KR20190136850A - 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정지궤도에서 운용되는 위성에서 촬영된 적외선 채널 영상을 기반으로 지표온도영상을 추정하고, 추정된 지표온도영상에 나타난 고도변화에 의한 영향을 최소화시키기 위한 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치 {Method for mitigation of topographic effect in infrared images taken from geostationary orbit imaging system and Apparatus Thereof}

본 발명은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정지궤도에서 운용되는 위성에서 촬영된 적외선 채널 영상으로부터 지표온도영상을 획득하고, 지표온도영상 내의 고도변화에 의한 영향을 최소화시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

우주에서 지구를 관측하는 지구관측위성은 위성궤도를 따라 지구 주변을 배외하며 지구 표면에 대한 정보를 주기적으로 획득함으로써 인간의 활동 및 자연환경의 변화를 모니터링 할 수 있는 장점이 있다.

다양한 위성궤도 중 정지궤도(geostationary orbit)는 상공 35,786 km의 원 궤도이다. 정지궤도 위성은 정지궤도 상에서 지구표면을 촬영하는 위성으로, 위성의 공전속도와 지구의 자전속도가 동일하기 때문에 동일한 지역을 지속적으로 촬영할 수 있는 장점이 있다. 따라서 실시간으로 변화하는 기상분야, 해류, 자연재해 등에 빠른 속도로 대응이 가능하기 때문에 미국, 일본, 대만 등의 위성영상활용 선진국은 정지궤도위성을 운용하고 있으며, 우리나라 또한 정지궤도위성을 운용할 예정에 있다.

정지궤도위성은 극궤도위성과 달리 궤도의 고도가 높기 때문에 상대적으로 낮은 공간해상도를 지니고 있는 반면 다양한 파장대역의 채널영상을 제공할 수 있는 장점이 있다.

고도에 따라 감소하는 기온의 비율을 기온감율(air temperature lapse rate)로 정의하여 활용하는 것처럼, 고도에 따라 감소하는 지표온도의 비율을 지표온도감율(land surface temperature lapse rate)로 정의하여 적외선영상에 활용하는 연구 및 방법들이 지속적으로 이루어져 왔다. 관련 특허로는 한국 등록특허 제10-1404430호 "적외선영상을 이용한 지표온도감율 추정 방법" 및 한국등록특허 제10-1378774호 "열적외선영상을 이용한 시계열 지표온도 모니터링 방법"등을 통해 기술적 성과를 이뤄왔다.

그러나, 현재까지 개발된 위성영상 시스템에서의 고도영향을 추정할 수 있는 방법은 고해상도의 극궤도 위성영상 시스템에 적합한 것으로, 국지적인 지역에서의 고도영향을 추정하기에는 효과적이다. 그러나 전 지구를 촬영하는 저해상도 정지궤도 위성영상 시스템 특성 상 국지적인 지역에서의 고도영향을 추정하기에는 한계점이 존재한다. 이는 정지궤도 위성영상에 나타나는 대부분의 지역이 저지대에 속하기 때문이며, 저지대가 강조된 상황에서 지표온도감율을 추정하게 될 경우 0 K/km에 가깝게 수렴하기 때문이다.

따라서 정지궤도 위성영상 시스템에서 고도영향을 저감하기 위해서는 정지궤도의 위성영상에 적합한 지표온도감율 추정 방법이 요구되며, 추정된 지표온도감율로부터 고도영향을 저감할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

본 발명은 정지궤도 적외선영상에 나타나는 고도영향을 저감하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 정지궤도 적외선영상에 나타나는 고도영향을 효과적으로 추정함으로써 고도영향을 저감할 수 있는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 영상 촬영시각에서의 지표온도감율을 추정하고 고도영향을 저감하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 추정된 지표온도감율을 이용하여 정지궤도 적외선영상에 나타나는 고도영향을 저감하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 추정된 지표온도감율을 이용하여 고도영향을 저감함으로써 실제 지표온도영상이 아닌 고도영향이 저감된 지표온도영상을 제작하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 고도영향이 저감된 지표온도영상을 제작함으로써 산불탐지, 화산 분화 모니터링 및 도심지 열섬현상 모니터링을 포함하는 적외선 위성영상 활용분야에 기여하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 고도영향이 저감된 지표온도영상을 제작함으로써 산불, 화산 분화 등을 모니터링 할 수 있는 알고리즘 기법들의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 정지궤도 위성에서의 고도영향 저감 장치를 제공할 수 있다. 이 때, 정지궤도 위성에서의 고도영향 저감 장치는 정지궤도 위성영상 획득부, 수치표고모델 획득부, 구름영역 제거부, 지표온도영상 제작부, 표본자료 선정부, 지표온도감율 추정부 및 고도영향 저감부를 포함할 수 있다.

