KR20200123537A - Method for detecting sinkhole using deep learning and data association and sinkhole detecting system using it - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for detecting a sinkhole. To solve the problems of an existing sinkhole detection method which can apply only a sinkhole detection algorithm, such as a light convolutional neural network (CNN) algorithm, of lower performance having limits incapable of fully securing correctness and reliability in a detection result and tracking a correct location of a sinkhole to issue a warning, the method of the present invention performs a series of processing steps of: performing binary segmentation in a thermal image collected through a thermal image camera based on a temperature difference to extract candidate sinkhole areas; applying CNN transfer learning to classify a real sinkhole from the candidate sinkhole areas; and performing data association to track the classified sinkhole. Accordingly, the sinkhole can quickly and correctly be detected from the image photographed by the thermal image camera and an occurrence probability of a sinkhole can be expected, such that a warning is generated, thereby preventing various kinds of accidents caused by the sinkhole.

Description

딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템{Method for detecting sinkhole using deep learning and data association and sinkhole detecting system using it}A sinkhole detection method using deep learning and data combination, and a sinkhole detection system using the same {Method for detecting sinkhole using deep learning and data association and sinkhole detecting system using it}

본 발명은 싱크홀을 탐지하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 적외선(infrared ray ; IR) 카메라 또는 원적외선(far-infrared ray ; FIR) 카메라와 같이, 열화상 카메라를 이용하여 촬영된 열 영상을 통해 비파괴적인 방법으로 지하에 싱크홀이 존재하는지의 여부를 기존의 방법들에 비해 보다 신속하고 정확하게 판단할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a method for detecting a sinkhole, and more particularly, for example, using a thermal imaging camera, such as an infrared (infrared ray; IR) camera or a far-infrared ray (FIR) camera. A sinkhole detection method using deep learning and data combination, which is configured to determine whether a sinkhole exists in the basement in a non-destructive manner through the photographed thermal image more quickly and accurately compared to conventional methods, and It relates to a sinkhole detection system used.

또한, 본 발명은, 예를 들면, light CNN 알고리즘과 같이, 상대적으로 성능이 낮은 싱크홀 탐지 알고리즘만이 적용 가능함으로 인해 탐지결과의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하고 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 싱크홀 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 열화상 카메라를 통해 수집된 열 영상에 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 후보 싱크홀 영역을 추출하고, CNN 전이학습(transfer learning)을 적용하여 후보 싱크홀 영역들로부터 실제 싱크홀을 분류하며, 데이터 결합(data association)을 수행하여 분류된 싱크홀을 추적(sinkhole tracking) 하는 일련의 처리단계가 수행되도록 구성됨으로써, 싱크홀 발생을 조기에 발견하고, 싱크홀 발생 가능성을 미리 예측하여 경보를 발생하는 것에 의해 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법에 관한 것이다. In addition, the present invention, for example, because only the sinkhole detection algorithm with relatively low performance, such as the light CNN algorithm, is applicable, so that the accuracy and reliability of the detection result is not sufficiently guaranteed, and the accurate location of the sinkhole is tracked to warn In order to solve the problem of the conventional sinkhole detection methods, which had a limitation that cannot be performed, a candidate sinkhole region is extracted by performing binary segmentation by temperature deviation on a thermal image collected through a thermal imaging camera. And, a series of processing steps of classifying the actual sinkhole from candidate sinkhole regions by applying CNN transfer learning, and performing data association to track the classified sinkhole (sinkhole tracking) are performed. Sink using deep learning and data combination, which is configured to detect sinkhole occurrence early and prevent various accidents due to sinkhole by generating an alarm by predicting the possibility of sinkhole occurrence in advance. It relates to a hole detection method.

아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여, 열화상 카메라로 촬영된 영상으로부터 실시간으로 신속하고 정확하게 싱크홀의 탐지가 이루어질 수 있도록 구성되는 싱크홀 탐지시스템에 관한 것이다.In addition, the present invention, by using the sinkhole detection method using deep learning and data combination configured as described above, the sinkhole is configured to be quickly and accurately detected in real time from the image captured by the thermal imaging camera. It relates to a sinkhole detection system.

일반적으로, 싱크홀(sinkhole)은 지표면의 일부가 붕괴된 형태로 지반이 함몰되거나 구멍이 만들어진 것으로서, 자연적으로 발생하는 싱크홀 대부분은 카르스트 프로세스에 의해 발생하나, 최근 지하 탐사기술이 발달하면서 다양한 원인에 의해서 싱크홀이 발생하는 것이 발견되고 있다. In general, sinkholes are caused by depressions or holes in the ground in the form of a collapsed part of the surface, and most of the sinkholes that occur naturally are caused by karst processes.However, with the recent development of underground exploration technology, various causes It has been found that sinkholes are generated.

즉, 싱크홀의 주요 발생원인은 용해(dissolution), 표면침하(cover-subsidence), 표면붕괴(conver-collapse) 및 인간에 의한 것으로 알려져 있으며, 최근에는, 이러한 원인들 중 도시지역의 건설활동이 많아짐에 따라 인간에 의해 유발된 싱크홀이 급속히 증가하고 있다. That is, it is known that the main causes of sinkholes are dissolution, cover-subsidence, convert-collapse, and humans, and recently, among these causes, construction activities in urban areas have increased. As a result, human-induced sinkholes are rapidly increasing.

또한, 인간에 의해 발생되는 싱크홀은 인명피해 뿐만 아니라 심각한 경제적 손실을 야기하므로, 이러한 손실을 막기 위해 싱크홀은 사전에 탐지되어야 하는 많은 재난중의 하나이며, 특히, 거주지역에서 발생하는 싱크홀을 조기에 발견하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. In addition, since sinkholes caused by humans cause serious economic losses as well as personal injury, sinkholes are one of many disasters that must be detected in advance to prevent such losses.In particular, sinkholes occurring in residential areas It can be said that it is very important to detect early.

이를 위해, 종래, 싱크홀을 식별하는 가장 일반적인 방법으로는, 싱크홀이 나타나는 영역에서 드릴을 사용하여 탐사하거나, 또는, 콘 침투 탐상검사(Cone Penetrometer Test ; CPT)를 사용하는 방법이 있다. To this end, conventionally, as the most common method of identifying a sink hole, there is a method of using a drill in the area where the sink hole appears, or using a cone penetrometer test (CPT).

그러나 이러한 방법들은 접촉식 검사방법임으로 인해 싱크홀을 악화시킬 수 있는 문제가 있으며, 이에, 최근에는, 비파괴적인 방식으로 싱크홀을 탐지하기 위해 GPR(Ground Penetrating Radar) 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다. However, since these methods are contact inspection methods, there is a problem that may deteriorate the sink hole, and in recent years, a GPR (Ground Penetrating Radar) method is most commonly used to detect the sink hole in a non-destructive manner.

여기서, GPR 방법은 지하층에 존재하는 매우 다른 여러 가지 조건에 의해 신호가 분산될 수 있는 단점이 있으며, 다른 방법으로, GPR 방법과 유사하게 지진파를 이용하여 특정 지역에 싱크홀이 나타날 확률을 분석하거나, 특정 지역에 싱크홀이 명백하게 없다는 것을 확인하기 위해 ERT(Electrical Resistivity Tomography) 및 DPSH(Dynamic Penetration Super Highway) 등의 방법이 사용되고 있다. Here, the GPR method has a disadvantage in that the signal may be dispersed due to various very different conditions existing in the basement layer, and as another method, similar to the GPR method, using seismic waves to analyze the probability of a sinkhole appearing in a specific area In order to confirm that there is no sinkhole in a specific area, methods such as Electrical Resistivity Tomography (ERT) and Dynamic Penetration Super Highway (DPSH) are used.

아울러, 대형 싱크홀을 감시하고 추정하기 위해서는 지상기반 간섭계 합성 개구레이더(ground-based interferometric synthetic aperture radar)가 활용되며, 일반적으로 이러한 종류의 시스템은 넓은 지역을 관찰하기 위해 높은 위치에 설치되나, 설치 위치가 감시결과에 영향을 미칠 수 있다는 한계가 있다. In addition, a ground-based interferometric synthetic aperture radar is used to monitor and estimate large sinkholes. In general, this kind of system is installed at a high position to observe a large area. There is a limit to the fact that the location can affect the monitoring results.

더욱이, 일반적으로 표면 및 물체에 대한 상세한 3D 정보를 수집하는 방법으로 공중 레이저 스캐닝 데이터를 사용하여 싱크홀 위험을 감지하는 공수 레이저 스캐닝 기술(airborne laser scanning technology)이 활용되고 있으나, 3D 데이터에는 일반적으로 지형 내에 포함되는 표면 형상 및 싱크 홀에 대한 정보가 포함되어 있지만 싱크홀은 주변 환경과 크게 다른 모양을 형성하지 않으므로 이 방법으로 싱크홀을 탐지하는 것은 쉽지 않으며, 공수 레이저(airborne laser) 방법은 일반적인 사진으로는 구분할 수 없는 초목, 토양 색상 및 표면 온도를 사용하여 침하 지역을 나타낼 수 있는 반면, 데이터를 수집하기 위한 시간과 비용이 많이 들고, 주변 환경에 의해 결과가 많은 영향을 받는다는 단점이 있다. Moreover, airborne laser scanning technology, which detects sinkhole risk using aerial laser scanning data, is generally used as a method of collecting detailed 3D information on surfaces and objects, but 3D data is generally It contains information on the surface shape and sink hole included in the terrain, but since the sink hole does not form a shape that is significantly different from the surrounding environment, it is not easy to detect the sink hole by this method, and the airborne laser method is common. While vegetation, soil color, and surface temperature, which cannot be distinguished by photographs, can be used to represent subsidence areas, there is a disadvantage in that it requires a lot of time and cost to collect data, and the results are greatly affected by the surrounding environment.

