KR20210039527A - System for providing 2-dimensional water quality map using unmanned ship vehicle (usv) with fluorescence spectroscopy, and method for the same - Google Patents

System for providing 2-dimensional water quality map using unmanned ship vehicle (usv) with fluorescence spectroscopy, and method for the same Download PDF

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Abstract

Provided are a three-dimensional water quality map creation system using a movable unmanned ship equipped with a fluorescent sensor and a method thereof. Since a fluorescent sensor for water quality measurement and a water depth sensor are mounted on a movable unmanned ship (USV) capable of autonomous driving to measure water quality and water depth at the same time, a two-dimensional water quality map indicating a spatial distribution range of water pollution can be created with respect to a water specimen such as a river, a lake or the like, and also, since a fluorescent sensor and a depth sensor, which can measure chlorophyll-a, phycocyanin and total organic matter concentrations, are installed as an integrated body in the movable unmanned ship capable of autonomous driving, the total organic matter and algal bloom concentrations of a water specimen area can be measured in various directions, and water depth measurement can be performed to observe an influence conveyed from water depth to water quality. Also, a movable unmanned ship capable of water depth and water quality measurement is used to create a two-dimensional image water quality map in regard to total organic matter and algal bloom changes of the water specimen area.

Description

형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템 및 그 방법 {SYSTEM FOR PROVIDING 2-DIMENSIONAL WATER QUALITY MAP USING UNMANNED SHIP VEHICLE (USV) WITH FLUORESCENCE SPECTROSCOPY, AND METHOD FOR THE SAME}Two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor and its method {SYSTEM FOR PROVIDING 2-DIMENSIONAL WATER QUALITY MAP USING UNMANNED SHIP VEHICLE (USV) WITH FLUORESCENCE SPECTROSCOPY, AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 자율운항이 가능한 이동형 무인선(Unmanned Ship Vehicle: USV)에 수질 측정용 형광센서(Fluorescence spectroscopy) 및 수심 센서를 장착하여 수질 및 수심을 동시에 측정함으로써, 하천 및 호수 등과 같은 수체를 대상으로 수질오염의 공간적 분포범위를 나타내는 2차원 수질지도를 작성하는, 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship, and more specifically, a fluorescence sensor for water quality measurement (Fluorescence spectroscopy) and a water depth sensor on a mobile unmanned ship (USV) capable of autonomous navigation. By installing and measuring the water quality and depth at the same time, it creates a two-dimensional water quality map indicating the spatial distribution range of water pollution targeting water bodies such as rivers and lakes, and a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor. It relates to a system and a method thereof.

일반적으로, 수체를 대상으로 수질을 측정하는 방법으로서, 지점당 온라인 계측기를 설치하여 지점에 대한 수질을 측정하는 방법 및 현장 샘플링으로 대표 지점에 대한 수질을 결정하는 방법이 있다.In general, as a method of measuring water quality for a water body, there are a method of measuring the water quality for a point by installing an online meter per point, and a method of determining the water quality for a representative point by field sampling.

전자의 온라인 계측기를 이용하는 수질 측정방법은 지점당 하나의 데이터를 측정하는 방법이며, 또한, 후자의 현장 샘플링에 의한 수질 결정방법은 분석하는데 시간이 오래 소요되며, 샘플링 지점에 대한 수질을 나타내는 것만으로는 전체 수질을 대표할 수 없다는 한계점이 있다.The water quality measurement method using the former online measuring instrument measures one data per point, and the latter method of water quality determination by field sampling takes a long time to analyze, and only shows the water quality at the sampling point. Has a limitation that it cannot represent the total water quality.

구체적으로, 온라인 계측기를 이용하는 수질 측정방법은 접근성이 어려운 곳에 계측기를 설치한 경우가 많기 때문에 이러한 계측기 고장시에 교체 또는 수리를 받기 불편하며, 사람이 근접하기 어려운 곳의 수질 측정을 위해서 배를 이용해야 하므로 매우 불편하다는 한계가 있다. 또한, 비와 바람과 같은 여러 환경요인 때문에 짧은 시간 안에 수질 변화가 극적으로 바뀌는 경우가 빈번하다는 한계가 있다.Specifically, the water quality measurement method using an online measuring instrument is inconvenient to receive replacement or repair in the event of a failure of such a measuring instrument, because the measuring instrument is often installed in a place that is difficult to access, and a ship is used to measure the water quality in a place where it is difficult to reach a person. There is a limit of being very inconvenient because it must be done. In addition, there is a limitation that water quality changes frequently change dramatically within a short time due to various environmental factors such as rain and wind.

또한, 현장 샘플링에 의한 수질 결정방법의 경우, 하천 및 호수와 같이 넓은 지역을 현장 측정에 의해 수질을 모니터링해야 하므로 시간적 및 공간적으로 제한이 따른다. 또한, 하천과 같은 수체는 수심이 수질에 많은 영향을 미치며, 특히, 하천에서 발생하는 녹조는 수심의 영향을 많이 받는다. 이에 따라, 현장 샘플링에 의한 수질 결정방법의 경우, 대상 범위의 수체의 수질을 지점 하나로 모니터링하는 것은 수체 전체를 대표하기에는 부적절하다는 문제점이 있다.In addition, in the case of the water quality determination method by field sampling, the water quality must be monitored by field measurement in large areas such as rivers and lakes, so there is a limitation in time and space. In addition, in water bodies such as rivers, the depth of the water has a great influence on the water quality, and in particular, the green algae generated in the rivers are affected by the water depth. Accordingly, in the case of the water quality determination method by field sampling, there is a problem that it is inappropriate to represent the whole water body to monitor the water quality of the water body in the target range at one point.

전술한 종래의 기술에 따른 수체의 수질 측정방법의 한계점을 보완하기 위해서, 최근에는 이동형 무인선(Unmanned Ship Vehicle: USV)을 이용하여 수체의 수질을 측정하는 기술개발 사례가 증가하고 있다. 즉, 이러한 이동형 무인선(USV)은 하천, 강, 연못, 호수, 하구 등 수체의 수질을 모니터링하는데 적용될 수 있다.In order to compensate for the limitations of the method of measuring water quality of the water body according to the prior art described above, recently, there have been increasing cases of technology development for measuring the water quality of the water body using an unmanned ship vehicle (USV). That is, the mobile unmanned aerial vehicle (USV) can be applied to monitor the water quality of water bodies such as rivers, rivers, ponds, lakes, and estuaries.

하지만, 이러한 이동형 무인선(USV)의 경우, 수체의 수질 모니터링을 위해서 수질 측정센서(또는 수질 센서)가 필요한데, 아직까지 국내에서 수체의 클로로필-a 농도, 남조류를 대표하는 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 나타낼 수 있는 센서 및 모니터링 기술개발이 미흡한 상태에 있으며, 또한, 이를 2차원 영상으로 표현하는 데이터 작업 및 시스템도 미흡한 상태이다. 또한, 최근에 하천수 수질환경기준으로, 유기물질지표가 총유기탄소량(Total Organic Carbon; TOC)으로 전환됨에 따라 이러한 총유기탄소량(TOC)을 포함하는 유기물질지표의 모니터링이 필요한 실정이다.However, in the case of such a mobile unmanned aerial vehicle (USV), a water quality measurement sensor (or water quality sensor) is required to monitor the water quality of the water body. The development of sensors and monitoring technologies capable of indicating the concentration of organic matter is inadequate, and data work and systems for expressing them as two-dimensional images are also inadequate. In addition, as the organic material index has recently been converted to Total Organic Carbon (TOC) as a standard for the water quality of river water, it is necessary to monitor the organic material index including the total organic carbon (TOC).

대한민국 등록특허번호 제10-883046호(출원일: 2013년 6월 11일), 발명의 명칭:"무인원격 수질 및 기상환경 모니터링 선박 및 이의 운영방법"Republic of Korea Patent No. 10-883046 (filing date: June 11, 2013), title of invention: "Unmanned remote water quality and meteorological environment monitoring vessel and its operation method" 대한민국 등록특허번호 제10-1496083호(출원일: 2014년 1월 24일), 발명의 명칭: "형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법"Republic of Korea Patent No. 10-1496083 (filing date: January 24, 2014), title of the invention: "Chlorophyll and algae measuring apparatus and method using a fluorescent black line" 대한민국 등록특허번호 제10-1684407호(출원일: 2016년 12월 02일), 발명의 명칭: "광학 센서를 이용한 수질 오염 측정 시스템 및 수질 오염 측정 장치"Republic of Korea Patent No. 10-1684407 (filing date: December 02, 2016), title of the invention: "Water pollution measuring system and water pollution measuring device using an optical sensor" 대한민국 등록특허번호 제10-1406884호(출원일: 2014년 6월 5일), 발명의 명칭: "수질내 유기오염물의 실시간 검출을 위한 다파장 분석 기반 온라인 수질 측정 시스템"Republic of Korea Patent No. 10-1406884 (application date: June 5, 2014), title of invention: "On-line water quality measurement system based on multi-wavelength analysis for real-time detection of organic pollutants in water" 대한민국 등록특허번호 제10-1338038호(출원일: 2012년 9월 5일), 발명의 명칭: "레이저를 활용한 적조 및 녹조 발생 감시장치"Republic of Korea Patent No. 10-1338038 (filing date: September 5, 2012), title of invention: "Red tide and green algae outbreak monitoring device using laser" 대한민국 등록특허번호 제10-1075561호(출원일: 2011년 6월 10일), 발명의 명칭: "유ㅇ무선 인터넷을 기반으로 하는 멀티 수질측정장치"Republic of Korea Patent No. 10-1075561 (filing date: June 10, 2011), title of invention: "Multi water quality measuring device based on wired and wireless Internet" 대한민국 등록특허번호 제10-906654호(출원일: 2008년 7월 4일), 발명의 명칭: "소규모저수지 및 간척담수호 농업용수 원격 수질자동관측시스템 및 탁도관측 방법"Republic of Korea Patent No. 10-906654 (filing date: July 4, 2008), title of invention: "Small Reservoir and Reclamation Desalination Lake Agricultural Water Remote Water Quality Automatic Observation System and Turbidity Observation Method" 대한민국 등록특허번호 제10-522764호(출원일: 2002년 11월 20일), 발명의 명칭: "실시간 수질 모니터링 장치 및 그의 제어방법"Republic of Korea Patent No. 10-522764 (filing date: November 20, 2002), title of invention: "Real-time water quality monitoring device and its control method" 대한민국 등록특허번호 제10-1936586호(출원일: 2017년 2월 15일), 발명의 명칭: "자율주행 무인비행체 및 이동형 무인부체를 이용한 하천 녹조지도 작성 시스템 및 그 방법"Republic of Korea Registered Patent No. 10-1936586 (filing date: February 15, 2017), title of invention: "River green algae map creation system and method using self-driving unmanned aerial vehicle and mobile unmanned aerial vehicle"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 자율운항이 가능한 이동형 무인선(USV)에 수질 측정용 형광센서 및 수심 센서를 장착하여 수질 및 수심을 동시에 측정함으로써, 하천 및 호수 등과 같은 수체를 대상으로 수질오염의 공간적 분포범위를 나타내는 2차원 수질지도를 작성할 수 있는, 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention for solving the above-described problems is to simultaneously measure water quality and depth by attaching a fluorescent sensor for water quality measurement and a water depth sensor to a mobile unmanned aerial vehicle (USV) capable of autonomous navigation. It is to provide a system and method for creating a 2D water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor that can create a 2D water quality map representing the spatial distribution range of water pollution for the same water body.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 자율운항이 가능한 이동형 무인선에 클로로필-a, 피코시아닌 및 총유기물 농도를 다중 측정할 수 있는 형광센서와 수심센서를 통합 설치함으로써 수체 지역의 총유기물 농도 및 녹조 농도를 다양한 방향으로 측정하고, 수심 측정이 가능하여 수심이 수질에 미치는 영향을 관찰할 수 있는, 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to integrate a fluorescent sensor and a depth sensor capable of measuring multiple concentrations of chlorophyll-a, phycocyanin, and total organic matter on a mobile unmanned aerial vehicle capable of autonomous navigation. And to provide a two-dimensional water quality map creation system and method using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor that can measure the concentration of green algae in various directions and observe the effect of the water depth on the water quality. will be.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수심 및 수질 측정이 가능한 이동형 무인선을 이용하여 수체 면적의 총유기물 및 녹조 변화를 2차원 영상의 수질지도를 작성할 수 있는, 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor capable of creating a water quality map of a two-dimensional image of changes in total organic matter and green algae in a water body area using a mobile unmanned aerial vehicle capable of measuring water depth and water quality. It is to provide a system and method for creating a two-dimensional water quality map using lines.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템은, 자율운항이 가능하도록 GPS 모듈이 장착되며, 사전에 측정대상 하천의 구역 및 경로 설정 후 GPS 좌표지점을 입력하여 기설정된 경로를 따라 운항하며, 형광센서 및 수심 센서를 장착하여 측정대상 하천의 수질 및 수심을 동시에 측정하는 이동형 무인선; 상기 이동형 무인선 내에 탑재되어 상기 이동형 무인선의 자율운항 및 충돌회피를 제어하고, 상기 GPS 모듈의 좌표 데이터와 함께 상기 형광센서 및 수심 센서로부터 측정된 수질 데이터 및 수심 데이터를 수집하여 무선으로 실시간 전송하는 통합 관리모듈; 및 상기 통합 관리모듈로부터 수질 데이터, 수심 데이터 및 좌표 데이터를 무선으로 수신하여, 2차원 수질지도를 실시간 작성하는 관리자 단말을 포함하되, 상기 이동형 무인선의 형광센서는 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정하고, 동시에 상기 수심 센서가 수심을 측정하는 것을 특징으로 한다.As a means for achieving the above-described technical problem, the system for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to the present invention is equipped with a GPS module to enable autonomous navigation. A mobile unmanned aerial vehicle that operates along a preset route by inputting a GPS coordinate point after setting an area and route, and simultaneously measuring the water quality and depth of the river to be measured by mounting a fluorescence sensor and a depth sensor; It is mounted in the mobile unmanned aerial vehicle to control autonomous navigation and collision avoidance of the mobile unmanned aerial vehicle, and collects water quality data and water depth data measured from the fluorescence sensor and the water depth sensor together with the coordinate data of the GPS module and transmits wirelessly in real time. Integrated management module; And a manager terminal for wirelessly receiving water quality data, water depth data, and coordinate data from the integrated management module to create a two-dimensional water quality map in real time, wherein the fluorescence sensor of the mobile unmanned ship is calculated as a fluorescence intensity value. It is characterized in that the concentration, the phycocyanin concentration, and the total organic matter concentration are measured multiplexed, and the depth sensor measures the water depth at the same time.