또한, 다음의 실시예들은 정지궤도 위성에서의 고도영향 저감 장치 및 정지궤도 위성에서의 고도영향 저감 방법에서 공통으로 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 영상 획득부는 정지궤도 위성시스템에서 촬영한 정지궤도 위성영상을 획득할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 수치표고모델 획득부는 정지궤도 위성영상과 동일한 좌표체계를 지니는 수치표고모델을 획득할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 구름영역 제거부는 정지궤도 위성영상 획득부에서 획득한 위성영상을 이용하여 영상 내 존재하는 구름영역을 탐지하고 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 지표온도영상 제작부는 정지궤도 위성영상 획득부에서 획득한 적외선 위성영상을 이용하여 지표온도영상을 제작한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 표본자료 선정부는 지표온도영상 제작부에서 제작된 지표온도 영상과 수치표고모델 획득부에서 획득한 수치표고모델에서 지표온도감율을 추정하기 위한 표본 지표온도와 고도정보를 획득할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 지표온도감율 추정부는 표본자료 선정부에서 선정한 지표온도와 고도정보 표본을 이용하여 지표온도감율을 추정한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 고도영향 저감부는 지표온도감율 추정부에서 추정된 지표온도감율을 이용하여 지표온도영상 제작부에서 제작한 지표온도영상에 나타나는 고도영향을 저감할 수 있다.

본 발명에 따르면, 정지궤도 적외선영상에서 제공되는 지표온도영상으로부터 영상 촬영시각에 해당하는 지표온도감율을 추정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 정지궤도 적외선영상에서 제공할 수 있는 전 지구 지표온도영상으로부터 영상 촬영시각에 해당하는 전 지구적 지표온도감율을 추정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 지표온도감율을 이용하여 정지궤도 적외선영상에서 제공할 수 있는 지표온도영상에 나타나는 지형고도의 영향을 저감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 지표온도영상에 나타나는 지형고도의 영향을 저감함으로써 산불 탐지, 화산분화 모니터링 등과 같은 지표온도영상 활용분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 지표온도영상에 나타나는 지형고도의 영향을 저감함으로써 산불 탐지, 화산분화 모니터링 등과 같은 지표온도영상 활용 알고리즘 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 지표의 온도정보를 관측하는 여러 분야에 전반적으로 활용이 가능한 기술로서, 영상분류, 표적 탐지, 식생모니터링, 토양수분량 추출을 비롯한 객체 인식 등 군사분야를 비롯한 민간분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.

외국의 상용 위성영상 처리 소프트웨어 중에서 정지궤도 적외선 위성영상의 고도영향 저감기법은 소프트웨어의 모듈로서 탑재된 사례가 부족한 바, 본 발명의 원천기술은 국내에서 개발되는 위성영상처리 소프트웨어에 탑재될 수 있다. 따라서 본 발명은 원천기술의 상용화를 통해 위성영상의 활용 증대 및 국가 위성산업 확대에 이바지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 적외선영상을 획득할 수 있는 통신해양기상위성 및 차세대 정지궤도 기상위성을 포함하는 국내 정지궤도위성에 적용 가능하여 국내위성영상자료의 활용도를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감 장치에 관한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 정지궤도 위성영상과 수치표고모델의 예시를 나타낸 도면이다.
도 3은 지표온도영상의 예시를 나타낸 도면이다.
도 4는 표본 자료 선정방법의 예시를 나타낸 도면이다.
도 5는 추정된 지표온도감율의 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 고도영향 보정 전과 보정 후의 예를 나타낸 이미지이다.
도 7은 지표온도영상의 활용 예시를 나타낸 도면이다.
도 8은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감 방법에 관한 흐름도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 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.

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.

본 발명은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 정지궤도에서 운용되는 위성에서 촬영된 적외선 채널 영상을 기반으로 지표온도영상을 추정하고, 추정된 지표온도영상에 나타난 고도변화에 의한 영향을 최소화시키기 위한 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이하 도면의 순서에 따라 발명을 설명한다.

