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KR102476565B1 - A floating waste detection system for lake and swamp using statistical characteristics of SAR radar images and methods using the same - Google Patents

A floating waste detection system for lake and swamp using statistical characteristics of SAR radar images and methods using the same Download PDF

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Publication number
KR102476565B1
KR102476565B1 KR1020210172905A KR20210172905A KR102476565B1 KR 102476565 B1 KR102476565 B1 KR 102476565B1 KR 1020210172905 A KR1020210172905 A KR 1020210172905A KR 20210172905 A KR20210172905 A KR 20210172905A KR 102476565 B1 KR102476565 B1 KR 102476565B1
Authority
KR
South Korea
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sar
images
floating
hypothesis
image
Prior art date
Application number
KR1020210172905A
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Korean (ko)
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KR102476565B9 (en
Inventor
이명진
윤동현
Original Assignee
한국환경연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국환경연구원 filed Critical 한국환경연구원
Priority to KR1020210172905A priority Critical patent/KR102476565B1/en
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    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
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    • G01S13/90Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021SAR image post-processing techniques
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06T7/90Determination of colour characteristics

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Abstract

The present invention relates to a lake floating waste detection system using the statistical characteristics of SAR radar images, which automatically analyzes a change in a lake in time series and displays floating wastes, and a method thereof. To this end, the lake floating waste detection system using statistical characteristics of SAR radar images comprises: an image acquisition unit which acquires a plurality of SAR images for each time period; a pre-processing unit which matches or corrects the acquired SAR images; a hypothesis verification unit which verifies whether images of different time zones belong to the same category by using the plurality of SAR images; and a floating matter display unit which displays pixels determined to be a floating object in the SAR image of the time zone determined not to belong to the same category by the hypothesis verification unit with a predetermined color. Therefore, according to the present invention, floating wastes in a lake are accurately detected and monitored through image analysis using the SAR images regardless of atmospheric conditions such as clouds, fog, smog, or rainfall, thereby facilitating the management of floating waste and reducing concerns of environmental pollution.

Description

SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템 및 그 방법{A floating waste detection system for lake and swamp using statistical characteristics of SAR radar images and methods using the same}A floating waste detection system for lake and swamp using statistical characteristics of SAR radar images and methods using the same}

본 발명은 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템 및 그 방법에 관한 것이며, 구체적으로 호소의 변화를 시계열적으로 자동으로 분석하여 부유성 폐기물을 표시하여 주는 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for detecting floating waste in lakes using statistical characteristics of SAR radar images. It relates to a system and method for detecting floating waste in lakes using characteristics.

우리나라의 주요하천 상류에는 대형 다목적 댐들이 건설되어 수자원의 효율적 유지 관리측면에서 중요한 역할을 수행하여 왔다. 최근 급격한 기후변화로 강우가 증가하면서 호소의 부유성폐기물이 증가하고 있는 추세이다. 집중강우에 따른 부유폐기물 및 수변 오염물질은 시간이 지남에 따라 빠르게 수질악화를 야기하고 있으며, 폐기물의 발생유무와 수거계획 수립 및 예산편성을 위해 발생 초기 단계부터 폐기물의 모니터링이 필요하다. Large multi-purpose dams have been built in the upper reaches of major rivers in Korea and have played an important role in the efficient maintenance and management of water resources. Recently, as rainfall increases due to rapid climate change, floating waste in lakes is increasing. Floating waste and waterside pollutants caused by concentrated rainfall rapidly deteriorate water quality over time, and waste monitoring is required from the initial stage of generation to determine whether waste is generated, establish a collection plan, and budget.

이와 관련하여, 종래기술에 의한 등록특허 제10-2316387호(부유물 탐지방법 및 장치)에 의하면, 부유물이 존재하는 위치가 라벨링된 제1 고해상도 이미지와 상기 제1 고해상도 이미지에 해당하는 영역을 포함하여 촬영한 제1 저해상도 이미지를 이용하여 제1 인공지능 신경망을 기계 학습시킴으로써, 상기 제1 인공지능 신경망을 생성하는 단계, 제2 저해상도 이미지를 획득하는 단계, 및 상기 제2 저해상도 이미지를 상기 제1 인공지능 신경망에 입력함으로써, 상기 제2 저해상도 이미지 내의 픽셀들 각각에 대하여, 해당 픽셀에 해당하는 셀 영역에 부유물이 존재하는 양을 추정하는 단계를 포함한다.In this regard, according to Patent Registration No. 10-2316387 (floating object detection method and device) according to the prior art, a first high-resolution image labeled with a position where a floating object exists and a region corresponding to the first high-resolution image, including Generating a first artificial neural network by machine learning a first artificial neural network using a captured first low-resolution image; obtaining a second low-resolution image; and estimating, for each pixel in the second low-resolution image, an amount of floating matter present in a cell region corresponding to a corresponding pixel by inputting the input to an intelligent neural network.

