti)과 기준 하천의 폭 (Sr)과의 차이를 계산할 수 있다. DR은 후술하는 {식 1}을 이용하여 특정 시간의 현재와 기준 하천의 폭의 차이이다. 먼저 선택한 SAR영상의 픽셀 강도를 이용하여 현재 하천의 폭(Sti)을 계산하고, 서로 다른 시간대에 모든 SAR 영상로부터 기준 하천의 폭 (Sr)으로 구한다. 그리고 DR은 강한 음성(HN: High Negative), 약한 음성(LN : Low Negative), 중간(Z: Zero), 약한 양성(LP: Low Positive) 및 강한 양성(HP: High Positive) 등 5 수준으로 구분된다.DR은 퍼지 추론 시스템(FIS :Fuzzy Inference System)을 이용하여 하천흐름 초기 상태 RIS(River Flow Initial Status)를 구할 수 있다. 이때 퍼지 추론 시스템의 입력 변수는 DR이고, 출력 변수는 하천 흐름 초기 상태이다. 하천 흐름의 초기 상태는 가뭄(D: Draught), 약한 가뭄 (Low Draught), 정상 흐름 (Normal Flow), 약한 홍수(LF: Low Flood), 홍수 (F: Flood)로 나누어진다.Referring to FIG. 10, FIG. 10 shows a detailed process for clustering types of river basins based on SAR images. First, a difference from reference (DR) means a difference in the width of a river in a current and a reference SAR image. The difference between the width of the river (Sti) and the width of the reference stream (Sr) can be calculated. DR is the difference between the width of the current and the reference river at a specific time using {Equation 1} to be described later. First, the current river width (Sti) is calculated using the pixel intensity of the selected SAR image, and the reference stream width (Sr) is obtained from all SAR images at different times. In addition, DR is divided into 5 levels: strong negative (HN: High Negative), weak negative (LN: Low Negative), medium (Z: Zero), weak positive (LP: Low Positive) and strong positive (HP: High Positive). The DR can obtain the river flow initial state RIS (River Flow Initial Status) using a fuzzy inference system (FIS). At this time, the input variable of the fuzzy inference system is DR, and the output variable is the initial state of stream flow. The initial state of river flow is divided into drought (D: Draught), weak draught (Low Draught), normal flow (Normal Flow), weak flood (LF: Low Flood), and Flood (F: Flood).

하천 흐름 초기 상태 RIS를 구하기 위해 퍼지 추론 시스템의 입력 및 출력 변수에 대한 멤버쉽 함수를 도출할 수 있으며, 멤버쉽 함수는 강한 음성(HN:High Negative), 약한 음성(LN : Low Negative), 중간(Z: Zero), 약한 양성(LP:Low Positive) 및 강한 양성(HP: High Positive) 인 입력 변수 차이 (DR)에 대한 입력 멤버쉽 함수이다.Membership functions for the input and output variables of the fuzzy inference system can be derived to obtain the initial state of river flow RIS, and the membership functions are high negative (HN), low negative (LN), and medium (Z). : It is an input membership function for the input variable difference (DR), which is zero), weak positive (LP: low positive) and strong positive (HP: high positive).

도 11 (A)는 SAR 영상 차분 접근법을 이용하여 변별화된 SAR 영상을 보여주고 있다. 여기서는 금강 SAR 영상을 대상으로 하고 있다. 먼저 시간 t1에서 SAR 영상을 특징점 추출하고 시간 t2에서 다음 SAR 영상을 특징점 추출하고 있다. 이제 한 SAR 영상을 보완하고 다른 SAR 영상에서 뺄셈을 하고 있다. SAR 영상 차분에 대한 입력은 0이 강을 나타내고 1은 강 이외의 하천 유역을 나타내는 이진 SAR 영상이다. 먼저, SAR 영상 차분 알고리즘을 이용하고 다음 SAR 영상으로부터 감산하기 전에 하나의 SAR 영상이 보완된다. 따라서 차이가 나는 SAR 영상에 검은 색 하천 유역이 여전히 존재하는 경우 일부 변경이 탐지되고 있다.11(A) shows the SAR image discriminated using the SAR image difference approach. Here, we are targeting the Geumgang SAR video. First, the SAR image is extracted at time t1 and the next SAR image is extracted at time t2. Now, one SAR image is complemented and subtracted from another SAR image. The input to the SAR image difference is a binary SAR image where 0 represents a river and 1 represents a river basin other than the river. First, a SAR image difference algorithm is used, and one SAR image is supplemented before subtraction from the next SAR image. Therefore, some changes are being detected when the black river basin still exists in the SAR image with the difference.

SAR 영상의 하천 유역의 변화 영역 변별에서는 SAR 영상의 일부를 변경하지만 여기에서는 변별화를 수행하고 있다. 즉 픽셀 강도 값을 계산하고 있다. 먼저 10 픽셀 증가 위치의 강픽셀 값의 합계인 St를 계산한 다음 그 평균을 계산하고 있다. 다음 {식 2: 도 11 (B))를 이용하여 하천의 평균 폭을 계산할 수 있다.Part of the SAR image is changed in the change region discrimination of the river basin in the SAR image, but discrimination is performed here. That is, the pixel intensity value is calculated. First, St, which is the sum of strong pixel values at 10 pixel increments, is calculated, and then the average is calculated. The average width of the river can be calculated using the following (Equation 2: Fig. 11 (B)).

{식 2}{Equation 2}

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 St는 하천의 평균 폭을 나타내고, 위의 공식에서 60은 그림 3.12와 같이 10 픽셀단위로 SAR 영상의 하천을 60개 나누어 각 지점의 폭을 Xi의 값을 얻을 수 있다. 60개의 하천의 폭을 평균하여 현재 SAR 영상의 하천의 평균 폭을 정의하고 있다. Sr는 얻어진 다수 St의 중앙값 ((n + 1)/2)으로 계산할 수 있으며, 하천의 폭의 기준 참조를 활용한다. 여기서 n은 관측 수이다.Here, St represents the average width of the river, and 60 in the above formula divides 60 streams of the SAR image by 10 pixels as shown in Figure 3.12, and the width of each point can be obtained as Xi. By averaging the widths of 60 streams, the average width of streams in the current SAR image is defined. Sr can be calculated as the median value ((n + 1)/2) of the obtained multiple Sts, and the reference reference of the river width is used. Where n is the number of observations.