여기서, 상기한 바와 같이 비파괴적인 방식으로 싱크홀을 탐지하기 위한 싱크홀 탐지장치 및 방법에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1857961호에 따르면, 드론과 열영상 카메라를 이용하여 열영상을 획득하는 열영상 획득부; 열영상 획득부에서 획득된 열영상을 분석하여 싱크홀 후보영역을 추출하는 후보검출부; 및 패턴분석기(pattern classifiers)를 이용하여, 후보검출부에서 추출된 싱크홀 후보영역에서 오검출 영역을 제외하고 최종 싱크홀 영역을 추출하는 검증부를 포함하고, 상기 패턴 분석기는, 가벼운 버전의 회로 신경망 알고리즘(the light-CNN algorithm)을 이용하여 얻어진 분류결과와, OCSLBP(oriented center symmetric-local binary pattern) 특징을 계층적 랜덤 포레스트(boosted random forest ; BRF) 분류기에 적용하여 얻어진 분류결과를 결합하여 싱크홀 영역을 추출하도록 구성되는 드론과 열영상 카메라를 이용한 자동 싱크홀 탐지시스템이 제시된 바 있다. Here, as an example of the prior art related to the sinkhole detection apparatus and method for detecting the sinkhole in a non-destructive manner as described above, for example, first, according to Korean Patent Publication No. 10-1857961, a drone and A thermal image acquisition unit for acquiring a thermal image using a thermal imaging camera; A candidate detection unit for extracting a sinkhole candidate region by analyzing the thermal image obtained by the thermal image acquisition unit; And a verification unit for extracting a final sinkhole area excluding an erroneous detection area from the sinkhole candidate area extracted from the candidate detection unit using pattern classifiers, wherein the pattern analyzer includes a light version of the circuit neural network algorithm Sinkhole by combining the classification result obtained using (the light-CNN algorithm) and the classification result obtained by applying the characteristics of the oriented center symmetric-local binary pattern (OCSLBP) to a boosted random forest (BRF) classifier. An automatic sinkhole detection system using a drone and thermal imaging camera configured to extract an area has been proposed.

또한, 상기한 바와 같이 비파괴적으로 싱크홀을 탐지하기 위한 싱크홀 탐지장치 및 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, "Early sinkhole detection using a drone-based thermal camera and image processing"에 따르면, 상기한 등록특허공보 제10-1857961호와 마찬가지로 드론과 열영상 카메라를 이용하여 열영상을 획득하고, 가벼운 버전의 회로 신경망 알고리즘(the light-CNN algorithm), OCSLBP 및 BRF를 이용하여 싱크홀 영역을 추출하도록 구성되는 드론 및 열영상 카메라를 이용한 싱크홀 탐지방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. In addition, as another example of the prior art regarding the sinkhole detection apparatus and method for non-destructively detecting the sinkhole as described above, for example, "Early sinkhole detection using a drone-based thermal camera and image processing" According to the above, as in Patent Publication No. 10-1857961, a thermal image is obtained using a drone and a thermal imaging camera, and a sinkhole is obtained using a light version of the circuit neural network algorithm (the light-CNN algorithm), OCSLBP and BRF. Technical details of a sinkhole detection method using a drone configured to extract an area and a thermal imaging camera have been presented.

상기한 바와 같이, 종래, 싱크홀을 탐지하기 위한 싱크홀 탐지시스템 및 방법에 대하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다. As described above, in the related art, various technical contents have been proposed for a sinkhole detection system and method for detecting a sinkhole, but the contents of the prior art as described above have the following problems.

즉, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은, 드론에 IR 카메라를 장착하여 IR 영상을 획득하도록 구성됨으로 인해 배터리 용량의 한계로 인한 탐지시간 및 탐지범위의 제약이 있고, 실시간으로 수집되는 영상을 분석하기 위해 컴퓨터 등의 외부 기기로 영상을 전송하는 데에도 여러 가지 문제가 있으므로, 영상처리 및 분석을 실시간으로 행하는 것이 불가능한 한계가 있다. In other words, the contents of the prior art as described above have limitations in detection time and detection range due to the limit of battery capacity due to the configuration of acquiring IR images by attaching an IR camera to a drone, and analysis of images collected in real time In order to do this, since there are various problems in transmitting an image to an external device such as a computer, there is a limitation in that it is impossible to perform image processing and analysis in real time.

아울러, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은, 학습시간 단축 및 실시간 처리를 위하여 상대적으로 성능이 낮은 light CNN 알고리즘을 적용함으로 인해, 싱크홀 탐지의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하는 문제도 있는 것이었다. In addition, the contents of the prior art as described above have a problem in that the accuracy and reliability of sinkhole detection are not sufficiently guaranteed due to the application of a light CNN algorithm with relatively low performance for shortening the learning time and real-time processing.

더 상세하게는, 최근, 고성능 GPU가 개발되고 많은 양의 훈련데이터를 사용할 수 있게 됨에 따라, 싱크홀과 같은 유사한 집단의 객체를 탐지하기 위한 기술을 향상시킬 수 있는 다양한 딥러닝 기반 방법이 제안되었다. More specifically, as high-performance GPUs have recently been developed and a large amount of training data is available, various deep learning-based methods have been proposed that can improve the technology for detecting objects of similar groups such as sinkholes. .

예를 들면, RCNN(Regional based Convolutional Neural Network)은 빠른 처리를 위해서 제안되었으나 실시간 시스템에서 구현하기에는 충분히 빠르지 않고, YOLO(You Only Look Once) 프레임워크(framework)는 객체 감지의 개별 구성요소를 단일 컨볼루션 네트워크로 통합하여 여러 경계 상자(regions)와 해당 상자에 대한 클래스 확률을 동시에 예측하도록 구성되는 것이나, 여전히 YOLO 프레임 워크의 정확성은 처리된 이미지에 나타나는 작은 객체의 영향을 받기 때문에 싱크홀을 탐지하는데 고속 RCNN과 YOLO를 적용하는 것은 어렵다는 문제가 있다. For example, RCNN (Regional based Convolutional Neural Network) has been proposed for fast processing, but it is not fast enough to be implemented in a real-time system, and the You Only Look Once (YOLO) framework is a single convolution of individual components of object detection. It is configured to predict multiple regions and class probabilities for the box by integrating it into a solution network, but the accuracy of the YOLO framework is still affected by small objects appearing in the processed image, so it is difficult to detect sinkholes. There is a problem that it is difficult to apply high-speed RCNN and YOLO.

여기서, 최근에는, 싱크홀 영역의 표면온도가 주변 영역의 표면온도와 크게 다르다는 사실에 기반하여 싱크홀을 탐지하기 위해 열 형상(thermal imagery)을 이용하는 방법이 제시된 바 있다. Here, recently, based on the fact that the surface temperature of the sinkhole region is significantly different from the surface temperature of the surrounding region, a method of using thermal imagery has been proposed to detect the sinkhole.

더 상세하게는, 종래, 공수 레이저 방식의 고비용을 줄이기 위해 넓은 영역을 감시하기 위한 원적외선(FIR) 카메라를 장착한 무인 항공기를 사용하여 시간의 경과에 따른 온도차이를 관찰함으로써 싱크홀을 기록하기 위한 최적의 시간을 알아내었으며, 녹화된 영상에서 싱크홀 영역의 후보를 적응 이진화 방법(adaptive binarization)을 사용하여 분할하고, 그 후 경량 컨볼루션 신경망(light CNN)과 BRF(Boosted Random Forest)를 사용하여 잠재적인 싱크홀을 실제의 싱크홀로 분류하였다. In more detail, in order to reduce the high cost of the conventional airborne laser method, an unmanned aerial vehicle equipped with a far-infrared (FIR) camera for monitoring a wide area is used to observe the temperature difference over time to record the sinkhole. The optimal time was found, and the candidates for the sinkhole region in the recorded image were segmented using an adaptive binarization method, and then a lightweight convolutional neural network (light CNN) and a boosted random forest (BRF) were used. Thus, potential sinkholes were classified as actual sinkholes.

그러나 열화상 카메라로 싱크홀을 감지하는 종래기술의 방법들은, 조기에 싱크홀에 대한 경고 메시지를 줄 수 있으나 열화상 카메라의 출력 이미지에 노이즈가 포함되어 있어 결과가 안정적이지 않으며, 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없다는 한계가 있다. However, the conventional methods of detecting sinkholes with a thermal imaging camera can give an early warning message about the sinkhole, but the result is not stable because the output image of the thermal imaging camera contains noise, and the exact location of the sinkhole. There is a limitation that it cannot be tracked and warned.

이에, 상기한 바와 같이, light CNN 알고리즘과 같이 상대적으로 성능이 낮은 싱크홀 탐지 알고리즘을 적용함으로 인해 탐지결과의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하고, 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 싱크홀 탐지방법들의 문제점을 모두 해결하기 위하여는, 기존의 탐지장치 및 방법들에 비하여 보다 향상된 고성능의 알고리즘을 통해 실시간으로 신속하고 정확하게 영상분석 및 싱크홀 탐지가 가능하도록 구성됨으로써 싱크홀 발생을 조기에 발견하거나 싱크홀 발생 가능성을 예측하여 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.Therefore, as described above, the accuracy and reliability of the detection result is not sufficiently guaranteed due to the application of a sinkhole detection algorithm with relatively low performance, such as the light CNN algorithm, and a limit in which a warning cannot be issued by tracking the exact location of the sinkhole. In order to solve all the problems of the conventional sinkhole detection methods that existed, it is configured to enable fast and accurate image analysis and sinkhole detection in real time through a more advanced high-performance algorithm compared to existing detection devices and methods. It is desirable to provide a new sinkhole detection method and a sinkhole detection system using the same, which is configured to detect sinkhole occurrence early or predict the possibility of sinkhole occurrence to prevent various accidents due to sinkhole in advance. There is still no device or method that satisfies all such demands.

