WO2018004181A1 - 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법 - Google Patents

위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법 Download PDF

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WO2018004181A1
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정형섭
박숭환
채성호
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서울시립대학교 산학협력단
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    • G06T2207/30181—Earth observation

Definitions

  • the present invention relates to an oil spill detection apparatus and method using satellite images, and more particularly, to improve the reliability of satellite images by correcting satellite images for an oil spill region, and using the corrected satellite images to color channel images.
  • this color channel image we generate the direction vector for the change of each color channel in RGB at random points of oil spill area and seawater area, and analyze it for accuracy and reliability in specifying the range of oil spill area.
  • the present invention relates to an oil spill detection apparatus and method using a satellite image significantly improved.
  • Oil spills on sea surface due to oil tanker collisions or explosions in offshore oil wells are one of the major marine disasters that have serious impacts on marine ecosystems. Therefore, global monitoring of the location and spreading of oil spills is very important to minimize ecological and economic damage from oil spills.
  • satellite imagery refers to photographs and images captured by remote surveillance of satellites, and includes global information on the surface of the earth according to the shooting angle of satellites. It is a data that can periodically produce information of the same area according to the shooting cycle of the satellite.
  • optical satellite image produced by imaging the solar radiation energy reflected from the earth's surface has been widely used to classify visually distinguishable objects because it has a great effect in displaying visual information.
  • Optical images have different uses depending on the spatial resolution and the radiation resolution of one pixel, and can be classified into low resolution, medium resolution, and high resolution.
  • Images with spatial resolution of more than 500m can be classified as low resolution satellite images. These low resolution satellite images do not provide detailed terrain information, but because they show high spectral resolution, channel images in more than 20 wavelength bands Providing.
  • the representative region that can utilize the low resolution optical image well is the ocean, and since the marine region is composed mostly of seawater, it acquires information of various wavelength bands rather than having high spatial resolution, so that the flow of seawater, plankton, green algae, Information such as the location of red tide and the spread of oil can be generated.
  • high-resolution satellite images showing spatial resolution of less than 4m among optical images show low spectral resolution. Most of them provide only visible and near-infrared channel images, but because they have high spatial resolution, detailed information on the terrain can be visually displayed. It is excellent to show similar to this. Therefore, high resolution satellite images have been mainly used for land image production, mapping, vegetation detection, object classification and resource exploration.
  • the prior art "oil spill detection method using visible light satellite data” is a technique for detecting oil by comparing the light quantity of seawater and oil, specifically, the difference in the reflectivity of seawater and oil in the wavelength range of 550nm to 600nm It is a method of detecting oil by using.
  • the solar radiation energy reflected from seawater and oil reaches the satellite sensor, it is influenced by the atmosphere, so the information of seawater and oil actually recorded can be changed. This is necessary.
  • An object of the present invention is to generate a reliable satellite image by minimizing the effects of air and waves in the detection of oil spill in the ocean using satellite images, and to improve the accuracy and efficiency in visual information extraction, the range of oil spill region It is to provide an oil spill detection apparatus and method using a satellite image that can be more accurately determined.
  • Oil spill detection device using a satellite image according to the present invention in order to achieve the above object is a satellite image receiver for receiving a satellite image of the oil spill region of the ocean, the influence of the atmosphere and the wave effect on the oil spill region
  • a satellite image correction unit for correcting the satellite image by reflecting the reflection, converting the corrected satellite image into a color channel image, and reflectance values of visible light and near infrared channel image in at least one pixel of the oil spill region in the color channel image.
  • a tendency difference image generator for generating a tendency difference image representing an angle difference between a second direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the first direction vector and the oil spill region Converts the corrected satellite image into a color channel image, First direction vector for reflectance values of visible and near infrared channel images in any at least one pixel of the oil spill region and second direction for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the oil spill region. And a distance difference image generator for generating a distance difference image representing a distance difference between the vectors, and an oil spill region detector for deriving a range of the oil spill region by synthesizing the trend difference image and the distance difference image information.
  • the satellite image receiver may be a satellite image receiver for receiving an optical image of 4m or less.
  • the satellite image correction unit may further include an air effect correction unit for correcting an air effect on the satellite image using an air correction technique or an image-based correction technique.
  • the satellite image corrector may be configured to control the effects of waves on the satellite image by using a direction filter in which the horizontal window of the satellite image is larger than the vertical window or the vertical window of the satellite image is larger than the horizontal window.
  • the apparatus may further include a wave influence correcting unit to correct.
  • the direction filter may be a median filter represented by replacing a wavelength value of any one point of the satellite image with a median value of a window centered on the point.
  • the trend difference image generation unit and the distance difference image generation unit respectively calculate average values of reflectance values of visible light and near infrared channel images in at least two pixels of the oil spill region in the color channel image in a first direction to change the average value. You can create a vector.
  • the oil spill detection device may further include an oil spill area selection unit capable of receiving an arbitrary range of the oil spill area in the corrected satellite image.
  • the present invention also provides a satellite image receiving step of receiving a satellite image of the oil spill region of the ocean, reflecting the influence of the atmosphere and the wave effect on the oil spill region, the satellite image A satellite image correction step of converting the satellite image into a color channel image, and converting the corrected satellite image into a color channel image to obtain a first direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel of the oil spill region in the color channel image; Generating a tendency difference image representing an angle difference between a second direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the oil spill region; Converts to a channel image, so that any enemy of the oil spill region in the color channel image A distance representing a distance difference between a first direction vector for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel and a second direction vector for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than
  • the present invention also provides a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the oil spill detection method using the satellite image.
  • the oil spill detection apparatus and method using the satellite image according to the present invention can generate a reliable satellite image by minimizing the influence of the atmosphere and waves in the oil spill detection of the ocean using the satellite image, and accurate in visual information extraction In addition, it is possible to more accurately determine the extent of the oil spill region by improving the efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a block diagram showing the order of the oil spill detection method using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a satellite image photograph showing an example of a satellite image received through the oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph showing an example of a frequency image generated to correct an influence of a wave on a satellite image received through an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph showing an example of a satellite image in which an influence of an air and a wave are corrected by an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a photograph showing an example of a trend difference image and a distance difference image of a satellite image generated by an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an example of an image obtained by applying a boundary value to a trend difference image and a distance difference image of a satellite image generated by an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention, and an image obtained by synthesizing these images. The picture shown.
  • FIG. 8 is a photograph showing an example of a result image of detecting the oil spilled by the oil spill detection apparatus using the satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • Oil spill detection device using a satellite image according to the present invention in order to achieve the above object is a satellite image receiver for receiving a satellite image of the oil spill region of the ocean, the influence of the atmosphere and the wave effect on the oil spill region
  • a satellite image correction unit for correcting the satellite image by reflecting the reflection, converting the corrected satellite image into a color channel image, and reflectance values of visible light and near infrared channel image in at least one pixel of the oil spill region in the color channel image.
  • a tendency difference image generator for generating a tendency difference image representing an angle difference between a second direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the first direction vector and the oil spill region Converts the corrected satellite image into a color channel image, First direction vector for reflectance values of visible and near infrared channel images in any at least one pixel of the oil spill region and second direction for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the oil spill region. And a distance difference image generator for generating a distance difference image representing a distance difference between the vectors, and an oil spill region detector for deriving a range of the oil spill region by synthesizing the trend difference image and the distance difference image information.
  • the satellite image receiver may be a satellite image receiver for receiving an optical image of 4m or less.
  • the satellite image correction unit may further include an air effect correction unit for correcting an air effect on the satellite image using an air correction technique or an image-based correction technique.
  • the satellite image corrector may be configured to control the effects of waves on the satellite image by using a direction filter in which the horizontal window of the satellite image is larger than the vertical window or the vertical window of the satellite image is larger than the horizontal window.
  • the apparatus may further include a wave influence correcting unit to correct.
  • the direction filter may be a median filter represented by replacing a wavelength value of any one point of the satellite image with a median value of a window centered on the point.
  • the trend difference image generation unit and the distance difference image generation unit respectively calculate average values of reflectance values of visible light and near infrared channel images in at least two pixels of the oil spill region in the color channel image in a first direction to change the average value. You can create a vector.