SAR 영상 변별화 과정은 현재 하천의 폭 (Sti)과 다음 SAR 영상 하천의 폭 (S(ti+1))과의 차이를 계산할 수 있다. 그 결과 도 7에서와 같이 현재 SAR 영상과 다음 SAR 영상의 차이를 표시함으로 SAR 영상의 변화 영역을 나타낼 수 있다.The SAR image discrimination process can calculate the difference between the current river width (Sti) and the next SAR image river width (S(ti+1)). As a result, as shown in FIG. 7, by displaying the difference between the current SAR image and the next SAR image, the change region of the SAR image can be represented.

도 10을 참조하여 보면, 퍼지논리 모델을 이용하여 하천의 유동상태를 분류하는 것은, 상기 특정 지역에 포함되는 하천의 이미지(도 10에서의 2장의 동일지역에 대한 이미지 세트)에 대하여,Referring to FIG. 10, classifying the flow state of a river using a fuzzy logic model is for an image of a river included in the specific area (a set of images for the same area in FIG. 10),

특정시간에 기준이 되는 강폭(Sr)과 현재의 강폭(Sti)의 차이를 계산(DR(Sti-Sr)) 하는 과정이 수행되고, 이후, 현재 강폭 이미지(Sti)와 다음 영상 강폭 이미지(St+1)의 차이를 계산(DN(Sti-St+1))하고, 위 두 과정에서 DR 및 DN 계산 후, DR은 하천 초기 상태(RIS의 경우 FIS) 퍼지 논리 모듈에 대한 퍼지 추론 시스템에 입력되며, RIS의 FIS의 입력 변수는 기준(DR)과의 차이, 출력은 하천 흐름 초기 상태(RIS)의 결과를 임피던스(DR)(St-Sr) 변수와 차이에 대한 다섯 가지 멤버십 함수(MF)로 정의하는 과정이 수행된다. (단, FIS(Fuzzy Inference System; 퍼지 입력시스템), RIS(River Flow Initial Status; 하천 흐름 초기 상태), RFS(River Flow Status; 하천 흐름 상태), DR(Difference from reference; 기준과의 강폭 차이), DN: (Difference from next; 다음과의 강폭 차이)이 경우, 다섯가지 멤버쉽 함수(MF)는, HN(High Negative), LN(Low Negative), Z(Zero), LP(Low Positive), HP(High Positive)로 정의되며, 하천 흐름 초기상태(RIS)는 D(Draught), LD(Low Draught), NF(Normal Flow), LF(Low Flood), F(Flood)의 다섯가지 멥버쉽 함수로 정의될 수 있다.The process of calculating (DR(S ti -S r )) the difference between the reference intensity (S r ) and the current intensity (S ti ) at a specific time is performed, and then, the current intensity image (S ti ) and the next Calculate the difference between the image intensity image (S t+1 ) (DN(S ti -S t+1 )), and after calculating the DR and DN in the above two processes, the DR is the initial state of the river (FIS in the case of RIS) fuzzy logic It is input to the fuzzy reasoning system for the module, and the input variable of RIS's FIS is the difference from the reference (DR), and the output is the difference between the initial state of stream flow (RIS) and the impedance (DR) (St-Sr) variable. The process of defining the five membership functions (MF) is performed. (However, FIS (Fuzzy Inference System; fuzzy input system), RIS (River Flow Initial Status; river flow initial state), RFS (River Flow Status; river flow state), DR (Difference from reference) , DN: (Difference from next; strong difference from next) In this case, the five membership functions (MF) are: HN (High Negative), LN (Low Negative), Z (Zero), LP (Low Positive), HP It is defined as (High Positive), and the initial state of river flow (RIS) is the five power functions of D (Draught), LD (Low Draught), NF (Normal Flow), LF (Low Flood), and F (Flood). Can be defined.

(1-1) DR(Difference from reference; 기준과의 강폭 차이) 연산과정(1-1) DR (Difference from reference) calculation process

도 12를 참조하여, 상술한 퍼지 모델에서 DR(Difference from reference; 기준과의 강폭 차이)를 계산하는 과정을 설명하기로 한다.With reference to FIG. 12, a process of calculating a difference from reference (DR) in the above-described fuzzy model will be described.

도 12에 도시된 것과 같이, DR(Difference from reference; 기준과의 강폭 차이)는 특정 시간에 강 폭과 기준 강 폭의 차이를 계산하고, 먼저 선택한 이미지의 픽셀 강도를 사용하여 현재 강 너비를 계산한 후, 다음으로, 강 폭 이미지의 중위수가 계산된다. 중위수 강폭 값은 기준 영상 폭 값으로 선택된다.As shown in Fig. 12, the difference from reference (DR) calculates the difference between the river width and the reference river width at a specific time, and calculates the current river width using the pixel intensity of the first selected image. Then, next, the median of the river width image is calculated. The median intensity value is selected as the reference image width value.

(1-2) DN(Difference from next; 다음과의 강폭 차이)(1-2) DN (Difference from next; difference in intensity from next)

도 13에 도시된 것과 같이, DN Difference from next; 다음과의 강폭 차이)은 현재 강폭 이미지(Sti)와 다음 영상 강폭 이미지(St+1)의 차이를 계산(DN(Sti-St+1))하여 도출할 수 있다. DN(Sti-Sti+1)은 현재 강 폭 이미지와 다음 영상 강 폭 이미지 간의 차이를 나타낸다. 먼저 선택한 이미지의 픽셀 강도를 사용하여 현재 강 너비를 계산했다. 그런 다음 현재 영상 픽셀 값과 다음 영상 사이의 차이를 계산하여 DN으로 명명한다.As shown in Fig. 13, DN Difference from next; The difference in intensity from Daum) can be derived by calculating the difference between the current intensity image (S ti ) and the next image intensity image (S t+1 ) (DN(S ti -S t+1 )). DN(Sti-Sti+1) represents the difference between the current intensity image and the next image intensity image. First, the current river width was calculated using the pixel intensity of the selected image. Then, the difference between the current image pixel value and the next image is calculated and named as DN.

