KR20220168169A - Apparatus and method for detecting abandoned farmland using harmonic analysis and machine learning - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 조화 분석과 머신 러닝을 이용한 유휴 농지 탐지 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조화 분석과 머신 러닝을 이용하여 농작물이 재배되는 농지와 휴경하는 농지를 구분하는 방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a method and apparatus for detecting idle farmland using harmonic analysis and machine learning, and more particularly, to a method for distinguishing farmland where crops are grown from farmland that is idle using harmonic analysis and machine learning will be.
농지는 논, 밭 및 과수원 등과 같이 농업 생산을 위해 지정된 필지로 정의된다. 공립 또는 사립 기관은 농업의 진흥을 위해 농지를 소유할 수 있지만, 개인은 계속 농사를 짓는 조건하에서만 농지를 소유할 수 있다. 대한민국의 경우, 농산물의 생산이 중단되면 1년 이내에 농지를 다른 농민에게 양도하거나 임대하여야 한다. Agricultural land is defined as land designated for agricultural production, such as rice fields, fields and orchards. Public or private entities may own farmland for the purpose of promoting agriculture, but individuals may only own farmland on the condition that they continue farming. In the case of the Republic of Korea, farmland must be transferred or leased to other farmers within one year if production of agricultural products is suspended.
농촌의 고령화, 농업 인구의 감소, 기존 농민의 이농, 비농민의 농지 상속, 매입 후 방치 등 다양한 원인으로 인하여 휴경 상태로 방치되는 유휴 농지가 증가하고 있다. 따라서, 농지가 현재 농작물이 재배되는지 농작물의 재배가 중단된 유휴 농지인지 여부는 전 세계적으로 증가하는 관심사이다. Due to various reasons, such as aging of rural areas, decrease in agricultural population, exodus of existing farmers, inheritance of farmland by non-farmers, neglect after purchase, etc., idle farmland left idle is increasing. Therefore, whether farmland is an idle farmland where crops are currently grown or crops are stopped is a growing concern worldwide.
농지의 유휴화는 긍정적인 측면과 부정적인 측면이 공존한다. 긍정적인 측면에서는 자연 생물의 다양성 회복과, 물과 탄소의 흡수 증가가 대표적인 예이다. 반면, 부정적인 측면으로는 작물 제거로 인한 토양 침식, 사막화 및 산불 가능성의 증가 등이 있다. 또한, 유휴 농지에 외래종이 침입하면 농업 용도로 사용되고 있는 인근 농지로 확산될 수 있다. 또는, 일부 유휴 농지는 건물 부지로 전환되거나, 부동산 개발을 수용하여 농촌 공동체 생산에 더 부정적인 영향을 미친다. Idle farmland has both positive and negative aspects. On the positive side, restoration of natural biodiversity and increased uptake of water and carbon are representative examples. On the other hand, the negative aspects include soil erosion due to crop removal, desertification and increased potential for forest fires. In addition, if an alien species invades idle farmland, it may spread to nearby farmland used for agricultural purposes. Alternatively, some idle farmland is converted to building sites, or accommodates real estate development, further negatively impacting rural community production.
버려진 농지(유휴 농지)의 상태는 매우 다양하며, 공통적이고 대표적인 특성을 파악하기란 쉽지 않다. 식생(vegetation)의 존재와 유형은 지역적 상황뿐만 아니라 농지 포기 이유 및 기간에 따라 이질적이다. The condition of abandoned farmland (idle farmland) varies greatly, and it is not easy to identify common and representative characteristics. The existence and type of vegetation is heterogeneous, depending on the reason and duration of land abandonment, as well as local circumstances.
일부 유휴 농지는 지역의 생태적 천이(ecological succession)를 경험하여 숲, 덤불, 초원 또는 늪으로 변화할 수 있다. 또한, 다른 불모지 상태로 남거나 인간이 사용하기 위해 개간될 수 있다. Some idle agricultural lands may experience a local ecological succession, turning into forests, bushes, grasslands or swamps. It can also be left in other barren conditions or cleared for human use.
이하, 도 1을 참조하여 유휴 농지로 정의된 농지 필지의 사용 상태를 설명한다. Hereinafter, with reference to FIG. 1, the state of use of farmland parcels defined as idle farmland will be described.
도 1은 유휴 농지로 정의된 농지 필지의 현재 사용 상태의 예시도이다. 1 is an exemplary view of the current state of use of farmland parcels defined as idle farmland.
도 1을 참조하면, (a)는 유휴 농지가 묘지(cemetery)로 사용되는 상태의 예시이다. (b)는 유휴 농지에 숲이 형성된 상태의 예시이다. (c)는 유휴 농지에 건물 등이 건설되어 도시로 사용되는 예시를 나타낸다. 이러한 도 1의 이미지는 구글 어스(Google Earth)의 고해상도 위성 이미지로부터 획득할 수 있다. Referring to FIG. 1, (a) is an example of a state in which idle farmland is used as a cemetery. (b) is an example of a state in which a forest is formed on idle farmland. (c) shows an example in which buildings are constructed on idle farmland and used as a city. The image of FIG. 1 can be obtained from high-resolution satellite images of Google Earth.
이와 같이, 유휴 농지는 다양한 형태로 변형되어 식생의 존재와 식생의 유형이 각기 상이하다. 따라서, 유휴 농지의 공통적이고 대표적인 특성을 이미지로부터 도출하는 것은 어려운 문제점이 있다. In this way, idle farmland is transformed into various forms, and the existence of vegetation and the type of vegetation are different. Therefore, it is difficult to derive common and representative characteristics of idle farmland from images.
또한, 유휴 농지는 농업 생산이 없는 일정한 기간이 경과한 이후에 농지 포기가 발생한 것으로 판단된다. 따라서, 동일 시점 또는 동일 기간에 여러 변수에 대해 관찰된 자료를 이용한 횡단면 분석 방식은 농지의 포기를 감지, 분류 또는 매핑(mapping)하는데 적합하지 않다. 그러므로, 종래에는 유휴 농지를 식별하기 위해서는 10년 이상의 긴 기간 동안 특정 장소를 전후 비교하여야만 변경 사항을 보다 정확하게 식별할 수 있다.In addition, idle farmland is judged to have been abandoned after a certain period without agricultural production has elapsed. Therefore, a cross-sectional analysis method using observed data for several variables at the same time or the same period is not suitable for detecting, classifying, or mapping farmland abandonment. Therefore, conventionally, in order to identify idle farmland, it is possible to more accurately identify changes only when a specific place is compared before and after for a long period of 10 years or more.
하지만, 위와 같이 유휴 농지를 분류하기 위해 10년 이상의 긴 기간 동안의 관측을 비교하는 경우, 유휴 농지로 간주되기 시작한 직후부터 유휴화를 파악하여 조치를 취할 수 없다는 문제점이 있다. However, when comparing observations over a long period of 10 years or more to classify idle farmland as above, there is a problem in that it is not possible to identify idle farmland and take action immediately after it begins to be considered idle farmland.
본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법 및 장치는 유휴 농지가 발생한 후 단기간에 유휴 농지를 탐지하기 위한 것이다. An idle farmland detection method and apparatus according to an embodiment of the present invention is for detecting idle farmland in a short period of time after idle farmland is generated.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법 및 장치는 식생 지수의 주파수 특징을 이용하여 유휴 농지를 탐지하기 위한 것이다. In addition, the method and apparatus for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention are for detecting idle farmland using frequency characteristics of vegetation indices.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problem to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical problem as described above, and other technical problems may exist.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법은, 탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하는 단계, 그리고 상기 영상을 유휴 농지 탐지 모델에 입력하여 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하는 단계를 포함하되, 상기 유휴 농지 탐지 모델은, 상기 영상에 포함된 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분한 토지 단위별 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행함에 따라 도출된 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역내의 유휴 농지를 판별하도록 학습된 기계 학습 모델을 포함한다. As a technical means for achieving the above-described technical problem, a method for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention includes acquiring an image for a preset period of time in a search target area, and detecting idle farmland using the image. Inputting the input to a model to determine idle farmland within the search target area, wherein the idle farmland detection model is harmonized with respect to the vegetation index for each land unit in which the search target area included in the image is divided into preset land units. and a machine learning model learned to discriminate idle farmland in the search target area based on harmonic components derived by performing harmonic analysis.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유휴 농지 검출 장치는, 유휴 농지 탐지 프로그램이 저장되는 메모리, 그리고 유휴 농지 탐지 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는, 탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하고, 상기 영상을 유휴 농지 탐지 모델에 입력하여 상기 탐색 대상 구역내의 유휴 농지를 판별하되, 상기 유휴 농지 탐지 모델은, 상기 영상에 포함된 상기 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분한 토지 단위별 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행함에 따라 도출된 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 학습된 기계학습 모델을 포함한다. In addition, the apparatus for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention includes a memory in which an idle farmland detection program is stored, and a processor that executes the idle farmland detection program, wherein the processor is configured in advance with respect to a search target area. An image for a period of time is obtained, and the image is input to an idle farmland detection model to determine idle farmland within the search target area. It includes a machine learning model learned to discriminate idle farmland within the search target area based on the harmonic component derived by performing harmonic analysis on the vegetation index for each land unit divided by .
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유휴 농지 검출 장치를 이용한 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법은, 탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하는 단계, 상기 영상에 포함된 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분하고, 상기 토지 단위별 식생 지수를 도출하는 단계, 상기 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 조화 성분을 도출하는 단계, 그리고 상기 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 학습하여 유휴 농지 탐지 모델을 구축하는 단계를 포함한다. In addition, a method for constructing an idle farmland detection model using an idle farmland detection apparatus according to an embodiment of the present invention includes acquiring an image for a pre-set period of time for a search target area, and detecting a search target area included in the image. Dividing into preset land units and deriving a vegetation index for each land unit, deriving a harmonic component by performing harmonic analysis on the vegetation index, and the search target based on the harmonic component and constructing an idle farmland detection model by learning to discriminate idle farmland in the zone.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델 구축 장치에 있어서, 유휴 농지 탐지 프로그램이 저장되는 메모리, 그리고 유휴 농지 탐지 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는, 탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하고, 상기 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분하고, 토지 단위별 식생 지수를 도출하며, 상기 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 조화 성분을 도출하고, 상기 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 학습하여 유휴 농지 탐지 모델을 구축한다.In addition, in the idle farmland detection model building apparatus according to an embodiment of the present invention, it includes a memory in which an idle farmland detection program is stored, and a processor that executes the idle farmland detection program, wherein the processor, for a search target area , Acquiring images for a preset period, classifying the search target area into preset land units, deriving a vegetation index for each land unit, and performing harmonic analysis on the vegetation index to obtain a harmonic component. and learn to discriminate idle farmland in the search target area based on the harmonic component to build an idle farmland detection model.
본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법 및 장치는 유휴 농지가 발생한 후 단기간에 유휴 농지를 탐지할 수 있다. The method and apparatus for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention can detect idle farmland in a short period of time after idle farmland is generated.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법 및 장치는 식생 지수의 주파수 특성을 이용하여 유휴 농지를 탐지할 수 있다. In addition, the method and apparatus for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention may detect idle farmland using frequency characteristics of vegetation indices.