여기서, 상기 형광센서는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 클로로필-a 농도는 650㎚~700㎚의 방출파장과 400㎚~450㎚의 여기파장, 675㎚~725㎚의 방출파장과 650㎚~700㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 피코시아닌 농도는 650㎚~720㎚의 방출파장과 600㎚~630㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내며, 상기 클로로필-a 농도는, Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425㎚, 675㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0014, b = 0.0085로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있고, 상기 피코시아닌 농도는 Blue Green Algae(㎍/L) = [(Intensity, 610㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0006, b = 0.0076로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있다.Here, the fluorescence sensor measures a fluorescence intensity value representing a concentration of chlorophyll-a and a concentration of phycocyanin, but the concentration of chlorophyll-a is an emission wavelength of 650 nm to 700 nm and an excitation wavelength of 400 nm to 450 nm, 675 nm. It represents the fluorescence intensity value measured at the emission wavelength of ~725nm and the excitation wavelength of 650nm~700nm, and the phycocyanin concentration is measured at the emission wavelength of 650nm~720nm and the excitation wavelength of 600nm~630nm. Represents a fluorescence intensity value, and the concentration of chlorophyll-a is given as Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425nm, 675nm) + b] / a, where a = 0.0014, b = 0.0085 However, the a and b values can be changed according to the fluorescence intensity value, and the phycocyanin concentration is given as Blue Green Algae(㎍/L) = [(Intensity, 610 nm) + b] / a, In this case, a = 0.0006 and b = 0.0076 are given, but the a and b values may be changed according to the fluorescence intensity value.

여기서, 상기 형광센서는 유기물 농도 분석을 위해 추출된 제1, 제2 및 제3 매트릭스(C1, C2, C3)에 따라 총유기물 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 제2 매트릭스(C2)는 350㎚~450㎚의 방출파장과 300㎚~350㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 제1 매트릭스(C1)는 400㎚~500㎚의 방출파장과 250㎚~300㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 300㎚의 방출파장과 275㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내며, 상기 총유기물 농도(TOC)는, TOC(㎎/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 52.305, b = 37.687로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있다.Here, the fluorescence sensor measures a fluorescence intensity value representing a total organic concentration according to the first, second, and third matrices (C1, C2, C3) extracted for organic substance concentration analysis, and the second matrix (C2) Represents a fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 350 nm to 450 nm and an excitation wavelength of 300 nm to 350 nm, and the first matrix C1 has an emission wavelength of 400 nm to 500 nm and an emission wavelength of 250 nm to 300 nm. A fluorescence intensity value measured at an excitation wavelength is indicated, and the third matrix C3 indicates a fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 300 nm and an excitation wavelength of 275 nm, and the total organic concentration (TOC) is TOC (Mg/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a is given, in this case, a = 52.305, b = 37.687, but the a and b values can be changed according to the fluorescence intensity value. .

여기서, 상기 제1 매트릭스(C1)는 총유기물 농도 중 휴믹산 농도를 나타내며, 상기 제2 매트릭스(C2)는 총유기물 농도 중 휴믹산 및 펄빅산 농도를 나타내며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 총유기물 농도 중 단백질 농도를 나타내는 것을 특징으로 한다.Here, the first matrix (C1) represents the concentration of humic acid among the total organic substance concentration, the second matrix (C2) represents the concentration of humic acid and fulvic acid among the total organic substance concentration, and the third matrix (C3) represents the total organic substance concentration. Characterized in that it shows the protein concentration.

여기서, 상기 형광센서에서 측정된 각각의 형광강도값은 상기 관리자 단말의 데이터 가공부에서 각각 농도로 변환되며, 상기 농도로 변환된 데이터는 통계적 기법으로 정리되어 상기 좌표 데이터와 매칭된 후 2차원 수질지도로 매핑되는 것을 특징으로 한다.Here, each fluorescence intensity value measured by the fluorescence sensor is converted to a concentration in the data processing unit of the manager terminal, and the data converted to the concentration is organized by a statistical technique and matched with the coordinate data, and then the two-dimensional water quality It is characterized by being mapped to a map.

여기서, 상기 이동형 무인선은, 이동형 무인선 본체; 수질 센서로서, 상기 이동형 무인선 본체에 장착되어 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정하는 형광센서; 상기 이동형 무인선 본체에 설치되어 대상 하천의 수심을 실시간으로 측정하는 수심 센서; 자동항법장치로서, 상기 이동형 무인선 본체에 탑재되어 상기 이동형 무인선의 위치를 나타내는 좌표 데이터를 생성하는 GPS 모듈; 및 상기 이동형 무인선 본체가 GPS 좌표지점이 입력된 기설정된 운항경로를 따라 자율운항하도록 구동하는 자율운항 구동부를 포함할 수 있다.Here, the mobile unmanned aerial vehicle may include a mobile unmanned aerial vehicle body; A water quality sensor, comprising: a fluorescence sensor mounted on the mobile unmanned aerial vehicle body to measure multiple concentrations of chlorophyll-a, phycocyanin concentrations, and total organic matters calculated as fluorescence intensity values; A depth sensor installed on the mobile unmanned aerial vehicle body to measure the depth of a target river in real time; An automatic navigation device, comprising: a GPS module mounted on the main body of the mobile unmanned aerial vehicle to generate coordinate data representing the location of the mobile unmanned aerial vehicle; And an autonomous navigation driving unit for driving the mobile unmanned aerial vehicle main body to autonomously navigate along a preset navigation route in which a GPS coordinate point is input.

여기서, 상기 이동형 무인선은, 상기 이동형 무인선 본체 상부 전면에 설치되어 자율운항 경로의 전방의 장애물을 촬영하는 카메라; 및 상기 카메라의 측면에 설치되고, 레이저 펄스를 발산하여 상기 장애물로부터 반사되어 돌아오는 것을 측정하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하는 Lidar 센서를 추가로 포함하되, 상기 이동형 무인선은 상기 카메라 및 Lidar 센서에 의해 수체 상부에서 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.Here, the mobile unmanned aerial vehicle includes: a camera installed on an upper front surface of the mobile unmanned aerial vehicle body to photograph an obstacle in front of the autonomous navigation route; And a lidar sensor installed on the side of the camera and measuring a distance to the obstacle by radiating a laser pulse and measuring a return from the obstacle, wherein the mobile unmanned aerial vehicle includes the camera and the lidar sensor It is characterized in that it is controlled to avoid a collision when unexpected obstacles are found during autonomous navigation at the top of the water body.

여기서, 상기 통합 관리모듈은, 상기 형광센서가 측정한 수질 데이터 및 상기 수심 센서가 측정한 수심 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부에서 수집된 수질 및 수심 데이터와 상기 GPS 모듈의 좌표 데이터를 무선 전송이 가능하도록 변환하고, 상기 이동형 무인선의 자율운항을 통합 관리하는 통합 관리부; 무선통신모듈로서, 상기 통합 관리부의 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 전송부; 및 상기 이동형 무인선의 자율운항 구동부의 구동을 제어하는 자율운항 제어부를 포함할 수 있다.Here, the integrated management module includes: a data collection unit for collecting water quality data measured by the fluorescence sensor and water depth data measured by the water depth sensor; An integrated management unit that converts the water quality and depth data collected by the data collection unit and coordinate data of the GPS module to enable wireless transmission, and integrates and manages the autonomous navigation of the mobile unmanned aerial vehicle; A wireless communication module, comprising: a data transmission unit for wirelessly transmitting water quality, water depth and coordinate data of the integrated management unit; And an autonomous navigation control unit that controls the driving of the autonomous navigation driving unit of the mobile unmanned aerial vehicle.

여기서, 상기 통합 관리모듈은, 상기 이동형 무인선의 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 상기 자율운항 구동부의 구동을 제어하는 충돌회피 제어부를 추가로 포함할 수 있다.Here, the integrated management module may further include a collision avoidance control unit that controls the driving of the autonomous navigation driving unit to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation of the mobile unmanned aerial vehicle.

여기서, 상기 관리자 단말은, 무선통신모듈로서, 상기 통합 관리모듈의 데이터 전송부로부터 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 수신하는 데이터 수신부; 통계적 수치해석 알고리즘이 적용되는 데이터마이닝 기법에 따라 상기 수신된 수질, 수심 및 좌표 데이터에 대한 유효값을 도출하도록 가공하는 데이터 가공부; 상기 데이터 가공부에서 가공된 데이터를 분석하여 유효값으로 정리된 포인트 기반의 데이터를 보간법을 이용하여 셀 기반의 지도로 매핑시키는 데이터 분석 및 매핑부; 및 상기 데이터 분석 및 매핑부의 지도 매핑에 대응하여 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성하는 2차원 수질지도 작성부를 포함할 수 있다.Here, the manager terminal, as a wireless communication module, the data receiving unit for wirelessly receiving water quality, water depth and coordinate data from the data transmission unit of the integrated management module; A data processing unit processing the received water quality, depth and coordinate data to derive effective values according to a data mining technique to which a statistical numerical analysis algorithm is applied; A data analysis and mapping unit that analyzes the data processed by the data processing unit and maps the point-based data, which is arranged as an effective value, into a cell-based map using an interpolation method; And a two-dimensional water quality map creation unit that creates a two-dimensional water quality map for the concentration of green algae and total organic matter in a water body in response to the map mapping of the data analysis and mapping unit.