한국 등록특허공보 제10-1857961호 (2018.05.09.)Korean Patent Publication No. 10-1857961 (2018.05.09.)

"Early sinkhole detection using a drone-based thermal camera and image processing", Chunho Chang, Infrared Physics & Technology 78 (2016) 223-232, 2016.08.24."Early sinkhole detection using a drone-based thermal camera and image processing", Chunho Chang, Infrared Physics & Technology 78 (2016) 223-232, 2016.08.24.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 열화상 카메라를 이용하여 촬영된 열 영상을 통해 비파괴적인 방법으로 지하에 싱크홀이 존재하는지의 여부를 기존의 방법들에 비해 보다 신속하고 정확하게 판단할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템을 제공하고자 하는 것이다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, therefore, an object of the present invention is to determine whether or not a sinkhole exists in the basement in a non-destructive manner through a thermal image captured using a thermal imaging camera. It is an object to provide a sinkhole detection method using deep learning and data combination that is configured to make a more rapid and accurate judgment than existing methods, and a sinkhole detection system using the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 예를 들면, light CNN 알고리즘과 같이, 상대적으로 성능이 낮은 싱크홀 탐지 알고리즘만이 적용 가능함으로 인해 탐지결과의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하고 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 싱크홀 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 열화상 카메라를 통해 수집된 열 영상에 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 후보 싱크홀 영역을 추출하고, CNN 전이학습(transfer learning)을 적용하여 후보 싱크홀 영역들로부터 실제 싱크홀을 분류하며, 데이터 결합(data association)을 수행하여 분류된 싱크홀을 추적(sinkhole tracking) 하는 일련의 처리단계가 수행되도록 구성됨으로써, 싱크홀 발생을 조기에 발견하고, 싱크홀 발생 가능성을 미리 예측하여 경보를 발생하는 것에 의해 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 제공하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention is, for example, since only a sinkhole detection algorithm with relatively low performance is applicable, such as the light CNN algorithm, the accuracy and reliability of the detection result is not sufficiently guaranteed, and the exact location of the sinkhole is determined. In order to solve the problem of the conventional sinkhole detection methods, which have limitations in which tracking and warning cannot be performed, a candidate sinkhole is performed by performing binary segmentation by temperature deviation on the thermal image collected through a thermal imaging camera. A series of sinkhole tracking that extracts regions, classifies actual sinkholes from candidate sinkhole regions by applying CNN transfer learning, and performs data association to track the classified sinkholes. Deep learning and data combination, which is configured to prevent various accidents due to sinkholes in advance by detecting sinkhole occurrence early, predicting the possibility of sinkhole occurrence, and generating an alarm by being configured to perform processing steps It is intended to provide a sinkhole detection method using.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여, 열화상 카메라로 촬영된 영상으로부터 실시간으로 신속하고 정확하게 싱크홀의 탐지가 이루어질 수 있도록 구성되는 싱크홀 탐지시스템을 제공하고자 하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to quickly and accurately detect the sinkhole in real time from the image captured by the thermal imaging camera by using the sinkhole detection method using deep learning and data combination configured as described above. It is to provide a sinkhole detection system that is configured to be capable of.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 열화상 카메라로 촬영된 열 영상으로부터 싱크홀을 탐지하기 위한 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법에 있어서, 상기 처리는, 싱크홀 위치의 온도가 주변 지역의 온도보다 낮은 것에 근거하여, 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 입력된 열화상 이미지의 비디오 프레임에서 후보 싱크홀 위치를 출력하는 처리가 수행되는 후보 싱크홀 분할(candidate sinkhole segmentation) 단계; 상기 후보 싱크홀 분할단계에서 선정된 후보 싱크홀들 중에서 실제 싱크홀을 분류하는 처리가 수행되는 싱크홀 분류(sinkhole classification) 단계; 및 상기 싱크홀 분류단계에서 분류된 실제 싱크홀들을 추적하는(tracking) 처리가 수행되는 싱크홀 추적(sinkhole tracking) 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법이 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, processing for detecting a sinkhole from a thermal image captured by a thermal imaging camera is performed by a computer or dedicated hardware, using deep learning and data combination. In the sinkhole detection method, the processing is performed by performing binary segmentation by temperature deviation based on the fact that the temperature of the sinkhole location is lower than the temperature of the surrounding area, and the candidate in the video frame of the input thermal image A candidate sinkhole segmentation step in which a process of outputting a sinkhole position is performed; A sinkhole classification step in which a process of classifying an actual sinkhole among candidate sinkholes selected in the candidate sinkhole dividing step is performed; And a sinkhole tracking step in which a process for tracking the actual sinkholes classified in the sinkhole classification step is performed, and a sinkhole detection method using deep learning and data combination. Is provided.

여기서, 상기 후보 싱크홀 분할단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 이중 임계(dual-thresholding) 방법을 적용하여 후보 싱크홀 위치를 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the candidate sinkhole division step is configured to perform a process of determining a candidate sinkhole position by applying a dual-thresholding method using the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서, I는 입력 이미지, (x, y)는 특정 픽셀의 위치, Tl 과 Th는 각각 미리 정해진 임계값을 의미함.) (Here, I is the input image, (x, y) is the position of a specific pixel, and T l and T h are each a predetermined threshold.)

또한, 상기 후보 싱크홀 분할단계는, 분할된 영역의 가장자리 잡음을 제거하기 위해, 개방(opening), 폐쇄(closing), 팽창(dilate), 침식(erode)을 포함하는 형태학적 동작(morphological operation)을 적용하여 형태학적 잡음을 제거한 후, 휴리스틱 필터 알고리즘을 이용하여 연결 요소 분석(connected component analysis)을 적용하는 것에 의해 나무, 건물, 자동차를 포함하는 싱크홀과 유사한 형태들을 제거하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the step of dividing the candidate sinkhole includes a morphological operation including opening, closing, dilate, and erode to remove edge noise of the divided region. After removing the morphological noise by applying, by applying a connected component analysis using a heuristic filter algorithm, the step of removing shapes similar to sinkholes including trees, buildings, and cars. It characterized in that it is configured.

아울러, 상기 싱크홀 분류단계는, CNN(Convolutional neural network) 전이학습(transfer learning) 방법을 이용하여, 상기 후보 싱크홀 분할단계에서 선정된 후보 싱크홀들 중에서 실제 싱크홀을 분류하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, in the sinkhole classification step, a process of classifying an actual sinkhole among the candidate sinkholes selected in the candidate sinkhole partitioning step is performed using a convolutional neural network (CNN) transfer learning method. It characterized in that it is configured.

여기서, 상기 싱크홀 분류단계는, ResNet-50을 포함하는 ResNet(Residual Network)을 이용하여 상기 CNN 전이학습을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the sinkhole classification step is configured to perform the CNN transfer learning using a ResNet (Residual Network) including ResNet-50.

더욱이, 상기 싱크홀 추적단계는, 헝가리언 알고리즘(Hungarian Algorithm ; HA) 이용한 데이터 결합(data association)을 이용하여, 상기 싱크홀 분류단계에서 분류된 실제 싱크홀들을 해당 싱크홀이 속한 비디오 프레임의 트랙렛(tracklets)에 각각 할당하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Moreover, in the sinkhole tracking step, by using data association using a Hungarian algorithm (HA), the actual sinkholes classified in the sinkhole classification step are tracked in the video frame to which the sinkhole belongs. It is characterized in that it is configured to perform a process of allocating to each of the tracks.

여기서, 상기 싱크홀 추적단계는, N은 트랙렛의 수이고, 거리행렬 D가 이하의 수학식으로 나타내지는 것으로 할 때, Here, in the sinkhole tracking step, when N is the number of tracklets and the distance matrix D is represented by the following equation,

Figure pat00002
Figure pat00002

(a) 이하의 수학식을 이용하여, 상기 거리행렬 D의 동일한 행에 있는 모든 항목에서 각 행의 최소거리를 빼는 처리가 수행되는 단계; (a) performing a process of subtracting the minimum distance of each row from all items in the same row of the distance matrix D using the following equation;

Figure pat00003
Figure pat00003

(b) 이하의 수학식을 이용하여, 상기 거리행렬 D의 동일한 열에 있는 모든 항목에서 각 열의 최소거리를 빼는 처리가 수행되는 단계; 및 (b) performing a process of subtracting the minimum distance of each column from all items in the same column of the distance matrix D using the following equation; And

Figure pat00004
Figure pat00004

(c) n을 최소한 한 개 이상의 0을 포함하는 행 또는 열 이라 할 때, n = N의 조건이 충족될 때까지 상기 (a) 및 상기 (b) 단계의 처리를 반복하여 상기 거리행렬 D의 0 값을 기반으로 각각의 싱크홀을 해당하는 트랙렛에 각각 할당하는 처리가 수행되는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. (c) When n is a row or column containing at least one zero, the processing of steps (a) and (b) is repeated until the condition of n = N is satisfied, and the distance matrix D is It is characterized in that it comprises a step of performing a process of assigning each sinkhole to a corresponding tracklet based on a value of 0.

또한, 상기 탐지방법은, 이하의 수학식을 이용하여, 평균탐지정확도(Average detection Precision ; AP)와 평균재현(Average Recall ; AR) 및 중첩 임계값(overlapping threshold)에 근거하여 싱크홀 탐지결과에 대한 정확도를 평가하는 정확도 평가단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the detection method is based on an average detection precision (AP), an average recall (AR), and an overlapping threshold using the following equation. It characterized in that it is configured to further include an accuracy evaluation step of evaluating the accuracy of the.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

(여기서, TP는 True Positive, FN은 False Negative, FP는 False Positive, FN은 False Negative를 각각 의미함) (Here, TP means True Positive, FN means False Negative, FP means False Positive, and FN means False Negative, respectively)

아울러, 상기 탐지방법은, 싱크홀이 발견되거나 미리 정해진 기준에 근거하여 싱크홀의 발생 가능성이 높을 것으로 판단되면 미리 설정된 수신처에 해당 사실을 전달하고 경보를 발생하는 경보발생단계를 더 포함하여 구성됨으로써, 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the detection method further comprises an alarm generating step of transmitting the fact to a preset destination and generating an alarm when it is determined that the sinkhole is found or the possibility of occurrence of the sinkhole is high based on a predetermined criterion, It is characterized in that it is configured to prevent various accidents caused by the sinkhole in advance.