도 1은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감 장치에 관한 구성을 나타낸 도면이다.

이 때, 도 2 내지 도 7은 본 발명인 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감 장치 및 방법에 따라 영상 처리된 실시예들을 나타낸 도면이다. 도 2 내지 도 7의 실시예가 도 1 장치의 해당 구성의 실시예에 해당되는 경우, 도 2 내지 도 7를 참고하여 도 1 장치의 구성을 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감방법 및 그 장치는 정지궤도 위성영상 획득부(110), 수치표고모델 획득부(120), 구름영역 제거부(130), 지표온도영상 제작부(140), 표본자료 선정부(150), 지표온도감율 추정부(160) 및 고도영향 저감부(170)를 포함한다.

정지궤도 위성영상 획득부(110)는 정지궤도 위성시스템에서 촬영한 정지궤도 위성영상을 획득한다. 보다 상세하게는 정지궤도 위성영상 획득부(110)는 정지궤도 위성시스템에서 촬영한 위성영상을 획득부하는 부분이다. 일반적으로, 정지궤도 위성시스템은 극궤도 위성시스템과 달리 매우 높은 35,786 km 상공에서 지구표면을 관측하기 때문에 작은 공간해상도를 지니게 된다.

반면, 정지궤도 위성시스템은 다양한 파장대역의 복사에너지를 수집할 수 있는 장점이 있다. 대부분의 정지궤도 위성시스템이 제공하는 채널 영상은 가시광선(visible) 파장대역부터 근적외선(near-infrared), 중적외선(mid-infrared) 및 열적외선(thermal-infrared) 파장대역까지 다양하다. 이 중 중적외선과 열적외선 채널영상은 지표에서 방출된 복사에너지가 센서에 기록되어 영상으로 저장된 것이다. 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서는 본 발명의 목표인 적외선 채널영상을 포함하여 다양한 파장대역의 정지궤도 채널영상을 획득한다.

본 발명이 속한 분야에서 적외선영상이란 중적외선 및 열적외선과 같이 지표 방출 복사에너지와 관련이 있는 영상을 의미한다. 적외선영상은 적외선영상에 기록된 지표 방출 복사에너지로부터 지표온도정보를 획득할 수 있는 장점이 있기 때문에, 지구표면의 온도정보가 요구되는 화산활동, 산불 및 도심지 열섬현상 모니터링 등에 활용이 가능한 장점이 존재한다.

이때, 준실시간으로 영상을 획득할 수 있는 정지궤도 위성시스템을 활용 하여 시계열 모니터링을 수행하기 위해서는 촬영시간 및 지역적인 특성에 따라 발생할 수 있는 영향을 저감하는 것이 효과적이다. 일반적으로 적외선영상에 나타나는 지역적인 영향은 위도변화에 의한 영향, 지형사면변화에 의한 영향 및 지형고도에 의한 영향 등이 존재한다. 이는 위도, 사면 및 고도에 따라 지표복사에너지가 다르게 방출되기 때문이다. 이 중 적외선 채널영상에 나타나는 가장 큰 지역적인 특성은 지형고도에 의하여 다르게 나타나는 지표 방출 복사에너지이다. 즉, 저지대의 지표복사에너지와 고지대의 지표복사에너지는 동일한 위도와 사면에서도 다르게 나타난다. 고도가 상승할수록 지표에서 방출된 복사에너지의 양은 감소하게 되어 작은 지표온도를 지니게 하며, 고도가 매우 높은 산 정상부의 경우 매우 낮은 지표온도를 보이기 때문에 겨울철에 내린 눈이 쉽게 녹지 않는 자연적인 현상을 야기한다.

수치표고모델 획득부(120)는 정지궤도 위성영상과 동일한 좌표체계를 지니는 수치표고모델을 획득한다. 보다 상세하게는 수치표고모델 획득부(120)에서 획득한 수치표고모델은 지표에 대한 높이정보를 나타내는 영상으로, 수치표고모델 획득부(120)에서는 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서 획득한 정지궤도 위성영상과 동일한 좌표체계를 지니는 수치표고모델을 획득한다.

이때, 수치표고모델 획득부(120)에서 획득한 수치표고모델은 상기 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서 획득한 정지궤도 위성영상과 동일한 좌표체계를 지녀야 하며, 공간해상도 또한 정지궤도 위성영상과 동일한 공간해상도를 지니는 수치표고모델을 사용하는 것이 바람직하다.