즉, DN은 하천의 흐름 상태(RFS :River Flow Status)를 구하는 데 활용되며, 퍼지 추론시스템에 직접 입력되는 현재 하천의 상태를 나타낸다. DN는 강한 음성 차이(HND: High Negative Difference), 약한 음성 차이(LND : Low Negative Difference), 중간차이(ZD: Zero Difference), 약한 양성 차이(LPD: Low Positive Difference) 및 강한 양성 차이(HPD: High Positive Difference)로 구분된다.That is, the DN is used to obtain the river flow status (RFS), and represents the current state of the river directly input to the fuzzy inference system. DN is a strong negative difference (HND: High Negative Difference), a weak negative difference (LND: Low Negative Difference), a median difference (ZD: Zero Difference), a weak positive difference (LPD: Low Positive Difference) and a strong positive difference (HPD: High Positive Difference).

(1-3) RIS(River Flow Initial Status; 하천흐름 초기상태)(1-3) RIS (River Flow Initial Status; river flow initial status)

도 14 및 도 15에 도시된 것과 같이, DR(Difference from reference; 기준과의 강폭 차이)를 산출한 이후에 RIS(River Flow Initial Status; 하천흐름 초기상태)를 산출하도록 한다.As shown in FIGS. 14 and 15, after calculating a difference from reference (DR), a river flow initial status (RIS) is calculated.

즉, DR 및 DN 계산 후, 계산된 DR은 하천 초기 상태(RIS의 경우 FIS) 퍼지 논리 모듈에 대한 퍼지 추론 시스템에 입력으로 사용된다. RIS FIS의 입력 변수는 기준(DR)과의 차이, 출력은 하천 흐름 초기 상태(RIS)가 된다.That is, after calculating the DR and DN, the calculated DR is used as an input to the fuzzy inference system for the initial state of the river (FIS in the case of RIS) fuzzy logic module. The input variable of the RIS FIS is the difference from the reference (DR), and the output becomes the stream flow initial state (RIS).

아래의 표는 이러한 퍼지 논리의 입력(DR)과 출력(RIS)을 제시한 것이다.The table below presents the input (DR) and output (RIS) of this fuzzy logic.

{표 1}{Table 1}

Figure pat00004
Figure pat00004

위 표 1에서와 같이, 도 14에서의 퍼지 논리 모듈에 대한 다섯가지 멤버쉽 함수(MF) 중 입력 변수는, HN(High Negative), LN(Low Negative), Z(Zero), LP(Low Positive), HP(High Positive)로 정의되며, 하천 흐름 초기상태(RIS)에 대한 출력 변수는, D(Draught), LD(Low Draught), NF(Normal Flow), LF(Low Flood), F(Flood)의 다섯가지 멥버쉽 함수로 정의될 수 있도록 한다.As shown in Table 1 above, among the five membership functions (MF) for the fuzzy logic module in FIG. 14, input variables are HN (High Negative), LN (Low Negative), Z (Zero), and LP (Low Positive). , HP (High Positive), and the output variables for the initial state of stream flow (RIS) are D (Draught), LD (Low Draught), NF (Normal Flow), LF (Low Flood), F (Flood). Let's be defined by the five power functions.

본 발명의 일 실시예에서는 퍼지 로직을 이용하는 예를 바람직한 일예로 제시하고 있으나, 이 때 적용하는 로직의 종류에는 인공 신경망, 지원 벡터 기계, K- 최근 접 알고리즘 등 많은 분류 방법이 있다. SAR 영상 기반의 하천 유역의 유형 클러스터링을 위해 하천의 폭 기반의 하천 상태를 분류하는 데퍼지 로직을 이용한다. 퍼지 로직는 진리 값이 완전히 진실이고 완전히 거짓일 수 있는 부분진리의 개념을 처리하는 데 이용된다. 대조적으로, 부울 논리에서 변수의 진리 값은 정수 값 0 또는 1 일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 SAR 영상의 하천 유역의 변화 영역을 통한 하천 폭의 상태 분류를 위한 퍼지 로직을 이용한다. 퍼지 로직은 Mamdani 퍼지 로직과 Suggeno 퍼지 로직이라는 두 가지 주요 유형을 가진다. Mamdani 퍼지 로직의 구성 요소는 퍼지화, 추론 엔진 및 역퍼지화이다. 추론 엔진은 규칙과 퍼지화 contaion 멤버십 함수를 포함하고 있다.In one embodiment of the present invention, an example of using fuzzy logic is presented as a preferred example, but there are many classification methods such as artificial neural networks, support vector machines, and K-nearest algorithms as the types of logic applied at this time. For the type clustering of river basins based on SAR image, we use the deflection logic that classifies the river state based on the width of the river. Fuzzy logic is used to process the notion of partial truth in which the truth value can be completely true and completely false. In contrast, the truth value of a variable in boolean logic can be an integer value of 0 or 1. In an embodiment of the present invention, a fuzzy logic for classifying the state of the river width through the change region of the river basin of the SAR image is used. Fuzzy logic has two main types: Mamdani fuzzy logic and Suggeno fuzzy logic. The components of Mamdani fuzzy logic are fuzzification, inference engine and defuzzification. The inference engine contains rules and fuzzy contaion membership functions.

(1-4) RFS(River Flow Status; 최종 하천 흐름 상태)(1-4) RFS (River Flow Status; final stream flow status)

도 16은 RFS(River Flow Status; 최종 하천 흐름 상태)를 분류하는 과정을 도시한 것이다. 도 17은 RFS(최종 하천 흐름 상태)를 분류하는 것을 예시한 것이다.16 illustrates a process of classifying a river flow status (RFS). 17 illustrates classification of RFS (final stream flow state).

최종 하천 흐름 상태(RFS: River Flow Status)는 하천 초기 흐름 상태(RIS)와 DN을 퍼지 추론 시스템의 입력변수로 정의된다. 최종 하천 흐름 상태(RFS)는 강한 가뭄(SD: strong draught), 중간 가뭄(MD:medium draught), 약한 가뭄(LD: low draught), 정상 흐름(NF: normalflow), 약한 홍수(LF: low flood), 중간 홍수(MF: medium flood) 및 강한 홍수(SF: strong flood)으로 구분할 수 있다.The final river flow status (RFS) is defined as the initial stream flow status (RIS) and DN as input variables of the fuzzy inference system. The final stream flow conditions (RFS) are strong draught (SD), medium draught (MD), low draught (LD), normal flow (NF), and low flood (LF). ), medium flood (MF) and strong flood (SF).