더욱이, 본 발명에 따르면, 싱크홀 탐지시스템에 있어서, 열화상 이미지를 촬영하기 위한 영상취득부; 및 상기 영상취득부에 의해 얻어진 열화상 이미지 또는 외부로부터 입력된 열 영상에 대하여 영상분석을 수행하여 싱크홀을 탐지하는 영상분석부를 포함하여 구성되고, 상기 영상분석부는, 상기에 기재된 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여 싱크홀의 탐지가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 탐지시스템이 제공된다.Furthermore, according to the present invention, there is provided a sinkhole detection system, comprising: an image acquisition unit for capturing a thermal image; And an image analysis unit for detecting a sinkhole by performing image analysis on the thermal image obtained by the image acquisition unit or the thermal image input from the outside, wherein the image analysis unit includes the deep learning and data described above. A sinkhole detection system is provided, characterized in that the sinkhole is detected by using a sinkhole detection method using a combination.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 열화상 카메라를 통해 수집된 열 영상에 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 후보 싱크홀 영역을 추출하고, CNN 전이학습(transfer learning)을 적용하여 후보 싱크홀 영역들로부터 실제 싱크홀을 분류하며, 데이터 결합(data association)을 수행하여 분류된 싱크홀을 추적(sinkhole tracking) 하는 일련의 처리단계가 수행되도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법이 제공됨으로써, 예를 들면, light CNN 알고리즘과 같이, 상대적으로 성능이 낮은 싱크홀 탐지 알고리즘만이 적용 가능함으로 인해 탐지결과의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하고 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 싱크홀 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, a candidate sinkhole region is extracted by performing binary segmentation by temperature deviation on a thermal image collected through a thermal imaging camera, and CNN transfer learning is applied. By using deep learning and data combination, which is configured to perform a series of processing steps to classify the actual sinkhole from the candidate sinkhole regions, and perform data association to track the classified sinkhole. By providing a sinkhole detection method, for example, since only a sinkhole detection algorithm with relatively low performance, such as the light CNN algorithm, can be applied, the accuracy and reliability of the detection result is not sufficiently guaranteed, and the exact location of the sinkhole is tracked. Thus, it is possible to solve the problem of the sinkhole detection methods of the prior art, which had limitations in which warnings cannot be issued.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 열화상 카메라를 이용하여 촬영된 열 영상을 통해 비파괴적인 방법으로 지하에 싱크홀이 존재하는지의 여부를 기존의 방법들에 비해 보다 신속하고 정확하게 판단할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법이 제공됨으로써, 싱크홀 발생을 조기에 발견하고, 싱크홀 발생 가능성을 미리 예측하여 경보를 발생하는 것에 의해 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to more quickly and accurately determine whether or not a sinkhole exists in the basement in a non-destructive manner through a thermal image captured using a thermal imaging camera as described above. A sinkhole detection method using deep learning and data combination is provided to prevent various accidents caused by sinkholes by early detection of sinkhole occurrence, predicting the possibility of sinkhole occurrence, and generating an alarm. can do.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여, 열화상 카메라로 촬영된 영상으로부터 실시간으로 신속하고 정확하게 싱크홀의 탐지가 이루어질 수 있도록 구성되는 싱크홀 탐지시스템을 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, by using the sinkhole detection method using deep learning and data combination configured as described above, the sinkhole can be detected quickly and accurately in real time from the image captured by the thermal imaging camera. It can provide a sinkhole detection system.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 처리 흐름을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 열화상 카메라로 촬영된 열화상 이미지와 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 후보 싱크홀 분할단계에서 온도편차에 의한 이진 분류를 수행하여 처리된 이진 분류 영상을 각각 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 후보 싱크홀 분할단계에서 싱크홀과 유사한 형태들을 제거하기 위해 적용되는 휴리스틱 필터 알고리즘의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법에 대한 정확도 평가 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
1 is a flowchart schematically showing the overall configuration of a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating a processing flow of a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
Figure 3 is a binary processed by performing binary classification by temperature deviation in a candidate sinkhole segmentation step of a sinkhole detection method using deep learning and data combining according to an embodiment of the present invention with a thermal image taken with a thermal imaging camera. It is a diagram showing each classification image.
4 is a diagram showing a detailed configuration of a heuristic filter algorithm applied to remove shapes similar to sinkholes in a candidate sinkhole segmentation step of a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing results of accuracy evaluation for a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention, organized in a table.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, a specific embodiment of a sinkhole detection method using deep learning and data combination and a sinkhole detection system using the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Here, it should be noted that the contents described below are only one embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited only to the contents of the embodiments described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In addition, in the following description of the embodiments of the present invention, for portions that are the same as or similar to the content of the prior art, or that are judged to be easily understood and implemented at the level of those skilled in the art, the detailed description thereof is provided to simplify the description. It should be noted that is omitted.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 열화상 카메라를 이용하여 촬영된 열 영상을 통해 비파괴적인 방법으로 지하에 싱크홀이 존재하는지의 여부를 기존의 방법들에 비해 보다 신속하고 정확하게 판단할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템에 관한 것이다. That is, the present invention can determine whether or not a sinkhole exists in the basement in a non-destructive manner through a thermal image captured using a thermal imaging camera, as described later, compared to conventional methods. The present invention relates to a sinkhole detection method using deep learning and data combination, and a sinkhole detection system using the same.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, light CNN 알고리즘과 같이 상대적으로 성능이 낮은 싱크홀 탐지 알고리즘만이 적용 가능함으로 인해 탐지결과의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하고 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 싱크홀 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 열화상 카메라를 통해 수집된 열 영상에 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 후보 싱크홀 영역을 추출하고, CNN 전이학습(transfer learning)을 적용하여 후보 싱크홀 영역들로부터 실제 싱크홀을 분류하며, 데이터 결합(data association)을 수행하여 분류된 싱크홀을 추적(sinkhole tracking) 하는 일련의 처리단계가 수행되도록 구성됨으로써, 싱크홀 발생을 조기에 발견하고, 싱크홀 발생 가능성을 미리 예측하여 경보를 발생하는 것에 의해 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법에 관한 것이다. In addition, the present invention, as described later, is applicable only to the sinkhole detection algorithm with relatively low performance, such as the light CNN algorithm, so that the accuracy and reliability of the detection result is not sufficiently guaranteed, and the accurate location of the sinkhole is tracked and alerted. In order to solve the problem of the conventional sinkhole detection methods, which had a limitation that cannot be performed, a candidate sinkhole region is extracted by performing binary segmentation by temperature deviation on a thermal image collected through a thermal imaging camera. And, a series of processing steps of classifying the actual sinkhole from candidate sinkhole regions by applying CNN transfer learning, and performing data association to track the classified sinkhole (sinkhole tracking) are performed. Sink using deep learning and data combination, which is configured to detect sinkhole occurrence early and prevent various accidents due to sinkhole by generating an alarm by predicting the possibility of sinkhole occurrence in advance. It relates to a hole detection method.

더욱이, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같은 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여, 열화상 카메라로 촬영된 영상으로부터 실시간으로 신속하고 정확하게 싱크홀의 탐지가 이루어질 수 있도록 구성되는 싱크홀 탐지시스템에 관한 것이다. In addition, the present invention, as described later, using the sinkhole detection method using deep learning and data combination as described above, so that the sinkhole can be quickly and accurately detected in real time from an image photographed by a thermal imaging camera. It relates to a configured sinkhole detection system.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Subsequently, with reference to the drawings, a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to the present invention and specific details of a sinkhole detection system using the same will be described.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이고, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 처리 흐름을 개략적으로 나타내는 개념도이다. First, referring to FIGS. 1 and 2, FIG. 1 is a flowchart schematically showing the overall configuration of a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention, and FIG. A conceptual diagram schematically showing a processing flow of a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법은, 크게 나누어, 열화상 이미지의 비디오 프레임에서 후보 싱크홀 위치를 결정하는 후보 싱크홀 분할(candidate sinkhole segmentation) 단계(S10)와, 후보 싱크홀 분할단계(S10)에서 선정된 후보 싱크홀들 중에서 실제 싱크홀을 분류하는 싱크홀 분류(sinkhole classification) 단계(S20) 및 싱크홀 분류단계(S20)에서 분류된 실제 싱크홀들을 추적하는(tracking) 처리가 수행되는 싱크홀 추적(sinkhole tracking) 단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIGS. 1 and 2, the sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention is broadly divided into a candidate sinkhole for determining a candidate sinkhole position in a video frame of a thermal image. A sinkhole classification step (S20) and a sinkhole classification step of classifying an actual sinkhole among candidate sinkholes selected in the candidate sinkhole segmentation step (S10) and the candidate sinkhole segmentation step (S10) It may be configured to include a sinkhole tracking step (S30) in which a process of tracking the actual sinkholes classified in (S20) is performed.

더 상세하게는, 먼저, 후보 싱크홀 분할단계(S10)는, IR 카메라나 FIR 카메라와 같은 열화상 카메라로 촬영된 열화상 이미지를 수신한 후, 싱크홀 위치의 온도가 주변 지역의 온도보다 낮은 것에 근거하여 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 주어진 비디오 프레임에서 후보 싱크홀 위치를 출력한다. More specifically, first, in the candidate sinkhole segmentation step (S10), after receiving a thermal image taken with a thermal imaging camera such as an IR camera or an FIR camera, the temperature at the sinkhole location is lower than the temperature of the surrounding area. Based on this, binary segmentation by temperature deviation is performed to output a candidate sinkhole position in a given video frame.