  • the oil spill detection device may further include an oil spill area selection unit capable of receiving an arbitrary range of the oil spill area in the corrected satellite image.
  • the present invention also provides a satellite image receiving step of receiving a satellite image of the oil spill region of the ocean, reflecting the influence of the atmosphere and the wave effect on the oil spill region, the satellite image A satellite image correction step of converting the satellite image into a color channel image, and converting the corrected satellite image into a color channel image to obtain a first direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel of the oil spill region in the color channel image; Generating a tendency difference image representing an angle difference between a second direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the oil spill region; Converts to a channel image, so that any enemy of the oil spill region in the color channel image A distance representing a distance difference between a first direction vector for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel and a second direction vector for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than
  • the present invention also provides a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the oil spill detection method using the satellite image.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • the oil spill detection apparatus using the satellite image includes a satellite image receiver 110 receiving a satellite image of an oil spill region in the ocean, the influence of the atmosphere on the oil spill region, and Satellite image correction unit 120 for correcting the satellite image by reflecting the influence of the wave, converts the corrected satellite image to a color channel image, and the visible light and at any one pixel of the oil spill region in the color channel image A tendency to generate a tendency difference image representing an angular difference between the first direction vector for the reflectance value of the near infrared channel image and the second direction vector for the reflectance value of the visible and near infrared channel image in at least one pixel other than the oil spill region.
  • the difference image generator 134 converts the corrected satellite image into a color channel image, A first direction vector for reflectance values of the visible and near infrared channel images in at least one pixel of the outflow region and a second direction vector for reflectance values of the visible and near infrared channel image in any at least one pixel other than the oil spill region
  • a distance difference image generation unit 136 for generating a distance difference image indicating a distance difference of the oil spill region detection unit 140 for deriving a range of an oil spill region by synthesizing the trend difference image and the distance difference image information. It consists of doing.
  • the oil spill detection apparatus using the satellite image according to the present invention receives a satellite image of the oil spill region of the ocean to correct the satellite image by reflecting the influence of the atmosphere and the impact of the waves, Generate direction vector values for reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel of the oil spill region and any at least one pixel other than the oil spill region in the color channel image, and then generate these direction vector values.
  • the angle difference and the distance difference are calculated to generate the trend difference image and the distance difference image.
  • the image information is synthesized so that the accuracy of visual information extraction of the oil spill region can be improved. do.
  • the satellite image receiving unit 110 may be configured as a satellite image receiving unit for receiving an optical image of 4m or less. That is, the satellite image receiving unit 110 is composed of a satellite image receiving unit for receiving an optical image of 4m or less having a high resolution, so that the satellite image which grasps in detail the progress of oil emulsification and weathering of oil spilled sea It is possible to further improve the accuracy in determining the oil spill region by receiving.
  • the specific structure or configuration is not particularly limited.
  • the atmospheric impact correction unit 122 for correcting the atmospheric impact on the satellite image using an atmospheric correction technique or an image-based correction technique and a horizontal window of the satellite image are larger than the vertical window, or the satellite It may be configured to further include a wave effect correction unit 124 for correcting the effect of the wave on the satellite image using a direction filter having a vertical window of the image larger than the horizontal window.
  • the direction filter may be configured to be a median filter represented by replacing the wavelength value of any one point of the satellite image with the median value of the window centered on the point.
  • a user of the oil spill detection apparatus using the satellite image directly views and judges the corrected satellite image to determine an arbitrary range of the oil spill region through the oil spill region selection unit 132 to the oil spill detection apparatus.
  • the trend difference image generation unit 134 and the distance difference image generation unit 136 select at least one pixel from an oil spill region input by the user, respectively, to display the visible light and the near infrared channel image.
  • a first direction vector for a change in reflectance value may be generated.
  • the trend difference image generation unit 132 and the distance difference image generation unit 136 respectively calculate average values of reflectance values of visible light and near infrared channel images in at least two pixels of the oil spill region in the color channel image.
  • the first direction vector with respect to the change of the average value can be generated.
  • Figure 2 is a block diagram showing the order of the oil spill detection method using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • Trend difference image generation step (S220) by converting the corrected satellite image to a color channel image, the color channel A first direction vector for reflectance values of the visible and near infrared channel images in any at least one pixel of the oil spill region and a second direction for the reflectance values of the visible and near infrared channel images in any at least one pixel other than the oil spill region
  • the oil spill detection method using the satellite image according to the present invention receives the satellite image of the oil spill region of the ocean to correct the satellite image to reflect the influence of the atmosphere and the impact of the waves,
  • direction vector values are generated in the reflectance values of the visible light and the near infrared channel image in at least one pixel of the oil spill region and at least one pixel other than the oil spill region, and then the angle difference between these direction vector values and
  • the trend difference image and the distance difference image are generated, and then the image information is synthesized to finally derive the range of the oil spill region to improve the accuracy of visual information extraction for the oil spill region. do.
  • FIG. 3 is a satellite image photograph showing an example of a satellite image received through the oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a satellite image according to an embodiment of the present invention
  • a photograph showing an example of a frequency image generated to correct an influence of a wave on a satellite image received through an oil spill detection apparatus using the present invention is disclosed
  • FIG. 5 uses a satellite image according to an embodiment of the present invention. Photographs showing examples of satellite images in which an oil spill detection device corrects the effects of the atmosphere and the effects of waves are disclosed.
  • FIG. 6 is a photograph showing an example of a trend difference image and a distance difference image of a satellite image generated by an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 illustrates one embodiment of the present invention.
  • a photograph showing an example of an image obtained by applying boundary values to a trend difference image and a distance difference image of a satellite image generated by an oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment, and an example of a combination of these images.
  • 8 is a photograph showing an example of an image of a result of detecting leaked oil generated by the oil spill detection apparatus using a satellite image according to an embodiment of the present invention.
  • the satellite image receiving unit 110 is a part for obtaining a high resolution optical image having a resolution of 4m or less.
  • the satellite image means an image recorded in an image sensor of a satellite, and includes both a visible light and a channel image of a near infrared wavelength band.
  • 3a is a multipurpose practical satellite No. 2 satellite image taken on May 2, 2010, and oil leaked from the Gulf of Mexico. This image is a photographed image, and it is possible to visually roughly distinguish the spilled oil and the general sea surface.
  • FIGS. 3B and 3C are enlarged areas of oil spilled from the seawater surface in FIG. 3A, and it can be seen that oil spilled tends to appear brighter than seawater surface.
  • both areas show the effects of waves, and some areas are very bright and some areas are very dark, depending on the effects of the waves. Accordingly, when the spilled oil is detected without correcting the influence of the waves, it is confirmed that the possibility of false detection of the oil spill area is very high.
  • the satellite image correction unit 120 including the air impact correction unit 122 and the wave influence correction unit 124 corrects the influence of the atmosphere and the influence of the waves on the satellite image.
  • Atmospheric correction technique by atmospheric model is a method of obtaining and correcting transmittance, atmospheric upward radiation, and atmospheric downward radiation through atmospheric models such as MODTRAN and 6S.
  • Image-based correction technique assumes that there is an object close to the black body in the image. It is a method of estimating atmospheric effects.
  • the high-resolution optical satellite image is a wave generated due to the weather, wind and current flow of the imaging date is captured. These waves are the main cause of false detection rate when oil spills are detected by using high resolution optical images. Some areas become bright and some areas appear dark due to the impact of the waves.
  • the wave effect correction unit 124 corrects the effect of the wave by applying a filter to the optical satellite image.
  • the directional filter included in the wave influence corrector 124 may be a median filter having a larger window in the horizontal or vertical direction.
  • the median filter is a low pass filter that replaces a value such as wavelength or reflectance at a point of an image with a median value in a window centered on the point. Therefore, when the median filter is applied, the image part to which the filter is applied passes the low frequency part having a small difference between the peripheral area and the value in the image, and blocks the high-frequency boundary and the contour part, thereby exhibiting the effect of smoothing the image.
  • the smoothing is reduced in the vertical direction, and the smoothing is larger in the horizontal direction than in the vertical direction.