즉, 도 15에서와 같이, DR 및 DN 계산 후, 계산된 DR은 하천 초기 상태(RIS의 경우 FIS) 퍼지 논리 모듈에 대한 퍼지 추론 시스템에 입력으로 수행한 이후, 하천 흐름 초기 상태(RIS)에 대한 결과를 도출하고, 이후, 하천의 현재 흐름 상태인, RFS(River Flow Status; 하천 흐름 상태)를 분류하도록 퍼지 논리모듈을 적용한다. 하천 초기 상태 입력은 가뭄(D: Draught), 약한 가뭄 (Low Draught), 정상 흐름 (Normal Flow), 약한 홍수(LF: Low Flood), 홍수 (F: Flood)이 있으며, 다른 입력으로 DN은 강한 음성 차이(HND: High Negative Difference), 약한 음성 차이(LND: Low Negative Difference), 중간 차이(ZD: Zero Difference), 약한 양성 차이(LPD: Low Positive Difference) 및 강한 양성 차이(HPD: High Positive Difference)있다.That is, as shown in FIG. 15, after calculating the DR and DN, the calculated DR is performed as an input to the fuzzy inference system for the stream initial state (FIS in the case of RIS), and then the stream flow initial state (RIS). After that, a fuzzy logic module is applied to classify the current flow status of the river, RFS (River Flow Status). The initial state inputs of the river are Draught (D), Low Draught, Normal Flow, Low Flood (LF), and Flood (F: Flood). High Negative Difference (HND), Low Negative Difference (LND), Zero Difference (ZD), Low Positive Difference (LPD), and High Positive Difference (HPD) )have.

이 RFS(River Flow Status; 하천 흐름 상태)에 대하여 다섯가지 출력에 대한 멤버쉽 함수(MF)로 정의하되, 하천 상태 퍼지 추론 시스템(RFS FIS)에 대해 정의되되, 입력 변수 RIS 및 DN과 출력 변수 RFS의 언어적 용어를 아래와 같은 기준으로 분류할 수 있도록 한다.This RFS (River Flow Status; river flow status) is defined as a membership function (MF) for five outputs, but is defined for the river state fuzzy inference system (RFS FIS), but the input variables RIS and DN and the output variable RFS The linguistic terms can be classified according to the following criteria.

{표 2}{Table 2}

Figure pat00005
Figure pat00005

(SD: strong draught, MD: medium draught, LD: low draught, NF: normal flow, LF: low flood,MF: medium flood, SF: strong flood)(SD: strong draft, MD: medium draft, LD: low draft, NF: normal flow, LF: low flood, MF: medium flood, SF: strong flood)

입력 출력 멤버십 함수 언어 용어는 입력 및 출력 변수에 대해 기준(DR)과의 입력 차이의 MF 라벨은 D, LD, NF, LF, F로, draught, low draught (LD), normal flow (NF), low flood (LF), f(F), flood (F)로 정의하는 것은 상술한 바 있다.The input output membership function language term is the MF label of the input difference from the reference (DR) for input and output variables: D, LD, NF, LF, F, draught, low draft (LD), normal flow (NF), The definition of low flood (LF), f(F), and flood (F) has been described above.

다음(DN)과의 입력 변수 차이에 대한 MF 라벨은 각각 높은 음의 차이, 낮은 음의 차이, 0 차이, 낮은 양의 차이, 높은 양의 차이를 위해 약어로 된 HND, LND, Z, LPD, HPD로 정의하였다.(HND: High Negative Difference, LND: Low Negative Difference, Z: Zero Difference, LPD: Low Positive Difference, HPD: High Positive Difference)The MF labels for the input variable difference with the following (DN) are the abbreviated HND, LND, Z, LPD, respectively for high negative difference, low negative difference, zero difference, low positive difference, and high positive difference. Defined as HPD (HND: High Negative Difference, LND: Low Negative Difference, Z: Zero Difference, LPD: Low Positive Difference, HPD: High Positive Difference)

출력 가변 하천유량 상태(RFS)의 MF 라벨은 SD, MD, LD, NF, LF, MF 및 SF로, 각각 강력한 가뭄, 중간 급류, 정상 유량, 저홍수, 중홍수 및 강수량을 약자로 정의하고, RFS FIS에 대해 설계된 규칙은 위 표 2에 제시되어 있다. 총 25개는 하천 상태 퍼지 추론 시스템(RFS FIS)에 대해 정의된다. 표의 각 항목은 입력 변수 RIS 및 DN과 출력 변수 RFS의 언어적 용어를 해당 값과 함께 나타낸다. 첫 번째 열과 첫 번째 행은 각각 DN과 RIS를 나타낸다.(SD: strong draught, MD: medium draught, LD: low draught, NF: normal flow, LF: low flood, MF: medium flood, SF: strong flood)The MF labels for the output variable river flow state (RFS) are SD, MD, LD, NF, LF, MF and SF, respectively, defining strong drought, medium rapids, steady flow, low flood, heavy flood and precipitation as abbreviations, The rules designed for RFS FIS are presented in Table 2 above. A total of 25 are defined for the stream condition fuzzy inference system (RFS FIS). Each item in the table represents the linguistic terms of the input variables RIS and DN and the output variable RFS, along with their corresponding values. The first column and the first row represent DN and RIS, respectively (SD: strong draft, MD: medium draft, LD: low draft, NF: normal flow, LF: low flood, MF: medium flood, SF: strong flood).

정리하자면, 본 퍼지추론시스템을 적용하는 경우, 최종 하천 흐름 상태에 따라 SAR 영상 기반의 하천 유역의 유형을 강한 가뭄(SD: strong draught), 중간 가뭄(MD: medium draught), 약한 가뭄(LD: low draught), 정상 흐름(NF: normal flow), 약한 홍수(LF: low flood), 중간 홍수(MF: medium flood) 및 강한 홍수(SF: strong flood)로 클러스터링할 수 있다.In summary, when this fuzzy reasoning system is applied, the types of river basins based on SAR images are determined according to the final stream flow state: strong draught (SD), medium draught (MD: medium draught), and weak drought (LD: low draught), normal flow (NF), low flood (LF), medium flood (MF), and strong flood (SF).