여기서, 상기 관리자 단말은, 상기 2차원 수질지도 작성부에서 작성된 2차원 수질지도의 변경사항이 있는 경우, 수심 및 수질 종류에 따라 영상을 편집하여 변경하는 영상 편집부를 추가로 포함할 수 있다.Here, the manager terminal may further include an image editing unit for editing and changing an image according to a water depth and a type of water when there is a change in the 2D water quality map created by the 2D water quality map creation unit.

여기서, 상기 데이터 가공부는 1차적으로는 측정 오류값을 배제해하고, 2차적으로는 공간을 나타내는 좌표값 기반으로 데이터를 정리하는 것을 특징으로 한다.Here, the data processing unit is characterized in that firstly, the measurement error value is excluded, and secondly, the data is arranged based on a coordinate value representing a space.

여기서, 상기 데이터 분석 및 매핑부는 역거리 가중법 또는 크리깅 보간법을 선택하여 보간을 수행할 수 있다.Here, the data analysis and mapping unit may perform interpolation by selecting an inverse distance weighting method or a kriging interpolation method.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법은, a) 이동형 무인선을 수체 내에서 자율운항시키는 단계; b) 상기 이동형 무인선에 탑재된 형광센서를 사용하여 수질을 측정하고, 동시에 수심 센서를 사용하여 수심을 측정하는 단계; c) 상기 이동형 무인선에 탑재된 통합 관리모듈이 상기 측정된 수질 및 수심 데이터를 수집하는 단계; d) 상기 통합 관리모듈이 상기 수집된 수질 및 수심 데이터를 좌표 데이터와 함께 무선으로 관리자 단말로 실시간 전송하는 단계; e) 상기 관리자 단말이 상기 전송된 수질 및 수심 데이터를 가공하여 유효값을 도출하는 단계; f) 상기 관리자 단말이 상기 가공된 데이터를 분석하여 지도에 매핑시키는 단계; 및 g) 상기 관리자 단말이 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성하는 단계를 포함하되, 상기 b) 단계의 형광센서는 수질 센서로서, 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기탄소 농도에 대한 수체의 수질을 다중 측정하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, as another means for achieving the above-described technical problem, the method for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to the present invention comprises the steps of: a) autonomously operating a mobile unmanned aerial vehicle within a water body; b) measuring the water quality using a fluorescent sensor mounted on the mobile unmanned ship, and measuring the water depth using a water depth sensor at the same time; c) collecting the measured water quality and depth data by an integrated management module mounted on the mobile unmanned aerial vehicle; d) transmitting, by the integrated management module, the collected water quality and depth data together with coordinate data to a manager terminal in real time; e) the manager terminal processing the transmitted water quality and depth data to derive an effective value; f) the manager terminal analyzing the processed data and mapping it to a map; And g) the manager terminal creating a two-dimensional water quality map for the green algae concentration and total organic matter concentration in the water body, wherein the fluorescence sensor of step b) is a water quality sensor, chlorophyll-a concentration, phycocyanin concentration And multiple measurements of the water quality of the water body with respect to the total organic carbon concentration.

본 발명에 따르면, 자율운항이 가능한 이동형 무인선(USV)에 수질 측정용 형광센서 및 수심 센서를 장착하여 수질 및 수심을 동시에 측정함으로써, 하천 및 호수 등과 같은 수체를 대상으로 수질오염의 공간적 분포범위를 나타내는 2차원 수질지도를 작성할 수 있다.According to the present invention, the spatial distribution range of water pollution in water bodies such as rivers and lakes by simultaneously measuring water quality and depth by attaching a fluorescent sensor for water quality measurement and a water depth sensor to a mobile unmanned aerial vehicle (USV) capable of autonomous navigation. You can create a two-dimensional water quality map showing

본 발명에 따르면, 자율운항이 가능한 이동형 무인선에 클로로필-a, 피코시아닌 및 총유기물 농도를 다중 측정할 수 있는 형광센서와 수심센서를 통합 설치함으로써 수체 지역의 총유기물 농도 및 녹조 농도를 다양한 방향으로 측정하고, 수심 측정이 가능하여 수심이 수질에 미치는 영향을 관찰할 수 있다. 즉, 자율운항 이동형 무인선에 수심 센서 및 형광센서를 통합 설치함으로써 하천, 호소, 저수지, 해역 등의 수체의 총유기물 및 녹조 농도를 통합감시장치로 구축할 수 있다. 이에 따라 수심이 수질에 미치는 거동을 분석할 수 있다.According to the present invention, by integrating a fluorescence sensor and a depth sensor capable of measuring multiple concentrations of chlorophyll-a, phycocyanin and total organic matter on a mobile unmanned aerial vehicle capable of autonomous navigation, the total organic concentration and algal concentration in the water body area can be varied. It can be measured in a direction and the depth of water can be measured, so that the effect of water depth on the water quality can be observed. In other words, by integrating a depth sensor and a fluorescent sensor on an autonomous mobile unmanned ship, the total organic matter and green algae concentration in water bodies such as rivers, lakes, reservoirs, and sea areas can be constructed as an integrated monitoring device. Accordingly, the behavior of the water depth on the water quality can be analyzed.

본 발명에 따르면, 수심 및 수질 측정이 가능한 이동형 무인선을 이용하여 수체 면적의 총유기물 및 녹조 변화를 2차원 영상의 수질지도를 작성할 수 있다.According to the present invention, it is possible to create a water quality map of a two-dimensional image of changes in total organic matter and green algae in a water body area using a mobile unmanned aerial vehicle capable of measuring water depth and water quality.

본 발명에 따르면, 모든 수체를 대상으로 수체 면적의 총유기물 및 녹조 변화를 2차원적으로 신속하게 분석할 수 있다.According to the present invention, changes in total organic matter and green algae in the water body area can be quickly analyzed in two dimensions for all water bodies.

본 발명에 따르면, 지상에서 배를 타고 나가야되는 불편한 현장 샘플링 없이도 수체 내의 수질 변화 및 수체의 수심을 알 수 있기 때문에, 수체 내의 한 점에 의한 모니터링이 아닌 요구하는 수체의 전체 면적의 총유기물 및 녹조 변화를 2차원으로 시각적 영상을 표현할 수 있다.According to the present invention, since it is possible to know the change in water quality and the depth of the water body without inconvenient field sampling that has to go out by boat from the ground, the total organic matter and green algae of the total area of the water body requested are not monitored by a single point in the water body. Changes can be expressed in two-dimensional visual images.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템에서 관리자 단말의 구체적인 구성도이다.
도 4는 형광분석법에 의해 검출되는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 파장의 매트릭스를 나타내는 도면이다.
도 5는 형광분석법에 의해 검출되는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 형광강도값을 나타내는 도면이다.
도 6은 클로로필-a 농도와 파장값과의 상관성을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 유기물 농도 분석을 위해 추출된 매트릭스를 나타내는 도면이다.
도 8은 매트릭스(C1, C2, C3)와 총유기물 농도(TOC)와 상관성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법의 동작흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법에서 관리자 단말의 2차원 수질지도 작성을 구체적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법에서 수체의 총유기물 및 녹조 농도의 2차원 영상을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic configuration diagram of a system for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a detailed configuration diagram of a manager terminal in a system for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a matrix of wavelengths indicating the concentration of chlorophyll-a and the concentration of phycocyanin detected by fluorescence analysis.
5 is a diagram showing fluorescence intensity values indicating the concentration of chlorophyll-a and the concentration of phycocyanin detected by fluorescence analysis.
6 is a diagram showing the correlation between the concentration of chlorophyll-a and the wavelength value.
7A to 7C are diagrams showing matrices extracted for organic substance concentration analysis, respectively.
8 is a diagram showing the correlation between the matrix (C1, C2, C3) and the total organic concentration (TOC).
9 is an operation flow diagram of a method for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.
10 is an operation flow diagram specifically showing the creation of a 2D water quality map by a manager terminal in the method of creating a 2D water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.
11 is a view showing a two-dimensional image of total organic matter and green algae concentration in a water body in a method for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.

아래는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "... unit" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 설명하고, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템을 설명하고, 또한, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법을 설명한다.Hereinafter, a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, and a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. A system for creating a two-dimensional water quality map using lines will be described, and a method for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 11. .

[형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템][2D water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 예시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선(100)은, 무인선 본체(110) 상에 수심 센서(120), 형광센서(130), GPS 모듈(140), 카메라(160) 및 Lidar 센서(170)가 탑재된다.As shown in Fig. 1, the mobile unmanned aerial vehicle 100 equipped with a fluorescence sensor according to an embodiment of the present invention includes a depth sensor 120, a fluorescence sensor 130, and a GPS module on the unmanned vehicle body 110. (140), a camera 160 and a Lidar sensor 170 are mounted.

여기서, 형광센서(130)는 수질 센서로서, 상기 형광센서(130)에 의해 측정된 형광강도값은 상기 통합 관리모듈로 실시간 전송되며, 이때, 상기 형광센서(130)에 의해 측정되는 측정값은 초당 1개 이상의 데이터로 구성된다. 예를 들면, 상기 형광센서(130)는 상기 이동형 무인선(100)의 중간에 설치되어 측정 수체를 대상으로 총유기물 및 녹조 농도를 측정한다.Here, the fluorescence sensor 130 is a water quality sensor, and the fluorescence intensity value measured by the fluorescence sensor 130 is transmitted in real time to the integrated management module, and at this time, the measurement value measured by the fluorescence sensor 130 is It consists of one or more data per second. For example, the fluorescence sensor 130 is installed in the middle of the mobile unmanned aerial vehicle 100 to measure the total organic matter and green algae concentration on the measuring body.

또한, Lidar(LIght Detection And Ranging) 센서는 레이저 펄스를 발사하고, 그 빛이 주위의 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리 등을 측정함으로써 주변의 모습을 정밀하게 그려내는 장치이다. 이러한 Lidar 센서는 대상 물체까지의 거리뿐만 아니라 움직이는 속도와 방향, 온도, 주변의 대기 물질 분석 및 농도 측정 등에 사용된다.In addition, the Lidar (LIght Detection And Ranging) sensor is a device that accurately draws the surroundings by emitting a laser pulse and measuring the distance to the object by receiving the light reflected back from the surrounding target object. These Lidar sensors are used not only for distance to a target object, but also for moving speed and direction, temperature, analysis of ambient air substances, and concentration measurement.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선(100)은, 도 1에 도시된 카메라(160)와 Lidar 센서(170)에 의해 수체 상부에서 상기 이동형 무인선(100)이 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피할 수 있도록 제어된다.In addition, the movable unmanned aerial vehicle 100 equipped with a fluorescence sensor according to an embodiment of the present invention includes the mobile unmanned aerial vehicle 100 from the upper part of the water body by the camera 160 and the lidar sensor 170 shown in FIG. 1. It is controlled to avoid collision when unexpected obstacles are found during autonomous navigation.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템에서 관리자 단말의 구체적인 구성도이다.Meanwhile, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a system for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention. This is a detailed configuration diagram of a manager terminal in a two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템은, 크게, 이동형 무인선(100), 통합 관리모듈(200) 및 관리자 단말(300)을 포함한다. 여기서, 상기 이동형 무인선(100)은 이동형 무인선 본체(110), 수심 센서(120), 형광센서(130), GPS 모듈(140) 및 자율운항 구동부(150)를 포함하며, 또한, 상기 이동형 무인선(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 카메라(160) 및 Lidar 센서(170)를 포함한다. 또한, 상기 통합 관리모듈(200)은 데이터 수집부(210), 통합 관리부(220), 데이터 전송부(230), 자율운항 제어부(240) 및 충돌회피 제어부(250)를 포함한다.Referring to FIG. 2, a system for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention includes a mobile unmanned aerial vehicle 100, an integrated management module 200, and a manager terminal ( 300). Here, the mobile unmanned aerial vehicle 100 includes a mobile unmanned aerial vehicle body 110, a depth sensor 120, a fluorescence sensor 130, a GPS module 140, and an autonomous navigation driver 150, and further, the mobile The unmanned aerial vehicle 100 includes a camera 160 and a Lidar sensor 170, as shown in FIG. 1. In addition, the integrated management module 200 includes a data collection unit 210, an integrated management unit 220, a data transmission unit 230, an autonomous navigation control unit 240, and a collision avoidance control unit 250.