도 1은 유휴 농지로 정의된 농지 필지의 현재 사용 상태의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프로세서의 기능을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 흐름도이다.
도 6는 광양시의 센티넬 트루 컬러 이미지 예시도이다.
도 7은 유휴 농지, 밭, 논을 조사한 토지 피복도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델의 토지 분류를 기초로 조정된 R2 값의 예시도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 변수 계수 표이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 토지 분류에 따른 식생 지수의 그래프이다.
도 11은 정규 식생 지수에 따른 분류 결과 표이다.
도 12는 정규 수분 지수에 따른 분류 결과 표이다.
도 13은 토양 보정 식생 지수에 따른 분류 결과 표이다.
도 14는 세가지 식생 지수에 따른 분류 결과 표이다.
도 15는 고차 조화 분석과 식생 지수에 따른 분류 성능 비교 결과 표이다.1 is an exemplary view of the current state of use of farmland parcels defined as idle farmland.
2 is a block diagram of an idle farmland detection device according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating functions of a processor according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a method for constructing an idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a method for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention.
6 is an exemplary view of a sentinel true color image in Gwangyang.
7 is a land cover map surveying idle farmland, fields, and rice fields.
8 is an exemplary diagram of an R2 value adjusted based on land classification of an idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention.
9A to 9C are variable coefficient tables of an idle farmland detection method according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph of vegetation indices according to land classification of an idle farmland detection method according to an embodiment of the present invention.
11 is a classification result table according to the regular vegetation index.
12 is a classification result table according to the normal moisture index.
13 is a classification result table according to the soil-corrected vegetation index.
14 is a classification result table according to three vegetation indices.
15 is a table of results of comparison of classification performance according to higher order harmonic analysis and vegetation index.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 생략하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. . In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 한편, '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.In this specification, a "unit" includes a unit realized by hardware, a unit realized by software, and a unit realized using both. Further, one unit may be realized using two or more hardware, and two or more units may be realized by one hardware. Meanwhile, '~unit' is not limited to software or hardware, and '~unit' may be configured to be in an addressable storage medium or configured to reproduce one or more processors. Therefore, as an example, '~unit' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, and procedures. , subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. Functions provided within components and '~units' may be combined into smaller numbers of components and '~units' or further separated into additional components and '~units'. In addition, the components and '~units' may be implemented to regenerate one or more CPUs in the device.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinal numbers, such as first and second, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
이하, 도 2를 참조하여 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 장치(1)의 구성을 설명한다. Hereinafter, the configuration of the idle
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 장치의 구성도이다. 2 is a block diagram of an idle farmland detection device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 유휴 농지 탐지 장치(1)는 통신 모듈(110), 메모리(120) 및 프로세서(140)를 포함한다. Referring to FIG. 2 , the idle
통신 모듈(110)은 외부 기기와의 데이터 송수신을 수행하기 위한 구성을 포함한다. 통신 모듈(110)은 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치를 의미할 수 있다. The
통신 모듈(110)은 이동 통신망(mobile radio communication network) 또는 위성 통신망 등과 같은 모든 종류의 무선 통신망을 이용할 수 있다. 또한, 무선 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.The
또한, 유휴 농지 검출 장치(1)는 유휴 농지 검출 프로그램 및 데이터를 저장할 수 있는 메모리(120)를 포함하며, 유휴 농지 검출에 관련된 일련의 수학식 처리 과정을 수행하는 프로세서(140)를 포함한다. In addition, the idle
메모리(120)는 유휴 농지 검출 프로그램을 저장한다. 유휴 농지 검출 프로그램의 명칭은 설명의 편의를 위해 설정된 것으로, 명칭 그 자체로 프로그램의 기능을 제한하는 것은 아니다. 메모리(120)는 통신 모듈(110)로 입력되는 정보 및 데이터, 프로세서(140)에 의해 수행되는 기능에 필요한 정보 및 데이터, 프로세서(140)의 실행에 따라 생성된 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 저장할 수 있다. The
메모리(120)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력을 필요로 하는 휘발성 저장장치를 통칭하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 메모리(120)는 프로세서(140)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 메모리(120)는 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치 외에 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The
유휴 농지 검출 장치(1)는 데이터베이스(130)를 더 포함할 수 있다. 데이터베이스(130)는 유휴 농지 검출 프로그램의 동작을 위한 데이터가 저장되는 구성을 의미할 수 있다. 데이터베이스(130)는 메모리의 일부를 구성할 수 있으나, 반드시 유휴 농지 검출 장치(1)의 내부에 위치하는 것이 아니라 외부에 위치할 수도 있다.The idle
프로세서(140)는 메모리(120)에 저장된 유휴 농지 검출 프로그램을 실행하도록 구성된다. 프로세서(140)는 데이터를 제어 및 처리하는 다양한 종류의 장치들을 포함할 수 있다. 프로세서(140)는 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 프로세서(140)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 형태로 구현될 수 있으나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. The
유휴 농지 탐지 장치(1)는 유휴 농지를 탐지하기 위한 기계 학습을 수행하는 유휴 농지 탐지 모델을 구축할 수 있다. 따라서, 유휴 농지 탐지 장치(1)는 유휴 농지 탐지 모델 구축 장치로서의 기능을 수행할 수 있다. 유휴 농지 탐지 모델 구축 및 유휴 농지 탐지를 위한 구체적인 기능은 후술하는 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. The idle
도 3은 프로세서(140)의 기능을 도시한 개념도이다. 이하에서는 도 3를 참조하여 프로세서(140)의 기능을 설명한다. 3 is a conceptual diagram illustrating functions of the
프로세서(140)는 유휴 농지를 탐지하기 위한 기계 학습을 수행하는 유휴 농지 탐지 모델을 구축하고, 유휴 농지 탐지 모델을 이용하여 탐지 대상 구역내의 유휴 농지를 판별할 수 있다. The
프로세서(140)는 영상 전처리 모듈(141), 식생 지수 도출 모듈(142), 조화 분석 모듈(143) 및 기계 학습 모듈(144)을 포함할 수 있다. 프로세서(140)는 영상 전처리 모듈(141), 식생 지수 도출 모듈(142), 조화 분석 모듈(143) 및 기계 학습 모듈(144)을 이용한 데이터 처리 과정을 통해 유휴 농지 탐지 모델을 구축하고, 유휴 농지를 탐지할 수 있다. The
영상 전처리 모듈(141)은 토지 구역에 대한 영상을 획득하고, 획득한 영상에 대한 전처리를 수행할 수 있다. 이 때, 영상이란, 동영상, 동영상의 정지 화면 및 사진을 포함할 수 있다. 영상은 미리 설정된 기준 이상의 해상도를 가지며, 미리 설정된 기간 동안 누적하여 촬영한 복수의 영상을 의미할 수 있다. 영상의 해상도 는 높을 수록, 영상의 촬영 주기는 짧을수록 유휴 농지 판별 성능을 높일 수 있다. The
예를 들어, 위성 영상을 이용하는 경우, 위성 영상은 10m X 10m 이상의 해상도를 가지며, 10일 주기로 촬영된 위성 영상을 포함할 수 있다. 하지만 기준 해상도 및 촬영 주기가 이에 한정되는 것은 아니며, 유휴 농지의 법률상 정의, 탐색 대상 구역의 지리적 특징에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있다. For example, in the case of using satellite images, the satellite images have a resolution of
영상 전처리 모듈(141)은 영상에 대한 전처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 영상을 샘플링할 수 있다. 또한, 영상의 해상도를 보정하거나, 위성 영상으로부터 식생지수를 도출하기 위한 전처리를 수행할 수 있다. The
식생 지수 도출 모듈(142)은, 전처리된 영상을 이용하여, 탐색 대상 구역에 대한 식생 지수(VI: vegetation index)를 도출한다. 식생 지수는 인공위성이나 항공기에서 측정되는 파장대의 신호를 이용하여 식생의 특성 정보를 도출한 지수로써 식생의 시공간 변화 특성을 감시하거나 이해하는데 도움을 주기 위해 사용된다. The vegetation
식생 지수 도출 모듈(142)은 영상에 포함된 토지 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분하고, 토지 단위별로 식생 지수를 도출할 수 있다. 이 때 토지 단위는 필지, 평단위, 제곱미터(m2)단위 등과 같이 토지 구역을 일정한 규격(넓이)으로 나누기 위한 단위를 의미할 수 있다. The vegetation
식생 지수 도출 모듈(142)은 영상에 대하여 정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index), 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index) 및 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) 중 어느 하나 이상을 도출할 수 있다. 유휴 농지(abandoned farmland)는 다양한 유형으로 존재하므로, 정규 식생 지수만을 사용하는 것 보다 다른 식생 지수를 함께 분석함으로써, 유휴 농지 탐지 정확도를 향상시킬 수 있다. The vegetation
조화 분석 모듈(143)은, 도출된 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 주파수 특징을 도출할 수 있다. 즉, 조화 분석을 사용하여 영상에서 각 식생 지표 유형의 특성을 도출할 수 있다. 또한, 조화 분석 모듈(143)은 식생 지수에 대하여 3차 이상의 고차 조화 분석을 수행하여 주파수 특징을 도출할 수 있다. The
식생 지수의 시계열 분석은 일반적으로 분류를 위한 입력 데이터를 생성하는데 사용된다. 식생 지수의 분석을 위해, 국부 비대칭 가우스 함수(local asymmetric Gaussian function) 및 이중 로지스틱(double logistic)과 같은 방법을 이용할 수 있다. 더불어, 식생 지수의 분석을 위해 조화 분석(harmonic analysis) 방식을 이용할 수 있다.Time series analysis of vegetation indices is commonly used to generate input data for classification. For analysis of vegetation indices, methods such as local asymmetric Gaussian function and double logistic can be used. In addition, a harmonic analysis method can be used for the analysis of the vegetation index.
조화 분석은 좁은 의미에서는 푸리에 분석(Fourier analysis)에 해당한다. 따라서, 조화 분석은 시계열(time series)을 다양한 주파수의 정현파(sinusoid) 항(terms)의 합으로 분해하여 식생 성장 궤적(vegetation growth trajectory)의 형태학적 속성(morphological attributes) 또는 식생 지수의 함수적 형태(functional form)를 수학적으로 도출한다.Harmonic analysis corresponds to Fourier analysis in a narrow sense. Thus, harmonic analysis decomposes a time series into a sum of sinusoid terms of various frequencies to determine the morphological attributes of a vegetation growth trajectory or the functional shape of a vegetation index. (functional form) is derived mathematically.
조화 분석을 이용하여 추정된 각 항의 계수(harmonic coefficients)는 일반적으로 이용되는 페놀로지 메트릭스(phenology metrics)의 대신, 분류를 위한 특징(features)으로 사용할 수 있다. 페놀로지 메트릭스의 예로는 성장기의 시작, 끝, 중심, 길이와 기본 및 최대 정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index)가 있다. Harmonic coefficients of each term estimated using harmonic analysis can be used as features for classification instead of commonly used phenology metrics. Examples of phenological metrics are the start, end, center, and length of the growing season and the basic and maximum Normalized Difference Vegetation Index (NDVI).