이어서, 싱크홀 분류단계(S20)는, CNN(Convolutional Neural Network) 전이학습(transfer learning) 방법을 사용하여 후보 싱크홀 분할단계(S10)에서 선정된 후보 싱크홀들 중에서 실제 싱크홀을 분류하는 싱크홀 분류기(classifier)의 기능이 수행된다. Subsequently, the sinkhole classification step S20 is a sink for classifying an actual sinkhole among the candidate sinkholes selected in the candidate sinkhole partitioning step S10 using a convolutional neural network (CNN) transfer learning method. The function of a hall classifier is performed.

마지막으로, 싱크홀 추적단계(S30)는, 실시간 싱크홀 추적에서 데이터 연관 문제를 처리하기 위해 헝가리언 알고리즘(Hungarian Algorithm ; HA) 이용한 데이터 결합(data association)을 이용하여 싱크홀 분류단계(S20)에서 분류된 실제 싱크홀들을 해당 싱크홀이 속한 비디오 프레임의 트랙렛(tracklets)에 각각 할당하는 것에 의해, 싱크홀 분류단계(S20)에서 수집된 데이터를 현재 프레임 및 이전 프레임의 데이터 분포를 기반으로 온라인으로 트랙렛(tracklet)에 할당하는 처리가 수행된다. Finally, the sinkhole tracking step (S30) is a sinkhole classification step (S20) using data association using Hungarian Algorithm (HA) in order to deal with the data association problem in real-time sinkhole tracking. The data collected in the sinkhole classification step (S20) is allocated based on the data distribution of the current frame and the previous frame by allocating the actual sinkholes classified in to the tracklets of the video frame to which the corresponding sinkhole belongs. The process of assigning to a tracklet online is performed.

여기서, 싱크홀 분류단계(S20)에서 불안정한 결과가 출력될 수 있는 문제점은 후술하는 바와 같이 하여 본 발명에서 제시된 방향 투표 기법(direction voting technique)을 이용하여 해결할 수 있다. Here, a problem in which an unstable result may be output in the sinkhole classification step S20 can be solved by using the direction voting technique proposed in the present invention as described later.

상기한 각 단계의 보다 구체적인 내용에 대하여 설명하면, 먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 열화상 카메라로 촬영된 열화상 이미지(도 3a)와 후보 싱크홀 분할단계(S10)에서 온도편차에 의한 이진 분할을 수행하여 처리된 이진 분할 영상(도 3b)을 각각 나타내는 도면이다. More specific details of each of the above steps will be described. First, referring to FIG. 3, FIG. 3 shows a thermal image captured by a thermal imaging camera (FIG. 3A) and a temperature deviation in the candidate sinkhole dividing step (S10). Each of the binary segmented images (FIG. 3B) processed by performing binary segmentation by

도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 열화상 카메라 영상의 회색 음영 이미지는 후보 싱크홀 분할단계(S10)의 입력에 해당하고, 분할(segmentation) 알고리즘은 열 영상에서 차가운 영역을 찾아 후보 싱크홀을 감지하는 처리가 수행된다. 3A and 3B, the grayscale image of the thermal imaging camera image corresponds to the input of the candidate sinkhole segmentation step (S10), and the segmentation algorithm searches for a cold region in the thermal image to determine the candidate sinkhole. The sensing process is performed.

이때, 주변 환경이 싱크홀보다 어두운 회색을 가질 수 있으므로 이중 임계(dual-thresholding) 방법을 적용하며, 이러한 이중 임계 처리는 이하의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. At this time, since the surrounding environment may have a darker gray color than the sinkhole, a dual-thresholding method is applied, and this double-thresholding process can be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, I는 입력 이미지이고, (x, y)는 특정 픽셀의 위치이며, Tl 과 Th는 각각 임계값을 나타낸다. Here, in [Equation 1], I is an input image, (x, y) is a location of a specific pixel, and T l and T h each represent a threshold value.

또한, Tl은 Otsu 알고리즘(Otsu, Nobuyuki. "A threshold selection method from gray-level histograms." IEEE transactions on systems, man, and cybernetics 9.1 (1979): 62-66. 참조)을 적용하여 결정되었으며, 데이터 세트에 대해서 적용한 결과 Th = Tl + 20에서 최상의 성능을 제공한다는 것을 알 수 있었다. In addition, T l was determined by applying the Otsu algorithm (see Otsu, Nobuyuki. "A threshold selection method from gray-level histograms." IEEE transactions on systems, man, and cybernetics 9.1 (1979): 62-66.), As a result of applying to the data set, it was found that T h = T l + 20 provided the best performance.

여기서, 상기한 바와 같이 하여 2진 분할 후에도 2진 이미지에 여전히 잡음이 남아 있으며, 이에, 분할된 영역의 가장자리 잡음을 제거하기 위해, 예를 들면, 개방(opening), 폐쇄(closing), 팽창(dilate), 침식(erode) 등과 같은 형태학적 동작(morphological operation)이 적용될 수 있다. Here, noise still remains in the binary image even after binary division as described above, and thus, in order to remove edge noise of the divided region, for example, opening, closing, expansion ( Morphological operations such as dilate, erode, etc. can be applied.

아울러, 형태학적 잡음 제거 후, 예를 들면, 나무, 건물, 자동차 등과 같이, 싱크홀과 유사한 형태들을 제거하기 위해 휴리스틱 필터의 알고리즘을 이용하여 연결 요소 분석(connected component analysis)을 적용하며, 이때, 분할된 이미지에서 흰색 픽셀의 각 블록은 휴리스틱 필터(heuristic filter)를 통과하는 연결된 구성 요소로 간주된다. In addition, after morphological noise is removed, connected component analysis is applied using an algorithm of a heuristic filter to remove shapes similar to sinkholes, such as trees, buildings, cars, etc. In the segmented image, each block of white pixels is considered a connected component that passes through a heuristic filter.

더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 싱크홀 분할단계(S10)에서 분할된 영역의 가장자리 잡음을 제거하기 위해 형태학적 잡음 제거 후 싱크홀과 유사한 형태들을 제거하기 위해 적용되는 휴리스틱 필터 알고리즘의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다. In more detail, referring to FIG. 4, FIG. 4 is to remove edge noise of a segmented area in the sinkhole segmentation step (S10) of the sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention. A diagram showing a detailed configuration of a heuristic filter algorithm applied to remove shapes similar to sinkholes after removing harmful morphological noise.

여기서, 도 4에 제시된 [Algorithm 1]에 있어서, CCi는 이미지에서 i번째 연결 구성요소, wi는 CCi의 넓이, hi는 CCi의 높이, si 는 CCi의 영역에서 i번째 연결 구성요소의 흰색 픽셀 수, t1 ~ t7은 임계값을 각각 의미한다. Here, in [Algorithm 1] shown in FIG. 4, CC i is the i-th connection element in the image, w i is the area of CC i , h i is the height of CCi, and s i is the i-th connection in the area of CC i The number of white pixels of the component, t 1 to t 7 denotes a threshold, respectively.

즉, 본 발명의 실시예에 적용되는 휴리스틱 필터의 알고리즘은 도 4에 제시된 [Algorithm 1]에 나타낸 바와 같이 하여 구성될 수 있으며, 분할된 이미지에서 노이즈를 제거하기 위해 플리커 에너지 분류가 고려될 수 있다. That is, the algorithm of the heuristic filter applied to the embodiment of the present invention may be configured as shown in [Algorithm 1] shown in FIG. 4, and flicker energy classification may be considered to remove noise from the divided image. .

또한, 휴리스틱 필터에서 사용된 임계값들은 경험적으로 선택될 수 있으며, 본 실시예에서 선택된 임계값들은 (t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7,) = (5, 100, 0, 2, 5, 75, 1000, 15) 이다. In addition, threshold values used in the heuristic filter may be empirically selected, and the threshold values selected in this embodiment are (t 1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 , t 6 , t 7 ,) = ( 5, 100, 0, 2, 5, 75, 1000, 15).

다음으로 CNN 전이학습에 의한 싱크홀 분류단계(S20)의 처리과정에 대하여 설명하면, 최근, 컴퓨터 기술의 발달로 딥러닝은 이미지를 분류하는데 가장 향상된 성능을 보여주고 있으며, 이에, 본 발명에서는 실제 싱크홀과 다른 물체를 구분하기 위해 다음과 같이 하여 CNN 분류기를 구현하였다. Next, the processing of the sinkhole classification step (S20) by CNN transfer learning will be described. Recently, due to the development of computer technology, deep learning shows the most improved performance in classifying images. Accordingly, in the present invention, In order to distinguish between sinkholes and other objects, a CNN classifier was implemented as follows.

더 상세하게는, CNN 전이학습을 이용한 영상분류는 훈련(training)과 예측(prediction)의 두 단계로 구성되고, 훈련단계에서 CNN 모델은 해당 유형으로 레이블이 지정된 알려진 데이터 이미지 세트를 사용하여 학습되며, 모델이 학습되면 새 이미지의 객체 유형을 예측하는 데 사용된다. More specifically, image classification using CNN transfer learning consists of two steps: training and prediction, and in the training step, the CNN model is trained using a set of known data images labeled with that type. When the model is trained, it is used to predict the object type of the new image.

그러나 CNN 모델을 학습하기 위해서는 엄청난 수의 매개 변수 때문에 큰 데이터 집합과 많은 양의 계산량 및 성능이 뛰어난 컴퓨터가 필요하며, 따라서 데이터 세트가 부족하면 CNN을 학습시키는데 많은 어려움이 있다. However, in order to train a CNN model, a large data set, a large amount of computation, and a computer with excellent performance are required because of a huge number of parameters. Therefore, if the data set is insufficient, it is difficult to train a CNN.