만약 획득한 수치표고모델이 획득한 정지궤도 위성영상과 다른 좌표체계를 지닐 경우, 좌표변환을 통하여 동일한 좌표체계를 지니도록 변환해야 한다. 또한 획득한 수치표고모델이 획득한 정지궤도 위성영상과 공간해상도가 다를 경우, 내삽(interpolation)기법을 이용하여 동일한 공간해상도를 지니도록 수치표고모델을 변환해야 한다. 좌표변환 및 내삽기법은 기존의 기술을 이용할 수 있다.

도 2는 정지궤도 위성영상과 수치표고모델의 예시를 나타낸 도면이다.

보다 상세하게는, 도 2는 본 발명의 일 실시예로 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서 획득한 정지궤도 위성영상과 수치표고모델 획득부(120)에서 획득한 수치표고모델의 예시를 나타낸 것이다.

여기서 도 2의 (a)는 HIMAWARI-8 인공위성에서 촬영된 정지궤도 위성영상을 나타내며, 도 2의 (b)는 정지궤도 위성영상과 동일한 좌표체계와 공간해상도를 지닌 수치표고모델이다.

도 2의 (a)에 의하면, 정지궤도 위성영상에 의해 전 지구가 표현되어 있다.

이 때, 전 지구가 촬영되어 있기 때문에, 태양과 지구의 관계에 따라 일부 지역은 주간의 시간대를 보이고, 일부 지역은 야간의 시간대를 보이는 것이 정지궤도 위성영상의 가장 큰 특징 중 하나다. 가시광선 파장대역의 영상은 주간의 시간대에서만 획득할 수 있고 적외선 파장대역의 영상은 주야에 영향 없이 영상을 획득할 수 있기 때문에, 도 2의 (a)는 정지궤도 위성영상의 특징을 잘 설명하고 있다.

도 2의 (b)는 SRTM DEM으로부터 제작한 수치표고모델이다. 도 2의 (b)는 HIMAWARI-8 위성영상과 동일한 영역에 대하여 지표고도 정보를 제공할 수 있도록 좌표변환이 수행되었으며, 동일한 공간해상도를 지니도록 내삽기법이 적용되었다.

구름영역 제거부(130)는 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서 획득한 위성영상을 이용하여 영상 내 존재하는 구름영역을 탐지하고 제거한다. 구름영역 제거부(130)는 지표온도감율 추정 및 고도영향 저감에 영향을 줄 수 있는 구름영역을 탐지하여 제거할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 구름영역 제거부(130)는 구름영역 제거를 목적으로 하는 것이기에 사용자의 판단에 의하여 자유로이 구름영역을 제거할 수 있고, 현재까지 개발된 구름영역 탐지기법을 사용하여 구름영역을 제거할 수도 있다.

현재까지 개발된 대부분의 구름영역 탐지기법은 구름영역에 대한 특징을 이용하여 탐지를 수행한다. 구름영역의 경우 매우 높은 반사도 정보와 매우 낮은 지표온도 정보를 지니는 특성을 지닌다. 이러한 특징을 이용하여 주간 영역에 한해서는 가시광선 영상의 반사도 정보를 이용하여 구름영역이 제거되며, 야간 영역에 한해서는 적외선 영상의 지표온도 정보를 이용하여 구름영역이 제거되는 기법들이 개발되었다. 최근에는 가시광선 영상의 반사도 정보 및 적외선 영상의 지표온도 정보 외에도 영상 촬영시간, 위성센서 촬영각 및 태양의 천정각 등 다양한 정보를 이용하여 구름영역이 제거되는 기법들이 개발되고 있다. 따라서 구름영역 제거부(130)는 사용자가 직접 구름영역을 제거하는 것 보다, 현재까지 개발된 구름탐지 기법을 적용하여 구름영역을 제거하는 것이 바람직하다. 이러한 구름영역 탐지 및 제거 방법은 기존의 기술을 이용할 수 있다.

지표온도영상 제작부(140)는 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서 획득한 적외선 위성영상을 이용하여 지표온도영상을 제작한다. 더 자세히 설명하자면, 상기 지표온도영상 제작부(140)는 정지궤도 위성영상 획득부(110)에서 획득한 지표 방출 복사에너지를 지표온도로 변환을 수행한다.