페놀로지 메트릭스와 비교하여 조화 분석 기반의 특징들의 장점은, 복잡한 계산 없이 쉽게 획득할 수 있다는 것이다. 또한, 관찰 간격에 따라 다양한 수의 특징들을 생성할 수 있으며, 대부분은 분류를 위한 선택적인 특징이 될 수 있다. The advantage of features based on harmonic analysis compared to phenolic metrics is that they can be easily obtained without complex calculations. In addition, a variable number of features can be generated according to the observation interval, and most of them can be optional features for classification.
종래의 조화 분석과 관련된 연구는 몇 가지 공통점이 존재한다. 첫째, 3차 이상의 조화 분석은 단순히 잡음이나 잘못된 편차를 나타내며 전체적인 계통 변동성에 대한 기여도가 미미하다고 판단되어 무시되었다. 둘째, 제한된 유형의 식생 지수만 분석 대상으로 사용되었다. Studies related to conventional harmonic analysis have several commonalities. First, third-order or higher harmonic analysis was ignored because it simply showed noise or false deviation and was judged to have insignificant contribution to the overall systematic variability. Second, only limited types of vegetation indices were used for analysis.
식생 지수 중 가장 자주 사용되는 것은 정규 식생 지수이다. 정규 식생 지수는 녹지와 광합성 활동의 밀도를 반영한다. 따라서 정규 식생 지수는 지상 바이오 매스(ground-level biomass)의 가장 정확한 지표로 알려져 있다. The most frequently used of the vegetation indices is the normal vegetation indices. The normal vegetation index reflects the density of green space and photosynthetic activity. Therefore, the normal vegetation index is known as the most accurate indicator of ground-level biomass.
반면, 식생 지수 중 정규 식생 지수를 제외한 다른 식생 지수는 이러한 조화 분석 목적으로 사용되지 않는다.On the other hand, vegetation indices other than the normal vegetation indices among vegetation indices are not used for the purpose of this harmonization analysis.
예를 들어, 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index)는 주로 초목의 수분 함량 지표로 사용되어 수역의 존재, 식물의 수질 스트레스, 가뭄 또는 토지 침수를 식별하는데 사용된다. 또한, 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index)는 특히 토양 노출이 상대적으로 높은 건조 지역에서 식물의 건강도를 파악하는데 사용된다. For example, the Normalized Difference Water Index (NDWI) is often used as an indicator of water content in vegetation and is used to identify the presence of water bodies, water stress in plants, drought or land inundation. In addition, the Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI) is used to determine plant health, particularly in arid regions where soil exposure is relatively high.
그러나, 상술한 바와 같이 유휴 농지(abandoned farmland)는 다양한 유형으로 존재하므로, 정규 식생 지수만을 사용하는 것 보다 다른 식생 지수를 함께 분석함으로써, 유휴 농지 탐지 정확도를 향상시킬 수 있다. However, since abandoned farmland exists in various types as described above, the accuracy of detecting idle farmland can be improved by analyzing other vegetation indices together rather than using only the regular vegetation index.
예를 들어, 온대 기후에서의 농업 경작은 복잡하며, 이중 또는 다중 작물 관행이 일반적이다. 게다가 상술한 바와 같이 유휴 농지는 식생의 종류, 분포, 농지 포기 이유, 기간, 주변 환경 등에 의해 다양한 유형으로 존재한다. 따라서, 저차(lower-order) 조화 구성 요소만으로는 보다 상세한 성장 궤적을 정확하게 포착하지 못한다. For example, agricultural cultivation in temperate climates is complex, and double or multi-crop practices are common. In addition, as described above, idle farmland exists in various types depending on the type of vegetation, distribution, reason for abandonment of farmland, period, surrounding environment, and the like. Thus, lower-order harmonic components alone do not accurately capture more detailed growth trajectories.
또한, 일반적인 벼 재배 과정(논에 물을 대고, 묘목을 이식하고, 수확할 때까지 재배)에는 식생뿐만 아니라 토양과 수분 함량도 동시에 변화한다. 따라서, 여러 유형의 경작지와 달리 유휴 농지는 하나의 식생 지수로만 설명할 수 없고, 토양 배경 반사율 및 수분 함량과 같은 다른 영향과 함께 분석하여야만 설명될 수 있다. In addition, during the normal rice growing process (irrigating the paddy field, transplanting the seedlings, and growing until harvest), not only the vegetation but also the soil and water content change simultaneously. Therefore, unlike many types of arable land, idle farmland cannot be explained by a single vegetation index, but can be explained only by analyzing other effects such as soil background reflectance and water content.
따라서, 실시예에 따른 프로세서(140)는, 정규 식생 지수뿐만 아니라 다양한 식생 지수를 이용하며, 3차 이상의 고차 조화 분석을 이용하여 유휴 농지 탐지를 위한 기간을 감소시킬 수 있다. Accordingly, the
또한, 조화 분석 모듈(143)은 재귀적 특징 제거 알고리즘(recursive feature elimination algorithm)을 이용하여 식생 지수에 대한 조화 분석 결과에 포함된 조화 성분 중 유휴 농지 분류에 적합한 조화 성분을 도출할 수 있다. In addition, the
기계 학습 모듈(144)은, 조화 분석 결과를 기초로 기계 학습 알고리즘을 적용하여 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 탐지하도록 유휴 농지 탐지 모델의 학습을 수행한다. 즉, 기계 학습 모듈(144)은 조화 성분을 이용하여 유휴 농지 탐지 모델의 학습을 수행한다. 그리고, 탐색 대상 구역에 대한 조화 성분을 학습된 유휴 농지 탐지 모델에 입력하여 탐색 대상 구역의 유휴 농지를 판별할 수 있다. 이때, 유휴 농지의 기준은 법률 또는 미리 설정된 기준에 따라 다르게 설정될 수 있다. The
기계 학습 모듈(144)은 조화 성분에 대한 학습 및 검증 세트를 분할하고 서포트 벡터 머신(SVM: Support Vector Machine)을 이용하여 분류를 수행할 수 있다. 기계 학습 모듈(144)은 서포트 벡터 머신을 이용하여 조화 성분에 포함된 주파수 계수를 분류하고, 분류된 주파수 계수를 기초로 유휴 농지 탐지 모델의 학습을 수행할 수 있다. The
기계 학습 모듈(144)은 기계학습 분류에서 페놀로지 행렬(matrix) 요소들을 사용하지 않고, 비교적 추출이 용이한 조화 계수(harmonic coefficients)만을 활용할 수 있다. The
더불어, 기계 학습 모듈(144)은 보다 상세한 생물기후학적(phenological) 궤적을 시뮬레이션 하기 위해, 고차 조화 성분(higher order harmonic components)의 계수 세트(set of coefficients)를 사용한다. 또한, 3개의 식생 지수(정규 식생 지수, 정규 수분 지수, 토양 보정 식생 지수)를 함께 활용하여, 단기 관찰이 가지는 한계점을 보완 한다. In addition, the
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델은 식생의 조화 분석 및 머신 러닝 분류(Machine learning classification)에서 파생된 매개 변수를 충분히 활용하여 3년 단기의 생물기후학적 궤적(phonological trajectories)을 식별하여 유휴 농지를 활성 경작지(active cropland)와 구별한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 장치(1)는 탐지 대상 구역의 영상을 획득하고, 획득된 영상을 유휴 농지 탐지 모델에 입력하여 탐지 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별할 수 있다.Therefore, the idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention makes full use of parameters derived from vegetation harmonization analysis and machine learning classification to identify phonological trajectories in the short term of 3 years to distinguish idle farmland from active cropland. In addition, the idle
유휴 농지 탐지를 위한 구체적인 방법은 후술하는 도 4 내지 도 15를 참조하여 상세히 설명한다. A specific method for detecting idle farmland will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 15 to be described later.
이하, 도 4 내지 도 15을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법을 설명한다. Hereinafter, a method for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 15 .
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법의 흐름도이다. 4 is a flowchart of a method for constructing an idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법은 영상 수집 단계(S100), 식생 지수 도출 단계(S200), 조화 분석 단계(S300), 및 유휴 농지 탐지 모델 학습 단계(S400)를 포함한다. 4, the idle farmland detection model construction method according to an embodiment of the present invention includes an image collection step (S100), a vegetation index derivation step (S200), a harmonization analysis step (S300), and an idle farmland detection model learning step (S200). S400).
영상 수집 단계(S100)에서는, 토지 구역에 대한 영상을 수집하고, 영상에 대한 전처리를 수행할 수 있다. 이 때, 영상은 미리 설정된 기준 이상의 해상도를 가지며, 미리 설정된 기간 동안 누적하여 촬영한 복수의 영상을 의미할 수 있다. 영상의 해상도는 높을 수록, 촬영 주기는 짧을수록 유휴 농지 판별 성능을 높일 수 있다. In the image collection step ( S100 ), images of the land area may be collected and pre-processing may be performed on the images. In this case, the image may refer to a plurality of images having a resolution equal to or higher than a preset standard and accumulated and captured during a preset period. The higher the resolution of the image and the shorter the shooting period, the higher the idle farmland discrimination performance.
예를 들어, 영상 수집 단계(S100)에서는, 센티넬-2A(sentinel-2A) 위성의 원격 감지 영상을 이용할 수 있다.For example, in the image collection step S100, a remotely sensed image of a sentinel-2A satellite may be used.
도 6는 광양시의 센티넬 트루 컬러 이미지 예시도이다.6 is an exemplary view of a sentinel true color image in Gwangyang.
본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법은, 센티넬-2A(sentinel-2A) 위성의 원격 감지 영상(이미지)을 이용할 수 있다. 센티넬-2A의 위성 원격 감지 영상은 다중 스펙트럼 이미지로서, 10m, 20m 및 60m 공간 해상도에서 10일 주기로 반복 촬영된다. 이러한 높은 시공간 해상도는 도시의 소규모 유휴 농지를 탐지하는데 적합하다. The method for constructing an idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention may use a remotely sensed image (image) of a sentinel-2A satellite. Satellite remote-sensing images of Sentinel-2A are multispectral images, repeated at 10 m, 20 m, and 60 m spatial resolutions over a 10-day cycle. This high spatio-temporal resolution is suitable for detecting urban small-scale idle farmland.
구체적으로, 센티넬-2A의 원격 감지 영상을 이용하여 시계열 데이터를 구성하기 위해 3년간(예를들어, 2016년 1월부터 2018년 12월)의 모든 센티넬-2A level 1C(L1C) 52SCD 이미지를 이용할 수 있다. Specifically, all Sentinel-2A level 1C (L1C) 52SCD images from three years (e.g., January 2016 to December 2018) were used to construct time-series data using remote sensing images of Sentinel-2A. can
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법은, 센티넬-2A이미지를 전처리할 수 있다. 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법은 이미지 처리 과정을 수행하여 센티넬-2A Level 2A(L2A) 데이터를 생성할 수 있다. In addition, the method for constructing an idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention may pre-process the Sentinel-2A image. The idle farmland detection method according to the embodiment may generate Sentinel-2A Level 2A (L2A) data by performing an image processing process.