하지만, 이러한 기술은 가시광선에 기초한 광학영상을 이용하므로 구름이 많이 끼는 등 날씨조건에 따라 영상확보를 할 수 없는 날이 많아 상시적인 모니터링에는 한계가 있다.However, since this technology uses an optical image based on visible light, there are many days when it is impossible to secure an image depending on weather conditions such as a lot of clouds, so there is a limit to continuous monitoring.

따라서 광범위한 지역의 부유성 폐기물 모니터링에 Sentinel-I SAR 영상과 같은 원격탐사 데이터를 활용하는 연구가 필요하다. 폐기물의 방치로 인한 수질의 부영영화는 폐기물의 발생 범위의 변화와 같은 공간적 정보의 부재에 기인한다. 때문에 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상으로부터 변화지역을 탐색하고 추출하여 지속적인 모니터링 정보를 제공하는 부유 폐기물 탐지 방법론이 필요하다. Therefore, studies using remote sensing data such as Sentinel-I SAR images are needed to monitor particulate matter in a wide area. The eutrophication of water quality due to the neglect of waste is due to the absence of spatial information such as changes in the extent of waste generation. Therefore, a floating waste detection methodology that provides continuous monitoring information by searching and extracting change areas from SAR (Synthetic Aperture Radar) images is needed.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이며, 상시적으로 영상분석을 통하여 정확하게 호소의 부유성폐기물을 탐지 및 모니터링함으로써, 부유성폐기물의 관리를 용이하게 하고 환경오염의 우려를 감소시킬 수 있는 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, and SAR can facilitate management of floating waste and reduce the concern of environmental pollution by accurately detecting and monitoring floating waste of appeal through image analysis at all times. It is to provide a system and method for detecting floating waste in lakes using statistical characteristics of radar images.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 시간대별로 복수의 SAR영상을 획득하는 영상획득부; 상기 획득된 SAR영상을 정합 또는 보정하는 전처리부; 상기 복수의 SAR영상을 이용하여 다른 시간대의 영상이 동일성 범주에 속하는 영상인지 검증하는 가설검증부; 상기 가설검증부에서 동일한 범주에 속하지 않는다고 판단된 시간대의 SAR영상에서 부유물로 판단된 픽셀의 색상을 미리 정해진 색상으로 표시하여 주는 부유물표시부를 포함하여 구성되는 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an image acquisition unit for acquiring a plurality of SAR images for each time period; a pre-processing unit that matches or corrects the acquired SAR image; a hypothesis verification unit verifying whether images of different time zones belong to the same category by using the plurality of SAR images; The appeal unit using the statistical characteristics of the SAR radar image, which includes a floating object display unit that displays the color of a pixel determined to be a floating object in a predetermined color in the SAR image of the time zone determined not to belong to the same category in the hypothesis verification unit. Provides an oily waste detection system.

상기 전처리부에서는 기초처리된 듀얼편광(dual-polarization) GRD 영상을 사용하며, 열잡음(thermal noise) 제거, 경계잡음(border noise) 제거, 스페클(speckle) 필터링, 도플러 영역교정(Range Doppler Terrain Corection), Conversion to dB 과정을 거칠 수 있다.The pre-processing unit uses a dual-polarization GRD image that has undergone basic processing, and includes thermal noise removal, border noise removal, speckle filtering, and Doppler region correction (Range Doppler Terrain Correction). ), Conversion to dB process may be performed.

상기 가설검증부는 복수 시간대의 SAR영상이 모두 동일성 범주에 속한다는 가설을 설정하고, 각 픽셀은 편광방향에 기초하여 VV밴드 및 VH밴드에 의한 측정강도를 각각 SVV, SVH로 하여 상기 SVV, SVH를 공분산행렬의 원소로 산출하며, 상기 공분산행렬의 행렬식을 이용한 가능성통계량에 기초하여 상기 가설의 적합 또는 기각 여부를 판단하는 것이 바람직하다.The hypothesis verification unit sets a hypothesis that all SAR images of multiple time zones belong to the same category, and each pixel sets the measured intensity by the VV band and the VH band as S VV and S VH , respectively, based on the polarization direction, and the S VV , S VH is calculated as an element of the covariance matrix, and whether the hypothesis is accepted or rejected is determined based on a probability statistic using the determinant of the covariance matrix.