일반적으로 사용하는 변환 방법은 플랭크함수(Planck’s function)에 기초한 지구복사전델모델식(radiative transfer equation, RTE)이다. 플랭크함수에 기초한 지구복사전델모델식은 복사에너지의 파장대역 정보, 대기의 상향 및 하향 복사량, 대기의 투과율 정보 및 플랭크 계수 등을 이용하여 지표 방출 복사에너지를 지표온도 정보로 변환한다. 각각의 계수들은 센서 검보정 과정에서 제공되기 때문에, 각각의 계수들을 이용하여 적외선 영상을 지표온도영상으로 변환할 수 있다. 이러한 지표온도영상 제작 방법은 기존의 기술을 이용할 수 있다.

한편, 도 3은 지표온도영상의 예시를 나타낸 도면이다.

보다 상세하게는 도 3은 본 발명의 일 실시예로 지표온도영상 제작부(140)에서 제작한 지표온도영상의 예시를 보인다.

도 3의 경우 2017년 5월 6일 국제표준시 기준 0시부터 18시까지의 6시간 간격 지표온도영상의 예시이다. 도 3의 (a)는 2017년 5월 6일 국제표준시 기준 0시, 도 3의 (b)는 2017년 5월 6일 국제표준시 기준 6시, 도 3의 (c)는 2017년 5월 6일 국제표준시 기준 12시, 도 3의 (d)는 2017년 5월 6일 국제표준시 기준 18시의 지표온도영상이다. 도 3에 따르면 제작된 지표온도영상은 화소값의 단위로 절대온도 단위를 사용하고 있다. 이러한 지표온도영상은 영상 촬영시간 및 지표의 특성에 따라 다양한 정보를 제공한다.

도 3에 따르면 남반구에 위치한 호주대륙은 지표의 대부분이 사막으로 구성되어 있으므로 시간에 따라 지표온도의 편차가 매우 크게 나타나는 반면, 바다영역의 경우 비열이 높기 때문에 작은 지표온도 편차를 보이고 있다. 또한 구름영역과 히말라야 산맥 등의 고지대에서는 매우 낮은 지표온도를 보이고 있다. 따라서 도 3을 통해 지표온도감율을 추정할 때 구름영역의 제거가 필요한 것을 확인할 수 있다.

표본자료 선정부(150)는 지표온도영상 제작부(140)에서 제작된 지표온도 영상과 수치표고모델 획득부(120)에서 획득한 수치표고모델에서 지표온도감율을 추정하기 위한 표본 지표온도와 고도정보를 획득한다.

더 자세히 설명하자면, 표본자료 선정부(150)는 동일한 위치에서의 지표온도 정보와 지표고도 정보를 획득한다. 동일한 위치에서의 지표온도 정보는 지표온도영상으로부터 획득하며, 지표고도 정보는 수치표고모델에서 획득한다. 여기서 동일한 위치는 영상좌표계에서 동일한 위치좌표를 의미한다. 예를 들어 영상좌표에서 (400,500)위치에 대한 의미는 영상의 좌상단을 원점(0,0)으로 하여 라인방향(세로방향)으로 400번째, 픽셀방향(가로방향)으로 500번째에 해당하는 위치를 의미한다. 즉, 위치정보를 (400,500)으로 할 경우에 표본자료는 지표온도영상에서 (400,500)위치에 해당하는 화소값(지표온도)과 수치표고모델에서 (400,500)에 해당하는 화소값(지표고도)을 의미한다.

더 자세히 설명하자면, 상기 표본자료 선정부(150)는 지표온도감율을 추정하기에 적합한 지표온도 및 지표고도에 대한 표본자료를 획득한다. 여기서 지표온도감율의 의미는 고도가 상승할 때 감소하는 지표온도의 비율을 의미하므로, 표본자료는 지표온도감율이 잘 나타나는 자료를 선정하는 것이 적합하다. 즉, 지표온도감율을 추정하기 위해 적합한 표본자료는 고도의 변화가 다양한 지역이 적합하며, 대표적으로 산악지역이 적합하다.

더 자세히 설명하자면, 표본자료 선정부(150)는 산악지역을 기준으로 지표온도감율을 추정하기 위한 지표온도 및 지표고도에 대한 표본자료를 획득한다. 여기서 표본자료는 단순히 지표온도정보와 지표고도 정보를 획득하는 것이 아니라, 지표온도의 ‘차이’정보와 지표고도의 ‘차이’정보를 획득하는 것이 적합하다. 지표온도감율은 고도가 변화함에 따라 달라지는 지표온도의 비율로서 정의되기 때문에, 지표온도와 지표고도에 대한 절대정보를 사용하는 것보다 지표온도와 지표고도에 대한 상대정보를 사용하는 것이 적절한 지표온도감율을 추정하는 방법에 해당된다.