구체적으로, 센티넬-2A L2A 데이터를 생성하기 위해 센티넬 2A L1C 데이터는 LIBRADTRAN 복사 전달 모델(radiative transfer model)을 기반으로하는 Sen2Cor(버전 2.5.5) 프로세싱 툴(processing tool)을 이용하여 대기 수정(atmospherically corrected) 단계를 수행할 수 있다. Specifically, to generate Sentinel-2A L2A data, Sentinel 2A L1C data was atmospherically modified using the Sen2Cor (version 2.5.5) processing tool based on the LIBRADTRAN radiative transfer model. corrected) steps can be performed.
리브라트란(LIBRADTRAN) 복사 전달 모델은 다양한 대기 조건 및 태양 기하학을 설명하는 대형 룩업 테이블(look-up-table) 센서별 기능을 사용하여 대기 보정 프로세스를 보다 빠르게 수행할 수 있다. The LIBRADTRAN radiative transfer model can expedite the atmospheric correction process by using large look-up-table sensor-specific features that account for various atmospheric conditions and solar geometries.
또한, Sen2Cor에서 생성된 내부 장면 분류 레이어(SCL: Scene Classification Layer) 이미지 및 대기 보정 투명 픽셀(atmospherically corrected clear pixels)을 사용하여 구름과 눈으로 오염된 픽셀(pixels)을 제거한다. 10m에서 다중 스펙트럼 이미지를 동일하게 사용하기 위해 양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 20m에서 10m 그리드(grid) 크기로 밴드 11 이미지를 리샘플링할 수 있다.It also uses internal Scene Classification Layer (SCL) images and atmospherically corrected clear pixels generated in Sen2Cor to remove cloud and snow-contaminated pixels. In order to equally use the multispectral image at 10 m, the
식생 지수 도출 단계(S200)에서는, 영상에 포함된 토지 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분하고, 토지 단위별로 식생 지수를 도출할 수 있다. 이 때, 토지 단위는 필지, 평단위, 제곱미터(m2)단위 등과 같이 탐색 대상 구역을 일정한 규격(넓이)으로 나누기 위한 단위를 의미할 수 있다. In the vegetation index derivation step ( S200 ), the land area included in the image may be divided into preset land units, and a vegetation index may be derived for each land unit. At this time, the land unit may mean a unit for dividing the search target area into a certain standard (area), such as a parcel, a pyeong unit, a square meter (m 2 ) unit, and the like.
또한, 식생 지수 도출 단계(S200)에서는 영상에 대하여 정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index), 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index) 및 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) 중 어느 하나 이상을 도출할 수 있다.In addition, in the vegetation index derivation step (S200), with respect to the image, a Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), a Normalized Difference Water Index (NDWI), and a Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI) are selected for the image. One or more of them can be derived.
예를 들어, 전처리된 센티넬 -2A Level 2A(L2A) 이미지에서 식생지수(정규 식생 지수, 정규 수분 지수, 토양 보정 식생 지수)를 추출한다. 상술한 바와 같이 전처리된 위성 영상에 대하여 밴드(Band) 4(red), 밴드 8(NIR: Near infrared) 및 밴드 11(SWIR: Shortwave Infrared)을 사용하여 정규 식생 지수, 정규 수분 지수 및 토양 보정 식생 지수를 도출한다.For example, vegetation indices (normal vegetation indices, normal moisture indices, and soil-adjusted vegetation indices) are extracted from the preprocessed Sentinel-2A Level 2A (L2A) images. For the preprocessed satellite image as described above, normal vegetation index, normal moisture index, and soil correction vegetation were obtained using Band 4 (red), Band 8 (NIR: Near infrared), and Band 11 (SWIR: Shortwave Infrared). derive the index.
조화 분석 단계(S300)에서는, 도출된 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 주파수 특징을 도출할 수 있다. 즉, 조화 분석을 사용하여 위성 영상에서 각 식생 지표 유형의 특성을 도출할 수 있다. 또한, 조화 분석 모듈(143)은 식생 지수에 대하여 3차 이상의 고차 조화 분석을 수행하여 주파수 특징을 도출할 수 있다.In the harmonic analysis step (S300), frequency characteristics may be derived by performing harmonic analysis on the derived vegetation index. That is, the characteristics of each vegetation indicator type can be derived from satellite imagery using harmonic analysis. In addition, the
또한, 조화 분석 단계(S300)에서는 각 클래스에서 개별적으로 전체 이미지 샘플에 대한 각 식생 지수(정규 식생 지수, 정규 수분 지수, 토양 보정 식생 지수)의 평균 값을 사용하여 수정된 R2를 기반으로 3가지 식생 지수에 가장 적합한 정현파 성분을 식별한다. 더불어, 이러한 현상을 시각화 할 수 있다. In addition, in the harmonic analysis step (S300), three types of vegetation based on R2 corrected using the average value of each vegetation index (normal vegetation index, normal moisture index, and soil-corrected vegetation index) for all image samples individually in each class. Identify the sinusoidal component that best fits the vegetation index. In addition, these phenomena can be visualized.
또한, 조화 분석 단계(S300)에서는 재귀적 특징 제거 알고리즘(recursive feature elimination algorithm)을 이용하여 유휴 농지의 분류를 위한 식생 지수의 고유 조화 성분의 가장 좋은 부분 집합을 찾는다. 그리고, 개별 필지당 각 식생 지수의 조화 계수를 추출한다. In addition, in the harmonic analysis step (S300), a recursive feature elimination algorithm is used to find the best subset of unique harmonic components of vegetation indices for classification of idle farmland. Then, the harmonic coefficient of each vegetation index per individual lot is extracted.
수목 생장에 대해 가장 잘 설명하기 위한 목적과 유휴 농지를 가장 잘 분류하기 위한 목적을 충족하는 식생 지수의 조화 구성 요소 조합은 다를 수 있다. The combination of harmonized components of a vegetation index that fulfills the objective of best describing tree growth and the objective of best classifying idle farmland can be different.
수목 생장에 대해 가장 잘 설명하기 위한 목적의 경우, 정확한 설명이 중요하므로 많은 매개 변수(parameters)를 사용할 수 있다. For the purpose of best description of tree growth, a number of parameters can be used since an accurate description is important.
하지만, 유휴 농지를 가장 잘 분류하기 위한 목적의 경우 예측이 중요하므로 과적합(overfitting)을 피하기 위해 더 적은 수의 조화 구성 요소 조합을 사용할 수 있다. However, for the purpose of best classifying idle farmland, prediction is important, so fewer combinations of harmonic components can be used to avoid overfitting.
또한, 조화 분석 단계(S300)에서는 영상을 이용하여 도출된 식생 지수에 대해 조화 시계열 분석(harmonic time-series analysis)을 수행할 수 있다.In addition, in the harmonic analysis step (S300), harmonic time-series analysis may be performed on the vegetation index derived using the image.
구체적으로, 조화 회귀 분석(harmonic regression analysis)은 시계열(tiem series)을 여러 정현파 성분의 가산 합으로 분해하거나 표현하는 프로세스이다. 기본적으로, 이러한 시간 영역 접근법은 다중 주파수의 사인 및 코사인 항에 대한 사이클(cycle)현재 상태를 회귀하는 것으로, 각 항의 상대적인 강도(relative strength)를 찾는 것을 목표로 한다. Specifically, harmonic regression analysis is a process of decomposing or expressing a time series as an additive sum of several sinusoidal components. Essentially, this time-domain approach regresses the current state of the cycle for multiple frequency sine and cosine terms, with the goal of finding the relative strength of each term.
이러한 시계열적 분석 방법은 식물 계통 복원(reconstructing plant phenology), 토지 피복의 매핑 및 변경 감지(mapping and change detections of land cover), 국유림 수목 목록 작성(inventorying the national forest), 식물 유형 또는 토지 피복의 분류(classification of plant types or land covers) 등 다양한 연구 주제를 다루기 위해 사용된다. These time-series analysis methods include reconstructing plant phenology, mapping and change detections of land cover, inventorying the national forest, and classifying plant types or land cover. (classification of plant types or land covers).
시간 영역 함수를 주파수 영역 함수로 변환하는 과정인 푸리에 변환(fourier transformation)에서 푸리에 주파수는 주로 직교로 지정되기 때문에, 일반 최소 제곱 전략(ordinary-least-square strategies)으로 더 간단하게 적합(fitting)할 수 있다. 주파수 영역의 범위(fk)는 후술하는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다. Since the Fourier frequencies in the Fourier transformation, the process of converting a time-domain function into a frequency-domain function, are often specified orthogonally, fitting is simpler with ordinary-least-square strategies. can The range fk of the frequency domain may be defined as in
[수학식 1][Equation 1]
여기서, n은 사이클(cycle)에서 샘플링 된 시점의 길이 또는 수, k는 정수를 의미한다. 또한, 각 식생 지수는 아래의 수학식 2에 의해 주어진 시간 추세 및 절편과 함께 사인 및 코사인 항 쌍의 추가 구성으로 표현될 수 있다. Here, n is the length or number of points sampled in a cycle, and k is an integer. In addition, each vegetation index can be expressed as an additional construct of a pair of sine and cosine terms with the time trend and intercept given by
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 는 시간 t에 기록된 식생지수를 의미하며, 본 발명의 실시예에서는 세 종류의 식생지수 (NDVI, NDWI, SAVI)중 어느 하나 이상을 의미할 수 있다. 식생지수의 시계열은 선형, 혹은 비선형 추세 (trend)와 계절성 (seasonality)로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서는 식생지수의 비선형 추세에 해당하는 변수는 모형에 포함시키지 않을 수 있다. Time은 시간을 의미하며, 식생지수의 시계열적 변화에 선형 추세가 존재하면 계수의 통계적 유의성이 나타난다. 는 식생지수의 계절성을 의미하는 변수들의 조합이며, 다양한 주파수를 가진 사인 및 코사인 곡선의 합으로 이루어진다. 여기서 가장 높은 주파수는 1/2 가장 낮은 주파수는 1/n 이다. 각 주파수의 사인 및 코사인 곡선이 전체 시계열을 이루는 요소이면 의 통계적 유의성이 나타난다. here, Means a vegetation index recorded at time t, and may mean any one or more of three types of vegetation indices (NDVI, NDWI, SAVI) in an embodiment of the present invention. The time series of vegetation indices consists of linear or non-linear trends and seasonality. In an embodiment of the present invention, the variable corresponding to the non-linear trend of the vegetation index may not be included in the model. Time means time, and if there is a linear trend in the time-series change of the vegetation index, Statistical significance of coefficients is shown. is a combination of variables meaning the seasonality of the vegetation index, and consists of the sum of sine and cosine curves with various frequencies. Here, the highest frequency is 1/2 and the lowest frequency is 1/n. If the sine and cosine curves at each frequency are elements of the entire time series, then Statistical significance of is shown.