상기 가설검증부는 총가능성통계량에 기초하여 가설의 적합 또는 기각 여부를 판단하며, 기각으로 판단한 경우 다른 시간대의 두 영상에 대한 부분가능성통계량을 설정하고, 상기 두 영상에 대한 가설의 적합 또는 기각 여부를 순차적으로 판단하는 것이 바람직하다.The hypothesis verification unit determines whether the hypothesis is suitable or rejected based on the total likelihood statistic. It is desirable to judge sequentially.

상기 가설검증부는 각 SAR영상에서 가능성통계량에 기초한 변화측정값과 미리 설정된 변화기준값을 비교하여 상기 가설의 적합 또는 기각 여부를 판단하는 것이 바람직하다.Preferably, the hypothesis verification unit determines whether the hypothesis is accepted or rejected by comparing a change measurement value based on a probability statistic in each SAR image with a preset change reference value.

상기 가설검증부는 각 SAR영상에서 상기 변화측정값의 분포를 구하고, 상기 변화기준값보다 작은 값들의 비율을 산출하여 노이즈 제거여부를 판단할 수 있다.The hypothesis verification unit may obtain a distribution of the change measurement values in each SAR image and determine whether to remove noise by calculating a ratio of values smaller than the change reference value.

본 발명에 의하면, SAR영상을 이용하여 구름, 안개, 스모그 또는 강우와 같은 대기조건에 관계없이 상시적으로 영상분석을 통하여 정확하게 호소의 부유성폐기물을 탐지 및 모니터링함으로써, 부유성폐기물의 관리를 용이하게 하고 환경오염의 우려를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, it is easy to manage floating waste by accurately detecting and monitoring floating waste in lakes through image analysis at all times regardless of atmospheric conditions such as clouds, fog, smog, or rainfall using SAR images. It has the advantage of reducing the risk of environmental pollution.

도 1은 본 발명에 의한 부유성 폐기물 탐지시스템의 구성도;
도 2는 본 발명에 의한 부유성 폐기물 탐지시스템의 작동 개념도;
도 3a 및 도 3b는 각각 2018년 08월 31일 및 2020년 04월 09일 촬영된 SAR영상의 레이더파의 신호분포를 나타내는 예시도;
도 4a는 연구지역 항공사진
도 4b는 연구지역의 변화측정값(p-value) 분포를 나타내는 결과도;
도 4c는 본 발명에 의한 결과를 표시하여 주는 결과표시도;
도 5는 드론으로 촬영된 연구지역 영상을 나타내는 현장사진.
1 is a block diagram of a floating waste detection system according to the present invention;
Figure 2 is a conceptual diagram of the operation of the floating waste detection system according to the present invention;
3A and 3B are exemplary diagrams showing the signal distribution of radar waves of SAR images captured on August 31, 2018 and April 9, 2020, respectively;
4a is an aerial photograph of the study area
Figure 4b is a result diagram showing the distribution of change measurement values (p-value) in the study area;
Figure 4c is a result display diagram for displaying the results according to the present invention;
5 is a field photograph showing an image of a study area taken by a drone.

본 발명에 의한 구체적인 실시예의 구성 및 작용에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.The configuration and operation of specific embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템(100)은 서버형태로 구비될 수 있으며, 영상획득부(110), 전처리부(120), 가설검증부(130), 부유물표시부(140)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the floating waste detection system 100 of the lake using the statistical characteristics of the SAR radar image according to this embodiment may be provided in the form of a server, an image acquisition unit 110, a pre-processing unit 120 , a hypothesis verification unit 130, and a floating object display unit 140.

상기 영상획득부(110)는 모니터링할 대상지역을 촬영한 영상을 수신받는데, 상기 영상은 위성 레이다를 이용해 촬영된 SAR(Synthetic Aperture Radar)영상인 것이 바람직하다.The image acquisition unit 110 receives an image of a target area to be monitored, and the image is preferably a synthetic aperture radar (SAR) image captured using a satellite radar.

가시광선을 이용한 광학영상을 이용한 모니터링 방법은 태양빛이 없거나 구름이 낀 날씨 등 기상조건에 의해 획득 가능한 영상빈도가 낮고, 대기 혼탁 등으로 영상을 분석하는 복잡한 프로세스와 처리비용 때문에 광역지역을 대상으로 한 모니터링 시스템에는 부적합하다.The monitoring method using optical images using visible light has a low image frequency that can be obtained due to meteorological conditions such as no sunlight or cloudy weather, and it is difficult to analyze images due to atmospheric turbidity. Not suitable for a single monitoring system.