  • the application of the direction filter to the wave is because the ridge of the wave appears bright in the image and the valley of the wave appears dark, the wave filter of the wave should be applied along the pattern.
  • the effects of waves in the image can be corrected only by applying a direction filter with a small filter window in a direction parallel to two adjacent floors and a relatively large filter window in a vertical direction.
  • FIG. 4 is a power spectrum image in a frequency domain generated for an image in which an air effect correction unit 122 corrects an influence of the atmosphere displayed on a high resolution satellite image.
  • the influence of the wave is predominantly present in the entire image, and the influence can be observed in the power spectrum image.
  • the wave pattern is twisted clockwise at an angle of about 48 °, with about 91 pixels between the two adjacent floors, and about 41 pixels in the parallel direction of the wave floor.
  • the size of the filter including the entire direction filter in consideration of rotation may be determined in the vertical and horizontal directions.
  • the rotation filter considering rotation is configured to assign a value of 1 to a pixel including the rotated direction filter among the pixels in the filter, and to 0 for a pixel not included in the rotation filter. This is to smooth the image by calculating the median value after taking only the value of the image corresponding to one part of the rotated direction filter.
  • the direction filtering may be more effectively extracted by considering the rotation, and thus the wave pattern in the image may be more effectively extracted.
  • the satellite image editing unit 130 calculates a difference between an oil spill region and a general seawater region by using the satellite image in which the influence of the air and the wave is corrected in the satellite image correction unit 120.
  • the satellite image editing unit 130 obtains information on each channel image of the oil spill region selected by the user through the oil spill region selector 132, and therefrom, the difference between the tendency of the channel information values and the distance. Performs the difference calculation.
  • the oil outflow area selected by the user through the oil outflow area selection unit 132 may be represented by P1, P2, P3, and P4 as shown in FIG. 5, and Table 1 below is selected by the user appearing in the calibrated optical satellite image.
  • Table 1 shows examples of information values of each channel image in the oil spill region.
  • Average values of the image information values of the oil spill region shown in Table 1 may be used as representative values of the spilled oil spill region.
  • the oil spill region selected by the user has a different value according to each channel image, but it is used as a representative value to explain the characteristics of the oil spill region appearing on the high resolution optical satellite image captured on the date by using the average value. This is possible.
  • the sun when explaining the physical meaning, the sun emits radiant energy from an extremely high frequency gamma wave having a very short wavelength to a low wave radio wave having a very long wavelength.
  • the visible light wavelength band belongs to about 400 to 700 nm
  • the near infrared wavelength band is located at about 700 to 1200 nm.
  • the solar radiation energy is emitted from the sun, then reaches the surface of the earth and the atmosphere through a number of interactions, and then reflected and released back into space.
  • the sensor mounted on the satellite can record and image the solar radiation energy reflected from the earth's surface, but can record and digitize only the energy of a specific wavelength band, the numerical value (radiance, at-sensor) recorded in the sensor
  • the unit of radiance is the amount of incident radiation per unit area. Becomes That is, the value once recorded in the satellite image is the radiance value (at-sensor radiance).
  • the numerical value recorded in the sensor is the radiance value, but the converted value that can be checked by the user becomes the highest value from 0 to 255.
  • the value is called the digital number (DN) value.
  • the reflectance can be described as the ratio of the solar radiation energy reaching the ground surface and the solar radiation energy reflected and emitted. For example, if energy of 100 reaches the surface and 40 energy is released, the reflectivity of the surface can be expressed as 0.4. In this case, since the reflectivity of each surface is different for each surface, it is generally more effective to use reflectivity than DN value or at-sensor radiance to distinguish the surface.
  • the reflectivity of the indicator can be estimated after correcting (atmospheric correction) the influence of the atmosphere on the at-sensor radiance.
  • an at-sensor radiance or a DN value may be used to classify the surface through the image, but it is preferable to use a reflectance value to more clearly classify the surface.
  • the image information value of the oil spill region shown in Table 1 is a reflectance value of the oil spill region generated by performing atmospheric correction by acquiring each channel image (blue, green, red, near infrared).
  • all the pixels in the channel image have reflectance values of the blue, green, red, and near infrared channel images. If the image is 500 horizontally and 500 vertically, the number of pixels is 250,000. Thus, for example, if the values of the blue, green, red, and near infrared channel images in any at least one pixel of the oil spill region are 87.11, 77.63, 77.48, and 49.12, respectively, and expressed as a vector (87.11, 77.63, 77.48, 49.12) ), And the first direction vector and the second direction vector can be generated using these vectors, respectively.
  • the mean values shown in Table 1 may vary depending on the results of the correction of the date of imaging of the high resolution optical satellite image, the region of imaging, and the effects of air and waves. Therefore, the user should consider that the above average value may be different from the reflectance value of the seawater in the actual oil spill region.
  • the trend difference image generating unit 134 generates an image indicating a difference in the trend (Spectral Angle Mapper) with the pixels in the image by using the information value of oil for each channel selected by the oil outflow region selection unit 132. .
  • the difference in the trend of each channel means an angle difference between the direction vector of the information values of the oil spill region of each channel and the direction vector of the information values of each channel of the seawater region in the image.
  • the angle difference may be calculated through Equation 1 below.
  • Equation 1 Denotes the angle difference between the direction vector of the oil and the direction vector of the pixels in the image, and i and ⁇ represent image coordinates in the pixel direction and the line direction, respectively. Also Means the direction vector for the information of each channel of the oil selected by the user. Means a direction vector of channel information corresponding to each image coordinate, Wow Denotes the direction vector of the oil spill region selected by the user and the direction vector corresponding to the image coordinate.
  • the distance difference image generating unit 136 generates an image indicating a difference between the pixels in the image (Spectral Vector Distance) by using the oil value of each channel acquired by the oil outflow region selecting unit 132. .
  • the difference in the distance for each channel means a distance difference between the direction vector of the information values of the oil spill region of each channel and the direction vector of the information values of each channel of the seawater region in the image.
  • the distance difference may be calculated through Equation 2 below.
  • Equation 2 Means the distance difference between the direction vector of oil and the direction vector of pixels in the image. Is the information value of the nth channel of the direction vector of oil, Denotes the information value of the n th channel of the direction vector of the pixel in the image.
  • FIG. 6A illustrates an image showing a tendency difference between an oil spill region and a seawater region selected by a user.
  • FIG. 6B is a histogram of each pixel of FIG. 6A, and it can be seen that the oil spill region and the seawater region can be well distinguished visually. At this time, the boundary value that can best classify the two groups is 3.49.
  • FIG. 6C illustrates an image showing a distance difference from an oil region selected by a user.
  • a smaller distance difference is similar to an oil spill region, and a higher distance difference indicates an area having a different tendency from the oil spill region. That is, in FIG. 6C, the smaller the difference in distance is, the more likely it is an oil spill region, and the larger the difference in distance is more likely to be seawater.
  • FIG. 6D is a histogram of each pixel of FIG. 6C, and it can be seen that the oil spill region and the seawater region can be well distinguished visually. At this time, the boundary value that can distinguish oil spill area is 13.82.
  • the oil spill area detector 140 detects the spilled oil region by using the trend difference image and the distance difference image generated by the satellite image editing unit 130.
  • the oil spill area detector 140 classifies regions having a high probability of oil in each image by applying respective boundary values to the trend difference image and the distance difference image produced by the satellite image editing unit 130, By synthesizing each region and detecting the final oil spill area, it improves the accuracy in determining the oil spill area.
  • the oil spill area detector 140 detects the oil spill region by combining the advantages of the trend difference image and the advantages of the distance difference image, but detects the oil region from the trend difference image. It detects the regions with similar tendency to, and detects the regions that are less likely to be the oil spill region by synthesizing the two regions by detecting the region where the difference between channel information of the oil spill region is small from the distance difference image.
  • FIG. 7 illustrates a result of synthesizing the detected areas after applying the respective boundary values to the trend difference image and the distance difference image.
  • FIG. 7A illustrates an example of a trend difference, in which only a pixel smaller than the boundary value 3.49 calculated by the trend difference image generator 134 is represented.
  • FIG. 7B is an example of an image representing a distance difference, and illustrates an example in which only pixels smaller than the threshold value 13.82 calculated by the distance difference image generator 136 are expressed.