이동형 무인선(100)은 자율운항이 가능하도록 GPS 모듈(140)이 장착되며, 사전에 측정대상 하천의 구역 및 경로 설정 후 GPS 좌표지점을 입력하여 기설정된 경로를 따라 운항하며, 형광센서(130) 및 수심 센서(120)를 장착하여 측정대상 하천의 수질 및 수심을 동시에 측정한다. 여기서, 상기 이동형 무인선(100)의 형광센서(130)는 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정하고, 동시에 상기 수심 센서(120)가 수심을 측정한다.The mobile unmanned ship 100 is equipped with a GPS module 140 to enable autonomous navigation, and operates according to a preset route by inputting a GPS coordinate point after setting the area and route of the river to be measured in advance. ) And a depth sensor 120 to measure the water quality and depth of the river to be measured at the same time. Here, the fluorescence sensor 130 of the mobile unmanned aerial vehicle 100 multi-measures the chlorophyll-a concentration, the phycocyanin concentration, and the total organic concentration calculated as the fluorescence intensity value, and at the same time, the depth sensor 120 Measure.

구체적으로, 상기 이동형 무인선(100)의 형광센서(130)는 수질 센서로서, 이동형 무인선 본체(110)에 장착되어 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정한다. 다시 말하면, 상기 형광센서(130)에서 측정된 각각의 형광강도값은, 후술하는 바와 같이, 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)에서 각각 농도로 변환되며, 상기 농도로 변환된 데이터는 통계적 기법으로 정리되어 상기 좌표 데이터와 매칭된 후 2차원 수질지도로 매핑될 수 있다. 또한, 상기 이동형 무인선(100)의 수심 센서(120)는 상기 이동형 무인선 본체(110)에 설치되어 대상 하천의 수심을 실시간으로 측정한다.Specifically, the fluorescence sensor 130 of the mobile unmanned ship 100 is a water quality sensor, and is mounted on the mobile unmanned ship body 110 to calculate the fluorescence intensity value of the chlorophyll-a concentration, the phycocyanin concentration, and the total organic matter concentration. Is measured multiple times. In other words, each fluorescence intensity value measured by the fluorescence sensor 130 is converted into concentration by the data processing unit 320 of the manager terminal 300, as described later, and data converted into the concentration May be summarized using a statistical technique, matched with the coordinate data, and then mapped to a two-dimensional water quality map. In addition, the depth sensor 120 of the mobile unmanned aerial vehicle 100 is installed in the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to measure the depth of the target river in real time.

또한, 상기 이동형 무인선(100)의 GPS 모듈(140)은 자동항법장치로서, 상기 이동형 무인선 본체(110)에 탑재되어 상기 이동형 무인선(100)의 위치를 나타내는 좌표 데이터를 생성한다.In addition, the GPS module 140 of the mobile unmanned aerial vehicle 100 is an automatic navigation device and is mounted on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to generate coordinate data indicating the location of the mobile unmanned aerial vehicle 100.

상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 구동부(150)는 상기 이동형 무인선 본체(110)가 GPS 좌표지점이 입력된 기설정된 운항경로를 따라 자율운항하도록 구동한다. 즉, 상기 자율운항 구동부(150)는 상기 이동형 무인선(100)이 자동으로 설정된 운항경로를 따라 GPS를 기반으로 하여 사용자가 임의로 설정한 경로대로 이동경로에 따라 자율적으로 운항된다. 이때, 상기 이동형 무인선(100)은 설정된 운항경로를 따라 GPS 신호를 이용하여 위치를 파악하고, 위치를 기록하여 관리자 단말(300)에 실시간으로 전송한다.The autonomous navigation driving unit 150 of the mobile unmanned aerial vehicle 100 drives the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to operate autonomously along a preset navigation route in which a GPS coordinate point is input. That is, the autonomous navigation driving unit 150 operates autonomously according to the movement route according to the route arbitrarily set by the user based on GPS along the navigation route automatically set by the mobile unmanned aerial vehicle 100. At this time, the mobile unmanned aerial vehicle 100 grasps a location using a GPS signal along a set navigation route, records the location, and transmits it to the manager terminal 300 in real time.

또한, 상기 이동형 무인선(100)의 카메라(160)는 상기 이동형 무인선 본체(110) 상부 전면에 설치되어 자율운항 경로의 전방의 장애물을 촬영하고, 상기 이동형 무인선(100)의 Lidar 센서(170)는 상기 카메라(160)의 측면에 설치되고, 레이저 펄스를 발산하여 상기 장애물로부터 반사되어 돌아오는 것을 측정하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하며, 이에 따라, 상기 이동형 무인선(100)은 상기 카메라(160) 및 Lidar 센서(170)에 의해 수체 상부에서 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 제어된다.In addition, the camera 160 of the mobile unmanned aerial vehicle 100 is installed on the upper front of the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to photograph an obstacle in front of the autonomous navigation route, and a lidar sensor of the mobile unmanned aerial vehicle 100 ( 170) is installed on the side of the camera 160 and measures the distance to the obstacle by measuring the reflected return from the obstacle by emitting a laser pulse, and accordingly, the mobile unmanned ship 100 It is controlled by the camera 160 and the lidar sensor 170 to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation in the upper part of the water body.

도 2를 다시 참조하면, 통합 관리모듈(200)은 자율운항이 가능한 이동형 무인선(100)을 통합적으로 관리하는 통합감시부로서, 상기 이동형 무인선(100)의 운항 및 데이터 관리를 종합적으로 주도한다. 즉, 상기 통합 관리모듈(200)은 상기 이동형 무인선(100) 내에 탑재되어 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 및 충돌회피를 제어하고, 상기 GPS 모듈(140)의 좌표 데이터와 함께 상기 형광센서(130) 및 수심 센서(120)로부터 측정된 수질 데이터 및 수심 데이터를 수집하여 무선으로 실시간 전송한다.Referring again to FIG. 2, the integrated management module 200 is an integrated monitoring unit that manages the mobile unmanned aerial vehicle 100 capable of autonomous navigation, and comprehensively leads the navigation and data management of the mobile unmanned aerial vehicle 100. do. That is, the integrated management module 200 is mounted in the mobile unmanned aerial vehicle 100 to control autonomous navigation and collision avoidance of the mobile unmanned aerial vehicle 100, and together with the coordinate data of the GPS module 140 Water quality data and water depth data measured from the sensor 130 and the depth sensor 120 are collected and wirelessly transmitted in real time.

구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 통합 관리모듈(200)의 데이터 수집부(210)는 상기 형광센서(130)가 측정한 수질 데이터 및 상기 수심 센서(120)가 측정한 수심 데이터를 수집한다.Specifically, as shown in Figure 2, the data collection unit 210 of the integrated management module 200 is the water quality data measured by the fluorescence sensor 130 and the depth data measured by the depth sensor 120 To collect.

상기 통합 관리모듈(200)의 통합 관리부(220)는 상기 데이터 수집부(210)에서 수집된 수질 및 수심 데이터와 상기 GPS 모듈(140)의 좌표 데이터를 무선 전송이 가능하도록 변환하고, 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항을 통합 관리한다. 즉, 상기 형광센서(130)에서 전송받은 클로로필-a 강도, 피코시아닌 강도, 총유기물 강도, 수심 센서(120)에서 전송 받은 수심 데이터, GPS 모듈(140)에서 전송받은 GPS 좌표를 실시간으로 통합 관리부(220)를 경유하여 관리자 단말(300)로 전송될 수 있다.The integrated management unit 220 of the integrated management module 200 converts the water quality and depth data collected by the data collection unit 210 and the coordinate data of the GPS module 140 to enable wireless transmission, and the mobile unmanned The autonomous operation of the ship 100 is integrated and managed. That is, chlorophyll-a intensity transmitted from the fluorescence sensor 130, phycocyanin intensity, total organic matter intensity, depth data transmitted from the depth sensor 120, and GPS coordinates transmitted from the GPS module 140 are integrated in real time. It may be transmitted to the manager terminal 300 via the management unit 220.

상기 통합 관리모듈(200)의 데이터 전송부(230)는 무선통신모듈로서, 상기 통합 관리부(220)의 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 전송한다.The data transmission unit 230 of the integrated management module 200 is a wireless communication module and wirelessly transmits the water quality, water depth and coordinate data of the integrated management unit 220.

상기 통합 관리모듈(200)의 자율운항 제어부(240)는 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 구동부(150)의 구동을 제어한다.The autonomous navigation control unit 240 of the integrated management module 200 controls the driving of the autonomous navigation driving unit 150 of the mobile unmanned aerial vehicle 100.

상기 통합 관리모듈(200)의 충돌회피 제어부(250)는 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 상기 자율운항 구동부(150)의 구동을 제어한다.The collision avoidance control unit 250 of the integrated management module 200 controls the driving of the autonomous navigation driving unit 150 to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation of the mobile unmanned aerial vehicle 100.

도 3을 다시 참조하면, 관리자 단말(300)은 상기 통합 관리모듈(200)로부터 수질 데이터, 수심 데이터 및 좌표 데이터를 무선으로 수신하여, 2차원 수질지도를 실시간 작성한다.Referring back to FIG. 3, the manager terminal 300 wirelessly receives water quality data, water depth data, and coordinate data from the integrated management module 200, and creates a two-dimensional water quality map in real time.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 관리자 단말(300)은, 데이터 수신부(310), 데이터 가공부(320), 데이터 분석 및 매핑부(330), 2차원 수질지도 작성부(340) 및 영상 편집부(350)를 포함한다.Specifically, as shown in FIG. 3, the manager terminal 300 includes a data receiving unit 310, a data processing unit 320, a data analysis and mapping unit 330, and a two-dimensional water quality map creation unit 340. And an image editing unit 350.

상기 관리자 단말(300)의 데이터 수신부(310)는 무선통신모듈로서, 상기 통합 관리모듈(200)의 데이터 전송부(230)로부터 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 수신한다.The data receiving unit 310 of the manager terminal 300 is a wireless communication module and wirelessly receives water quality, water depth, and coordinate data from the data transmission unit 230 of the integrated management module 200.

상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)는 통계적 수치해석 알고리즘이 적용되는 데이터마이닝 기법에 따라 상기 수신된 수질, 수심 및 좌표 데이터에 대한 유효값을 도출하도록 가공한다.The data processing unit 320 of the manager terminal 300 processes the received water quality, depth and coordinate data to derive valid values according to a data mining technique to which a statistical numerical analysis algorithm is applied.

상기 관리자 단말(300)의 데이터 분석 및 매핑부(330)는 상기 데이터 가공부(320)에서 가공된 데이터를 분석하여 유효값으로 정리된 포인트(Point) 기반의 데이터를 보간법을 이용하여 셀(Cell) 기반의 지도로 매핑(Mapping)시킨다. 여기서, 후술하는 바와 같이, 상기 데이터 분석 및 매핑부(330)는 역거리 가중법(Inverse Distance Weighted: IDW) 또는 크리깅 보간법(Kriging Interpolation)을 선택하여 보간을 수행할 수 있다.The data analysis and mapping unit 330 of the manager terminal 300 analyzes the data processed by the data processing unit 320 and calculates the point-based data organized into an effective value by using an interpolation method. ) Based map. Here, as described later, the data analysis and mapping unit 330 may perform interpolation by selecting an Inverse Distance Weighted (IDW) method or a Kriging Interpolation method.

상기 관리자 단말(300)의 2차원 수질지도 작성부(340)는 상기 데이터 분석 및 매핑부(330)의 지도 매핑에 대응하여 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성한다.The two-dimensional water quality map creation unit 340 of the manager terminal 300 creates a two-dimensional water quality map for the green algae concentration and total organic matter concentration in the water body in response to the map mapping of the data analysis and mapping unit 330.

상기 관리자 단말(300)의 영상 편집부(350)는 상기 2차원 수질지도 작성부(340)에서 작성된 2차원 수질지도의 변경사항이 있는 경우, 수심 및 수질 종류에 따라 영상을 편집하여 변경한다.When there is a change in the 2D water quality map created by the 2D water quality map creation unit 340, the image editing unit 350 of the manager terminal 300 edits and changes the image according to the water depth and water quality type.