반면, SAR영상은 능동형 센서를 이용하여 태양광의 유무와 대기조건에 관계없이 상시 모니터링이 가능한 장점이 있다.On the other hand, the SAR image has the advantage of being able to be monitored at all times regardless of the presence or absence of sunlight and atmospheric conditions by using an active sensor.

상기 영상획득부(110)에서는 동일 지역을 다른 시간대에 촬영한 SAR영상을 지속적으로 수신하며 일정 시간 간격으로 복수회 촬영된 영상을 수신할 수 있다.The image acquisition unit 110 may continuously receive SAR images captured in the same area at different times and receive images captured multiple times at regular time intervals.

예를 들어, 영상획득부에서는 하루에 두번 3시 대역 및 15시 대역에 촬영된 영상을 수신할 수 있으며, 3시 및 15시 대역은 10초간 100번 촬영된 SAR영상일 수 있다.For example, the image acquisition unit may receive images captured in the 3 o'clock band and the 15 o'clock band twice a day, and the 3 o'clock and 15 o'clock bands may be SAR images captured 100 times for 10 seconds.

상기 전처리부(120)에서는 수신된 SAR영상을 분석할 수 있도록 변형시키는 역할을 한다.The pre-processing unit 120 serves to transform the received SAR image so that it can be analyzed.

구체적으로, 상기 전처리부에는 궤도보정부, 노이즈제거부, 방사보정부, 지형보정부가 포함된다.Specifically, the pre-processing unit includes a trajectory correction unit, a noise removal unit, a radiation correction unit, and a terrain correction unit.

상기 궤도보정부에서는 초기자료 생성시 입력되지 않은 궤도정보를 업데이트하는 역할을 하며, 예를 들어 정확한 위성의 위치 및 속도정보를 업데이트 한다.The orbit correction unit serves to update orbit information that has not been input when initial data is generated, and, for example, accurately updates satellite position and speed information.

상기 노이즈제거부에서는 SAR영상의 열잡음(thermal noise) 및 스페클(speckle)을 제거한다. The noise removal unit removes thermal noise and speckle of the SAR image.

위성통신시스템 내부는 여러가지 소자로 구성되어 있으며, 전자의 운동이 활발해 지면서 발열하게 되고 이로 인해 통신시스템에서 노이즈가 발생하게 된다. 상기 노이즈제거부에서는 정보신호와 출력신호를 추출하고, 시간과 입력레벨에 따라 정렬하여 비교를 통해 왜곡을 계산하여 왜곡의 보상값을 산출하고 이러한 보상값을 테이블화하여 저장부에 저장한다. The inside of the satellite communication system is composed of various elements, and as the movement of electrons becomes active, heat is generated, which causes noise in the communication system. The noise removal unit extracts the information signal and the output signal, arranges them according to time and input level, calculates distortion through comparison, calculates distortion compensation values, and stores these compensation values in a table in a storage unit.

이러한 보상값은 실시간으로 업데이트될 수 있으며, 노이즈제거부에서는 보상값을 부가함으로써 열잡음을 제거한다.These compensation values may be updated in real time, and the noise removal unit removes thermal noise by adding compensation values.

또한, 상기 노이즈제거부에서는 영상신호에 대하여 공간영역에서 특정 주파수를 제거하거나 강조하여 공간필터링을 수행함으로써 스페클을 제거한다.In addition, the noise removal unit removes speckle by performing spatial filtering by removing or emphasizing a specific frequency in the spatial domain with respect to the video signal.

상기 방사보정부에서는 로데이터(raw data)를 지표 반사도로 변환해 주는 역할을 한다. 즉, 위성 자체의 메타데이터를 이용하여 픽셀값에 보정계수를 이용하여 물체의 순수 반사도 값으로 보정하여 준다.The radiation correction unit serves to convert raw data into surface reflectivity. That is, by using the metadata of the satellite itself, the pixel value is corrected with the pure reflectivity value of the object by using the correction coefficient.

상기 지형보정부에서는 위성체의 자세변화에 의한 영상의 위치변화 및 SAR에 의한 경사거리 영상 취득에 의한 왜곡들을 제거하고 보정하기 위해서 기하학적 보정과정을 수행한다. 즉, 지형보정부에서는 기준영상을 정하고 시계열적으로 구성되는 복수의 SAR영상을 상기 기준영상에 정합하여 기하학적인 변환을 수행하게 된다.The topography correction unit performs a geometrical correction process to remove and correct distortions caused by a change in the position of an image due to a change in attitude of a satellite and acquisition of an inclination distance image by SAR. That is, the topographic correction unit determines a reference image and performs geometric transformation by matching a plurality of SAR images configured in time series with the reference image.