  • FIG. 7C is a photograph showing an example of a detected oil spill region shown by combining the results of FIG. 7A and the results of FIG. 7B.
  • FIG. 8 is a photograph showing an example of an image of a result of detecting spilled oil finally generated by an oil spill detection apparatus using a satellite image of the present invention.
  • the red line shown in the drawings means the range of the oil outflow area finally detected by the oil spill detection apparatus and method of the present invention.
  • the oil spill detection method using the satellite image and the device according to the present invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means can be recorded on a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • Program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the present invention, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and ROMs, RAMs.
  • Hardware devices specifically configured to store and execute programs such as flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
  • the present invention provides a satellite image receiving unit for receiving a satellite image for the oil spill region of the ocean, a satellite image correction unit for correcting the satellite image by reflecting the influence of the atmosphere and the wave effect on the oil spill region, the correction Converting the satellite image into a color channel image so that at least one other than the first direction vector and the oil outflow region with respect to the reflectance values of the visible light and the near infrared channel image in any at least one pixel of the oil spill region in the color channel image.
  • a tendency difference image generating unit for generating a tendency difference image representing an angle difference between a second direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in a pixel, and converting the corrected satellite image into a color channel image to convert the corrected satellite image into a color channel image Visible and near infrared channel zero at any at least one pixel of the oil spill region
  • Generate a distance difference image for generating a distance difference image representing a distance difference between a first direction vector with respect to a reflectance value of and a second direction vector with respect to reflectance values of visible and near infrared channel images in at least one pixel other than the oil spill region.
  • the present invention relates to an oil spill detection apparatus and method using a satellite image including an oil spill area detection unit for synthesizing a portion and the trend difference image and the distance difference image information to derive a range of an oil spill area.

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Abstract

본 발명은 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신부, 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성부 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지부를 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법
본 발명은 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 보정하여 위성영상에 대한 신뢰도를 향상시키고, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여 이러한 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역과 해수 영역 각각의 임의의 점에서 RGB 각 컬러 채널의 변화에 대한 방향벡터를 생성하고 이를 분석하여 기름 유출 영역의 범위를 특정하는 데 있어서 정확도와 신뢰도를 현저하게 개선시킨 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법에 관한 것이다.
유조선의 충돌 또는 해상 유정의 폭발로 인하여 해수표면에 유출되는 기름은 해양 생태계에 심각한 영향을 주는 대표적인 해양 재해 중 하나이다. 따라서, 이와 같이 유출된 기름의 위치와 확산과정을 광역적으로 모니터링 하는 것은 기름유출로 인한 생태계적 경제적 피해를 최소화하기 위해 매우 중요하다.
해수면에 유출된 기름을 위치를 파악하기 위한 하나의 방법으로서 위성영상은 인공위성의 원거리 감시를 통해 촬상된 사진 및 영상을 일컫는 말로써, 위성의 촬영각도에 따라 지구 표면의 정보를 광역적으로 포함하고 있고, 위성의 촬영 주기에 따라 동일한 지역의 정보를 주기적으로 생산할 수 있는 자료이다. 이러한 위성영상은 광역적 시계열적 정보가 필요한 기름유출 모니터링에 유용하게 활용이 가능한 자료로서, 전 세계 각국의 연구기관을 통해 그 활용기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
특히, 지구표면으로부터 반사된 태양복사에너지를 영상화하여 제작된 광학 위성영상은 시각적인 정보를 나타내는데 큰 효과가 있기 때문에 시각적으로 구분이 가능한 물체를 분류하는데 널리 사용되고 있다. 광학영상은 한 화소가 지니는 공간해상도 및 복사해상도에 따라 각기 다른 활용 용도를 지니며, 크게 저해상도, 중해상도 및 고해상도로 분류할 수 있다.
500m 이상의 공간해상도를 지니는 영상은 저해상도 위성영상으로 분류할 수 있으며, 이러한 저해상도 위성영상은 복잡한 지형 정보를 세세하게 제공하지 못하는 단점이 있으나, 높은 분광해상도를 나타내므로 약 20개 이상의 파장대역에서 채널영상을 제공하고 있다. 또한, 이러한 저해상도 광학영상을 잘 활용할 수 있는 대표적 지역은 해양으로, 해양지역의 경우 대부분 해수로 이루어져 있기 때문에 높은 공간해상도를 지니는 것보다 다양한 파장대역의 정보를 획득함으로써 해수의 흐름, 플랑크톤, 녹조, 적조의 발생위치 및 기름의 확산 등의 정보를 생성할 수 있다.
그러나, 기름유출 사고에 대응할 때, 저해상도 위성영상은 낮은 해상도로 인하여 구조선박의 위치, 유출된 기름의 확산, 유화(emulsion)된 기름의 위치 및 풍화(weathering) 정도 등의 세세한 정보 제공에는 한계가 있다.
한편, 광학영상들 중 4m 이하의 공간해상도를 나타내는 고해상도 위성영상은 낮은 분광해상도를 나타내는 것으로 대부분 가시광선과 근적외선 파장대역의 채널영상만 제공하나, 높은 공간해상도를 지니기 때문에 지형의 세세한 정보를 시각적으로 사람이 보는 것과 유사하게 나타내는데 탁월하다. 따라서, 고해상도 위성영상은 주로 육지 에 대한 영상 제작에 활용되어 왔으며, 지도제작, 식생탐지, 객체분류 및 자원탐사 등에 활용되어 왔다.
근래에는 해양의 기름유출 사고 발생 시 고해상의 광역적인 정보가 요구됨에 따라, 고해상 위성영상은 선박의 방재활동 지시, 오일펜스 설치를 위한 정보 제공 및 기름의 유화 및 풍화의 진행상황 파악 등에 활발히 활용되고 있으며, 이는 한국등록특허 제10-1039665호 "가시광대 위성자료를 이용한 기름 유출 탐지 방법”, 한국등록특허 제10-1400924호 "원격탐사자료를 이용한 기름유출 감시 신뢰도를 높이는 기름유출 감시방법" 및 한국등록특허 제10-1534620호“해상 유출유 탐지 방법 및 장치"에서 제안된 바 있다.
상기 선행기술 "가시광대 위성자료를 이용한 기름 유출 탐지 방법"은 해수와 기름의 광량을 비교하여 기름을 탐지하는 기술로서, 구체적으로 해수와 기름의 반사도가 550nm 내지 600nm 파장대역에서 차이가 나는 점을 이용하여 기름을 탐지하는 방법이다. 그러나, 해수와 기름에서 반사되는 태양복사에너지가 위성센서에 도달 될 때, 대기에 의한 영향을 받게 되어 실제 기록되는 해수와 기름의 정보는 달라질 수 있기 때문에, 영상기반 하에서 유출된 기름을 탐지하는 기술이 필요하다.
또한, 고해상 광학영상의 경우 파도에 의하여 표면의 거칠기가 달라지게 되어 센서에 기록되는 태양복사에너지가 달라지게 되는데, 상기 선행기술 "가시광대 위성자료를 이용한 기름 유출 탐지 방법"에는 이러한 영향을 고려하지 않아, 실제 위성영상을 활용하여 유출된 기름을 탐지하는데 한계가 존재한다.
한편, 상기 선행기술 "원격탐사자료를 이용한 기름유출 감시 신뢰도를 높이는 기름유출 감시방법" 및 "해상 유출유 탐지 방법 및 장치"의 경우, 고해상 광학영상이 아닌 위성레이더영상을 활용하는 것으로, 상기 위성레이더영상의 경우 전자파를 이용하기 때문에 시각적인 정보 추출에는 한계가 있다.
따라서, 위성 영상을 이용한 해양의 기름유출을 탐지하는데 있어서 대기와 파도의 영향을 최소화 하여 위성영상에 대한 신뢰도를 높일 수 있고, 시각 정보 추출에 있어서 정확성과 효율을 개선할 수 있는 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 위성 영상을 이용한 해양의 기름유출 탐지에 있어서 대기와 파도의 영향을 최소화 하여 신뢰도 높은 위성영상을 생성할 수 있고, 시각 정보 추출에 있어서 정확성과 효율을 개선하여 기름 유출 영역의 범위를 더욱 정확하게 판별할 수 있는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치는 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신부, 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성부 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지부를 포함하는 것으로 구성된다.