다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템의 경우, 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)를 통해 알고리즘에 의해 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도, 총유기물 농도를 산출하며, 좌표와 매칭시켜 통계적 기법에 의해 데이터를 가공하고, 상기 2차원 수질지도 작성부(340)에서 수심 및 수질을 표현하는 2차원 수질지도를 작성하며, 영상 편집부(350)에서 작성된 지도의 변경사항이 있을 경우 수질지도를 편집한다.In other words, in the case of a two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention, the chlorophyll-a by an algorithm through the data processing unit 320 of the manager terminal 300 Calculate concentration, phycocyanin concentration, and total organic matter concentration, process data by statistical technique by matching with coordinates, and create a two-dimensional water quality map expressing water depth and water quality in the two-dimensional water quality map creation unit 340 And, when there is a change in the map created by the image editing unit 350, the water quality map is edited.

한편, 도 4는 형광분석법에 의해 검출되는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 파장의 매트릭스를 나타내는 도면이고, 도 5는 형광분석법에 의해 검출되는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 형광강도값을 나타내는 도면이며, 도 6은 클로로필-a 농도와 파장값과의 상관성을 나타내는 도면이다.Meanwhile, FIG. 4 is a diagram showing a matrix of wavelengths indicating chlorophyll-a concentration and phycocyanin concentration detected by fluorescence analysis, and FIG. 5 is a diagram showing chlorophyll-a concentration and phycocyanin concentration detected by fluorescence analysis. It is a diagram showing a fluorescence intensity value, and FIG. 6 is a diagram showing a correlation between a concentration of chlorophyll-a and a wavelength value.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 형광센서(130)는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 클로로필-a 농도는 650㎚~700㎚의 방출파장과 400㎚~450㎚의 여기파장, 675㎚~725㎚의 방출파장과 650㎚~700㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 피코시아닌 농도는 650㎚~720㎚의 방출파장과 600㎚~630㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타낸다.4 and 5, the fluorescence sensor 130 measures a fluorescence intensity value representing a chlorophyll-a concentration and a phycocyanin concentration, but the chlorophyll-a concentration is an emission wavelength of 650 nm to 700 nm. And an excitation wavelength of 400 nm to 450 nm, an emission wavelength of 675 nm to 725 nm, and fluorescence intensity values measured at an excitation wavelength of 650 nm to 700 nm, and the phycocyanin concentration is an emission wavelength of 650 nm to 720 nm. And the fluorescence intensity values measured at an excitation wavelength of 600 nm to 630 nm.

여기서, 상기 클로로필-a 농도는, Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425㎚, 675㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0014, b = 0.0085로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있다.Here, the concentration of chlorophyll-a is given by Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425nm, 675nm) + b] / a, where a = 0.0014, b = 0.0085, The values a and b may be changed according to the fluorescence intensity value.

또한, 상기 피코시아닌 농도는 Blue Green Algae(㎍/L) = [(Intensity, 610㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0006, b = 0.0076로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있다.In addition, the phycocyanin concentration is given by Blue Green Algae (㎍/L) = [(Intensity, 610 ㎚) + b] / a, in which case, a = 0.0006, b = 0.0076, but the a and b The value can be changed according to the fluorescence intensity value.

한편, 도 7a 내지 도 7c는 각각 유기물 농도 분석을 위해 추출된 매트릭스를 나타내는 도면이고, 도 8은 매트릭스(C1, C2, C3)와 총유기물 농도(TOC)와 상관성을 나타내는 도면이다.On the other hand, FIGS. 7A to 7C are diagrams each showing a matrix extracted for analysis of organic matter concentration, and FIG. 8 is a diagram showing a correlation between the matrices C1, C2, and C3 and the total organic matter concentration (TOC).

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 상기 형광센서(130)는 유기물 농도 분석을 위해 추출된 제1, 제2 및 제3 매트릭스(C1, C2, C3)에 따라 총유기물 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 제2 매트릭스(C2)는 350㎚~450㎚의 방출파장과 300㎚~350㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 제1 매트릭스(C1)는 400㎚~500㎚의 방출파장과 250㎚~300㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 300㎚의 방출파장과 275㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타낸다.7A to 7C, the fluorescence sensor 130 calculates a fluorescence intensity value representing the total organic concentration according to the first, second, and third matrices C1, C2, and C3 extracted for organic substance concentration analysis. However, the second matrix C2 represents a fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 350 nm to 450 nm and an excitation wavelength of 300 nm to 350 nm, and the first matrix C1 is 400 nm to 500 nm. The fluorescence intensity values measured at the emission wavelength of and the excitation wavelength of 250 nm to 300 nm are shown, and the third matrix C3 represents the fluorescence intensity values measured at the emission wavelength of 300 nm and the excitation wavelength of 275 nm.

이때, 상기 총유기물 농도(TOC)는, TOC(㎎/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 52.305, b = 37.687로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있다.At this time, the total organic concentration (TOC) is given by TOC (mg/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a, where a = 52.305, b = 37.687, but the a The values of and b can be changed according to the fluorescence intensity value.

여기서, 도 7a의 제1 매트릭스(C1)는 총유기물 농도 중 휴믹산(Humic Acid) 농도를 나타내며, 도 7b의 상기 제2 매트릭스(C2)는 총유기물 농도 중 휴믹산(Humic Acid) 및 펄빅산(Fulvic Acid) 농도를 나타내며, 도 7c의 상기 제3 매트릭스(C3)는 총유기물 농도 중 단백질(Tryptophan-like) 농도를 나타낸다.Here, the first matrix (C1) of FIG. 7A represents the concentration of humic acid among the total organic substances concentration, and the second matrix (C2) of FIG. 7B represents the humic acid and fulvic acid (Fulvic acid) of the total organic substance concentration. Acid) concentration, and the third matrix (C3) of FIG. 7C represents the protein (Tryptophan-like) concentration of the total organic matter concentration.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 데이터 마이닝 기법의 다중방향 분석을 이용하며, 다음의 수학식 1에 의한 모델링에 의한 알고리즘으로 다음의 수학식 1과 같은 총유기물 농도(

Figure pat00001
)를 산출할 수 있다.In addition, as shown in Fig. 8, a multi-directional analysis of the data mining technique is used, and the total organic concentration (
Figure pat00001
) Can be calculated.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서,

Figure pat00003
는 차원
Figure pat00004
샘플에서 측정된 방출 파장
Figure pat00005
Figure pat00006
, 여기파장
Figure pat00007
Figure pat00008
의 형광강도값이다.
Figure pat00009
,
Figure pat00010
Figure pat00011
는 모델에 의해 생성된 매개변수이다. 즉, 도 8은 모델링에 의해 산출된 값과 C1, C2, C3의 관계와 총유기탄소(TOC) 농도와의 상관성을 나타낸 것이다.here,
Figure pat00003
Is the dimension
Figure pat00004
Emission wavelength measured in the sample
Figure pat00005
Figure pat00006
, Excitation wavelength
Figure pat00007
Figure pat00008
Is the fluorescence intensity value of.
Figure pat00009
,
Figure pat00010
And
Figure pat00011
Is the parameter generated by the model. That is, FIG. 8 shows the relationship between the values calculated by modeling and C1, C2, and C3, and the correlation between the total organic carbon (TOC) concentration.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템에 따르면, 자율운항이 가능한 이동형 무인선(USV)에 수질 측정용 형광센서 및 수심 센서를 장착하여 수질 및 수심을 동시에 측정함으로써, 하천 및 호수 등과 같은 수체를 대상으로 수질오염의 공간적 분포범위를 나타내는 2차원 수질지도를 작성할 수 있다.In the end, according to the two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescence sensor according to an embodiment of the present invention, a water quality measurement fluorescence sensor and a water depth sensor are mounted on a mobile unmanned vehicle (USV) capable of autonomous navigation. By measuring the water quality and depth at the same time, it is possible to create a two-dimensional water quality map showing the spatial distribution range of water pollution for water bodies such as rivers and lakes.

[형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법][How to create a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor]

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법의 동작흐름도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법에서 관리자 단말의 2차원 수질지도 작성을 구체적으로 나타내는 동작흐름도이며, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법에서 수체의 총유기물 및 녹조 농도의 2차원 영상을 나타내는 도면이다.9 is an operation flow diagram of a method for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescence sensor according to an embodiment of the present invention. In the method of creating a two-dimensional water quality map using, an operation flow chart specifically showing the creation of a two-dimensional water quality map of a manager terminal, and FIG. 11 is a method of creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention Is a diagram showing a two-dimensional image of the concentration of total organic matter and green algae in the water body.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법은, 먼저, 수체 내에서 이동형 무인선(100)을 자율운항시킨다(S110).9 and 10, in the method of creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor according to an embodiment of the present invention, first, the mobile unmanned aerial vehicle 100 is autonomously operated in the water body ( S110).

다음으로, 상기 이동형 무인선(100)에 탑재된 형광센서(130)를 사용하여 수질을 측정하고, 동시에 수심 센서(120)를 사용하여 수심을 측정한다(S120). 여기서, 상기 형광센서(130)는 수질 센서로서, 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기탄소 농도(TOC)에 대한 수체의 수질을 다중 측정한다.Next, the water quality is measured using the fluorescent sensor 130 mounted on the mobile unmanned ship 100, and at the same time, the water depth is measured using the water depth sensor 120 (S120). Here, the fluorescence sensor 130 is a water quality sensor, and measures the water quality of the water body with respect to the chlorophyll-a concentration, the phycocyanin concentration, and the total organic carbon concentration (TOC).

다음으로, 상기 이동형 무인선에 탑재된 통합 관리모듈(200)이 상기 측정된 수질 및 수심 데이터를 수집한다(S130).Next, the integrated management module 200 mounted on the mobile unmanned ship collects the measured water quality and depth data (S130).

다음으로, 상기 통합 관리모듈(200)이 상기 수집된 수질 및 수심 데이터를 좌표 데이터와 함께 무선으로 관리자 단말(300)로 실시간 전송한다(S140).Next, the integrated management module 200 transmits the collected water quality and depth data together with coordinate data to the manager terminal 300 in real time (S140).

다음으로, 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)가 상기 전송된 수질 및 수심 데이터를 가공하여 유효값을 도출한다(S150). 구체적으로, 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)는 상기 데이터 수신부(310)에서 수신된 데이터를 실시간으로 편집 가공한다. 이때, 실시간으로 수신된 데이터는 초당 1개 이상인 것이 바람직하지만, 그 이하여도 무방하다. 따라서 상기 형광센서(130)에서 측정된 각각의 형광강도값은 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)에서 각각 농도로 변환되며, 후속적으로, 상기 농도로 변환된 데이터는 통계적 기법으로 정리되어 상기 좌표 데이터와 매칭된 후 2차원 수질지도로 매핑시킬 수 있다.Next, the data processing unit 320 of the manager terminal 300 processes the transmitted water quality and depth data to derive an effective value (S150). Specifically, the data processing unit 320 of the manager terminal 300 edits and processes the data received from the data receiving unit 310 in real time. At this time, it is preferable that the number of data received in real time is at least one per second, but less than that is fine. Therefore, each fluorescence intensity value measured by the fluorescence sensor 130 is converted to a concentration by the data processing unit 320 of the manager terminal 300, and subsequently, the data converted to the concentration is converted into a statistical technique. After being organized and matched with the coordinate data, it can be mapped to a two-dimensional water quality map.