여기서, 사전에 훈련된 모델을 원래 데이터 집합에 속하지 않는 범주에서 작업하도록 전송될 수 있으며, 이에, 본 발명에서는 CNN 싱크홀 분류 모델을 학습하기 위해 전이학습 방법을 사용하였다. Here, the pre-trained model may be transmitted to work in a category that does not belong to the original data set. Accordingly, in the present invention, a transfer learning method is used to learn the CNN sinkhole classification model.

즉, 최근, 컴퓨터 비전과 딥러닝에서 가장 효율적으로 사용되는 훈련된 모델은 수백만 개의 이미지와 1000개의 객체 유형이 포함된 Image Net Dataset에서 학습된 ResNet(Residual Network)이며, 본 발명에서는 다양한 버전의 ResNet 중 ResNet-50을 선택하여 적용하였다. That is, recently, the most efficiently trained model used in computer vision and deep learning is ResNet (Residual Network) learned from the Image Net Dataset containing millions of images and 1000 object types, and in the present invention, various versions of ResNet Among them, ResNet-50 was selected and applied.

더 상세하게는, ResNet-50은 49개의 컨벌루션 레이어(convolution layer), 1개의 완전 연결된 레이어(fully connected layer) 및 1000 개의 객체 유형에 대한 각 이미지의 분류 점수를 계산하는 1개의 분류 레이어(classification layer)를 포함하고, 본 발명에서는 싱크홀 영역을 분류하기 위해 최종 레이어를 싱크홀과 싱크홀이 아닌 두 가지 객체 유형만 있는 새 레이어로 대체하였으며, 이러한 레이어는 데이터 집합에서 역전파 미세조정 접근방식(back-propatation fine-tune approach)을 사용하여 처음부터 훈련되어진다. More specifically, ResNet-50 has 49 convolution layers, 1 fully connected layer, and 1 classification layer that calculates the classification score of each image for 1000 object types. ), and in the present invention, in order to classify the sinkhole region, the final layer is replaced with a new layer that has only two object types other than the sinkhole and the sinkhole, and this layer is a backpropagation fine-tuning approach ( It is trained from scratch using a back-propatation fine-tune approach.

또한, 비디오 프레임에서 싱크홀 이미지를 분류하기 위한 목적으로 CNN을 훈련시키기 위해서는 훈련을 위한 하나의 데이터 세트와 평가를 위한 또 다른 데이터 세트를 준비해야 하며, 본 발명에서는 교육을 위한 데이터 세트로서 7000개의 싱크홀 이미지와 7000개의 싱크홀이 아닌 이미지를 적용하였고, 평가 데이터 세트는 각 클래스에 대해서 1000개의 이미지를 적용하였다. In addition, in order to train a CNN for the purpose of classifying sinkhole images in a video frame, one data set for training and another data set for evaluation must be prepared. In the present invention, 7000 data sets are used for training. Sinkhole images and 7000 non-sinkhole images were applied, and 1000 images were applied for each class in the evaluation data set.

여기서, 싱크홀이 아닌 이미지는 자동차, 인간 또는 나무와 같은 실제 싱크홀과 유사한 표면온도를 가지는 비디오 프레임에서 일정한 형태를 가지는 물체일 수 있으며, 단순히 배경 이미지일 수도 있다. Here, the image other than the sinkhole may be an object having a certain shape in a video frame having a surface temperature similar to that of an actual sinkhole, such as a car, a human, or a tree, or may be simply a background image.

전이학습 방식을 사용하여 CNN을 훈련할 때, 사전에 훈련된 CNN의 가중치가 상대적으로 좋았기 때문에 초기에 작은 학습율(learning rate)을 사용하였고 조기에 수정할 필요가 없었으며, 최적화 프로세스는 최대 50,000 반복 실행되었고, 훈련된 CNN 분류기의 결과 정확도는 99% 이상이었다. When training a CNN using the transfer learning method, a small learning rate was initially used because the weight of the previously trained CNN was relatively good, and there was no need to modify it early, and the optimization process was performed up to 50,000 iterations. The run, and the resulting accuracy of the trained CNN classifier was over 99%.

다음으로, HA 알고리즘에 의한 싱크홀 추적단계(S30)의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Next, specific contents of the sinkhole tracking step S30 by the HA algorithm will be described.

싱크홀을 CNN 분류기에서 감지하고 인식한 후 추적의 문제는 싱크홀을 연속 프레임의 개체 궤도인 각 트랙렛(tracklets)에 할당하는 것이며, 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 데이터 결합(association)을 위한 헝가리언 알고리즘(Hungarian Algorithm ; HA)을 구현하였다. After the sinkhole is detected and recognized by the CNN classifier, the problem of tracking is to allocate the sinkhole to each tracklets, which are individual trajectories of consecutive frames. To solve this problem, in the present invention, data association ) For Hungarian Algorithm (HA).

비디오 프레임에서 싱크홀이 N 개 발견되었다고 가정할 때 문제는 싱크홀이 속한 트랙렛을 식별하는 방법이며, 또한, sij를 i 번째 싱크홀과 j 번째 트랙렛의 데이터 분포 사이의 점수라고 하면, 이러한 점수는 트랙렛에서의 싱크홀 이미지와 검출된 싱크홀 이미지 사이의 상관관계(correlation)를 사용하여 계산되고, 즉, 상관점수가 높으면 싱크홀이 각 트랙렛에 속할 확률이 높다는 것을 의미한다. Assuming that N sinkholes are found in a video frame, the problem is how to identify the tracklet to which the sinkhole belongs, and suppose that s ij is the score between the data distribution of the ith sinkhole and the jth tracklet, This score is calculated using a correlation between the sinkhole image in the tracklet and the detected sinkhole image, that is, if the correlation score is high, it means that the probability that the sinkhole belongs to each tracklet is high.

HA를 사용하여 문제를 풀기 위해 거리

Figure pat00008
을 얻고, xij는 i 번째 싱크홀과 j 번째 트랙렛의 관계를 정의하며, i 번째 싱크홀이 j 번째 트랙렛의 일부인 경우에만 xij = 1, 그렇지 않으면 xij = 0 이므로, 따라서
Figure pat00009
이거나 하나의 검출된 싱크홀은 단지 하나의 트랙 세트에 속하며, 여기서,
Figure pat00010
, 그리고 N은 트랙렛의 수이다. Distance to Solve Problems Using HA
Figure pat00008
And x ij defines the relationship between the i-th sinkhole and the j-th tracklet, and x ij = 1 only if the i-th sinkhole is part of the j-th tracklet , otherwise x ij = 0, thus
Figure pat00009
Or one detected sinkhole belongs to only one set of tracks, where:
Figure pat00010
, And N is the number of tracklets.

즉, HA는 이러한 종류의 최적화 문제를 해결하는 방법으로서 이하의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있으며, 그것에 의해, 전체 비용함수를 최소화할 수 있다. That is, HA is a method of solving this kind of optimization problem, and can be expressed as the following [Equation 2], whereby the total cost function can be minimized.

[수학식 2] [Equation 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

또한, 할당문제(assignment problem)의 거리행렬은 이하의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다. In addition, the distance matrix of the assignment problem can be expressed as [Equation 3] below.

[수학식 3] [Equation 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

HA의 첫 번째 단계는, 이하의 [수학식 4]와 같이 하여 각 싱크홀과 트랙렛 사이의 최소거리를 찾은 다음 각각의 최소무게로 모든 가중치 dij를 빼는 처리가 수행된다. In the first step of the HA, a minimum distance between each sinkhole and a tracklet is found in the following [Equation 4], and then all weights d ij are subtracted by each minimum weight.

[수학식 4] [Equation 4]

Figure pat00013
Figure pat00013

마찬가지로, HA의 두 번째 단계는, 이하의 [수학식 5]와 같이 하여 거리 매트릭스의 동일한 열에 있는 모든 항목에서 각 열의 최소거리를 빼는 처리가 수행되고, 이 단계 후에 거리 매트릭스 D에는 0 값이 포함된다. Similarly, the second step of HA is a process of subtracting the minimum distance of each column from all items in the same column of the distance matrix by following [Equation 5], and after this step, the distance matrix D contains a value of 0. do.

[수학식 5] [Equation 5]

Figure pat00014
Figure pat00014

세 번째 단계에서, n을 최소한 한 개 이상의 0을 포함하는 수평/수직 라인이라고 할 때, n=N 이면, 거리 매트릭스 D의 0값을 기반으로 할당 xij를 만들 수 있으며, 그렇지 않으면, 세 번째 단계의 조건이 충족될 때까지 두 번째, 세 번째 단계를 반복한다. In the third step, if n is a horizontal/vertical line containing at least one zero, if n=N, we can make the assignment x ij based on the zero value in the distance matrix D, otherwise, the third Repeat the second and third steps until the conditions of the step are met.

여기서, 수집한 데이터 세트는 드론에서 캡처한 비디오이므로 싱크홀과 다른 물체는 고정되어 있고 카메라가 움직이기 때문에 비디오가 안정적이지 않으며, 경우에 따라서 분할 및 분류 단계에서 이미지의 실제 싱크홀을 감지하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. Here, since the collected data set is a video captured by a drone, the video is not stable because the sinkhole and other objects are fixed and the camera is moving, and in some cases, the actual sinkhole of the image cannot be detected in the segmentation and classification steps. Cases can arise.

이 경우, 이전 프레임의 이전 싱크홀 위치를 작은 변환거리(translation distance)로 사용하여 현재 프레임에 배치하고, 이때, 변환거리는 이전 프레임 및 현재 프레임의 다른 싱크홀 변환을 기반으로 계산된다. In this case, the previous sinkhole position of the previous frame is used as a small translation distance and is placed in the current frame. In this case, the transformation distance is calculated based on the previous frame and other sinkhole transformations of the current frame.