이를 위하여, 하나의 기준점을 선정하고, 기준점 주변 영역 내에서 타겟점을 선정한 후, 선정된 한 쌍(기준점과 타겟점)의 상대적인 고도의 차이정보와 상대적인 지표온도의 차이정보를 획득하여 표본자료로 선정하는 것이 바람직하다. 이때, 선정된 한 쌍의 위치차이가 작을 경우 고도차이와 지표온도의 차이 또한 매우 작게 나타나므로, 위치차이가 작을 경우 타겟점을 다시 선정하는 것이 바람직하다. 또한 기준점과 타겟점 중 하나라도 구름영역 내에 존재할 경우 표본자료에서 제외하여야 한다.

더 자세히 설명하자면, 표본자료 선정부(150)는 산악지역을 기준으로 지표온도감율을 추정하기 위한 지표온도 및 지표고도에 대한 다량의 표본자료들을 획득한다. 하나의 기준점으로부터 여러 개의 타겟점을 선정하여 다량의 고도차이와 지표온도차이 표본을 획득할 수 있다.

예를 들어, 하나의 기준점 당 타겟점을 100점을 선정하여, 100쌍에 대한 고도차이와 지표온도차이 정보를 획득할 수 있다. 기준점이 총 100점이라면, 지표온도감율을 추정하기 위한 표본자료의 개수는 10,000개의 자료가 된다. 전 지구적 지표온도감율을 추정하기 위해서는 약 500개 이상의 기준점으로부터 5,000점 이상의 표본자료를 확보하는 것이 바람직하다.

한편, 도 4는 표본 자료 선정방법의 예시를 나타낸 도면이다.

보다 상세하게는, 도 4는 본 발명의 일 실시예로 표본자료 선정부(150)의 표본자료 선정방법의 예시를 보인다.

여기서 도 4의 (a)는 수치표고모델의 일부분으로 기준점(410)을 선정하는 방법을 나타내며, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 붉은색 박스영역(420)을 확대하여 도시한 것으로 타겟점(440)을 선정하는 방법을 나타낸다.

도 4의 (a)에 의하면, 지표온도감율을 추정하기 위한 기준점(410)들은 하얀색 점으로써 표현되고 있으며, 수치표고모델 상에서 지표고도의 변화가 심한 산악지역에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 도 4의 (b)에 의하면, 붉은색 점으로 표현되어 있는 타겟점들(440)은 Target points area(450) 내에서 선정되었으며, Target points area(450) 구역은 붉은색 박스로 도면에서 표현되었다. Target points area(450)는 기준점(430)으로부터 일정한 거리가 떨어진 영역을 의미하며, 해당 구역 내에서 타겟점(440)이 선정될 수 있다.

지표온도감율 추정부(160)는 표본자료 선정부(150)에서 선정한 지표온도와 고도정보 표본을 이용하여 지표온도감율을 추정한다. 이 때, 지표온도감율 추정부(160)는 표본자료 선정부(150)에서 획득한 표본들의 지표온도차이와 고도차이정보를 이용하여, 전 지구적 지표온도감율을 추정한다. 지표온도감율 추정부(160)는 다량의 표본자료를 활용한 선형회귀분석을 실시한다.

더 자세히 설명하자면, 지표온도감율 추정부(160)는 하기 수학식 1을 통하여 지표온도감율

을 추정한다.

이때,

는 표본자료에서의 지표온도를 의미하며,

은 표본자료에서의 지표고도를 나타내며,

는 지표고도와 지표온도간 관계를 설명할 수 있는 지표온도감율을 나타낸다.

상기 수학식 1에 따르면,

을 독립변수로,

를 독립변수로 하는 원점을 지나는 선형회귀모델과 동일하다. 즉, 지표온도감율 추정은 원점을 지나는 선형회귀모델에서 기울기를 추정하는 방법과 동일하며, 잔차의 제곱합이 최소가 되는 기울기를 지표온도감율로 정의할 수 있다.

도 5는 추정된 지표온도감율의 예시를 나타낸 도면이다.