도 18은 이러한 하천 유량 상태의 분류 설계 기준에 대한 입력과 출력에 대한 예시를 도시한 것이다.18 shows examples of inputs and outputs for the classification design criteria of such a stream flow state.

4. 수행된 클러스터 세트를 기반으로, 새롭게 제공된 SAR 이미지를 분류4. Classify newly provided SAR images based on the performed cluster set

상술한 과정을 수행한 이후에는, 도 19에서와 같이, 수행된 클러스터 세트를 기반으로, 새롭게 제공된 SAR 이미지를 분류하는 과정이 수행된다. 분류의 기준은 아래의 표 3와 같은 분류를 통해 새롭게 입력되는 이미지의 유형을 맵핑(Mapping) 하고, 이를 통해 새로운 이미지를 분류할 수 있게 된다.After performing the above-described process, as shown in FIG. 19, a process of classifying a newly provided SAR image is performed based on the performed cluster set. As for the classification criteria, a type of image newly input is mapped through classification as shown in Table 3 below, and a new image can be classified through this.

{표 3}{Table 3}

Figure pat00006
Figure pat00006

즉, 전체적으로 카테고리 구성을 알고 있는 관측치(또는 인스턴스)를 포함하는 데이터 세트를 기반으로 새 관측치가 속한 카테고리(하위 모집단)의 식별할 수 있도록 하는 과정으로, 상술한 1단계 내지 4단계를 구현하는 도 1에서의 본 발명의 구성을 통해, 입력되는 이미지에 대한 전처리 모듈, 정상화 모듈, 기능 추출 모듈, 차별 및 분류 모듈을 통해 수행된 결과를 통해 분류하게 된다. 즉, 전체적으로 SAR 영상에서 노이즈 및 정상화가 수행되는 사전 처리 모듈에 입력된 이후, 다음으로 사전 처리된 이미지를 형상 추출 모듈에 입력하고 형상 추출 후 구분이 수행되고, 이후 영역 유형에 따라 이미지가 분류되게 된다.That is, it is a process that enables the identification of the category (subpopulation) to which the new observation belongs based on a data set including observations (or instances) whose category composition is known as a whole, and implements steps 1 to 4 described above. Through the configuration of the present invention in 1, the input image is classified through a result performed through a preprocessing module, a normalization module, a function extraction module, and a discrimination and classification module. That is, after being input to the pre-processing module where noise and normalization are performed in the SAR image as a whole, the next pre-processed image is input to the shape extraction module, and the classification is performed after shape extraction, and then the image is classified according to the area type. do.

이를 테면, 본 4단계에서는, 새로운 SAR 영상에 대해 전처리하고, 변화 탐지, 하천 유역식별, 하천 유역을 구분하고 하천 유역 유형을 도출 방법을 연구하다. 이를 위해 SAR 영상에서 변화 하천 유역의 유형에 따른 종합적인 분류 기술을 연구하고, 새로운 SAR 영상에 대해 전처리, 변화 탐지, 식별 및 하천 유역을 구분하고, 하천 유역 유형에 따라 종합적으로 분류(classification)한다. 이때 금강, 한강, 낙동강 등의 새로운 SAR 영상이 입력되면, 하천의 상태를 강한 수준의 홍수, 중간 홍수, 낮은 홍수, 정상적인 흐름, 약한 가뭄, 중간 가뭄, 강한 가뭄 등으로 나눌 수 있다.For example, in this 4th step, a new SAR image is pre-processed, change detection, river basin identification, stream basin classification, and stream basin type derivation method is studied. To this end, we study comprehensive classification technology according to the type of river basin that changes in SAR images, pre-process, detect and identify changes, and classify river basins for new SAR images, and comprehensively classify them according to river basin types. . At this time, when new SAR images such as Geum River, Han River, and Nakdong River are input, the state of the river can be divided into strong flood, medium flood, low flood, normal flow, weak drought, medium drought, and strong drought.

5. 재난 및 재해 여부 분석5. Disaster and disaster analysis

이후 과정에서는, 분류된 SAR 이미지를 사용하여 재난 및 재해 여부에 대한 자동 확률 분포분석을 수행하여 통계적인 재난재해 예측 정보를 수립할 수 있도록 한다.In the subsequent process, the classified SAR image is used to perform an automatic probability distribution analysis on whether a disaster or a disaster exists, so that statistical disaster prediction information can be established.

즉, 본 단계에서는, 하천 유역 유형에 따른 하천의 홍수 및 가뭄 확률 분포를 분석한다. 정규 확률 분포를 이용하여 각 강에 대한 흐름 유형을 분류하고, 각 하천 SAR 영상에 대한 단계별 결과를 제시할 수 있으며, 본 발명에서의 제안된 방법을 통해 다양한 유형의 강 흐름을 자동 분류하여 실시간으로 홍수 또는 가뭄 상황을 확인할 수 있다. 향후 안전과 원활한 강물 흐름을 보장하기 위해 예방 조치 및 예방 조치를 제시할 수 있다.That is, in this step, the probability distribution of river flood and drought according to the river basin type is analyzed. The flow type for each river can be classified using a normal probability distribution, and the step-by-step results for each river SAR image can be presented, and various types of river flows can be automatically classified in real time through the method proposed in the present invention. Flood or drought conditions can be identified. Precautions and preventive measures can be proposed to ensure safety and smooth river flow in the future.

일예로, 후술하는 도 20 이하에서는, 금강, 한강, 낙동강 등의 SAR 영상 빅데이터를 토대로 하천 유역 유형에 따른 하천의 홍수 및 가뭄 확률 분포를 분석한다. 정규 확률 분포를 이용하여 각 하천에 대한 흐름 유형을 분류한다. 이를 통해 얻어진 금강, 한강, 낙동강 등의 SAR 영상을 기반으로 하천 홍수 및 가뭄 피해 유형을 하천의 폭 통계를 산출하여 가뭄과 홍수 등의 피해 유형에 따른 정규 분포를 제시한다.As an example, in FIG. 20 or less to be described later, the probability distribution of flood and drought in rivers according to river basin types is analyzed based on SAR image big data of Geum River, Han River, and Nakdong River. Classify the flow type for each stream using a normal probability distribution. Based on the SAR images of Geum River, Han River, and Nakdong River obtained through this, we calculate river width statistics for river flood and drought damage types, and present normal distribution according to types of damage such as drought and flood.