위성영상 이미지는 10일 간격으로 촬영될 수 있으므로, 36개의 시점으로 1년 주기를 샘플링 할 수 있다. 이러한 경우, 가능한 가장 높은 주파수와 가장 낮은 주파수가 각각 1/36 과 18/36이 되고, 정현파 쌍의 최대 수는 18개가 된다. 가장 높은 주파수인 18차(18th-order)는 분석에서 다중 공선성(multicollinearity)으로 인해 삭제되어 최대 17쌍을 분석에 활용할 수 있다.Since satellite imagery can be captured at 10-day intervals, a yearly cycle can be sampled with 36 viewpoints. In this case, the highest and lowest possible frequencies are 1/36 and 18/36, respectively, and the maximum number of sinusoidal pairs is 18. The highest frequency, the 18th-order, is deleted due to multicollinearity in the analysis, so that up to 17 pairs can be used for analysis.
유휴 농지 탐지 모델 학습 단계(S400)에서는, 조화 분석 결과를 기초로 유휴 농지를 판별하도록 학습하여 유휴 농지 탐지 모델을 구축한다. 예를 들어, 유휴 농지 탐지 모델 학습 단계(S400)에서는 조화 구성 요소 조합을 투입하여 서포트 벡터 머신 분류를 수행한다. 그리고, 전체 정확도, 카파 상관 계수(Kappa coefficient) 그리고 유휴 농지 탐지에 대한 생산자 및 사용자의 정확도를 사용하여 분류 성능을 비교할 수 있다. In the idle farmland detection model learning step (S400), an idle farmland detection model is built by learning to discriminate idle farmland based on the result of the harmonization analysis. For example, in the idle farmland detection model learning step (S400), support vector machine classification is performed by inputting a combination of harmonic components. In addition, classification performance can be compared using overall accuracy, Kappa coefficient, and accuracy of producers and users for detecting idle farmland.
유휴 농지 탐지 모델 학습 단계(S400)에서는 서포트 벡터 머신을 이용한 주파수 계수 분류 단계를 포함할 수 있다. In the idle farmland detection model learning step (S400), a frequency coefficient classification step using a support vector machine may be included.
구체적으로, 서포트 벡터 머신은 의사결정 트리(Decision Tree), 랜덤 포레스트(Random Forest), 최대공산(Maximum Likelihood) 및 인공 신경망(Artificial Neural Networks)와 함께 사용되는 여러 감독 분류 전략 중 하나이다. Specifically, support vector machines are one of several supervised classification strategies used with Decision Trees, Random Forests, Maximum Likelihood and Artificial Neural Networks.
서포트 벡터 머신은 데이터를 여러 클래스의 동종 특성으로 분할하는 하이퍼 플레인(hyperplane)을 적용하여 분류한다. 가능한 많은 하이퍼 플레인 중에서 가장 가까운 데이터 관측치에 대한 최대 여백이 있는 하이퍼 플레인을 선택한다. 일부 노이즈 및 특이치(outliers)의 잘못된 분류 비용(cost of erroneous classification)을 지정함으로써, 서포트 벡터 머신은 과적합(overfitting)을 방지할 수 있다.Support vector machines classify data by applying a hyperplane that divides the data into multiple classes of homogeneous features. Among many possible hyperplanes, we choose the hyperplane with the largest margin for the closest data observations. By specifying the cost of erroneous classification of some noise and outliers, support vector machines can avoid overfitting.
또한, 선형적으로 분리할 수 없는 데이터를 분류하기 위해 서포트 벡터 머신은 더 높은 차원(higher dimensional) 또는 가우스 방사형 기저 함수(Gaussian radial basis function)를 위한 하이퍼 플레인을 형성하는 커널 트릭(kernel trick)을 채택한다. 서포트 벡터 머신은 다양한 종류의 입력 속성을 가진 유휴 농지를 탐지하는데 사용된다. Additionally, to classify linearly inseparable data, support vector machines use the kernel trick of forming hyperplanes for higher dimensional or Gaussian radial basis functions. Adopt. Support vector machines are used to detect idle farmland with various types of input attributes.
유휴 농지 분류 모델의 학습을 위해 참조 데이터(reference)를 7:3 비율의 학습 및 테스트 세트로 분할할 수 있다. 먼저, 복수의 식생 지수 각각에 대해 분류 성능을 극대화하는 기능의 하위 집합을 선택한 후 비용, 감마 및 차수의 다양한 세트를 사용하는 선형, 다항식 및 방사형 함수의 세가지 커널 트릭으로 모델을 조정한다. For training of the idle farmland classification model, the reference data can be split into training and test sets with a ratio of 7:3. First, we select a subset of features that maximize classification performance for each of the plurality of vegetation indices, and then tune the model with three kernel tricks: linear, polynomial, and radial functions using different sets of cost, gamma, and order.
위와 같이 생성된 유휴 농지 탐지 모델은 전반적인 정확도, 카파 상관 계수, 생산자와 사용자의 정확도를 기반으로 모델 성능을 조사할 수 있다. The model performance of the idle farmland detection model generated as above can be investigated based on overall accuracy, kappa correlation coefficient, and accuracy of producers and users.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 흐름도이다. 5 is a flowchart of a method for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법은 탐색 대상 구역 영상 수집 단계(S110), 유휴 농지 탐지 모델 입력 단계(S210) 및 유휴 농지 판별 단계(S310)를 포함한다. Referring to FIG. 5 , the method for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention includes a search target area image collection step (S110), an idle farmland detection model input step (S210), and an idle farmland discrimination step (S310).
탐색 대상 구역 영상 수집 단계(S110)에서는, 탐색 대상 구역에 대한 영상을 수집한다. 이 때, 영상은 미리 설정된 기준 이상의 해상도를 가지며, 미리 설정된 기간 동안 누적하여 촬영한 복수의 영상을 의미할 수 있다. 영상의 해상도는 높을 수록, 촬영 주기는 짧을수록 유휴 농지 판별 성능을 높일 수 있다. In the search target area image collection step (S110), an image of the search target area is collected. In this case, the image may refer to a plurality of images having a resolution equal to or higher than a preset standard and accumulated and captured during a preset period. The higher the resolution of the image and the shorter the shooting period, the higher the idle farmland discrimination performance.
또한, 영상 수집 단계(S100)에서 상술한 바와 같이 탐색 대상 구역 영상 수집 단계(S110)에서는, 센티넬-2A(sentinel-2A) 위성의 원격 감지 영상을 이용할 수 있다.In addition, as described above in the image collection step (S100), in the search target area image collection step (S110), a remotely sensed image of a sentinel-2A satellite may be used.
유휴 농지 탐지 모델 입력 단계(S210)에서는, 탐색 대상 구역 영상 수집 단계(S110)에서 획득된 탐색 대상 구역의 영상을 유휴 농지 탐지 모델에 입력한다. 유휴 농지 판별 단계(S310)에서는 학습된 유휴 농지 탐지 모델을 이용하여 탐색 대상 구역에 대한 유휴 농지 판별 결과를 도출한다. 즉, 입력된 탐색 대상 구역의 영상에 대한 전처리, 식생 지수 도출 및 조화 분석을 수행한다. 그리도, 조화 분석 결과로서 도출된 탐색 대상 구역의 조화 성분을 기초로 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별한다. In the idle farmland detection model input step (S210), the image of the search target region obtained in the search target region image collection step (S110) is input to the idle farmland detection model. In the idle farmland discrimination step (S310), an idle farmland discrimination result for the search target area is derived using the learned idle farmland detection model. That is, pre-processing, derivation of vegetation index, and harmonization analysis are performed on the input image of the search target area. In addition, idle farmland in the search target area is determined based on the harmonic component of the search target area derived as a result of the harmonization analysis.
이 때, 전처리, 식생 지수 도출 및 조화 분석은 상술한 영상 수집 단계(S100)식생 지수 도출 방법(S200) 및 조화 분석 단계(S300)에서 수행되는 방식과 동일한 방식을 이용하여 수행될 수 있다. At this time, the preprocessing, vegetation index derivation, and harmony analysis may be performed using the same method as the method performed in the above-described image collection step (S100), vegetation index derivation method (S200), and harmony analysis step (S300).
따라서, 유휴 농지 탐지 모델은, 양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 영상을 샘플링할 수 있다. 또한, 영상의 해상도를 보정하거나, 위성 영상으로부터 식생지수를 도출하기 위한 전처리를 수행할 수 있다. Accordingly, the idle farmland detection model may sample images using bi-linear interpolation. In addition, preprocessing may be performed to correct the resolution of the image or derive the vegetation index from the satellite image.
유휴 농지 탐지 모델은, 센티넬-2A(sentinel-2A) 위성의 원격 감지 영상이 입력되는 경우 이미지 처리 과정을 수행하여 센티넬-2A Level 2A(L2A) 데이터를 생성할 수 있다. The idle farmland detection model may generate Sentinel-2A Level 2A (L2A) data by performing an image processing process when a remote sensing image of a sentinel-2A satellite is input.
유휴 농지 탐지 모델은, 센티넬-2A L2A 데이터를 생성하기 위해 센티넬 2A L1C 데이터는 LIBRADTRAN 복사 전달 모델(radiative transfer model)을 기반으로 하는 Sen2Cor(버전 2.5.5) 프로세싱 툴(processing tool)을 이용하여 대기 수정(atmospherically corrected) 단계를 수행할 수 있다. The idle farmland detection model uses the Sen2Cor (version 2.5.5) processing tool based on the LIBRADTRAN radiative transfer model to generate the Sentinel-2A L2A data, while the Sentinel 2A L1C data is queued. Atmospherically corrected steps can be performed.
또한, 유휴 농지 탐지 모델은 리브라트란(LIBRADTRAN) 복사 전달 모델을 이용하여 다양한 대기 조건 및 태양 기하학을 설명하는 대형 룩업 테이블(look-up-table) 센서별 기능을 사용하여 대기 보정 프로세스를 보다 빠르게 수행할 수 있다. In addition, the idle farmland detection model uses the LIBRADTRAN radiative transfer model to expedite the atmospheric correction process by using large look-up-table sensor-specific features to account for various atmospheric conditions and solar geometries. can be done
또한, 유휴 농지 탐지 모델은, Sen2Cor에서 생성된 내부 장면 분류 레이어(SCL: Scene Classification Layer) 이미지 및 대기 보정 투명 픽셀(atmospherically corrected clear pixels)을 사용하여 구름과 눈으로 오염된 픽셀(pixels)을 제거한다. 10m에서 다중 스펙트럼 이미지를 동일하게 사용하기 위해 양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 20m에서 10m 그리드(grid) 크기로 밴드 11 이미지를 리샘플링할 수 있다.In addition, the idle farmland detection model uses internal Scene Classification Layer (SCL) images and atmospherically corrected clear pixels generated by Sen2Cor to remove cloud and snow contaminated pixels. do. In order to equally use the multispectral image at 10 m, the
유휴 농지 탐지 모델은 입력된 탐색 대상 구역의 영상 및 전처리된 영상을 이용하여 탐색 대상 구역의 정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index), 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index) 및 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) 중 어느 하나 이상을 도출할 수 있다.The idle farmland detection model uses the input image of the search target area and the preprocessed image to determine the normalized difference vegetation index (NDVI), normalized difference water index (NDWI), and soil correction vegetation in the search target area. One or more of the indexes (SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) may be derived.