구체적으로, 상기 형광센서(130)에서 취득한 포인트소스(Point Source) 기반의 데이터를 셀(Cell) 기반의 2차원 평면 수질오염 현황도로 지도화하기 위해서 데이터를 가공하는 작업이 필요하다. 자동경로 설정을 통해 기설정된 운항경로를 따라 운항하는 이동형 무인선(100)은 운항폭에 따른 진행 방향으로만 포인트-기반의 수많은 데이터가 취득되므로 상기 데이터 가공부(320)에서 통계적 수치해석을 통해 유효한 값으로 데이터를 정리해야 한다. 또한, 포인트소스-기반의 데이터를 셀-기반의 지도로 변환하기 위해서 공간 보간법(Geographic information system Interpolation)을 이용하는데, 보간법은 이미 취득한 지점에 보간 알고리즘을 적용하여 데이터 사이 값을 구하는 것이다.Specifically, it is necessary to process the data in order to map the point source-based data acquired by the fluorescence sensor 130 into a cell-based two-dimensional planar water pollution status map. The mobile unmanned aerial vehicle 100 that operates along a preset navigation route through automatic route setting acquires a number of point-based data only in the direction of travel according to the operation width, and thus, through statistical numerical analysis in the data processing unit 320 You should organize your data with valid values. In addition, to convert point source-based data into a cell-based map, a spatial interpolation method (Geographic information system interpolation) is used. The interpolation method is to obtain a value between data by applying an interpolation algorithm to an already acquired point.

예를 들면, 2차원 수질지도 작성을 위해 사용하는 공간 보간법에는 역거리 가중법(Inverse Distance Weighted: IDW)과 크리깅 보간법(Kriging Interpolation)이 있으며, 이미 알고 있는 값을 가지고 원하는 지점의 값을 보간하는 방법이다. 구체적으로, 상기 역거리 가중법(IDW)은 주변의 가까운 점(

Figure pat00012
)으로부터 선형으로 결합된 가중치를 사용하는 것으로, 가까울수록 가중치가 크게 적용되며, 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.For example, spatial interpolation methods used to create a 2D water quality map include Inverse Distance Weighted (IDW) and Kriging Interpolation. That's the way. Specifically, the inverse distance weighting method (IDW) is a near point (
Figure pat00012
) To use a weight that is linearly combined, and the closer the weight is, the larger the weight is applied, and is given by Equation 2 below.

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서,

Figure pat00014
로 주어지고, 이때,
Figure pat00015
를 예측하기 위해서 n에 대한 샘플인
Figure pat00016
를 기반으로 주어진 점(
Figure pat00017
)에서 보간한다. 이때,
Figure pat00018
는 두 점사이의 거리이고,
Figure pat00019
는 데이터 포인트, d는 데이터 포인트(
Figure pat00020
)에서 알려지지 않은 보간 포인트(
Figure pat00021
)까지의 거리, n은 보간에 사용된 데이터 포인트의 총 수를 각각 나타낸다. here,
Figure pat00014
Given by, where,
Figure pat00015
To predict n, which is a sample for n
Figure pat00016
Based on the given point(
Figure pat00017
) To interpolate. At this time,
Figure pat00018
Is the distance between two points,
Figure pat00019
Is the data point, d is the data point (
Figure pat00020
) At an unknown interpolation point (
Figure pat00021
), n represents the total number of data points used for interpolation, respectively.

또한, 상기 크리깅 보간법(Kriging Interpolation)은 통계학적인 방법을 이용하여 값을 추정하는데, 데이터의 선형 조합으로 원하는 지점의 값을 예측하는 보간 방법으로서, 다음의 수학식 3 및 4와 같이 주어진다.In addition, the Kriging Interpolation method estimates a value using a statistical method. As an interpolation method for predicting a value of a desired point by a linear combination of data, it is given as Equations 3 and 4 below.

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서,

Figure pat00023
는 특정 거리(
Figure pat00024
) 내의 샘플 쌍의 수를 나타낸다.here,
Figure pat00023
Is a specific distance (
Figure pat00024
) Represents the number of pairs of samples in.

Figure pat00025
Figure pat00025

다음으로, 상기 관리자 단말(300)의 데이터 분석 및 지도 매핑부(330)가 상기 가공된 데이터를 분석하고 지도에 매핑시킨다(S160). 구체적으로, 상기 데이터 분석 및 지도 매핑부(330)는 수심 데이터, 수질 데이터 및 좌표 데이터를 매칭시키며, 데이터 통계적 기법에 의해 데이터를 가공한다. 이때, 상기 데이터 분석 및 지도 매핑부(330)는 1차적으로는 측정 오류값을 배제해야 하며, 2차적으로는 공간을 나타내는 좌표값 기반으로 데이터를 정리한다.Next, the data analysis and map mapping unit 330 of the manager terminal 300 analyzes the processed data and maps it to a map (S160). Specifically, the data analysis and map mapping unit 330 matches depth data, water quality data, and coordinate data, and processes the data using a data statistical technique. In this case, the data analysis and map mapping unit 330 must first exclude measurement error values, and secondly, organize the data based on coordinate values representing space.

다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 관리자 단말(300)의 2차원 수질지도 작성부(340)가 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성한다(S170). 2차원 수질지도 작성부(340)는 전술한 보간법을 선택적으로 활용하여 총유기물 농도 및 녹조 지도를 2차원 영상으로 매핑한다.Next, as shown in FIG. 11, the two-dimensional water quality map creation unit 340 of the manager terminal 300 creates a two-dimensional water quality map for the green algae concentration and total organic matter concentration in the water body (S170). The 2D water quality map creation unit 340 selectively utilizes the above-described interpolation method to map the total organic concentration and the green algae map into a 2D image.

여기서, 상기 관리자 단말(300)의 영상편집부(350)는 수질 및 수심 등 관리자의 선택에 따라 원하는 조건으로 기작성된 2차원 수질지도를 수정 및 변경할 수 있다. Here, the image editing unit 350 of the manager terminal 300 may modify and change a previously prepared 2D water quality map according to a desired condition according to a manager's selection such as water quality and depth.

구체적인 상기 관리자 단말(300)의 2차원 수질지도 작성 알고리즘은 도 10에 도시된 바와 같은 과정을 거칠 수 있다. 먼저, 통합 관리모듈로부터 무선으로 수질, 수심 및 좌표 데이터 실시간 수신하고(S210), 이후, 수질 및 수심 데이터를 가공하여 유효값을 도출한다(S220). 다음으로, 1차로 벡터를 매핑시키고(S230), 이후, 데이터 속성 및 패턴을 확인하며(S240), 다음으로, 선택적으로 IDW 보간법 또는 크리깅 보간법을 적용한다(S250). 다음으로, 2차로 레지스터를 매핑시킨 후(S260), 2차원 수질지도를 출력한다(S270).The concrete 2D water quality map creation algorithm of the manager terminal 300 may go through a process as shown in FIG. 10. First, the water quality, depth, and coordinate data are wirelessly received from the integrated management module in real time (S210), and then, the water quality and depth data are processed to derive an effective value (S220). Next, the vector is mapped first (S230), and then, data attributes and patterns are checked (S240), and then, IDW interpolation or kriging interpolation is selectively applied (S250). Next, after the registers are secondarily mapped (S260), a two-dimensional water quality map is output (S270).

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 자율운항이 가능한 이동형 무인선에 클로로필-a, 피코시아닌 및 총유기물 농도를 다중 측정할 수 있는 형광센서와 수심센서를 통합 설치함으로써 수체 지역의 총유기물 농도 및 녹조 농도를 다양한 방향으로 측정하고, 수심 측정이 가능하여 수심이 수질에 미치는 영향을 관찰할 수 있으며, 또한, 수심 및 수질 측정이 가능한 이동형 무인선을 이용하여 수체 면적의 총유기물 및 녹조 변화를 2차원 영상의 수질지도를 작성할 수 있다.After all, according to an embodiment of the present invention, the total organic concentration in the water body area is integrated by installing a fluorescent sensor and a depth sensor that can measure multiple concentrations of chlorophyll-a, phycocyanin, and total organic matter on a mobile unmanned aerial vehicle capable of autonomous navigation. And green algae concentration in various directions, depth measurement is possible, and the effect of water depth on water quality can be observed. In addition, total organic matter and green algae changes in the water body area can be monitored using a mobile unmanned ship capable of measuring depth and water quality. You can create a water quality map of a two-dimensional image.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and are not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

100: 이동형 무인선(Unmanned Ship Vehicle: USV)
200: 통합 관리모듈
300: 관리자 단말
110: 이동형 무인선 본체 120: 수심 센서
130: 형광센서(수질 센서) 140: GPS 모듈(자동항법장치)
150: 자율운항 구동부 160: 카메라
170: Lidar 센서
210: 데이터 수집부 220: 통합 관리부
230: 데이터 전송부(무선통신모듈) 240: 자율운항 제어부
250: 충돌회피 제어부
310: 데이터 수신부(무선통신모듈) 320: 데이터 가공부
330: 데이터 분석 및 지도 매핑부 340: 2차원 수질지도 작성부
350: 영상 편집부
100: Unmanned Ship Vehicle (USV)
200: integrated management module
300: manager terminal
110: mobile unmanned ship body 120: depth sensor
130: fluorescence sensor (water quality sensor) 140: GPS module (automatic navigation device)
150: autonomous navigation driving unit 160: camera
170: Lidar sensor
210: data collection unit 220: integrated management unit
230: data transmission unit (wireless communication module) 240: autonomous navigation control unit
250: collision avoidance control unit
310: data receiving unit (wireless communication module) 320: data processing unit
330: data analysis and map mapping unit 340: two-dimensional water quality map creation unit
350: video editing department

Claims (20)