이러한 변환 보정은 비디오 프레임의 모든 싱크홀이 같은 방향으로 움직인다는 가정 하에 수행되었으며, 이 접근법은 시스템의 감지 및 인식과정에서 싱크홀이 누락된 문제를 해결하는데 도움이 된다. This conversion correction is performed under the assumption that all sinkholes of the video frame move in the same direction, and this approach helps to solve the problem of missing sinkholes in the detection and recognition process of the system.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 구현할 수 있으며, 계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법의 실제 성능을 실험을 통해 검증한 결과에 대하여 설명한다. Accordingly, as described above, a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to an embodiment of the present invention can be implemented, and then, deep learning and data according to an embodiment of the present invention configured as described above can be implemented. The results of verifying the actual performance of the sinkhole detection method using coupling will be described.

더 상세하게는, 본 발명에서는 실시간 싱크홀 탐지를 효율적으로 수행하기 위해 CPU : Intel Core i7, GPU : GTX 1070, Ram : 16Gb의 하드웨어를 사용하였으며, 제안된 싱크홀 추적 알고리즘을 평가하기 위해 무인 항공기에서 캡처한 수집된 비디오가 사용되었다. More specifically, in the present invention, hardware of CPU: Intel Core i7, GPU: GTX 1070, Ram: 16Gb was used to efficiently perform real-time sinkhole detection, and to evaluate the proposed sinkhole tracking algorithm, the drone The collected video captured in was used.

먼저, 입력 비디오를 학습용 데이터 세트와 테스트용 데이터 세트로 세분화 한 후 성능을 평가하기 위해 이하의 [수학식 6] 및 [수학식 7]을 사용하여 평균탐지정확도(Average detection Precision ; AP)와 평균재현(Average Recall ; AR)을 각각 추정하였다. First, after subdividing the input video into a training data set and a test data set, using the following [Equation 6] and [Equation 7] to evaluate the performance, the average detection precision (AP) and average Recall (Average Recall; AR) was estimated respectively.

[수학식 6] [Equation 6]

Figure pat00015
Figure pat00015

[수학식 7] [Equation 7]

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서, 상기한 [수학식 6] 및 [수학식 7]에 있어서, TP는 True Positive, FN은 False Negative, FP는 False Positive, FN은 False Negative를 각각 의미한다. Here, in [Equation 6] and [Equation 7], TP denotes True Positive, FN denotes False Negative, FP denotes False Positive, and FN denotes False Negative, respectively.

상기한 바와 같이 하여 중첩 임계값(overlapping threshold)에 의해 검출된 싱크홀이 FP 인지 또는 TP 인지를 알 수 있으며, FP는 실제 싱크홀의 중첩 임계값 이하로 중첩되는 모든 테스트 데이터를 테스트함으로써 결정되고, TP는 실제 싱크홀의 중첩 임계값 이상으로 중첩되는 모든 테스트 데이터를 테스트함으로써 결정된다. As described above, it is possible to know whether the sinkhole detected by the overlapping threshold is FP or TP, and FP is determined by testing all test data overlapping below the overlapping threshold of the actual sinkhole, The TP is determined by testing all test data that overlap above the overlapping threshold of the actual sinkhole.

또한, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 싱크홀 추적 알고리즘에 대한 정확도 평가 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다. Further, referring to FIG. 5, FIG. 5 is a diagram illustrating results of accuracy evaluation for a sinkhole tracking algorithm according to an embodiment of the present invention, organized in a table.

도 5에 나타낸 결과에 있어서, 일반적으로 추적방법의 성능을 평가하기 위해서 중첩 임계값을 0.5로 사용하며, 상기한 바와 같이 하여 AR과 AP를 계산한 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 중첩 임계값이 증가하면 AP와 AR 점수가 감소한다는 것을 알 수 있다. In the results shown in Fig. 5, in general, an overlap threshold value of 0.5 is used to evaluate the performance of the tracking method, and as a result of calculating the AR and AP as described above, as shown in Fig. 5, the overlap threshold value It can be seen that the AP and AR scores decrease as this increases.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 실시간 싱크홀 추적을 효율적으로 수행하기 위해 CNN 객체 분류기와 HA 데이터 연관을 결합한 접근방식을 제안하였으며, 실험결과 제안된 방법은 중첩 임계값 0.5에서 각각 AP와 AR에 대해 89%와 88.7%를 달성하였다. As described above, the present invention proposes an approach that combines CNN object classifier and HA data association in order to efficiently perform real-time synchole tracking. As a result of the experiment, the proposed method is for AP and AR respectively at an overlap threshold of 0.5. 89% and 88.7% were achieved.

여기서, 본 발명에서 제안된 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법은 입력 비디오가 안정적이지 않을 때 분할단계에서 잠재 싱크홀 후보를 감지하지 못하거나, 훈련 세트에서 입력 잠재 후보가 누락된 경우 분류기 성능이 좋지 않게 나타나는 경우도 있으나, 그럼에도 불구하고, 본 발명에서 제안된 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법은 적외선 카메라를 이용한 싱크홀 검색과 같은 실용적인 분야에 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다. Here, the sinkhole detection method using deep learning and data combination proposed in the present invention does not detect a potential sinkhole candidate in the segmentation step when the input video is not stable, or the input potential candidate is omitted from the training set. In some cases, the performance is poor, but nevertheless, it can be seen that the sinkhole detection method using deep learning and data combination proposed in the present invention can be usefully used in practical fields such as sinkhole search using an infrared camera. have.

아울러, 본 발명에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법은, 도시되지는 않았으나, 싱크홀이 발견되거나 미리 정해진 기준에 근거하여 싱크홀의 발생 가능성이 높을 것으로 판단되면 미리 설정된 수신처에 해당 사실을 전달하고 경보를 발생하는 경보발생단계를 더 포함하여 구성됨으로써, 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성될 수 있다. In addition, the sinkhole detection method using deep learning and data combination according to the present invention, although not shown, corresponds to a preset destination when a sinkhole is found or it is determined that the possibility of occurrence of a sinkhole is high based on a predetermined criterion. By further including an alarm generation step of transmitting and generating an alarm, it may be configured to prevent various accidents due to the sinkhole in advance.

이상, 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 본 발명에 따르면, 열화상 카메라 및 외부로부터 입력되는 영상을 수신하고, 상기한 바와 같은 알고리즘을 통해 영상분석을 수행하여 싱크홀을 탐지하고 싱크홀 발생시 경보를 발생하는 일련의 처리과정을 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행시키도록 구성됨으로써, 열화상 카메라를 이용하여 실시간으로 싱크홀을 탐지하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 싱크홀 탐지방법 및 싱크홀 탐지시스템을 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 구현할 수 있다. Above, through the configuration as described above, according to the present invention, a thermal imaging camera and an image input from the outside are received, and an image analysis is performed through the algorithm as described above to detect a sink hole, and an alarm when a sink hole occurs. A sinkhole detection method and sinkhole detection system configured to automatically perform a process for detecting sinkholes in real time using a thermal imaging camera by being configured to execute a series of processing processes occurring by a computer or dedicated hardware Can be easily implemented with a simple configuration and low cost.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템을 구현할 수 있다. Accordingly, as described above, a sinkhole detection method using deep learning and data combination according to the present invention and a sinkhole detection system using the same can be implemented.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 열화상 카메라를 통해 수집된 열 영상에 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 후보 싱크홀 영역을 추출하고, CNN 전이학습(transfer learning)을 적용하여 후보 싱크홀 영역들로부터 실제 싱크홀을 분류하며, 데이터 결합(data association)을 수행하여 분류된 싱크홀을 추적(sinkhole tracking) 하는 일련의 처리단계가 수행되도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법이 제공됨으로써, 예를 들면, light CNN 알고리즘과 같이, 상대적으로 성능이 낮은 싱크홀 탐지 알고리즘만이 적용 가능함으로 인해 탐지결과의 정확도 및 신뢰도가 충분히 보장되지 못하고 싱크홀의 정확한 위치를 추적하여 경고를 할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 싱크홀 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, by implementing the sinkhole detection method using deep learning and data combination according to the present invention as described above, according to the present invention, the binary division by temperature deviation on the thermal image collected through the thermal imaging camera ( Binary segmentation) is performed to extract candidate sinkhole regions, CNN transfer learning is applied to classify the actual sinkholes from candidate sinkhole regions, and the classified sinkholes are classified by performing data association. By providing a sinkhole detection method using deep learning and data combination, which is configured to perform a series of processing steps of sinkhole tracking, for example, a sinkhole detection algorithm with relatively low performance, such as the light CNN algorithm. Since only applicable, the accuracy and reliability of the detection result is not sufficiently guaranteed, and the problem of the sinkhole detection methods of the prior art can be solved, which has a limitation in that a warning cannot be issued by tracking the exact location of the sinkhole.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 열화상 카메라를 이용하여 촬영된 열 영상을 통해 비파괴적인 방법으로 지하에 싱크홀이 존재하는지의 여부를 기존의 방법들에 비해 보다 신속하고 정확하게 판단할 수 있도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법이 제공됨으로써, 싱크홀 발생을 조기에 발견하고, 싱크홀 발생 가능성을 미리 예측하여 경보를 발생하는 것에 의해 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to more quickly and accurately determine whether or not a sinkhole exists in the basement in a non-destructive manner through the thermal image captured using a thermal imaging camera as described above. A sinkhole detection method using deep learning and data combination is provided to prevent various accidents caused by sinkholes by early detection of sinkhole occurrence, predicting the possibility of sinkhole occurrence, and generating an alarm. can do.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여, 열화상 카메라로 촬영된 영상으로부터 실시간으로 신속하고 정확하게 싱크홀의 탐지가 이루어질 수 있도록 구성되는 싱크홀 탐지시스템을 제공할 수 있다. Moreover, according to the present invention, by using the sinkhole detection method using deep learning and data combination configured as described above, the sinkhole can be detected quickly and accurately in real time from the image captured by the thermal imaging camera. It can provide a sinkhole detection system.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법 및 이를 이용한 싱크홀 탐지시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.In the above, the details of the sinkhole detection method using deep learning and data combination according to the present invention and the sinkhole detection system using the same have been described through the embodiment of the present invention as described above. Therefore, the present invention is not limited to the contents described in the present invention, and various modifications, changes, combinations, and substitutions, etc., according to design needs and other various factors by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It is natural that it is possible.