확률 분포는 수학적 함수로서, 간단한 용어로 표현하면 실험에서 가능한 다른 결과의 출현확률을 제공하고 있다고 생각할 수 있다. 확률 분포 함수는 특정 확률 분포를 정의하는 데 이용될 수 있는 함수이다. 어떤 텍스트가 참조되는 지에 따라 이 용어는 누적 분포 함수, 확률 질량 함수, 확률 밀도 함수 등을 나타낼 수 있다. 제안된 연구에서는 간단한 확률 및 확률 밀도 함수를 이용하고 있다. 다음 방정식은 정규 분포의 확률 분포 함수이다.Probability distribution is a mathematical function, and expressed in simple terms can be thought of as providing the probability of occurrence of other possible results in the experiment. The probability distribution function is a function that can be used to define a specific probability distribution. Depending on which text is referenced, this term can refer to a cumulative distribution function, a probability mass function, a probability density function, etc. In the proposed study, simple probability and probability density functions are used. The following equation is the probability distribution function of the normal distribution.

{식 3}{Equation 3}

Figure pat00007
Figure pat00007

(여기서 x는 분포를 원하는 값이고, μ는 산술 평균이며, σ는 분포의 표준 편차를 나타내고 있다.)(Where x is the desired value for the distribution, μ is the arithmetic mean, and σ is the standard deviation of the distribution.)

도 20은 특정 지역을 금강으로 한정하고, 이에 대한 (A)SAR 이미지를 입력값으로 하여, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 방법을 적용하여 하천유량상태(RFS)를 분류한 결과를 도시한 것이다.FIG. 20 shows a result of classifying a river flow rate state (RFS) by applying the method according to the embodiment of the present invention, by limiting a specific area to Geumgang, and using the (A)SAR image as an input value. will be.

평균 강 너비를 계산하고, 이를 기준으로 강의 표준 너비로 가정한다. 이후, 동일 강의 9개의 다른 영상을 그 차이에 따라 분석하였다.Calculate the average steel width and assume the standard steel width based on this. Then, nine different images of the same lecture were analyzed according to the differences.

이 경우, 도 20에서 제시된 (B)표는 강의 홍수 확률을 나타내며, (C)그래프는 금강에 대한 홍수 가능성을 나타낸 확률분포를 산출하여 도시한 결과물을 도시한 것이다.In this case, table (B) shown in FIG. 20 shows the probability of flooding the river, and graph (C) shows the result of calculating a probability distribution indicating the probability of flooding in the Geum River.

도 21은 특정지역을 낙동강으로 한정하고, 이에 대한 (A)SAR 이미지를 입력값으로 하여, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 방법을 적용하여 하천유량상태(RFS)를 분류한 결과를 도시한 것이다. (B)표는 강의 홍수 확률을 나타내며, (C)그래프는 낙동강에 대한 홍수 가능성을 나타낸 확률분포를 산출하여 도시한 결과물을 도시한 것이다.21 shows the result of classifying a river flow rate state (RFS) by applying the method according to the embodiment of the present invention, using the method according to the embodiment of the present invention, using the (A) SAR image for the specific area being limited to the Nakdong River. will be. Table (B) shows the probability of flooding in the river, and (C) shows the result of calculating the probability distribution indicating the probability of flooding in the Nakdong River.

도 21에서는 12장의 SAR 이미지(낙동강 동일 지역에 대한 다른 시간대의 이미지)를 사용하였으며, 낙동강의 평균 강폭을 34m로 산출하고, 이를 기준으로 하여 강의 표준폭을 가정하였으며, 이후 각 이미지의 하천 흐름은 후속 영상과 표준 영상과의 차이를 고려하여 상술한 본 발명의 FIS 기반 분류 방법을 사용하여 분류하였으며, 그 결과는 도 21에 제시된 바와 같다.In FIG. 21, 12 SAR images (images of different time zones for the same area of the Nakdong River) were used, and the average river width of the Nakdong River was calculated as 34m, and the standard width of the river was assumed based on this, and the stream flow of each image thereafter was In consideration of the difference between the subsequent image and the standard image, the classification was performed using the FIS-based classification method of the present invention, and the results are as shown in FIG. 21.

도 22는 특정지역을 한강의 일부 지역으로 한정하고, 총 4장의 SAR 이미지를 적용하였으며, 한강유역의 강폭을 계산한 후, 각 이미지의 강흐름은 후속 이미지와 표준 이미지와의 차이를 고려하여 상술한 FIS 기반 모델을 사용하여 강유량을 분류한 결과를 도시한 것이다.22 shows that a specific area is limited to a partial area of the Han River, and a total of 4 SAR images are applied, and after calculating the river width of the Han River basin, the river flow in each image is detailed in consideration of the difference between the subsequent image and the standard image. It shows the result of classifying ferroflow using an FIS-based model.

도 20 내지 도 21에서와 같이, 분류된 결과값은 강의 흐름유형을 강한 가뭄, 중간 가뭄, 낮은 가뭄, 정상적인 흐름, 낮은 홍수, 중간 홍수, 강한 홍수의 7가지 유형으로 분류하며, 이를 확률분포를 이용하여 각 강의 흐름 유형을 식별할 수 있게 된다. 이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 하천 흐름을 다양한 유형으로 자동 분류하여 홍수나 가뭄 상황을 실시간으로 확인할 수 있게 할 수 있다.As shown in Figs. 20 to 21, the classified result values classify the river flow type into 7 types of strong drought, medium drought, low drought, normal flow, low flood, medium flood, and strong flood. Can be used to identify the flow type of each river. According to such an embodiment of the present invention, it is possible to automatically classify a river flow into various types to check a flood or drought situation in real time.