상기 위성영상 수신부는 4m급 이하의 광학영상을 수신하는 위성영상 수신부일 수 있다.
상기 위성영상 보정부는 대기보정기법 또는 영상기반보정기법을 이용하여 상기 위성영상에 대한 대기영향을 보정하는 대기영향 보정부를 더 포함할 수 있다.
상기 위성영상 보정부는 상기 위성영상의 가로방향 윈도우가 세로방향 윈도우보다 더 크거나, 또는 상기 위성영상의 세로방향 윈도우가 가로방향 윈도우보다 더 큰 방향필터를 이용하여 상기 위성영상에 대한 파도의 영향을 보정하는 파도영향 보정부를 더 포함할 수 있다.
상기 방향필터는 상기 위성영상의 임의의 한 점의 파장 값을 상기 한 점을 중심으로 하는 윈도우의 중앙값으로 대체시켜 나타내는 중앙값 필터일 수 있다.
상기 경향차이 영상 생성부 및 거리차이 영상 생성부는 각각 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 적어도 2개 이상의 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값들의 평균값을 산정하여 이러한 평균값의 변화에 대한 제1 방향벡터를 생성할 수 있다.
상기 기름유출 탐지장치는 상기 보정된 위성영상에서 기름 유출영역에 대한 임의의 범위를 입력 받을 수 있는 기름 유출영역 선택부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신 단계, 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정단계, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성단계, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성단계 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지단계를 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체를 제공한다.
본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법은 위성 영상을 이용한 해양의 기름유출 탐지에 있어서 대기와 파도의 영향을 최소화 하여 신뢰도 높은 위성영상을 생성할 수 있고, 시각 정보 추출에 있어서 정확성과 효율을 개선하여 기름 유출 영역의 범위를 더욱 정확하게 판별할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법의 순서를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치를 통해 수신된 위성영상의 예를 나타낸 위성영상 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치를 통해 수신된 위성영상을 파도에 의한 영향을 보정하기 위해 생성된 주파수 영상의 예를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 대기에 의한 영향과 파도에 의한 영향이 보정된 위성영상의 예를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 생성된 위성영상의 경향차이 영상 및 거리차이 영상의 예를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 생성된 위성영상의 경향차이 영상 및 거리차이 영상에 각각 경계값을 적용한 영상과 이들 영상을 합성한 영상의 예를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 생성된 유출된 기름을 탐지한 결과영상의 예를 나타낸 사진이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치는 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신부, 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성부 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지부를 포함하는 것으로 구성된다.
상기 위성영상 수신부는 4m급 이하의 광학영상을 수신하는 위성영상 수신부일 수 있다.
상기 위성영상 보정부는 대기보정기법 또는 영상기반보정기법을 이용하여 상기 위성영상에 대한 대기영향을 보정하는 대기영향 보정부를 더 포함할 수 있다.
상기 위성영상 보정부는 상기 위성영상의 가로방향 윈도우가 세로방향 윈도우보다 더 크거나, 또는 상기 위성영상의 세로방향 윈도우가 가로방향 윈도우보다 더 큰 방향필터를 이용하여 상기 위성영상에 대한 파도의 영향을 보정하는 파도영향 보정부를 더 포함할 수 있다.
상기 방향필터는 상기 위성영상의 임의의 한 점의 파장 값을 상기 한 점을 중심으로 하는 윈도우의 중앙값으로 대체시켜 나타내는 중앙값 필터일 수 있다.
상기 경향차이 영상 생성부 및 거리차이 영상 생성부는 각각 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 적어도 2개 이상의 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값들의 평균값을 산정하여 이러한 평균값의 변화에 대한 제1 방향벡터를 생성할 수 있다.
상기 기름유출 탐지장치는 상기 보정된 위성영상에서 기름 유출영역에 대한 임의의 범위를 입력 받을 수 있는 기름 유출영역 선택부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신 단계, 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정단계, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성단계, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성단계 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지단계를 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 구체적인 수치는 실시예에 불과하다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치는 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신부(110), 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정부(120), 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성부(134), 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성부(136) 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출영역 탐지부(140)를 포함하는 것으로 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치는 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하여 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하고, 보정된 위성영상의 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도(reflectance) 값에 대한 방향벡터 값들을 생성한 다음, 이들 방향벡터 값들의 각도 차이 및 거리 차이를 각각 산정하여 경향차이 영상 및 거리차이 영상을 생성한 후, 기름 유출 영역에 대한 시각 정보 추출의 정확도를 높일 수 있도록 이들 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 최종 도출한다.
따라서, 위성 영상을 이용한 해양의 기름유출 탐지에 있어서 대기와 파도의 영향을 최소화 하여 신뢰도 높은 위성영상을 생성하여 이용할 수 있고, 기름 유출영역 판별에 있어서 정확성과 효율을 개선하여 기름 유출 영역의 범위를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.
상기 위성영상 수신부(110)는 4m급 이하의 광학영상을 수신하는 위성영상 수신부로 구성할 수 있다. 즉, 위성영상 수신부(110)를 높은 해상도를 갖는 4m급 이하의 광학영상을 수신하는 위성영상 수신부로 구성함으로써, 기름이 유출된 해상의 기름의 유화 및 풍화의 진행상황을 더욱 자세하게 파악한 위성영상을 수신하도록 하여 기름 유출 영역의 판별에 있어서 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 위성영상 보정부(120)는 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정할 수 있도록 구성된 것이면, 그 구체적인 구조나 구성이 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어 대기보정기법 또는 영상기반보정기법을 이용하여 상기 위성영상에 대한 대기영향을 보정하는 대기영향 보정부(122) 및 상기 위성영상의 가로방향 윈도우가 세로방향 윈도우보다 더 크거나, 또는 상기 위성영상의 세로방향 윈도우가 가로방향 윈도우보다 더 큰 방향필터를 이용하여 상기 위성영상에 대한 파도의 영향을 보정하는 파도영향 보정부(124)가 더 포함되는 것으로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 방향필터는 상기 위성영상의 임의의 한 점의 파장 값을 상기 한 점을 중심으로 하는 윈도우의 중앙값으로 대체시켜 나타내는 중앙값 필터인 것으로 구성될 수 있다.
상기 경향차이 영상 생성부(134) 및 거리차이 영상 생성부(136)는 상기 보정된 위성영상에서 기름 유출영역에 대한 임의의 범위를 입력 받을 수 있는 기름 유출영역 선택부(132)와 함께 일체와 되어 위성영상 편집부(130)로 구성될 수 있다.
즉, 상기 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치의 사용자는 상기 보정된 위성영상을 직접 보고 판단하여 기름 유출영역에 대한 임의의 범위를 상기 기름 유출영역 선택부(132)를 통해 상기 기름유출 탐지장치에 입력할 수 있고, 상기 상기 경향차이 영상 생성부(134) 및 거리차이 영상 생성부(136)는 각각 상기 사용자에 의해 입력된 기름 유출영역에서 임의의 적어도 한 화소를 선택하여 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도(reflectance) 값의 변화에 대한 제1 방향벡터를 생성할 수 있다.
이 때, 상기 경향차이 영상 생성부(132) 및 거리차이 영상 생성부(136)는 각각 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 적어도 2개 이상의 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값 들의 평균값을 산정하여 이러한 평균값의 변화에 대한 제1 방향벡터를 생성할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법의 순서를 나타낸 블록도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법은 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신 단계(S200), 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정단계(S210), 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성단계(S220), 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성단계(S230) 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지단계(S240)을 포함하는 것으로 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법은 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하여 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하고, 보정된 위성영상의 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 방향벡터 값들을 생성한 다음, 이들 방향벡터 값들의 각도 차이 및 거리 차이를 각각 산정하여 경향차이 영상 및 거리차이 영상을 생성한 후, 기름 유출 영역에 대한 시각 정보 추출의 정확도를 높일 수 있도록 이들 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 최종 도출하는 과정으로 수행된다.