보다 상세하게는 도 5는 지표온도감율 추정부(160)를 통해 추정한 지표온도감율의 예시이다. 도 5는 2017년 5월 6일 18시에 촬영된 중적외선과 열적외선 지표온도영상으로부터 추정한 지표온도감율이다. 도 5의 (a)는 중적외선 지표온도영상으로부터 추정한 지표온도감율이고, 도 5의 (b)는 열적외선 지표온도영상으로부터 추정한 지표온도감율을 나타낸다. 도 5에서 확인할 수 있듯이, 지표온도감율은 중적외선과 열적외선 지표온도영상에서 각각 추정이 가능하다.

도 5에서 그래프의 x축은 표본자료에서의 고도차이 정보들을 나타내며, y축은 표본자료에서의 지표온도차이 정보들을 나타낸다. 도 5에서 확인할 수 있듯이, 각각의 표본자료들은 매우 다양한 분포를 보이고 있으며, 상기 수학식 1을 통해 두 변수들 간 최적의 선형모델을 적용하여 기울기를 추정함으로써 전 지구를 대표할 수 있는 지표온도감율을 추정할 수 있다.

도 5의 (a)에 따르면 중적외선 지표온도영상에서는 1km 고도가 상승할 때 지표온도가 4.21K씩 변하는 것을 확인할 수 있으며, 도 5의 (b)에 따르면 열적외선 지표온도영상에서는 1km 고도가 상승할 때 지표온도가 3.26K씩 변하는 것을 확인할 수 있다.

고도영향 저감부(170)는 지표온도감율 추정부(160)에서 추정된 지표온도감율을 이용하여 지표온도영상 제작부(140)에서 제작한 지표온도영상에 나타나는 고도영향을 저감한다.

더 자세히 설명하자면, 상기 고도영향 저감부(170)는 추정된 지표온도감율을 원래의 지표온도영상에 적용하여 고도영향이 저감된 지표온도영상을 획득한다. 고도영향 저감을 통하여, 고지대에서의 낮은 지표온도는 증가하는 효과가 있으며, 저지대에서의 높은 지표온도는 감소되는 효과가 있다.

더 자세히 설명하자면, 고도영향 저감부(170)는 하기 수학식 2를 통하여 고도영향이 저감된 지표온도영상

를 획득한다.

이때,

는 고도영향이 저감된 지표온도영상을 나타내며,

와

는 각각 라인방향과 픽셀방향의 영상좌표를 나타낸다.

는 상기 지표온도영상 제작부에서 제작한 지표온도영상을 나타내며,

는 상기 수치표고모델 획득부에서 획득한 수치표고모델을 나타낸다.

는 상기 지표온도감율 추정부에서 추정한 지표온감율을 나타내며,

는 기준고도를 의미한다. 여기서 기준고도는 사용자가 자유로이 설정할 수 있다.

만약

값이 0이라면, 고도영향이 저감된 지표온도 영상은 해발고도 0m에서의 지표온도영상을 나타낸다. 반면

값이 500이라면, 고도영향이 저감된 지표온도 영상은 해발고도 500m에서의 지표온도영상을 나타낸다.

한편, 도 6은 고도영향 보정 전과 보정 후의 예를 나타낸 이미지이다.

도 6은 중적외선 채널영상에서 제작한 지표온도영상으로, 도 6은 도 5의 지표온도감율을 이용하여 2017년 5월 6일 18시 지표온도영상에서의 고도영향을 저감한 것이다.

도 6의 (a)는 고도영향 저감 전의 지표온도영상을 나타내며, 도 6의 (b)는 고도영향 저감 후의 지표온도영상을 나타낸다. 도 6의 (a)에 따르면, 한반도 북부의 백두산 및 개마고원 일대(610)는 낮은 지표온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 강원도 설악산 부근(620)역시 낮은 지표온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이들 지역은 산악지역으로 고도가 높은 지역이며, 이에 따라 낮은 지표온도를 나타낸다. 이때, 백두산 일대의 고도가 강원도보다 더 높기 때문에 더 낮은 지표온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 도 6의 (b)는 추정된 지표온도감율 4.21K/km을 이용하여 지표온도 영상에서의 고도영향을 저감한 지표온도영상이다.