본 발명의 실시예에 따른 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 수행하는 것은, 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다.Performing a disaster classification and analysis method using SAR-based big data according to an embodiment of the present invention may be represented by functional block configurations and various processing steps. These functional blocks may be implemented with various numbers of hardware or/and software configurations that perform specific functions. For example, the present invention provides integrated circuit configurations such as memory, processing, logic, and look-up tables, which can execute various functions by controlling one or more microprocessors or by other control devices. Can be adopted.

본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.Similar to how the components of the present invention can be implemented with software programming or software elements, the present invention includes various algorithms implemented with a combination of data structures, processes, routines or other programming constructs, including C, C++ , Java, assembler, etc. may be implemented in a programming or scripting language. Functional aspects can be implemented with an algorithm running on one or more processors. In addition, the present invention may employ conventional techniques for electronic environment setting, signal processing, and/or data processing. Terms such as "mechanism", "element", "means", and "configuration" may be widely used, and are not limited to mechanical and physical configurations. The term may include a meaning of a series of routines of software in connection with a processor or the like.

이상에서와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 바람직한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 본 발명의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the technical idea of the present invention has been described in detail in the preferred embodiment, but the preferred embodiment is for the purpose of explanation and not limitation. As such, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various embodiments are possible through a combination of the embodiments of the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.

10: SAR 영상수집장치 20: SAR 영상입력부
110: 변화감지부 112: 전처리부
114: 영역분리부 116: 상관분석비교부
120: 변경영역추출부 130: 클러스터링부
132: 퍼지입력분석부 134: DR 산출부
136: DN 산출부 140: 유형별 분류부
150: 재해예측분석부
10: SAR image collection device 20: SAR image input unit
110: change detection unit 112: preprocessing unit
114: domain separation unit 116: correlation analysis and comparison unit
120: change region extraction unit 130: clustering unit
132: fuzzy input analysis unit 134: DR calculation unit
136: DN calculation unit 140: classification unit by type
150: Disaster prediction and analysis department

Claims (11)