따라서, 위성 영상을 이용한 해양의 기름유출 탐지에 있어서 대기와 파도의 영향을 최소화 하여 신뢰도 높은 위성영상을 생성하여 이용할 수 있고, 기름 유출영역 판별에 있어서 정확성과 효율을 개선하여 기름 유출 영역의 범위를 더욱 정확하게 파악할 수 있는 특징이 있다.
도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치를 통해 수신된 위성영상의 예를 나타낸 위성영상 사진이 개시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치를 통해 수신된 위성영상을 파도에 의한 영향을 보정하기 위해 생성된 주파수 영상의 예를 나타낸 사진이 개시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 대기에 의한 영향과 파도에 의한 영향이 보정된 위성영상의 예를 나타낸 사진이 개시되어 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 생성된 위성영상의 경향차이 영상 및 거리차이 영상의 예를 나타낸 사진이 개시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 생성된 위성영상의 경향차이 영상 및 거리차이 영상에 각각 경계값을 적용한 영상과 이들 영상을 합성한 영상의 예를 나타낸 사진이 개시되어 있으며, 도 8에는 본 발명의 일실시예에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 생성된 유출된 기름을 탐지한 결과영상의 예를 나타낸 사진이 개시되어 있다.
이들 사진들을 참조하여 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법에 대해 더 자세히 설명하면, 상기 위성영상 수신부(110)는 4m급 이하의 해상도를 지니는 고해상 광학영상을 획득하는 부분이다. 여기서 위성영상은 인공위성의 영상 센서에 기록된 이미지를 의미하며, 가시광선과 근적외선 파장대역의 채널영상을 모두 포함한다.
도 3에 개시된 상기 위성영상 수신부(110)에서 수신된 기름 유출 예상지역에 대한 고해상 광학 위성영상 사진에서 3a는 2010년 5월 2일 촬영된 다목적 실용위성 2호 위성영상으로, 멕시코만에서 유출된 기름을 촬상한 영상이며, 유출된 기름과 일반 해수표면을 시각적으로 대략 구분할 수 있다.
또한, 도 3b와 도 3c는 도 3a에서 유출된 기름과 해수표면에 해당하는 영역을 확대하여 도시한 것으로, 유출된 기름의 경우 해수표면에 비해서 시각적으로 밝게 나타나는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 두 영역 모두 파도에 의한 영향이 나타나며, 파도가 끼치는 영향에 따라 일부 지역은 매우 밝게, 일부 지역은 매우 어둡게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 파도에 의한 영향을 보정하지 않고 유출된 기름을 탐지할 경우, 기름 유출 영역에 대한 오탐지 가능성이 매우 높음을 확인할 수 있다.
상기 대기영향 보정부(122) 및 파도영향 보정부(124)를 포함하는 위성영상 보정부(120)는 위성영상에 나타내는 대기에 의한 영향과 파도에 의한 영향을 보정한다.
구체적으로, 상기 대기영향 보정부(122)의 위성영상 보정과 관련하여, 해수와 기름으로부터 반사된 태양복사에너지는 대기를 거쳐 위성센서에 도달하게 되는 데, 이때 태양복사에너지가 대기를 거침에 따라 대기의 산란, 흡수 및 굴절 등의 영향을 받게 된다. 따라서 위성영상을 활용하여 기름유출을 탐지할 경우 대기에 의한 영향을 보정하는 과정이 필요하며, 이러한 대기의 영향에 대한 보정은 크게 대기모델에 의한 대기보정기법과 영상기반보정기법으로 구분할 수 있다. 대기모델에 의한 대기보정기법은 MODTRAN, 6S 등과 같은 대기모델을 통하여 투과율, 대기상향복사량, 대기하향복사량을 구하여 보정하는 방법이고, 영상기반 보정기법은 영상 내 흑체에 가까운 물체가 있다고 가정하여 이로부터 대기효과를 추정하는 방법이다.
상기 파도영향 보정부(124)의 위성영상 보정과 관련하여, 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 고해상 광학 위성영상에는 촬상일자의 날씨, 바람 및 해류의 흐름으로 인하여 발생한 파도가 촬상된다. 이와 같이 발생된 파도는 고해상 광학영상을 활용하여 기름유출을 탐지할 때 오탐지율을 높이는 주요 원인으로, 파도의 영향에 따라 일부 지역은 밝게, 일부 지역은 어둡게 나타나게 된다. 이러한 파도에 의한 영향을 효과적으로 제거하기 위하여, 상기 파도영향 보정부(124)에서는 광학 위성영상에 필터를 적용하여 파도에 의한 영향을 보정한다.
즉, 파도영향 보정부(124)에 포함되어 사용되는 방향필터(directional filter)는 가로 또는 세로 방향으로 크기가 더욱 큰 윈도우를 갖는 중앙값 필터(median filter)일 수 있다. 이때, 중앙값 필터는 영상의 어느 점에서 파장이나 반사도 등의 값을 그 점을 중심으로 하는 윈도우 내의 중앙값으로 대체하는 필터로 저주파 통과필터(lowpass filter)이다. 따라서 이러한 중앙값 필터를 적용할 경우, 필터가 적용된 영상 부분은 영상 내 주변영역과 값의 차이가 적은 저주파 부분을 통과시키고, 고주파인 경계 및 윤곽부분을 차단하므로 영상을 스무딩(smoothing)하는 효과를 나타낸다. 예를 들어, 세로방향보다 가로방향으로 긴 윈도우로 중앙값 필터를 적용하면, 세로방향으로는 스무딩이 적게 되며, 가로방향으로는 세로방향에 비하여 스무딩이 크게 되는 효과가 있다.
구체적으로, 파도에 대한 방향필터의 적용은 일렁이는 파도의 마루 부분은 영상 내에서 밝게 나타나고 파도의 골 부분은 어둡게 나타나므로, 이러한 파도의 일렁이는 패턴을 따라 방향필터를 적용해야 한다. 또한, 인접한 두 마루와 평행한 방향으로는 필터 윈도우의 크기를 작게, 그리고 수직한 방향으로는 상대적으로 필터 윈도우의 크기를 크게 하여 방향필터를 적용해야만 영상 내 파도로 인한 영향을 보정할 수 있다. 이러한 영상 내 파도로 인한 영향을 보다 효과적으로 저감하기 위해서는 방향필터의 가로 및 세로방향으로의 적절한 필터 윈도우의 크기, 그리고 각도를 결정하는 것이 중요하며, 이는 주파수 영역에서의 영상 분석을 통하여 결정할 수 있다.
주파수 영역에서의 영상 분석은 파도 효과를 포함한 영상을 대상으로 가로 및 세로 방향으로의 2차원 고속 푸리에 변환을 수행하였다. 푸리에 변환을 통하여, 공간 영역 형태의 영상을 주파수 영역 형태의 기본 주파수로 분리가 가능하다. 이러한 주파수 영역 형태로 변환된 영상은 복소수 값으로 표현되며, 이 영상에 복소 공액(complex conjugate) 영상을 곱하여 파워스펙트럼 영상을 생성할 수 있다. 이러한 파워스펙트럼 영상의 단위를 로그 스케일 단위인 데시벨(decibel) 단위로 변환한 영상은 도 4에서와 같이 나타낼 수 있다.
도 4는 대기영향 보정부(122)를 통해 고해상 위성영상에 나타나는 대기에 의한 영향을 보정한 영상을 대상으로 생성한 주파수 영역에서의 파워스펙트럼 영상이다. 여기서, 파도로 인한 영향이 영상 전체에 지배적으로 존재하며, 이러한 영향은 파워스펙트럼 영상에서도 관측할 수 있다. 파도의 패턴은 시계방향으로 약 48°의 각도로 틀어져 있으며, 인접한 두 마루 사이는 약 91픽셀, 그리고 파도 마루의 평행한 방향으로는 약 41픽셀로 관측되었다.