자율운항이 가능하도록 GPS 모듈(140)이 장착되며, 사전에 측정대상 하천의 구역 및 경로 설정 후 GPS 좌표지점을 입력하여 기설정된 경로를 따라 운항하며, 형광센서(130) 및 수심 센서(120)를 장착하여 측정대상 하천의 수질 및 수심을 동시에 측정하는 이동형 무인선(100);
상기 이동형 무인선(100) 내에 탑재되어 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 및 충돌회피를 제어하고, 상기 GPS 모듈(140)의 좌표 데이터와 함께 상기 형광센서(130) 및 수심 센서(120)로부터 측정된 수질 데이터 및 수심 데이터를 수집하여 무선으로 실시간 전송하는 통합 관리모듈(200); 및
상기 통합 관리모듈(200)로부터 수질 데이터, 수심 데이터 및 좌표 데이터를 무선으로 수신하여, 2차원 수질지도를 실시간 작성하는 관리자 단말(300)
을 포함하되,
상기 이동형 무인선(100)의 형광센서(130)는 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정하고, 동시에 상기 수심 센서(120)가 수심을 측정하는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
A GPS module 140 is mounted to enable autonomous navigation, and after setting the area and route of the river to be measured in advance, it navigates along a preset route by inputting a GPS coordinate point, and a fluorescence sensor 130 and a depth sensor 120 A mobile unmanned ship 100 that measures the water quality and depth of the river to be measured by installing it at the same time;
It is mounted in the mobile unmanned aerial vehicle 100 to control autonomous navigation and collision avoidance of the mobile unmanned aerial vehicle 100, and the fluorescence sensor 130 and the water depth sensor 120 together with the coordinate data of the GPS module 140 An integrated management module 200 for collecting water quality data and water depth data measured from and transmitting in real time wirelessly; And
A manager terminal 300 that wirelessly receives water quality data, water depth data, and coordinate data from the integrated management module 200 to create a two-dimensional water quality map in real time
Including,
The fluorescence sensor 130 of the mobile unmanned aerial vehicle 100 multi-measures the chlorophyll-a concentration, the phycocyanin concentration, and the total organic concentration calculated as a fluorescence intensity value, and at the same time, the depth sensor 120 measures the water depth. A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 형광센서(130)는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 클로로필-a 농도는 650㎚~700㎚의 방출파장과 400㎚~450㎚의 여기파장, 675㎚~725㎚의 방출파장과 650㎚~700㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 피코시아닌 농도는 650㎚~720㎚의 방출파장과 600㎚~630㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내며,
상기 클로로필-a 농도는, Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425㎚, 675㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0014, b = 0.0085로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있고,
상기 피코시아닌 농도는 Blue Green Algae(㎍/L) = [(Intensity, 610㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0006, b = 0.0076로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 1,
The fluorescence sensor 130 measures a fluorescence intensity value representing a concentration of chlorophyll-a and a concentration of phycocyanin, but the chlorophyll-a concentration has an emission wavelength of 650 nm to 700 nm and an excitation wavelength of 400 nm to 450 nm, 675 It represents the fluorescence intensity value measured at the emission wavelength of ㎚~725nm and the excitation wavelength of 650nm~700nm, and the phycocyanin concentration is measured at the emission wavelength of 650nm~720nm and the excitation wavelength of 600nm~630nm. Indicates the fluorescence intensity value,
The concentration of chlorophyll-a is given by Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425nm, 675nm) + b] / a, where a = 0.0014, b = 0.0085, but the a And b values can be changed according to the fluorescence intensity value,
The phycocyanin concentration is given by Blue Green Algae (㎍/L) = [(Intensity, 610 ㎚) + b] / a, where a = 0.0006, b = 0.0076, but the a and b values are A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor, characterized in that it can be changed according to the fluorescence intensity value.
제1항에 있어서,
상기 형광센서(130)는 유기물 농도 분석을 위해 추출된 제1, 제2 및 제3 매트릭스(C1, C2, C3)에 따라 총유기물 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 제2 매트릭스(C2)는 350㎚~450㎚의 방출파장과 300㎚~350㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 제1 매트릭스(C1)는 400㎚~500㎚의 방출파장과 250㎚~300㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 300㎚의 방출파장과 275㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내며,
상기 총유기물 농도(TOC)는, TOC(㎎/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 52.305, b = 37.687로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 1,
The fluorescence sensor 130 measures a fluorescence intensity value representing a total organic concentration according to the first, second and third matrices C1, C2, C3 extracted for analysis of the organic material concentration, and the second matrix C2 ) Represents a fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 350 nm to 450 nm and an excitation wavelength of 300 nm to 350 nm, and the first matrix (C1) has an emission wavelength of 400 nm to 500 nm and an emission wavelength of 250 nm to 300 nm. Represents the fluorescence intensity value measured at the excitation wavelength of, and the third matrix (C3) represents the fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 300 nm and an excitation wavelength of 275 nm,
The total organic concentration (TOC) is given by TOC (mg/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a, where a = 52.305, b = 37.687 are given as a and b. A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor, characterized in that the value can be changed according to the fluorescence intensity value.
제3항에 있어서,
상기 제1 매트릭스(C1)는 총유기물 농도 중 휴믹산(Humic Acid) 농도를 나타내며, 상기 제2 매트릭스(C2)는 총유기물 농도 중 휴믹산(Humic Acid) 및 펄빅산(Fulvic Acid) 농도를 나타내며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 총유기물 농도 중 단백질(Tryptophan-like) 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 3,
The first matrix (C1) represents the concentration of humic acid in the total organic concentration, the second matrix (C2) represents the concentration of humic acid and fulvic acid in the total organic concentration, the The third matrix (C3) is a two-dimensional water quality mapping system using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescence sensor, characterized in that it represents the protein (Tryptophan-like) concentration of the total organic concentration.
제1항에 있어서,
상기 형광센서(130)에서 측정된 각각의 형광강도값은 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)에서 각각 농도로 변환되며, 상기 농도로 변환된 데이터는 통계적 기법으로 정리되어 상기 좌표 데이터와 매칭된 후 2차원 수질지도로 매핑되는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 1,
Each fluorescence intensity value measured by the fluorescence sensor 130 is converted to a concentration by the data processing unit 320 of the manager terminal 300, and the data converted to the concentration is summarized by a statistical method and the coordinate data A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor, characterized in that the map is mapped to a two-dimensional water quality map after being matched with.
제1항에 있어서, 상기 이동형 무인선(100)은,
이동형 무인선 본체(110);
수질 센서로서, 상기 이동형 무인선 본체(110)에 장착되어 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정하는 형광센서(130);
상기 이동형 무인선 본체(110)에 설치되어 대상 하천의 수심을 실시간으로 측정하는 수심 센서(120);
자동항법장치로서, 상기 이동형 무인선 본체(110)에 탑재되어 상기 이동형 무인선(100)의 위치를 나타내는 좌표 데이터를 생성하는 GPS 모듈(140); 및
상기 이동형 무인선 본체(110)가 GPS 좌표지점이 입력된 기설정된 운항경로를 따라 자율운항하도록 구동하는 자율운항 구동부(150)를 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 1, wherein the mobile unmanned ship (100),
A mobile unmanned aerial vehicle body 110;
A water quality sensor, comprising: a fluorescence sensor 130 mounted on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to multiply measure a chlorophyll-a concentration, a phycocyanin concentration, and a total organic concentration calculated as a fluorescence intensity value;
A depth sensor 120 installed on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to measure the depth of a target river in real time;
An automatic navigation device, comprising: a GPS module 140 mounted on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to generate coordinate data representing the location of the mobile unmanned aerial vehicle 100; And
Creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor including an autonomous navigation driving unit 150 that drives the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to autonomously navigate along a preset navigation route in which a GPS coordinate point is input. system.
제6항에 있어서, 상기 이동형 무인선(100)은,
상기 이동형 무인선 본체(110) 상부 전면에 설치되어 자율운항 경로의 전방의 장애물을 촬영하는 카메라(160); 및
상기 카메라(160)의 측면에 설치되고, 레이저 펄스를 발산하여 상기 장애물로부터 반사되어 돌아오는 것을 측정하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하는 Lidar 센서(170)를 추가로 포함하되,
상기 이동형 무인선(100)은 상기 카메라(160) 및 Lidar 센서(170)에 의해 수체 상부에서 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 6, wherein the mobile unmanned ship (100),
A camera 160 installed on the upper front surface of the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to photograph obstacles in front of the autonomous navigation route; And
It is installed on the side of the camera 160, further comprises a Lidar sensor 170 for measuring the distance to the obstacle by measuring the return reflected from the obstacle by emitting a laser pulse,
The mobile unmanned aerial vehicle 100 is controlled by the camera 160 and the lidar sensor 170 to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation on the water body. A two-dimensional water quality map creation system using an unmanned ship.
제6항에 있어서, 상기 통합 관리모듈(200)은,
상기 형광센서(130)가 측정한 수질 데이터 및 상기 수심 센서(120)가 측정한 수심 데이터를 수집하는 데이터 수집부(210);
상기 데이터 수집부(210)에서 수집된 수질 및 수심 데이터와 상기 GPS 모듈(140)의 좌표 데이터를 무선 전송이 가능하도록 변환하고, 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항을 통합 관리하는 통합 관리부(220);
무선통신모듈로서, 상기 통합 관리부(220)의 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 전송부(230); 및
상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 구동부(150)의 구동을 제어하는 자율운항 제어부(240)를 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 6, wherein the integrated management module 200,
A data collection unit 210 for collecting water quality data measured by the fluorescence sensor 130 and water depth data measured by the depth sensor 120;
An integrated management unit that converts the water quality and depth data collected by the data collection unit 210 and the coordinate data of the GPS module 140 to enable wireless transmission, and integrates and manages the autonomous operation of the mobile unmanned aerial vehicle 100 ( 220);
A wireless communication module, comprising: a data transmission unit 230 for wirelessly transmitting water quality, water depth and coordinate data of the integrated management unit 220; And
A system for creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor including an autonomous navigation controller 240 that controls the driving of the autonomous navigation driver 150 of the mobile unmanned aerial vehicle 100.
제8항에 있어서,
상기 통합 관리모듈(200)은, 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 상기 자율운항 구동부(150)의 구동을 제어하는 충돌회피 제어부(250)를 추가로 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 8,
The integrated management module 200 includes a collision avoidance control unit 250 that controls the driving of the autonomous navigation driving unit 150 to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation of the mobile unmanned aerial vehicle 100. A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with an additional fluorescent sensor.
제8항에 있어서, 상기 관리자 단말(300)은,
무선통신모듈로서, 상기 통합 관리모듈(200)의 데이터 전송부(230)로부터 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 수신하는 데이터 수신부(310);
통계적 수치해석 알고리즘이 적용되는 데이터마이닝 기법에 따라 상기 수신된 수질, 수심 및 좌표 데이터에 대한 유효값을 도출하도록 가공하는 데이터 가공부(320);
상기 데이터 가공부(320)에서 가공된 데이터를 분석하여 유효값으로 정리된 포인트(Point) 기반의 데이터를 보간법을 이용하여 셀(Cell) 기반의 지도로 매핑(Mapping)시키는 데이터 분석 및 매핑부(330); 및
상기 데이터 분석 및 매핑부(330)의 지도 매핑에 대응하여 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성하는 2차원 수질지도 작성부(340)를 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 8, wherein the manager terminal 300,
A wireless communication module, comprising: a data receiving unit 310 for wirelessly receiving water quality, water depth and coordinate data from the data transmitting unit 230 of the integrated management module 200;
A data processing unit 320 for processing to derive effective values for the received water quality, depth, and coordinate data according to a data mining technique to which a statistical numerical analysis algorithm is applied;
A data analysis and mapping unit that analyzes the data processed by the data processing unit 320 and maps the point-based data, which is arranged as an effective value, into a cell-based map using an interpolation method ( 330); And
A portable type equipped with a fluorescence sensor including a two-dimensional water quality map creation unit 340 that creates a two-dimensional water quality map for the green algae concentration and total organic matter concentration in the water body in response to the data analysis and map mapping of the mapping unit 330 A two-dimensional water quality map creation system using an unmanned ship.
제10항에 있어서,
상기 데이터 가공부(320)는 1차적으로는 측정 오류값을 배제해하고, 2차적으로는 공간을 나타내는 좌표값 기반으로 데이터를 정리하는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 10,
The data processing unit 320 primarily excludes measurement error values, and secondarily organizes data based on coordinate values representing space. Dimensional water quality mapping system.
제10항에 있어서,
상기 관리자 단말(300)은, 상기 2차원 수질지도 작성부(340)에서 작성된 2차원 수질지도의 변경사항이 있는 경우, 수심 및 수질 종류에 따라 영상을 편집하여 변경하는 영상 편집부(350)를 추가로 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 10,