실시간으로 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 특정지역의 고해상도 영상 빅데이터를 수집하고, 이를 활용해 재난재해 여부를 분류하는 방법에 있어서,
동일한 위치에 대한 서로 다른 시점의 두개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상를 입력하고, 상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상에서 동일 지역의 SAR 이미지 세트 간의 변화여부를 감지(detection) 하는 1단계;
상기 1단계에서 변화가 감지되는 SAR 이미지 세트의 경우, 변경된 영역의 이미지를 추출하는 2단계;
사용 가능한 데이터 집합에서 SAR 영상의 상기 변경된 영역 유형을 기반으로 하는 클러스터링을 수행하는 3단계;
상기 3단계에서 수행된 클러스터 세트를 기반으로, 새롭게 제공된 SAR 이미지를 분류하는 4단계;
상기 분류된 SAR 이미지를 사용하여 재난 및 재해 여부에 대한 자동 확률 분포분석을 수행하는 5단계;
를 포함하는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
In a method of collecting high-resolution image big data of a specific area using SAR (Synthetic Aperture Radar) in real time, and classifying whether there is a disaster by using this,
Step 1 of inputting two SAR (Synthetic Aperture Radar) images from different viewpoints for the same location, and detecting whether there is a change between SAR image sets in the same region from the input two SAR (Synthetic Aperture Radar) images ;
In the case of the SAR image set in which the change is detected in the first step, a second step of extracting an image of the changed area;
A third step of performing clustering based on the changed region type of the SAR image in an available data set;
A fourth step of classifying a newly provided SAR image based on the cluster set performed in step 3;
A fifth step of performing an automatic probability distribution analysis on whether a disaster or a disaster has occurred by using the classified SAR image;
Containing,
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 1에 있어서,
상기 1단계의 상기 특정 지역은, 하천을 포함하는 지역이며, 입력되는 영상은 일정한 폭과 길이를 가지는 동일 하천 지역을 포함하는 SAR 이미지 세트이며,
상기 3단계는, 상기 SAR 이미지 세트 상에 노출되는 하천의 폭의 차이 값을 기준으로 하천의 재해유무를 클러스터링하며,
상기 5단계는, 분석된 결과를 바탕으로 홍수 및 가뭄의 예측을 수행하는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
The method according to claim 1,
The specific area in step 1 is an area including a river, and the input image is a set of SAR images including the same river area having a certain width and length,
In the third step, the presence or absence of a river disaster is clustered based on the difference value of the width of the river exposed on the SAR image set,
The 5th step is to perform prediction of flood and drought based on the analyzed result,
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 2에 있어서,
상기 2단계에서 추출되는 하천을 포함하는 이미지 세트에서 변경된 영역의 이미지를 유형화하여 데이터 베이스에 저장하고,
상기 3단계는, 퍼지논리 모델을 이용하여 하천의 유동상태를 분류하되,
상기 특정 지역에 포함되는 하천의 이미지에 대하여,
특정시간에 기준이 되는 강폭(Sr)과 현재의 강폭(Sti)의 차이를 계산(DR(Sti-Sr)) 하는 단계;
현재 강폭 이미지(Sti)와 다음 영상 강폭 이미지(St+1)의 차이를 계산(DN(Sti-St+1))하는 단계;
DR 및 DN 계산 후, DR은 하천 초기 상태(RIS의 경우 FIS) 퍼지 논리 모듈에 대한 퍼지 추론 시스템에 입력되어, 하천의 현재 상태의 이상 유무를 분류 및 분석하는 것을 특징으로 하는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
The method according to claim 2,
Type the image of the changed area in the image set including the river extracted in step 2 and store it in a database,
In the third step, the flow state of the river is classified using a fuzzy logic model,
For the image of the river included in the specific area,
Calculating (DR(Sti-Sr)) a difference between the current strength (Sr) and the current strength (Sti) at a specific time;
Calculating (DN(Sti-St+1)) a difference between the current intensity image (Sti) and the next image intensity image (St+1);
After DR and DN calculation, the DR is input to the fuzzy inference system for the initial state of the river (FIS in the case of RIS) fuzzy logic module, and classifies and analyzes the presence or absence of an abnormality in the current state of the river.
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1단계는,
입력되는 두개의 상기 SAR 이미지에 대한 전처리 단계를 수행하되,
상기 전처리는, SAR 이미지의 신호 레벨의 변화를 줄이기 위한 정규화(normalization) 및 표적의 화소로부터 분리(segmentation)를 수행하여 영상을 다른 세그먼트로 나누고 관심영역을 추출하며,
상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 이미지 간의 변화여부를 감지하여 정상과 비정상으로 구분하는 감지과정이 수행되는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The first step,
Performing a pre-processing step for the two input SAR images,
In the pre-processing, normalization to reduce a change in the signal level of the SAR image and segmentation from the target pixel are performed to divide the image into different segments and extract a region of interest,
A detection process is performed to distinguish between normal and abnormal by detecting whether there is a change between the input two SAR (Synthetic Aperture Radar) images,
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 4에 있어서,
상기 분리과정은,
분할 알고리즘(Color Thresholder(CT)을 사용하여 색상 이미지를 이진 영상으로 변환하는 색상 임계값 지정 알고리즘을 적용하여 수행되는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
The method of claim 4,
The separation process,
A segmentation algorithm (which is performed by applying a color thresholding algorithm that converts a color image into a binary image using Color Thresholder (CT))
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 5에 있어서,
상기 입력되는 2개의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 이미지 간의 변화여부를 감지하는 것은,
두개의 이미지 사이의 상관 관계의 강도 여부를 통해 감지하되,
하기의 {식 1}에 따른 상관계수를 사용한 비교법을 적용하는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
{식 1}
Figure pat00008
The method of claim 5,
Detecting whether there is a change between the input two SAR (Synthetic Aperture Radar) images,
It is detected through the strength of the correlation between the two images,
Applying the comparison method using the correlation coefficient according to the following {Equation 1},
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
{Equation 1}
Figure pat00008
청구항 4에 있어서,
상기 2단계는,
변경감지부에서 서로 다른 시간에 동일한 위치에 대한 두개의 이미지를 정지영상으로 추출하고,
변경영역추출부에서 두개의 이미지를 비교하여 변경사항의 여부를 감지하고, 이미지 차이점 보관 방법을 통해 얻은 변경된 영역의 이미지를 추출하는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
The method of claim 4,
The second step,
The change detection unit extracts two images for the same location at different times as still images,
The changed area extractor compares two images to detect whether there is a change, and extracts the image of the changed area obtained through the image difference storage method.
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 4에 있어서,
상기 하천의 현재 상태의 이상 유무를 분류 및 분석하는 것은, 퍼지 추론 시스템에 의해 하천의 유동유무를 분석하되,
하기의 {순서도 1}의 순서로 진행되되,
RIS의 FIS의 입력 변수는 기준(DR)과의 차이, 출력은 하천 흐름 초기 상태(RIS)의 결과를 임피던스(DR)(St-Sr) 변수와 차이에 대한 다섯 가지 멤버십 함수(MF)로 정의하는 것을 특징으로 하는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
(단, FIS(Fuzzy Inference System; 퍼지 입력시스템), RIS(River Flow Initial Status; 하천 흐름 초기 상태), RFS(River Flow Status; 하천 흐름 상태), DR)Difference from reference; 기준과의 강폭 차이), DN: (Difference from next; 다음과의 강폭 차이)
{순서도 1}
Figure pat00009
The method of claim 4,
Classifying and analyzing the presence or absence of an abnormality in the current state of the river is to analyze the presence or absence of a stream by a fuzzy inference system,
Proceed in the order of the following {procedure 1},
The input variable of RIS's FIS is the difference from the reference (DR), and the output is defined as the impedance (DR) (St-Sr) variable and the five membership functions (MF) for the difference. Characterized in that,
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
(However, FIS (Fuzzy Inference System), RIS (River Flow Initial Status), RFS (River Flow Status), DR) Difference from reference; The difference in strength from the standard), DN: (Difference from next; the difference in strength from next)
{Flowchart 1}
Figure pat00009
청구항 8에 있어서,
상기 다섯가지 멤버쉽 함수(MF)는, HN(High Negative), LN(Low Negative), Z(Zero), LP(Low Positive), HP(High Positive)로 정의되며,
하천 흐름 초기상태(RIS)는 D(Draught), LD(Low Draught), NF(Normal Flow), LF(Low Flood), F(Flood)의 다섯가지 멥버쉽 함수로 정의되는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
The method of claim 8,
The five membership functions (MF) are defined as HN (High Negative), LN (Low Negative), Z (Zero), LP (Low Positive), and HP (High Positive),
The river flow initial state (RIS) is defined by five power functions: D (Draught), LD (Low Draught), NF (Normal Flow), LF (Low Flood), and F (Flood).
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
청구항 9에 있어서,
상기 퍼지논리 모델을 이용하여 하천의 유동상태를 분류하는 것은,
RFS(River Flow Status; 하천 흐름 상태)에 대하여 다섯가지 출력에 대한 멤버쉽 함수(MF)로 정의하되,
하천 상태 퍼지 추론 시스템(RFS FIS)에 대해 정의되되, 입력 변수 RIS 및 DN과 출력 변수 RFS의 언어적 용어를 해당 값과 함께 하기의 분류표 1과 같이 정의되는,
SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법.
(SD: strong draught, MD: medium draught, LD: low draught, NF: normal flow, LF: low flood, MF: medium flood, SF: strong flood)
{분류표 1}
Figure pat00010
The method of claim 9,
Classifying the flow state of a river using the fuzzy logic model,
For RFS (River Flow Status; river flow status), it is defined as a membership function (MF) for five outputs,
It is defined for the stream state fuzzy reasoning system (RFS FIS), and the linguistic terms of the input variables RIS and DN and the output variable RFS are defined as shown in Classification Table 1 below, with corresponding values.
Disaster classification and analysis method using SAR-based big data.
(SD: strong draft, MD: medium draft, LD: low draft, NF: normal flow, LF: low flood, MF: medium flood, SF: strong flood)
{Classification Table 1}
Figure pat00010
청구항 10에 따른 SAR 기반 빅데이터를 활용한 재난재해 분류 및 분석 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독이 가능한 기록매체. A computer-readable recording medium in which a program that performs a disaster classification and analysis method using SAR-based big data according to claim 10 is recorded.
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