이에 따라 방향필터의 크기 및 각도가 결정되면, 회전이 고려된 방향필터 전체를 포함하는 필터의 세로 및 가로 방향으로의 크기를 결정할 수 있다. 이러한 회전이 고려된 방향필터는 필터 내의 픽셀 중, 회전된 방향필터가 포함되는 픽셀을 1로, 포함되지 않은 픽셀은 0으로 그 값을 할당하도록 구성하였으며, 이러한 구성은 방향필터가 영상을 이동하면서 회전된 방향필터의 1 부분에 해당되는 영상의 값만을 취한 후, 중앙값을 계산하여 영상을 스무딩하기 위함이다. 영상 내 파도 효과 패턴이 일정한 각도를 갖고 있을 경우, 회전을 고려하여 방향 필터링을 수행하면, 더욱 효과적으로 영상 내 파도의 패턴을 추출할 수 있다.
파도에 의한 영향을 보정한 위성영상을 나타낸 도 5에서 5a와 도 3a를 비교하였을 때, 시각적으로 파도에 의한 영향이 보정되었음을 확인할 수 있고, 이로부터 기름 유출된 영역이 시각적으로 더 잘 구분되는 것을 확인할 수 있다. 도 5b와 도 5c는 각각 기름유출 지역과 일반 해수지역을 확대한 것으로, 파도에 의한 영향이 거의 보정되었음을 확인할 수 있다.
상기 위성영상 편집부(130)는 상기 위성영상 보정부(120)에서 대기와 파도에 의한 영향이 보정된 위성영상을 이용하여 기름 유출 영역과 일반 해수영역과의 차이를 계산한다.
구체적으로, 위성영상 편집부(130)에서는 상기 기름 유출영역 선택부(132)를 통해 사용자가 선택한 기름 유출영역의 각 채널영상에 대한 정보를 획득하고, 이로부터 채널 정보 값들의 경향의 차이와, 거리의 차이 계산을 수행한다.
상기 기름 유출영역 선택부(132)를 통해 사용자가 선택한 기름 유출영역은 도 5에서와 같이 P1, P2, P3, P4로 나타낼 수 있으며, 아래 표 1은 상기 보정된 광학 위성영상에 나타나는 사용자가 선택한 기름 유출영역의 각 채널영상의 정보 값의 예를 나타낸 표이다.
표 1
P1 P2 P3 P4 Mean
Blue Channel 87.11 85.02 84.27 87.06 85.87
Green Channel 77.63 84.25 77.82 81.44 80.29
Red Channel 77.48 79.35 83.31 89.33 82.37
NIR Channel 49.12 46.52 51.29 54.20 50.28
상기 표 1의 나타낸 기름 유출 영역의 영상 정보값에 대한 평균값들을 유출된 기름 유출 영역의 대푯값으로 활용할 수 있다.
즉, 사용자가 선택한 기름 유출영역의 경우, 각 채널영상에 따라 상이한 값을 지니지만, 평균값을 활용함으로써 해당 일자에 촬상된 고해상 광학위성영상에 나타나는 기름 유출 영역의 특성을 설명할 수 있는 대푯값으로 활용이 가능하다.
상기 기름 유출 영역의 정보값의 의미와 관련하여, 그 물리적인 의미를 설명하면 태양은 파장이 매우 짧은 극도의 고주파인 gamma파부터 파장이 매우 긴 저주파인 radio wave까지의 복사에너지를 방출하며, 이 중에서 가시광선 파장대역은 약 400~700nm에 속하고, 근적외선파장대역은 약 700~1200nm에 위치한다. 또한, 이러한 태양복사에너지는 태양으로부터 방출된 다음, 대기와 지구표면에 도달하여 여러 상호작용을 거친 후, 반사되어 다시 우주로 방출되는 과정을 거치게 된다.
한편, 인공위성에 탑재된 센서는 지표면으로부터 반사된 태양복사에너지를 기록하여 영상화 하되, 특정 파장대역의 에너지만 기록하여 이를 수치화 할 수 있으며, 이때 센서에 기록되는 수치화된 값(복사휘도, at-sensor radiance)의 단위는 단위면적당 입사하는 복사에너지의 양으로써
Figure PCTKR2017006506-appb-I000001
가 된다. 즉, 위성영상에 일단 기록되는 값은 복사휘도 값(at-sensor radiance)이다.
그러나 대부분의 위성센서는 복사휘도 값을 저장하는데 한계가 있으며, 예를 들어 8bit 센서의 경우, 값의 표현을 0~255 까지밖에 못하므로, 센서에 기록된 복사에너지 값을 0~255로 변환하여 기록한 후, 별도의 변환식과 함께 제공하게 된다.
즉, 8-bit 해상도의 위성센서의 경우, 센서에 기록된 수치화된 값은 복사휘도 값이지만, 변환되어 사용자가 확인할 수 있는 값은 0~255까지가 최고 수치가 되며, 이와 같이 변환된 복사휘도 값을 Digital number(DN)값이라고 한다.
한편, 반사도(reflectance)는 지표면에 도달한 태양복사에너지와 반사되어 방출된 태양복사에너지의 비율로 설명할 수 있다. 예를 들어 100이라는 에너지가 지표면에 도달한 후, 40만큼의 에너지가 방출되었다면, 해당 지표면의 반사도는 0.4로 표현할 수 있다. 이때, 각각의 지표면이 지니는 반사도는 각 지표면마다 다르기 때문에, 일반적으로 지표면을 구분하기 위해서는 DN값이나 복사휘도 값(at-sensor radiance)보다 반사도를 사용하는 것이 효과적이다. 이러한 지표의 반사도는 상기 복사휘도 값(at-sensor radiance)에서 대기에 의한 영향을 보정한 후(대기보정) 추정할 수 있다.
따라서, 영상을 통해 지표면을 구분하기 위해서는 복사휘도 값(at-sensor radiance) 또는 DN값을 사용할 수도 있으나, 좀더 명확하게 지표면을 구분하기 위해서는 반사도(reflectance) 값을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 표 1의 기름 유출 영역의 영상 정보값은 각 채널 영상(청색, 녹색, 적색, 근적외선)을 획득하여 대기보정을 수행함으로써 생성한 기름 유출 영역의 반사도(reflectance) 값이다.
한편, 상기 채널 영상에서의 모든 화소는 청색, 녹색, 적색 및 근적외선 채널 영상의 반사도 값이 존재하며, 만약 영상이 가로 500, 세로 500의 크기라면 상기 화소의 수는 250000개가 된다. 따라서, 예를 들어 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 청색, 녹색, 적색, 근적외선 채널 영상의 값이 각각 87.11, 77.63, 77.48, 49.12 일 경우 이를 벡터로 표현하면 (87.11, 77.63, 77.48, 49.12)가 되며, 이러한 벡터를 이용하여 상기 제1 방향벡터와 제2 방향벡터를 각각 생성할 수 있다.
표 1에 나타난 평균값들은 고해상 광학 위성영상의 촬상 일자, 촬상 지역, 대기와 파도에 의한 영향을 보정한 결과에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 사용자는 상기와 같은 평균값이 실제 기름 유출영역의 해수의 반사도 값과는 오차가 존재할 수 있음을 감안해야 한다.
상기 경향차이 영상 생성부(134)는 기름 유출영역 선택부(132)에 의해 선택된 각 채널별 기름의 정보값을 이용하여 영상 내 화소와의 경향의 차이(Spectral Angle Mapper)를 나타내는 영상을 생성한다.
여기서, 각 채널별 경향의 차이는 각 채널별 기름 유출 영역의 정보값들이 이루는 방향벡터와 영상 내 해수 영역의 각 채널별 정보값들이 이루는 방향벡터와의 각도차이를 의미하며, 이때의 방향벡터들의 각도 차이는 아래의 수학식 1을 통해 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017006506-appb-I000002
상기 수학식 1에서,
Figure PCTKR2017006506-appb-I000003
는 기름의 방향벡터와 영상 내 화소의 방향벡터와의 각도차이를 의미하며, ｉ와 ｊ는 각각 화소방향과 라인방향의 영상좌표를 나타낸다. 또한
Figure PCTKR2017006506-appb-I000004
는 사용자가 선택한 기름의 각 채널별 정보에 대한 방향벡터를 의미하며,
Figure PCTKR2017006506-appb-I000005
는 각 영상좌표에 해당하는 채널별 정보에 대한 방향벡터를 의미하며,
Figure PCTKR2017006506-appb-I000006
와
Figure PCTKR2017006506-appb-I000007
는 각각 사용자가 선택한 기름 유출 영역의 방향벡터와 영상좌표에 해당하는 방향벡터의 크기를 의미한다.