When there is a change in the 2D water quality map created by the 2D water quality map creation unit 340, the manager terminal 300 adds an image editing unit 350 that edits and changes the image according to the water depth and water quality type. A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor including as.
제10항에 있어서,
상기 데이터 분석 및 매핑부(330)는 역거리 가중법(Inverse Distance Weighted: IDW) 또는 크리깅 보간법(Kriging Interpolation)을 선택하여 보간을 수행하는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 10,
The data analysis and mapping unit 330 performs interpolation by selecting an inverse distance weighted method (IDW) or a kriging interpolation method. Dimensional water quality mapping system.
a) 이동형 무인선(100)을 수체 내에서 자율운항시키는 단계;
b) 상기 이동형 무인선(100)에 탑재된 형광센서(130)를 사용하여 수질을 측정하고, 동시에 수심 센서(120)를 사용하여 수심을 측정하는 단계;
c) 상기 이동형 무인선(100)에 탑재된 통합 관리모듈(200)이 상기 측정된 수질 및 수심 데이터를 수집하는 단계;
d) 상기 통합 관리모듈(200)이 상기 수집된 수질 및 수심 데이터를 좌표 데이터와 함께 무선으로 관리자 단말(300)로 실시간 전송하는 단계;
e) 상기 관리자 단말(300)이 상기 전송된 수질 및 수심 데이터를 가공하여 유효값을 도출하는 단계;
f) 상기 관리자 단말(300)이 상기 가공된 데이터를 분석하여 지도에 매핑시키는 단계; 및
g) 상기 관리자 단말(300)이 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성하는 단계를 포함하되,
상기 b) 단계의 형광센서(130)는 수질 센서로서, 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기탄소 농도(TOC)에 대한 수체의 수질을 다중 측정하는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법.
a) autonomously operating the mobile unmanned aerial vehicle 100 in the water body;
b) measuring water quality using the fluorescent sensor 130 mounted on the mobile unmanned aerial vehicle 100 and measuring the water depth using the water depth sensor 120 at the same time;
c) collecting the measured water quality and depth data by the integrated management module 200 mounted on the mobile unmanned aerial vehicle 100;
d) transmitting, by the integrated management module 200, the collected water quality and depth data together with coordinate data to the manager terminal 300 in real time;
e) the manager terminal 300 processing the transmitted water quality and depth data to derive an effective value;
f) the manager terminal 300 analyzing the processed data and mapping it to a map; And
g) including the step of creating a two-dimensional water quality map for the concentration of green algae and total organic matter in the water body by the manager terminal 300,
The fluorescence sensor 130 of the step b) is a water quality sensor, equipped with a fluorescence sensor, characterized in that multiple measurements of the water quality of the water body for chlorophyll-a concentration, phycocyanin concentration, and total organic carbon concentration (TOC) A method of creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned ship.
제14항에 있어서,
상기 형광센서(130)는 클로로필-a 농도 및 피코시아닌 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 클로로필-a 농도는 650㎚~700㎚의 방출파장과 400㎚~450㎚의 여기파장, 675㎚~725㎚의 방출파장과 650㎚~700㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 피코시아닌 농도는 650㎚~720㎚의 방출파장과 600㎚~630㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내며,
상기 클로로필-a 농도는, Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425㎚, 675㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0014, b = 0.0085로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있고,
상기 피코시아닌 농도는 Blue Green Algae(㎍/L) = [(Intensity, 610㎚) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 0.0006, b = 0.0076로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 시스템.
The method of claim 14,
The fluorescence sensor 130 measures a fluorescence intensity value representing a concentration of chlorophyll-a and a concentration of phycocyanin, but the chlorophyll-a concentration has an emission wavelength of 650 nm to 700 nm and an excitation wavelength of 400 nm to 450 nm, 675 It represents the fluorescence intensity value measured at the emission wavelength of ㎚~725nm and the excitation wavelength of 650nm~700nm, and the phycocyanin concentration is measured at the emission wavelength of 650nm~720nm and the excitation wavelength of 600nm~630nm. Indicates the fluorescence intensity value,
The concentration of chlorophyll-a is given by Chlorophyll-a(㎍/L) = [(Intensity, 425nm, 675nm) + b] / a, where a = 0.0014, b = 0.0085, but the a And b values can be changed according to the fluorescence intensity value,
The phycocyanin concentration is given by Blue Green Algae (㎍/L) = [(Intensity, 610 ㎚) + b] / a, where a = 0.0006, b = 0.0076, but the a and b values are A two-dimensional water quality map creation system using a mobile unmanned ship equipped with a fluorescent sensor, characterized in that it can be changed according to the fluorescence intensity value.
제14항에 있어서,
상기 형광센서(130)는 유기물 농도 분석을 위해 추출된 제1, 제2 및 제3 매트릭스(C1, C2, C3)에 따라 총유기물 농도를 나타내는 형광강도값을 측정하되, 상기 제2 매트릭스(C2)는 350㎚~450㎚의 방출파장과 300㎚~350㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내고, 상기 제1 매트릭스(C1)는 400㎚~500㎚의 방출파장과 250㎚~300㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 300㎚의 방출파장과 275㎚의 여기파장에서 측정된 형광강도값을 나타내며,
상기 총유기물 농도(TOC)는, TOC(㎎/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a로 주어지며, 이때, a = 52.305, b = 37.687로 주어지되, 상기 a와 b 값은 형광강도값에 따라 바뀔 수 있고, 여기서, 상기 제1 매트릭스(C1)는 총유기물 농도 중 휴믹산(Humic Acid) 농도를 나타내며, 상기 제2 매트릭스(C2)는 총유기물 농도 중 휴믹산(Humic Acid) 및 펄빅산(Fulvic Acid) 농도를 나타내며, 상기 제3 매트릭스(C3)는 총유기물 농도 중 단백질(Tryptophan-like) 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법.
The method of claim 14,
The fluorescence sensor 130 measures a fluorescence intensity value representing a total organic concentration according to the first, second and third matrices C1, C2, C3 extracted for analysis of the organic material concentration, and the second matrix C2 ) Represents a fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 350 nm to 450 nm and an excitation wavelength of 300 nm to 350 nm, and the first matrix (C1) has an emission wavelength of 400 nm to 500 nm and an emission wavelength of 250 nm to 300 nm. Represents the fluorescence intensity value measured at the excitation wavelength of, and the third matrix (C3) represents the fluorescence intensity value measured at an emission wavelength of 300 nm and an excitation wavelength of 275 nm,
The total organic concentration (TOC) is given by TOC (mg/L) = [(C2 x C1/C3) + b] / a, where a = 52.305, b = 37.687 are given as a and b. The value can be changed according to the fluorescence intensity value, wherein the first matrix (C1) represents the concentration of humic acid in the total organic concentration, and the second matrix (C2) represents the concentration of humic acid in the total organic substance concentration. ) And Fulvic Acid concentration, and the third matrix (C3) represents the protein (Tryptophan-like) concentration among the total organic matter concentration. How to create a map.
제14항에 있어서,
상기 형광센서(130)에서 측정된 각각의 형광강도값은 상기 관리자 단말(300)의 데이터 가공부(320)에서 각각 농도로 변환되며, 상기 농도로 변환된 데이터는 통계적 기법으로 정리되어 상기 좌표 데이터와 매칭된 후 2차원 수질지도로 매핑되는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법.
The method of claim 14,
Each fluorescence intensity value measured by the fluorescence sensor 130 is converted to a concentration by the data processing unit 320 of the manager terminal 300, and the data converted to the concentration is summarized by a statistical method and the coordinate data A method of creating a two-dimensional water quality map using a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor, characterized in that the map is mapped to a two-dimensional water quality map after matching with
제14항에 있어서, 상기 이동형 무인선(100)은,
이동형 무인선 본체(110);
수질 센서로서, 상기 이동형 무인선 본체(110)에 장착되어 형광강도값으로 산출되는 클로로필-a 농도, 피코시아닌 농도 및 총유기물 농도를 다중 측정하는 형광센서(130);
상기 이동형 무인선 본체(110)에 설치되어 대상 하천의 수심을 실시간으로 측정하는 수심 센서(120);
자동항법장치로서, 상기 이동형 무인선 본체(110)에 탑재되어 상기 이동형 무인선(100)의 위치를 나타내는 좌표 데이터를 생성하는 GPS 모듈(140);
상기 이동형 무인선 본체(110)가 GPS 좌표지점이 입력된 기설정된 운항경로를 따라 자율운항하도록 구동하는 자율운항 구동부(150);
상기 이동형 무인선 본체(110) 상부 전면에 설치되어 자율운항 경로의 전방의 장애물을 촬영하는 카메라(160); 및
상기 카메라(160)의 측면에 설치되고, 레이저 펄스를 발산하여 상기 장애물로부터 반사되어 돌아오는 것을 측정하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하는 Lidar 센서(170)를 포함하되,
상기 이동형 무인선(100)은 상기 카메라(160) 및 Lidar 센서(170)에 의해 수체 상부에서 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법.
The method of claim 14, wherein the mobile unmanned ship (100),
A mobile unmanned aerial vehicle body 110;
A water quality sensor, comprising: a fluorescence sensor 130 mounted on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to multiply measure a chlorophyll-a concentration, a phycocyanin concentration, and a total organic concentration calculated as a fluorescence intensity value;
A depth sensor 120 installed on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to measure the depth of a target river in real time;
An automatic navigation device, comprising: a GPS module 140 mounted on the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to generate coordinate data representing the location of the mobile unmanned aerial vehicle 100;
An autonomous navigation driving unit 150 for driving the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to autonomously navigate along a preset navigation route in which a GPS coordinate point is input;
A camera 160 installed on the upper front surface of the mobile unmanned aerial vehicle body 110 to photograph obstacles in front of the autonomous navigation route; And
It includes a lidar sensor 170 installed on the side of the camera 160 and measuring a distance to the obstacle by measuring a return reflected from the obstacle by emitting a laser pulse,
The mobile unmanned aerial vehicle 100 is controlled by the camera 160 and the lidar sensor 170 to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation on the water body. A method of creating a two-dimensional water quality map using an unmanned ship.
제18항에 있어서, 상기 통합 관리모듈(200)은,
상기 형광센서(130)가 측정한 수질 데이터 및 상기 수심 센서(120)가 측정한 수심 데이터를 수집하는 데이터 수집부(210);
상기 데이터 수집부(210)에서 수집된 수질 및 수심 데이터와 상기 GPS 모듈(140)의 좌표 데이터를 무선 전송이 가능하도록 변환하고, 상기 이동형 무인선(100)의 자율운항을 통합 관리하는 통합 관리부(220);
무선통신모듈로서, 상기 통합 관리부(220)의 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 전송부(230);
상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 구동부(150)의 구동을 제어하는 자율운항 제어부(240); 및
상기 이동형 무인선(100)의 자율운항 중에 예상치 못한 장애물을 발견했을 때 충돌을 회피하도록 상기 자율운항 구동부(150)의 구동을 제어하는 충돌회피 제어부(250)를 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법.
The method of claim 18, wherein the integrated management module 200,
A data collection unit 210 for collecting water quality data measured by the fluorescence sensor 130 and water depth data measured by the depth sensor 120;
An integrated management unit that converts the water quality and depth data collected by the data collection unit 210 and the coordinate data of the GPS module 140 to enable wireless transmission, and integrates and manages the autonomous operation of the mobile unmanned aerial vehicle 100 ( 220);
A wireless communication module, comprising: a data transmission unit 230 for wirelessly transmitting water quality, water depth and coordinate data of the integrated management unit 220;
An autonomous navigation control unit 240 for controlling the driving of the autonomous navigation driving unit 150 of the mobile unmanned aerial vehicle 100; And
A mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescent sensor including a collision avoidance controller 250 that controls the driving of the autonomous navigation driving unit 150 to avoid a collision when an unexpected obstacle is found during autonomous navigation of the mobile unmanned aerial vehicle 100 A method of creating a two-dimensional water quality map using lines.
제19항에 있어서, 상기 관리자 단말(300)은,
무선통신모듈로서, 상기 통합 관리모듈(200)의 데이터 전송부(230)로부터 수질, 수심 및 좌표 데이터를 무선으로 수신하는 데이터 수신부(310);
통계적 수치해석 알고리즘이 적용되는 데이터마이닝 기법에 따라 상기 수신된 수질, 수심 및 좌표 데이터에 대한 유효값을 도출하도록 가공하는 데이터 가공부(320);
상기 데이터 가공부(320)에서 가공된 데이터를 분석하여 유효값으로 정리된 포인트 기반의 데이터를 보간법을 이용하여 셀 기반의 지도로 매핑시키는 데이터 분석 및 매핑부(330);
상기 데이터 분석 및 매핑부(330)의 지도 매핑에 대응하여 수체의 녹조 농도 및 총유기물 농도에 대한 2차원 수질지도를 작성하는 2차원 수질지도 작성부(340); 및
상기 2차원 수질지도 작성부(340)에서 작성된 2차원 수질지도의 변경사항이 있는 경우, 수심 및 수질 종류에 따라 영상을 편집하여 변경하는 영상 편집부(350)를 포함하는 형광센서가 장착된 이동형 무인선을 이용한 2차원 수질지도 작성 방법.
The method of claim 19, wherein the manager terminal 300,
A wireless communication module, comprising: a data receiving unit 310 for wirelessly receiving water quality, water depth and coordinate data from the data transmitting unit 230 of the integrated management module 200;
A data processing unit 320 for processing to derive effective values for the received water quality, depth, and coordinate data according to a data mining technique to which a statistical numerical analysis algorithm is applied;
A data analysis and mapping unit 330 that analyzes the data processed by the data processing unit 320 and maps the point-based data, which is arranged as an effective value, into a cell-based map using an interpolation method;
A two-dimensional water quality map creation unit 340 for creating a two-dimensional water quality map for the green algae concentration and total organic matter concentration in the water body in response to the data analysis and mapping unit 330's map mapping; And
When there is a change in the 2D water quality map created by the 2D water quality map creation unit 340, a mobile unmanned aerial vehicle equipped with a fluorescence sensor including an image editing unit 350 that edits and changes the image according to the water depth and water quality type A method of creating a two-dimensional water quality map using lines.
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