도 6의 (a)와 도 6의 (b)를 비교하였을 때, 고도영향 저감 결과 고지대영역에서의 지표온도는 상승하여 주변과 유사한 정보를 지니는 것을 확인할 수 있다. 특히 도 6의 (a)의 한반도 북부의 백두산 및 개마고원 일대(610) 및 강원도 설악산 부근(620)과 도 6의 (b)의 한반도 북부의 백두산 및 개마고원 일대(630) 및 강원도 설악산 부근(640)를 비교하였을 때, 한반도 북부의 백두산 및 개마고원 일대의 지표온도(630)는 더욱 상승하여 강원도 일대(640)의 지표온도와 유사한 수준의 지표온도를 지니는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 7은 지표온도영상의 활용 예시를 나타낸 도면이다.

보다 상세하게는 도 7은 고도영향 보정 전과 보정 후를 확대한 영상으로 지표온도영상의 활용분야 중 하나인 산불탐지 가능성 향상의 예를 나타낸 이미지이다. 도 7은 2017년 5월 6일 18시 강원도 삼척 부근의 지표온도영상이다.

도 7의 (a)는 고도영향 저감 전을 나타내며, 도 7의 (b)는 고도영향 저감 후를 나타낸다. 도 7에 따르면, 영상의 가운데 노란색으로 표현되는 화소(710, 730)는 현지시간 새벽 3시임에도 불구하고 약 300K의 매우 높은 지표온도를 나타내고 있으며, 영상이 촬영되는 동안 실제 강원도 삼척지방에서 산불이 발생하였으므로 산불 화소일 가능성이 매우 높다. 대부분의 산불탐지 기법들은 산불의심화소 주변 화소들의 지표온도정보를 이용하여 의심화소가 산불화소인지 판별하고 있으며, 핵심지표로서 산불의심화소와 주변 화소들의 지표온도차이와 주변 화소들의 지표온도에 대한 변동성을 이용한다. 이때, 주변화소들의 변동성이 감소할수록 산불의심화소를 산불화소로 판별할 수 있는 가능성이 향상된다.

도 7의 (a)와 도 7의 (b)를 비교하였을 때, 도 7의 (a)의 주변 화소들의 지표온도(720)보다 고도영향을 저감한 도 7의 (b)의 주변 화소들의 지표온도(740)가 더 균일한 지표온도를 지니는 것을 확인할 수 있다, 따라서, 본 발명을 통해 고도영향을 저감함으로써 산불탐지 가능성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정지궤도 적외선 영상에서의 고도영향 저감방법 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 판독 가능 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 프로그램 audfudd을 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.

도 8은 정지궤도 적외선영상에서의 고도영향 저감 방법에 관한 흐름도이다.

먼저 동일한 좌표체계와 해상도를 지닌 정지궤도 위성 영상과 수치표고모델을 획득(S810)한다. 그리고 정지 궤도 위성 영상에 나타나는 구름영역을 제거(S820)한다. 적외선 영상으로부터 지표 온도 영상을 제작(S830)하고, 동일한 위치에서의 지표온도정보와 고도 정보를 획득하여 지표온도감율을 추정하기 위한 표본자료를 구축(S840)한다. 표본자료로 구축된 지표온도정보와 고도 정보를 이용하여 영상 촬영시각에서의 지표온도감율을 추정(S850)한다. 마지막으로 추정된 지표온도감율을 이용하여 적외선 위성영상에 나타나는 고도영향을 저감(S860)시킬 수 있다.

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 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 정지궤도 위성영상 획득부
120: 수치표고모델 획득부
130: 구름영역 제거부
140: 지표온도영상 제작부
150: 표본자료 선정부
160: 지표온도감율 추정부
170: 고도영향 저감부

Claims (1)

1. 정지궤도 위성 시스템에서 정지궤도 적외선 영상을 촬영하는 고도 영향 저감 장치에 있어서
   촬영된 정지궤도 적외선영상을 획득하는 정지궤도 위성영상 획득부;
   상기 획득한 정지궤도 위성영상을 이용하여 지표온도영상을 제작하는 지표온도영상 제작부;
   상기 획득한 정지궤도 위성영상의 지표온도감율을 추정하는 지표온도감율 추정부;
   및
   상기 지표온도영상 제작부에서 제작된 지표온도영상에 나타난 고도영향을 저감시키는 고도영향 저감부;
   를 포함하되,
   상기 고도영향 저감부는
   상기 지표온도감율 추정부에서 추정된 지표온도감율을 이용하여 고도영향을 저감시키는 것을 특징으로 하는 정지궤도 적외선영상에서 고도 영향 저감 장치.

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