유휴 농지 탐지 모델은 도출된 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 조화 성분을 도출할 수 있다. 즉, 조화 분석을 사용하여 탐색 대상 구역의 영상에서 각 식생 지표 유형의 주파수 특성을 도출할 수 있다. 또한, 유휴 농지 탐지 모델은 식생 지수에 대하여 3차 이상의 고차 조화 분석을 수행하여 주파수 특징을 도출할 수 있다.The idle farmland detection model may derive a harmonic component by performing harmonic analysis on the derived vegetation index. That is, the frequency characteristics of each vegetation indicator type can be derived from the image of the search target area using harmonic analysis. In addition, the idle farmland detection model may derive frequency features by performing third or higher order harmonic analysis on vegetation indices.
유휴 농지 탐지 모델은, 탐색 대상 구역의 주파수 특징을 기초로 탐색 대상 구역의 유휴 농지를 판별한다. 이하, 도 6 내지 도 15을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 결과 값을 설명한다.The idle farmland detection model determines idle farmland in a search target area based on frequency characteristics of the search target area. Hereinafter, result values of the method for detecting idle farmland according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 15 .
상술한 도 6을 참조하면, 센티넬 영상을 이용하여 광양시의 구역을 표시한다. 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법을 학습 및 테스트 하기 위해, 전라남도 광양시의 조사 데이터를 이용하였다. 구체적으로 광양시는 한반도 남단의 좌표 34.9407°N, 127.6959°E에 위치한다. 도시 면적은 1,224,700ha이며, 약 10,030,000ha의 영토를 가진 한국에서는 2018 년에 1,621,000ha (16.16 %)가 농지로 정의되어 전년 대비 1.4 % 감소하였다. 또한, 전라남도는 다른 어떤 지방보다 농업 용지의 비중이 더 많다.Referring to FIG. 6 described above, a district of Gwangyang is displayed using a sentinel image. In order to learn and test the idle farmland detection method according to the embodiment, survey data from Gwangyang, Jeollanam-do were used. Specifically, Gwangyang City is located at coordinates 34.9407°N, 127.6959°E at the southern tip of the Korean Peninsula. The urban area is 1,224,700 ha, and in Korea, which has a territory of about 10,030,000 ha, 1,621,000 ha (16.16%) was defined as farmland in 2018, a decrease of 1.4% from the previous year. Also, Jeollanam-do has more agricultural land than any other province.
주요 데이터 세트를 구성하기 위해, 2016년 1월부터 2018년 12월까지 광양시의 센티넬-2A L1C 52SCD 이미지를 이용하였다. 또한, 이미지의 구름 면적은 전체 이미지 면적의 30%미만이다. 2016, 2017, 2018년에 각각 16, 25, 41개의 센티넬-2A L1C 이미지를 획득하였다. 두 개의 연속 궤도(consecutive orbits)에 대한 이미지의 중첩된 경로(overlapped swath)에 있으므로, 1년에 36개 이상의 이미지를 획득할 수 있으며, 짝수 간격을 고려하면, 총 68개의 이미지가 분석에 사용되었다. To construct the main data set, Sentinel-2A L1C 52SCD images from Gwangyang City from January 2016 to December 2018 were used. Also, the cloud area of the image is less than 30% of the total image area. 16, 25, and 41 Sentinel-2A L1C images were acquired in 2016, 2017, and 2018, respectively. Since it is in the overlapped swath of images for two consecutive orbits, more than 36 images can be acquired in one year, and considering even intervals, a total of 68 images were used for analysis .
도 7은 유휴 농지와 밭, 논을 조사한 토지 피복도이다. 7 is a land cover map surveying idle farmland, fields, and rice fields.
본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 결과와 실제 유휴 농지 여부를 비교하기 위한 참조자료는 환경부에서 2013년과 2018년에 발간한 토지 피복도(land cover map), 2018년 12월 한국 공간 정보 포털에서 발간한 연속 지적도(continuous cadastral map), 한국 농어촌 공사의 폐 농지 조사 등을 이용한다. Reference data for comparing idle farmland detection results and actual idle farmland according to an embodiment of the present invention are land cover maps published by the Ministry of Environment in 2013 and 2018, December 2018 at the Korea Spatial Information Portal The published continuous cadastral map and the survey of abandoned farmland by the Korea Rural Community Corporation are used.
도 7과 같이 토지 피복도의 매핑(mapping) 과정은 다음과 같다. 먼저 2016년과 2017년의 고해상도 위성 촬영 이미지(1m 해상도, 0.7m해상도)와 항공 사진을 수집하고 육안 해석을 이용하여 토지 피복 현황을 파악한다. 또한, 해당 기관의 직원이 식별이 불확실한 필지(parcel)를 방문하여 초기 평가를 확인한다. As shown in FIG. 7, the mapping process of the land cover map is as follows. First, high-resolution satellite images (1m resolution, 0.7m resolution) and aerial photographs of 2016 and 2017 are collected, and the land cover status is identified using visual analysis. In addition, agency personnel visit unidentified parcels to confirm initial assessments.
이러한 확인 과정은 엄청난 시간과 예산이 필요하기 때문에 토지 피복도 작성 프로젝트는 2010년부터 매년 한 주 또는 몇 개의 도시를 대상으로 진행된다. 같은 이유로 연간 데이터 수집이 불가능하였다. Since this verification process is time consuming and budget intensive, since 2010 land cover mapping projects have been conducted annually for one state or a few cities. Annual data collection was not possible for the same reason.
참조 데이터 세트(reference dataset)에는 27,645개의 토지 필지가 포함되어 있으며, 11,411필지, 6777필지 및 9457필지는 각각 유휴 농지, 논, 농업(건조)의 밭(fields)이다. 논과 농경지는 2013년과 2018년에 모두 토지 피복도에 의해 지정된 것으로 정의한다. 또한, 유휴 농지는 2018년 토지 피복도를 기준으로 여전히 농업생산 징후를 나타내지 않는 2013년 조사에서 검출된 필지로 정의한다. The reference dataset contains 27,645 land parcels, of which 11,411 parcels, 6777 parcels and 9457 parcels are idle farmland, rice paddy, and agricultural (dry) fields, respectively. Rice fields and agricultural land are defined as designated by land cover maps in both 2013 and 2018. In addition, idle farmland is defined as parcels detected in the 2013 survey that still show no signs of agricultural production based on the land cover in 2018.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 모델의 토지 분류를 기초로 조정된 R2 값의 예시도이다. 8 is an exemplary diagram of an R2 value adjusted based on land classification of an idle farmland detection model according to an embodiment of the present invention.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 변수 계수 표이다. 9A to 9C are variable coefficient tables of an idle farmland detection method according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 분류 방법으로부터 토지 분류에 따른 R2값을 나타낸다. 검은색으로 표시된 셀은 모델에 대해 선택된 변수이다. 이 때, 변수란 서로 다른 조화 구성 요소 세트(sets of harmonic components)를 갖춘 최적의 35개의 변수에 관한 것이다. y축은 조정된 R2를 나타낸다. 각 식생 지수의 궤적을 설명하는 변수의 자세한 계수는 도 9a 내지 도 9c와 같다. Referring to Figure 8, it shows the R2 value according to land classification from the idle farmland classification method according to an embodiment of the present invention. Cells marked in black are the variables selected for the model. In this case, the variables refer to the optimal 35 variables with different sets of harmonic components. The y-axis represents adjusted R2. Detailed coefficients of variables describing the trajectory of each vegetation index are shown in FIGS. 9A to 9C.
먼저, 도 8의 (1), (2), (3)을 참조하면, 정규 식생 지수의 조화 분석은 각 등급(유휴 농지, 밭, 논)에 대해 가능한 최대 조정 R2가 각각 0.80, 0.76, 0.86임을 시사한다. 분석에 포함된 총 35개의 변수(절편 + 17쌍의 조화 성분) 중에서 세 번째를 초과하는 고차 정현파 계수도 가장 적합한 모델에 포함된다. First, referring to (1), (2), and (3) of FIG. 8, the harmonization analysis of the regular vegetation index shows that the maximum possible adjustment R2 for each grade (idle farmland, field, rice field) is 0.80, 0.76, and 0.86, respectively. suggests that Among the total of 35 variables included in the analysis (intercept + 17 pairs of harmonic components), higher-order sinusoidal coefficients exceeding the third are also included in the best-fitting model.
도 8의 (4), (5), (6)을 참조하면, 정규 수분 지수의 경우, 유휴 농지, 밭, 논 각각에 대해 0.95, 0.95, 0.90의3개의 식생 지수 중 가장 높은 평균 조정 R2를 가진다. Referring to (4), (5), and (6) of FIG. 8, in the case of the normal moisture index, the highest average adjusted R2 among the three vegetation indices of 0.95, 0.95, and 0.90 for idle farmland, field, and rice paddy, respectively have
또한, 도 8의 (8), (9), (10)을 참조하면, 토양 보정 식생 지수를 분석한 결과는 정규 식생 지수 분석 결과와 유사하다. 정규 식생 지수에 나타나듯이, 토양 보정 식생 지수는 논의 적합에 가장 유용하다. 유휴지, 밭 논에 해당하는 R2는 0.87, 0.82, 0.90이다. In addition, referring to (8), (9), and (10) of FIG. 8, the result of analyzing the soil-corrected vegetation index is similar to the regular vegetation index analysis result. As shown in the normal vegetation index, the soil-adjusted vegetation index is most useful for fitting paddy fields. R2 corresponding to idle land and field rice fields are 0.87, 0.82, and 0.90.
따라서, 유휴 농지에서 식물의 이질적인 혼합물의 성장 주기를 맞추는데 저차 성분만 사용하는 것 보다 고차 정현파를 함께 사용하는 것이 효과적이다. 예를 들어, 논에 대한 정규 식생 지수의 경우, 조정된 R2가 0.86에서 0.59로 감소했기 때문에 3차 이상의 성분은 적합도를 개선하는데 중요하다.Therefore, it is more effective to use high-order sine waves together than to use only low-order components to adjust the growth cycle of a heterogeneous mixture of plants in idle farmland. For example, in the case of the normal vegetation index for rice fields, components of 3rd or higher order are important to improve the fit because the adjusted R2 decreased from 0.86 to 0.59.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법의 토지 분류에 따른 식생 지수의 그래프이다.10 is a graph of vegetation indices according to land classification of an idle farmland detection method according to an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 검은색으로 표시된 값은 도 8과 유휴 농지 탐지 모델을 사용하여 추정한 값이며, 빨간색으로 표시된 값은 관측값이다. 9개의 곡선의 일반적인 모양은 단순한 사인 및 코사인 곡선에서 크게 벗어나므로 시뮬레이션을 위한 고차 주파수가 필요하다. Referring to FIG. 10 , values displayed in black are estimated values using the idle farmland detection model in FIG. 8 , and values displayed in red are observed values. The general shape of the nine curves deviate greatly from simple sine and cosine curves, requiring higher order frequencies for simulation.
이는 온대 기후에서 채택된 복잡한 재배 절차 때문일 수 있다. 또한, 앞서 언급한 결과에서 알 수 있듯이 정규 식생 분포와 토양 보정 식생 지수로 표현되는 현상은 서로 유사하므로 두 지수의 유사성을 확인한다. This may be due to complex cultivation procedures adopted in temperate climates. In addition, as can be seen from the above-mentioned results, the normal vegetation distribution and the phenomenon expressed as the soil-adjusted vegetation index are similar to each other, so the similarity of the two indices is confirmed.