Claims (10)

열화상 카메라로 촬영된 열 영상으로부터 싱크홀을 탐지하기 위한 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법에 있어서,
상기 처리는,
싱크홀 위치의 온도가 주변 지역의 온도보다 낮은 것에 근거하여, 온도편차에 의한 이진 분할(binary segmentation)을 수행하여 입력된 열화상 이미지의 비디오 프레임에서 후보 싱크홀 위치를 출력하는 처리가 수행되는 후보 싱크홀 분할(candidate sinkhole segmentation) 단계;
상기 후보 싱크홀 분할단계에서 선정된 후보 싱크홀들 중에서 실제 싱크홀을 분류하는 처리가 수행되는 싱크홀 분류(sinkhole classification) 단계; 및
상기 싱크홀 분류단계에서 분류된 실제 싱크홀들을 추적하는(tracking) 처리가 수행되는 싱크홀 추적(sinkhole tracking) 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
In the sinkhole detection method using deep learning and data combination configured to perform processing for detecting a sinkhole from a thermal image captured by a thermal imaging camera by a computer or dedicated hardware,
The above treatment,
Based on the fact that the temperature of the sinkhole location is lower than the temperature of the surrounding area, binary segmentation based on temperature deviation is performed to output the candidate sinkhole location in the video frame of the input thermal image. A sinkhole segmentation step;
A sinkhole classification step in which a process of classifying an actual sinkhole among candidate sinkholes selected in the candidate sinkhole dividing step is performed; And
A sinkhole detection method using deep learning and data combination, characterized in that it comprises a sinkhole tracking step in which a process of tracking actual sinkholes classified in the sinkhole classification step is performed.
제 1항에 있어서,
상기 후보 싱크홀 분할단계는,
이하의 수학식을 이용하여, 이중 임계(dual-thresholding) 방법을 적용하여 후보 싱크홀 위치를 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.

Figure pat00017


(여기서, I는 입력 이미지, (x, y)는 특정 픽셀의 위치, Tl 과 Th는 각각 미리 정해진 임계값을 의미함.)
The method of claim 1,
The step of dividing the candidate sinkhole,
A sinkhole detection method using deep learning and data combination, characterized in that the processing of determining a candidate sinkhole location by applying a dual-thresholding method is performed using the following equation.

Figure pat00017


(Here, I is the input image, (x, y) is the position of a specific pixel, and T l and T h are each a predetermined threshold.)
제 1항에 있어서,
상기 후보 싱크홀 분할단계는,
분할된 영역의 가장자리 잡음을 제거하기 위해, 개방(opening), 폐쇄(closing), 팽창(dilate), 침식(erode)을 포함하는 형태학적 동작(morphological operation)을 적용하여 형태학적 잡음을 제거한 후, 휴리스틱 필터 알고리즘을 이용하여 연결 요소 분석(connected component analysis)을 적용하는 것에 의해 나무, 건물, 자동차를 포함하는 싱크홀과 유사한 형태들을 제거하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
The method of claim 1,
The step of dividing the candidate sinkhole,
In order to remove the edge noise of the segmented area, morphological operation including opening, closing, dilate, and erode is applied to remove morphological noise, Deep learning and data, characterized in that it further comprises the step of removing shapes similar to sinkholes including trees, buildings, and vehicles by applying connected component analysis using a heuristic filter algorithm. A sinkhole detection method using coupling.
제 1항에 있어서,
상기 싱크홀 분류단계는,
CNN(Convolutional neural network) 전이학습(transfer learning) 방법을 이용하여 상기 후보 싱크홀 분할단계에서 선정된 후보 싱크홀들 중에서 실제 싱크홀을 분류하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
The method of claim 1,
The sinkhole classification step,
Deep learning and data, characterized in that a process of classifying an actual sinkhole among candidate sinkholes selected in the candidate sinkhole segmentation step is performed using a convolutional neural network (CNN) transfer learning method. A sinkhole detection method using coupling.
제 4항에 있어서,
상기 싱크홀 분류단계는,
ResNet-50을 포함하는 ResNet(Residual Network)을 이용하여 상기 CNN 전이학습을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
The method of claim 4,
The sinkhole classification step,
A sinkhole detection method using deep learning and data combination, characterized in that configured to perform the CNN transfer learning using ResNet (Residual Network) including ResNet-50.
제 1항에 있어서,
상기 싱크홀 추적단계는,
헝가리언 알고리즘(Hungarian Algorithm ; HA) 이용한 데이터 결합(data association)을 이용하여, 상기 싱크홀 분류단계에서 분류된 실제 싱크홀들을 해당 싱크홀이 속한 비디오 프레임의 트랙렛(tracklets)에 각각 할당하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
The method of claim 1,
The sinkhole tracking step,
Processing of allocating the actual sinkholes classified in the sinkhole classification step to tracklets of the video frame to which the sinkhole belongs, using data association using Hungarian Algorithm (HA) A sinkhole detection method using deep learning and data combination, characterized in that configured to perform.
제 6항에 있어서,
상기 싱크홀 추적단계는,
N은 트랙렛의 수이고, 거리행렬 D가 이하의 수학식으로 나타내지는 것으로 할 때,

Figure pat00018


(a) 이하의 수학식을 이용하여, 상기 거리행렬 D의 동일한 행에 있는 모든 항목에서 각 행의 최소거리를 빼는 처리가 수행되는 단계;

Figure pat00019


(b) 이하의 수학식을 이용하여, 상기 거리행렬 D의 동일한 열에 있는 모든 항목에서 각 열의 최소거리를 빼는 처리가 수행되는 단계; 및

Figure pat00020


(c) n을 최소한 한 개 이상의 0을 포함하는 행 또는 열 이라 할 때, n = N의 조건이 충족될 때까지 상기 (a) 및 상기 (b) 단계의 처리를 반복하여 상기 거리행렬 D의 0 값을 기반으로 각각의 싱크홀을 해당하는 트랙렛에 각각 할당하는 처리가 수행되는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
The method of claim 6,
The sinkhole tracking step,
When N is the number of tracklets and the distance matrix D is expressed by the following equation,

Figure pat00018


(a) performing a process of subtracting the minimum distance of each row from all items in the same row of the distance matrix D using the following equation;

Figure pat00019


(b) performing a process of subtracting the minimum distance of each column from all items in the same column of the distance matrix D using the following equation; And

Figure pat00020


(c) When n is a row or column containing at least one zero, the processing of steps (a) and (b) is repeated until the condition of n = N is satisfied, and the distance matrix D is A sinkhole detection method using deep learning and data combination, comprising the step of performing a process of assigning each sinkhole to a corresponding tracklet based on a value of 0.
제 1항에 있어서,
상기 탐지방법은,
이하의 수학식을 이용하여, 평균탐지정확도(Average detection Precision ; AP)와 평균재현(Average Recall ; AR) 및 중첩 임계값(overlapping threshold)에 근거하여 싱크홀 탐지결과에 대한 정확도를 평가하는 정확도 평가단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.

Figure pat00021

Figure pat00022


(여기서, TP는 True Positive, FN은 False Negative, FP는 False Positive, FN은 False Negative를 각각 의미함)
The method of claim 1,
The detection method,
Accuracy evaluation to evaluate the accuracy of the sinkhole detection result based on the average detection precision (AP), average recall (AR), and overlapping threshold using the following equation A sinkhole detection method using deep learning and data combination, characterized in that it further comprises a step.

Figure pat00021

Figure pat00022


(Here, TP means True Positive, FN means False Negative, FP means False Positive, and FN means False Negative, respectively)
제 1항에 있어서,
상기 탐지방법은,
싱크홀이 발견되거나 미리 정해진 기준에 근거하여 싱크홀의 발생 가능성이 높을 것으로 판단되면 미리 설정된 수신처에 해당 사실을 전달하고 경보를 발생하는 경보발생단계를 더 포함하여 구성됨으로써, 싱크홀로 인한 각종 사고를 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법.
The method of claim 1,
The detection method,
When a sinkhole is found or it is determined that the possibility of occurrence of a sinkhole is high based on a predetermined criterion, the fact is transmitted to a preset destination and an alarm generating step is further included to prevent various accidents due to the sinkhole. Sinkhole detection method using deep learning and data combination, characterized in that configured to prevent the.
싱크홀 탐지시스템에 있어서,
열화상 이미지를 촬영하기 위한 영상취득부; 및
상기 영상취득부에 의해 얻어진 열화상 이미지 또는 외부로부터 입력된 열 영상에 대하여 영상분석을 수행하여 싱크홀을 탐지하는 영상분석부를 포함하여 구성되고,
상기 영상분석부는,
청구항 1항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 딥러닝 및 데이터 결합을 이용한 싱크홀 탐지방법을 이용하여 싱크홀의 탐지가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 탐지시스템.
In the sinkhole detection system,
An image acquisition unit for photographing a thermal image; And
And an image analysis unit for detecting a sinkhole by performing image analysis on the thermal image obtained by the image acquisition unit or the thermal image input from the outside,
The image analysis unit,
A sinkhole detection system configured to detect a sinkhole by using the sinkhole detection method using deep learning and data combination according to any one of claims 1 to 9.
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