상기 거리차이 영상 생성부(136)에서는 기름 유출영역 선택부(132)에서 획득한 각 채널별 기름의 정보값을 이용하여 영상 내 화소와의 거리의 차이(Spectral Vector Distance)를 나타내는 영상을 생성한다.
여기서, 각 채널별 거리의 차이는 각 채널별 기름 유출 영역의 정보값들이 이루는 방향벡터와 영상 내 해수 영역의 각 채널별 정보값들이 이루는 방향벡터와의 거리차이를 의미하며, 이때의 방향벡터들의 거리 차이는 아래의 수학식 2를 통해 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2017006506-appb-I000008
상기 수학식 2에서
Figure PCTKR2017006506-appb-I000009
는 기름의 방향벡터와 영상 내 화소의 방향벡터의 거리차이를 의미하며,
Figure PCTKR2017006506-appb-I000010
는 기름의 방향벡터의 n번째 채널의 정보값,
Figure PCTKR2017006506-appb-I000011
는 영상 내 화소의 방향벡터의 n번째 채널의 정보값을 의미한다.
상기 경향차이 영상 생성부(134)와 상기 거리차이 영상 생성부(136)를 통해 제작된 경향차이 영상과 거리차이 영상 사진을 도 6에서 확인할 수 있다. 여기서 도 6a는 사용자가 선택한 기름 유출영역과 해수 영역의 경향차이를 나타내는 영상을 의미하며, 각도의 차이가 작을수록 기름 유출영역과 유사하며, 각도의 차이가 클수록 기름 유출영역과 상이한 경향을 지닌 지역을 나타낸다. 즉, 도 6a에서 각도의 차이가 작을수록 기름 유출영역일 확률이 높은 지역이고, 각도의 차이가 클수록 해수일 가능성이 높은 지역이다. 도 6b는 도 6a의 각 화소를 히스토그램으로 나타낸 것으로, 시각적으로 보았을 때 기름 유출지역과 해수지역을 잘 구분할 수 있음을 알 수 있다. 이때, 두 집단을 가장 잘 분류할 수 있는 경계값은 3.49를 나타낸다.
도 6c는 사용자가 선택한 기름지역과의 거리차이를 나타내는 영상을 의미하며, 거리의 차이가 작을수록 기름 유출영역과 유사하며, 거리의 차이가 높을수록 기름 유출영역과 상이한 경향을 지닌 지역을 나타낸다. 즉 도 6c에서 거리의 차이가 작을수록 기름 유출영역일 가능성이 높고, 거리의 차이가 클수록 해수일 가능성이 높다. 도 6d는 도 6c의 각 화소를 히스토그램으로 나타낸것으로, 시각적으로 보았을 때 기름 유출지역과 해수지역을 잘 구분할 수 있음을 알 수 있다. 이때, 기름유출 지역을 잘 구분할 수 있는 경계값은 13.82를 나타낸다.
상기 기름 유출영역 탐지부(140)는 상기 위성영상 편집부(130)에서 생성한 경향차이 영상과 거리차이 영상을 이용하여 유출된 기름지역을 탐지한다.
즉, 상기 기름 유출영역 탐지부(140)는 상기 위성영상 편집부(130)에서 제작한 경향차이 영상과 거리차이 영상에 각각의 경계값을 적용하여 각 영상에서 기름일 가능성이 높은 지역을 분류하고, 각 지역을 합성하여 최종적인 기름 유출지역을 탐지함으로써, 기름 유출영역의 범위 판별에 있어서 정확도를 개선한다.
구체적으로, 상기 기름 유출영역 탐지부(140)는 상기 경향차이 영상이 지닌 장점과 거리차이 영상이 지닌 장점을 조합하여, 유출된 기름지역을 탐지하되, 경향차이 영상으로부터 기름 유출 영역의 채널별 특성과 유사한 경향을 지닌 지역을 탐지하고, 거리차이 영상으로부터 기름 유출 영역의 채널별 정보값과의 차이가 적게 나는 지역을 탐지하여 두 지역을 합성함으로써 보다 기름 유출 영역일 가능성이 높은 지역을 탐지한다.
도 7은 상기 경향차이 영상과 거리차이 영상에 각각의 경계값을 적용한 후, 탐지된 지역을 합성한 결과를 나타낸다. 여기서, 도 7a는 경향차이를 나타내는 영상의 예로, 상기 경향차이 영상 생성부(134)에서 산정한 경계값 3.49보다 작은 화소만을 표현한 예이다. 도 7b는 거리차이를 나타내는 영상의 예로, 상기 거리차이 영상 생성부(136)에서 산정한 경계값 13.82보다 작은 화소만을 표현한 예이다. 도 7c는 도 7a의 결과와 도 7b의 결과를 합집합하여 나타낸 탐지된 기름유출 지역의 예를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치에 의해 최종 생성된 유출된 기름을 탐지한 결과영상의 예를 나타낸 사진이 개시되어 있다. 이 때, 도면에 나타나는 붉은선이 본 발명의 기름유출 탐지장치 및 방법에 의해 최종 탐지된 기름 유출 영역의 범위를 의미한다.
따라서, 상기와 같은 붉은선으로 이루어진 영역을 파악함으로써, 해양의 기름 유출 예상 구역의 탐지에 있어서 신뢰성과 정확도 높은 기름 유출영역 탐지가 가능하게 되며, 환경적 경제적 피해를 야기하는 해상 기름유출 사고에 효과적인 방재정책을 수립할 수 있다.
본 발명에 따른 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법 및 그 장치는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명은 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신부, 상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성부, 상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성부 및 상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지부를 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치 및 방법에 관한 것이다.

Claims (9)

  1. 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신부;
    상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정부;
    상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성부;
    상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성부;
    상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지부;
    를 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 위성영상 수신부는 4m급 이하의 광학영상을 수신하는 위성영상 수신부인 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 위성영상 보정부는 대기보정기법 또는 영상기반보정기법을 이용하여 상기 위성영상에 대한 대기영향을 보정하는 대기영향 보정부를 더 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 위성영상 보정부는 상기 위성영상의 가로방향 윈도우가 세로방향 윈도우보다 더 크거나, 또는 상기 위성영상의 세로방향 윈도우가 가로방향 윈도우보다 더 큰 방향필터를 이용하여 상기 위성영상에 대한 파도의 영향을 보정하는 파도영향 보정부를 더 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 방향필터는 상기 위성영상의 임의의 한 점의 파장 값을 상기 한 점을 중심으로 하는 윈도우의 중앙값으로 대체시켜 나타내는 중앙값 필터인 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 경향차이 영상 생성부 및 거리차이 영상 생성부는 각각 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 적어도 2개 이상의 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값들의 평균값을 산정하여 이러한 평균값의 변화에 대한 제1 방향벡터를 생성하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기름유출 탐지장치는 상기 보정된 위성영상에서 기름 유출영역에 대한 임의의 범위를 입력 받을 수 있는 기름 유출영역 선택부를 더 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지장치.
  8. 해양의 기름 유출 예상 구역에 대한 위성영상을 수신하는 위성영상 수신 단계;
    상기 기름 유출 예상 구역에 대한 대기의 영향 및 파도의 영향을 반영하여 상기 위성영상을 보정하는 위성영상 보정단계;
    상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 각도 차이를 나타내는 경향 차이 영상을 생성하는 경향차이 영상 생성단계;
    상기 보정된 위성영상을 컬러 채널 영상으로 변환하여, 상기 컬러 채널 영상에서 기름 유출 영역의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제1 방향벡터와 기름 유출 영역 이외의 임의의 적어도 한 화소에서 가시광선과 근적외선 채널 영상의 반사도 값에 대한 제2 방향벡터의 거리 차이를 나타내는 거리 차이 영상을 생성하는 거리차이 영상 생성단계; 및
    상기 경향 차이 영상 및 거리 차이 영상 정보를 합성하여 기름 유출 영역의 범위를 도출하는 기름 유출 영역 탐지단계;
    를 포함하는 위성영상을 이용한 기름유출 탐지방법.
  9. 제8항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
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