유휴 농지의 정규 식생 지수와 토양 보정 식생 지수의 경우, 다른 두 토지 사용(밭, 논)의 정규 식생 지수와 토양 보정 식생 지수보다 전체적으로 높은 값을 가진다. 또한, 유휴 농지는 다른 두 토지에 비해 값이 더 일찍 높아지고 더 오래 지속되며, 더 서늘한 계절에 떨어진다. In the case of the normalized vegetation index and the soil-adjusted vegetation index of idle farmland, the values of the normalized vegetation index and the soil-adjusted vegetation index of the other two land uses (fields and paddy fields) were overall higher. In addition, idle farmland tends to increase in value earlier and last longer than the other two lands, and falls during the cooler season.
그 중 논의 정규 식생지수는 대부분 낮게 유지되고, 높은 값은 짧은 시간 동안만 나타난다는 점에서 반대 궤적을 그린다. Among them, the normalized vegetation index of rice fields draws the opposite trajectory in that most of them remain low, and high values appear only for a short period of time.
반면, 정규 수분 지수의 경우 다른 두 지수와 다른 양상을 보인다. 밭의 정규 수분 지수 진폭은 9개의 진폭 중에서 가장 작고, 신뢰 구간은 상대적으로 좁다. 따라서, 밭의 구분은 정규 수분 지수로 잘 표현될 수 있다. 이는 식생지수에서 추출된 특성이 각 클래스에 고유한 특성을 나타내어 분류에 유용할 수 있음을 나타낸다. On the other hand, the normal moisture index shows a different pattern from the other two indices. The field's normal moisture index amplitude is the smallest among the nine amplitudes, and the confidence interval is relatively narrow. Thus, the division of fields can be well represented by normal moisture indices. This indicates that the characteristics extracted from the vegetation index can be useful for classification by representing characteristics unique to each class.
도 11 내지 도 15를 참조하여 세 식생 지수에 대한 정확도를 설명한다. The accuracy of the three vegetation indices will be described with reference to FIGS. 11 to 15 .
세 가지 유형의 커널 트릭 중 방사형 커널은 모든 식생 지수에 대해 최상의 성능을 발휘하는 반면 비용 및 감마 값은 모델마다 약간의 차이가 있다. 일반적으로 토양 보정 식생 지수를 사용하는 경우 전체 정확도가 가장 높고, 정규 수분 지수를 사용하는 경우 가장 낮다.Among the three types of kernel tricks, the radial kernel has the best performance for all vegetation indices, while the cost and gamma values vary slightly from model to model. In general, overall accuracy is highest when soil-adjusted vegetation indices are used and lowest when normal moisture indices are used.
또한, 유휴 농지와 논의 분류에 있어서 밭보다 생산자 및 사용자의 정확성이 높다. 조화 성분의 하위 집합이 가장 좋은 세 가지 모델은 아래의 수학식 3, 4 및 5에 의해 구현된다. 수학식 3은 정규 식생 지수, 수학식 4는정규 수분 지수, 수학식 5는 토양 보정 식생 지수에 대한 조화 분석 식을 나타낸다. In addition, the accuracy of producers and users is higher than that of fields in classifying idle farmland and paddy fields. The three models with the best subsets of harmonic components are implemented by
[수학식 3] [Equation 3]
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
수학식 3,4,5는 수학식 2를 세개의 식생지수 (NDVI, NDWI, SAVI) 데이터로 적합한 결과로, 투입한 변수들 중 통계적 유의미성을 나타낸 변수들만을 취해 다시 조합한 모형이다.
논, 밭, 유휴농지 분류에 공통으로 유효한 조화 성분은 1차 코사인, 2차 사인, 3차 사인 및 4차 코사인이며, 6차 코사인은 정규 수분 지수 및 토양 보정 식생 지수 분류에서만 유효하다. Commonly valid harmonized components for classification of paddy fields, fields, and idle farmland are first-order cosine, second-order sine, third-order sine, and fourth-order cosine.
1차 성분의 기간은 36개 시점으로, 주기가 1년임을 의미한다. 2차 구성 요소의 기간은 18개 시점이며, 이는 주기가 반년임을 의미한다. 마찬가지로 6차 구성 요소의 기간은 6개 시점, 즉 2개월 주기이다.The duration of the primary component is 36 time points, meaning that the cycle is 1 year. The duration of the secondary component is 18 time points, which means that the cycle is half a year. Similarly, the duration of the 6th component is a period of 6 time points, i.e. a period of 2 months.
도 11은 정규 식생 지수에 따른 분류 결과 표이다.11 is a classification result table according to the regular vegetation index.
도 11을 참조하면, 정규 식생 지수를 사용한 서포트 벡터 머신 분류 결과를 나타낸다. 커널 트릭 비용 값(Kernel trick Cost) 6과 감마값(gamma) 0.1에서 최상의 성능이 나타난다. 전체 예측 정확도(Overall accuracy)는 86.97%이고 카파 지수(Kappa index)는 0.799이다. 유휴 농지, 밭, 논을 구분하는 정확도는 생산자의 정확성(Producer's accuracy) 측면에서 각각 90.57%, 76.92%, 89.55%이다. Referring to FIG. 11, the support vector machine classification results using the normal vegetation index are shown. The best performance is obtained with a kernel trick cost of 6 and a gamma of 0.1. The overall prediction accuracy is 86.97% and the Kappa index is 0.799. The accuracy of classifying idle farmland, field, and rice field was 90.57%, 76.92%, and 89.55%, respectively, in terms of producer's accuracy.
도 12는 정규 수분 지수에 따른 분류 결과 표이다.12 is a classification result table according to the normal moisture index.
도 12를 참조하면, 정규 수분 지수를 사용한 서포트 벡터 머신 분류 결과를 나타낸다. 전체 예측 정확도는 85.29%로 약간 낮았으며, 카파 지수는 0.775이다. 그러나, 유휴 농지 판별 성능은 90.67%로 정규 식생 지수 결과보다 높다. Referring to FIG. 12, the support vector machine classification results using the normal moisture index are shown. The overall prediction accuracy was slightly lower at 85.29%, with a kappa index of 0.775. However, the idle farmland discrimination performance is 90.67%, which is higher than the regular vegetation index result.
도 13은 토양 보정 식생 지수에 따른 분류 결과 표이다.13 is a classification result table according to the soil-corrected vegetation index.
도 13을 참조하면, 토양 보정 식생 지수를 사용한 서포트 벡터 머신 분류 결과를 제시한다. 전체 정확도 및 카파 지수 측면에서 토양 보정 식생 지수를 사용한 분류기가 다른 두 분류기보다 우수한 성능을 나타낸다. 유휴 농지에 대한 생산자와 사용자의 정확도도 각각 91.30%와 91.68%로 가장 높게 나타난다. Referring to FIG. 13, the support vector machine classification results using the soil-corrected vegetation index are presented. In terms of overall accuracy and kappa index, the classifier using the soil-adjusted vegetation index performs better than the other two classifiers. The accuracy of producers and users for idle farmland is also the highest at 91.30% and 91.68%, respectively.
도 14는 세가지 식생 지수에 따른 분류 결과 표이다. 14 is a classification result table according to three vegetation indices.
도 14를 참조하면, 세 개의 식생 지수에 대한 모든 조화 성분을 사용하여 최상의 성능을 내는 하위 집합을 찾은 다음 다시 분류를 수행한 값을 나타낸다. 먼저 3 개의 식생 지수에서 최대 6차 구성 요소를 취한 다음 재귀적 특징 제거 알고리즘을 실행하여 최상의 하위 집합을 도출한다. 최종모델은 수학식 6과 같은 함수를 사용하여 구현된다. Referring to FIG. 14 , values obtained by finding a subset with the best performance using all harmonic components for three vegetation indices and then performing classification again are shown. First, we take up to 6-order components from the three vegetation indices and then run a recursive feature removal algorithm to derive the best subsets. The final model is implemented using a function such as
[수학식 6][Equation 6]
수학식 6의 변수와 계수가 의미하는 바는 수학식 2에서와 동일하다.The meaning of the variables and coefficients in
유휴 농지의 검출 성능은 전체 정확도 120.72%, 카파 지수 0.858, 생산자 정확도 122.67%, 사용자 정확도(User's accuracy) 93.40%와 같이 모든 기준에서 향상된 값이 나타난다. The detection performance of idle farmland shows improved values in all criteria, such as overall accuracy of 120.72%, kappa index of 0.858, producer accuracy of 122.67%, and user's accuracy of 93.40%.
또한 정규 수분 지수와 토양 보정 식생 지수가 기여한 독특한 특성은 정규 식생 지수로만 수행된 분류에 비하여 성능이 향상된다. In addition, the unique properties contributed by the normal moisture index and the soil-corrected vegetation index result in improved performance compared to classification performed with the normal vegetation index alone.
도 15는 고차 조화 분석과 식생 지수에 따른 분류 성능 비교 결과 표이다.15 is a table of results of comparison of classification performance according to higher order harmonic analysis and vegetation index.
도 15를 참조하면, 고차 조화 성분과 세 식생 지수의 구성이 분류 성능을 개선하는 것을 나타낸다. 비교 모델에는 최대 3차 조화 성분만 포함된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 정규 식생 지수, 정규 수분 지수, 토양 보정 식생 지수 중 어느 하나만을 이용하여 유휴 농지를 판별하는 것 보다. 세가지 식생 지수를 모두 이용하여 유휴 농지를 판별하는 경우, 정확도가 더 높다. Referring to FIG. 15, it is shown that the configuration of the higher harmonic component and the three vegetation indices improves the classification performance. Comparative models include only up to third harmonic components. As shown in FIG. 15, rather than discriminating idle farmland using only one of a regular vegetation index, a regular moisture index, and a soil-corrected vegetation index. In the case of discriminating idle farmland using all three vegetation indices, the accuracy is higher.
유휴 농지와 달리 휴경지는 토양의 비옥도를 회복하기 위해 고의로 생산을 중단한 경작지이다. 따라서 휴경지는 여전히 관리가 되므로 토지 구분이 상대적으로 어렵다. 하지만, 실시예에 따른 유휴 농지 탐지 방법은 단기간의 관찰에서도 유휴 농지와 휴경지를 명확히 구분할 수 있다. Unlike idle farmland, fallow land is cultivated land where production has been deliberately stopped to restore soil fertility. Therefore, fallow land is still managed and land classification is relatively difficult. However, the method for detecting idle farmland according to the embodiment can clearly distinguish idle farmland from idle farmland even in a short period of observation.
본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. An embodiment of the present invention may be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as program modules executed by a computer. Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Also, computer readable media may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.
본 발명의 방법은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.Although the methods of the present invention have been described with reference to specific embodiments, some or all of their components or operations may be implemented using a computer system having a general-purpose hardware architecture.
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, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may 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 following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
1: 유휴 농지 검출 장치 110: 통신 모듈
120: 메모리 130: 데이터베이스
140: 프로세서1: idle farmland detection device 110: communication module
120: memory 130: database
140: processor
Claims (22)
탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하는 단계, 그리고
상기 영상을 유휴 농지 탐지 모델에 입력하여 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하는 단계를 포함하되,
상기 유휴 농지 탐지 모델은,
상기 영상에 포함된 상기 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분한 토지 단위별 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행함에 따라 도출된 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역내의 유휴 농지를 판별하도록 학습된 기계 학습 모델인 것인, 유휴 농지 탐지 방법. In the idle farmland detection method using an idle farmland detection device,
Obtaining an image for a preset period of time for a search target area, and
Including inputting the image to an idle farmland detection model to determine idle farmland in the search target area,
The idle farmland detection model,
Discrimination of idle farmland in the search target area based on the harmonic component derived by performing harmonic analysis on the vegetation index for each land unit in which the search target area included in the image is divided into preset land units A method for detecting idle farmland, which is a machine learning model trained to do.
상기 식생 지수는,
정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index), 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index) 및 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) 중 어느 하나 이상을 포함하는, 유휴 농지 탐지 방법. According to claim 1,
The vegetation index is,
A method for detecting idle farmland, including any one or more of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI), and Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI).
상기 조화 분석은,
3차 이상의 고차 조화 분석을 포함하는, 유휴 농지 탐지 방법. According to claim 1,
The harmonization analysis,
A method for detecting idle farmland, including third-order or higher-order harmonic analysis.
상기 유휴 농지 탐지 모델은,
재귀적 특징 제거 알고리즘(recursive feature elimination algorithm)을 이용하여 상기 식생 지수에 포함된 조화 성분 중 유휴 농지 분류를 위한 조화 성분을 도출하는 것인, 유휴 농지 탐지 방법. According to claim 1,
The idle farmland detection model,
Idle farmland detection method of deriving a harmonic component for classifying idle farmland among the harmonic components included in the vegetation index using a recursive feature elimination algorithm.
상기 영상을 획득하는 단계는,
미리 설정된 최소 해상도 이상의 해상도를 가지며, 미리 설정된 최대 기간 미만의 기간 간격으로 위성 영상을 획득하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 방법. According to claim 1,
Acquiring the image is
Acquiring satellite images with a resolution equal to or greater than a preset minimum resolution and at period intervals less than a preset maximum duration
Including, idle farmland detection method.
상기 위성 영상을 획득하는 단계는,
양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 상기 위성 영상을 샘플링하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 방법. According to claim 5,
Acquiring the satellite image,
Sampling the satellite image using bi-linear interpolation
Including, idle farmland detection method.
상기 유휴 농지 탐지 모델은,
서포트 벡터 머신(SVM: Support Vector Machine)을 이용하여 상기 조화 성분에 포함된 주파수 계수를 분류하고,
분류된 주파수 계수를 기초로 상기 유휴 농지 탐지 모델의 학습을 수행하는 것인, 유휴 농지 탐지 방법. According to claim 1,
The idle farmland detection model,
Classifying frequency coefficients included in the harmonic component using a Support Vector Machine (SVM);
To perform learning of the idle farmland detection model based on the classified frequency coefficient, idle farmland detection method.
유휴 농지 탐지 프로그램이 저장되는 메모리, 그리고
유휴 농지 탐지 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하며,
상기 프로세서는,
탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하고,
상기 영상을 유휴 농지 탐지 모델에 입력하여 상기 탐색 대상 구역내의 유휴 농지를 판별하되,
상기 유휴 농지 탐지 모델은,
상기 영상에 포함된 상기 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분한 토지 단위별 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행함에 따라 도출된 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 상기 유휴 농지 탐지 모델의 학습된 기계 학습 모델인 것인, 유휴 농지 탐지 장치. In the idle farmland detection device,
A memory in which an idle farmland detection program is stored, and
Includes a processor that performs an idle farmland detection program;
the processor,
Obtaining an image for a preset period of time with respect to the search target area;
Inputting the image to an idle farmland detection model to determine idle farmland in the search target area,
The idle farmland detection model,
Discrimination of idle farmland in the search target area based on the harmonic component derived by performing harmonic analysis on the vegetation index for each land unit in which the search target area included in the image is divided into preset land units Idle farmland detection device, which is a learned machine learning model of the idle farmland detection model so as to do so.
상기 프로세서는,
상기 영상에 대하여 정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index), 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index) 및 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) 중 어느 하나 이상을 도출하는 것인, 유휴 농지 탐지 장치. According to claim 8,
the processor,
Deriving any one or more of a Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), a Normalized Difference Water Index (NDWI), and a Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI) for the image, Idle farmland detection device.
상기 프로세서는,
상기 식생 지수에 대하여 3차 이상의 고차 조화 분석을 수행하는 것인, 유휴 농지 탐지 장치. According to claim 8,
the processor,
To perform a third or higher order harmonic analysis on the vegetation index, the idle farmland detection device.
상기 프로세서는,
재귀적 특징 제거 알고리즘(recursive feature elimination algorithm)을 이용하여 상기 식생 지수에 포함된 조화 성분 중 유휴 농지 분류를 위한 조화 성분을 도출하는 것인, 유휴 농지 탐지 장치. According to claim 8,
the processor,
Idle farmland detection device to derive a harmonic component for classification of idle farmland among the harmonic components included in the vegetation index using a recursive feature elimination algorithm.
상기 프로세서는,
미리 설정된 최소 해상도 이상의 해상도를 가지며, 미리 설정된 최대 기간 미만의 기간 간격으로 위성 영상을 획득하는 것인, 유휴 농지 탐지 장치. According to claim 8,
the processor,
Having a resolution equal to or greater than a preset minimum resolution, and acquiring satellite images at period intervals less than a preset maximum period, an idle farmland detection device.
상기 프로세서는,
양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 상기 위성 영상을 샘플링하는 것인, 유휴 농지 탐지 장치. According to claim 12,
the processor,
To sample the satellite image using bi-linear interpolation, idle farmland detection device.
상기 프로세서는,
서포트 벡터 머신(SVM: Support Vector Machine)을 이용하여 상기 조화 성분에 포함된 주파수 계수를 분류하고,
분류된 주파수 계수를 기초로 상기 유휴 농지 탐지 모델의 학습을 수행하는 것인, 유휴 농지 탐지 장치. According to claim 8,
the processor,
Classifying frequency coefficients included in the harmonic component using a Support Vector Machine (SVM);
To perform learning of the idle farmland detection model based on the classified frequency coefficient, idle farmland detection device.
탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하는 단계,
상기 영상에 포함된 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분하고, 상기 토지 단위별 식생 지수를 도출하는 단계,
상기 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 조화 성분을 도출하는 단계, 그리고
상기 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 학습하여 유휴 농지 탐지 모델을 구축하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법. In the idle farmland detection model construction method using the idle farmland detection model building device,
Obtaining an image for a preset period of time in a search target area;
Dividing the search target area included in the image into preset land units and deriving a vegetation index for each land unit;
Deriving a harmonic component by performing harmonic analysis on the vegetation index, and
Building an idle farmland detection model by learning to discriminate idle farmland in the search target area based on the harmonic component
Containing, idle farmland detection model construction method.
상기 식생 지수를 도출하는 단계는,
정규 식생 지수(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index), 정규 수분 지수(NDWI: Normalized Difference Water Index) 및 토양 보정 식생 지수(SAVI: Soil Adjusted Vegetation Index) 중 어느 하나 이상을 도출하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법. According to claim 15,
Deriving the vegetation index,
Deriving any one or more of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI), and Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI).
Containing, idle farmland detection model construction method.
상기 조화 분석은,
3차 이상의 고차 조화 분석을 포함하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법.According to claim 15,
The harmonization analysis,
A method for constructing an idle farmland detection model, including third-order or higher-order harmonic analysis.
상기 조화 성분을 도출하는 단계는,
재귀적 특징 제거 알고리즘(recursive feature elimination algorithm)을 이용하여 상기 식생 지수에 포함된 조화 성분 중 유휴 농지 분류를 위한 조화 성분을 도출하는 것인, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법. According to claim 15,
The step of deriving the harmonic component,
An idle farmland detection model construction method of deriving a harmonic component for classifying idle farmland among the harmonic components included in the vegetation index using a recursive feature elimination algorithm.
상기 영상을 획득하는 단계는,
미리 설정된 최소 해상도 이상의 해상도를 가지며, 미리 설정된 최대 기간 미만의 기간 간격으로 위성 영상을 획득하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법. According to claim 15,
Acquiring the image is
Acquiring satellite images with a resolution equal to or greater than a preset minimum resolution and at period intervals less than a preset maximum duration
Containing, idle farmland detection model construction method.
상기 위성 영상을 획득하는 단계는,
양선형 보간법(bi-linear interpolation)을 이용하여 상기 위성 영상을 샘플링하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법. According to claim 19,
Acquiring the satellite image,
Sampling the satellite image using bi-linear interpolation
Containing, idle farmland detection model construction method.
상기 유휴 농지 탐지 모델을 구축하는 단계는,
서포트 벡터 머신(SVM: Support Vector Machine)을 이용하여 상기 조화 성분에 포함된 주파수 계수를 분류하는 단계, 그리고
분류된 주파수 계수를 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 학습하여 유휴 농지 탐지 모델을 구축하는 단계
를 포함하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 방법. According to claim 15,
The step of building the idle farmland detection model,
Classifying frequency coefficients included in the harmonic component using a Support Vector Machine (SVM), and
Building an idle farmland detection model by learning to discriminate idle farmland in the search target area based on the classified frequency coefficient
Containing, idle farmland detection model construction method.
유휴 농지 탐지 프로그램이 저장되는 메모리, 그리고
유휴 농지 탐지 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하며,
상기 프로세서는,
탐색 대상 구역에 대하여, 미리 설정된 기간 동안의 영상을 획득하고,
상기 탐색 대상 구역을 미리 설정된 토지 단위로 구분하고, 토지 단위별 식생 지수를 도출하며,
상기 식생 지수에 대하여 조화 분석(harmonic analysis)을 수행하여 조화 성분을 도출하고,
상기 조화 성분을 기초로 상기 탐색 대상 구역 내의 유휴 농지를 판별하도록 학습하여 유휴 농지 탐지 모델을 구축하는, 유휴 농지 탐지 모델 구축 장치.In the idle farmland detection model building device,
A memory in which an idle farmland detection program is stored, and
Includes a processor that performs an idle farmland detection program;
the processor,
Obtaining an image for a preset period of time with respect to the search target area;
Divide the search target area into preset land units, derive a vegetation index for each land unit,
Deriving a harmonic component by performing harmonic analysis on the vegetation index,
An idle farmland detection model building apparatus for constructing an idle farmland detection model by learning to discriminate idle farmland in the search target area based on the harmonic component.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210077404 | 2021-06-15 | ||
KR20210077404 | 2021-06-15 |
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Publication Number | Publication Date |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020220072254A KR20220168169A (en) | 2021-06-15 | 2022-06-14 | Apparatus and method for detecting abandoned farmland using harmonic analysis and machine learning |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20220168169A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117690017A (en) * | 2023-11-16 | 2024-03-12 | 宁波大学 | Single-season and double-season rice extraction method considering physical time sequence characteristics |
-
2022
- 2022-06-14 KR KR1020220072254A patent/KR20220168169A/en unknown
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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