상기 가설검증부(130)에서는 가설을 세우고 설정된 가설이 적합한지 아닌지를 판단한다. 예를 들어, "시간대별 복수의 SAR영상이 동일성 범주에 포함된다"라는 가설을 세우고 가설검증부에서는 전체 SAR영상 또는 개별 SAR영상별로 상기 가설이 적합한지 적합하지 않은지를 판단한다.The hypothesis verification unit 130 establishes a hypothesis and determines whether or not the established hypothesis is appropriate. For example, a hypothesis is set that "a plurality of SAR images for each time period are included in the identity category", and the hypothesis verification unit determines whether the hypothesis is suitable for all SAR images or individual SAR images.

도 2를 참조하면, SAR위성에서 송출된 레이더파는 수면에서 반사되어 시계열적으로 안정적인 신호강도를 유지하게 된다. 이때, 수면위에 부유성 폐기물들이 떠다닌다면, SAR위성에서 송출된 레이더파는 부유성 폐기물에 의해 산란되어 신호강도가 변화되어 이러한 변화를 탐지하면 부유성 폐기물들의 위치를 탐지할 수 있다.Referring to FIG. 2, the radar wave transmitted from the SAR satellite is reflected from the surface of the water and maintains a time-sequentially stable signal strength. At this time, if the floating waste is floating on the surface of the water, the radar wave transmitted from the SAR satellite is scattered by the floating waste and the signal strength is changed. When this change is detected, the location of the floating waste can be detected.

하지만, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 동일한 장소라도 시간에 따라 나뭇잎이 무성해진다든가 물결이 출렁인다든가 하는 자연현상에 따라 SAR영상은 다르게 나타날 수 있고, 또한, SAR 위성 자체가 이동하므로 촬영각도나 시간에 따라 동일한 장소의 SAR영상은 다르게 나타날 수 있다.However, referring to FIGS. 3A and 3B, even in the same place, SAR images may appear differently depending on natural phenomena such as foliage growing thick or waves waving over time, and since the SAR satellite itself moves, the shooting angle and Depending on time, the SAR image of the same place may appear differently.

상기 가설검증부에서는 변화된 SAR영상이 이러한 자연스러운 변화에 의한 것인지 아니면 부유성 폐기물에 의한 것인지를 판단한다.The hypothesis verification unit determines whether the changed SAR image is due to such a natural change or floating waste.

본 실시예에서 가설검증부는 레이더파 신호의 모집단은 위샤트(Wishart) 분포의 형태로 나타난다고 전제하고, 촬영시기, 위성의 궤도, 촬영각도, 지표면의 변화 등에 따라 레이더파 분포의 표준편차, 평균 분산이 각기 다르며, 부유성 폐기물이 발생하면 위의 변화된 화소보다 정규분포에 큰 오차로 영향을 미칠 것으로 예측한다.In this embodiment, the hypothesis verification unit assumes that the population of radar wave signals appears in the form of a Wishart distribution, and the standard deviation and average of the radar wave distribution depend on the shooting time, satellite orbit, shooting angle, and change in the ground surface. The variance is different, and if floating waste is generated, it is predicted that it will affect the normal distribution with a larger error than the changed pixel above.

또한, 레이더파로부터 반사된 지표면의 신호특성이 연속확률변수를 따른다고 가정하였을 때, 확률밀도함수로 반사된 지표면 레이더파는 시뮬레이션 할 수 있으며, 예측된 확률밀도함수로부터 변화된 신호의 강도를 통계적으로 추정한다. In addition, assuming that the signal characteristics of the ground surface reflected from the radar wave follow a continuous random variable, the ground surface radar wave reflected with the probability density function can be simulated, and the changed signal strength can be statistically estimated from the predicted probability density function. do.

그리고, 중력방향으로 수직인 수표면에 바람의 영향이 상대적으로 적은 호소(늪지와 호수)의 경우 신호강도가 매우 안정적이며 상시 일정한 평균값을 유지할 것이고, 이러한 특성은 호소의 표면에 변화 발생 시 신호강도의 변화로 나타날 수 있을 것으로 예측한다.In addition, in the case of lakes (swamps and lakes) where the influence of wind on the water surface perpendicular to the direction of gravity is relatively small, the signal strength is very stable and will always maintain a constant average value, and this characteristic is the signal strength when changes occur on the surface of the lake It is predicted that it may appear as a change in

이하, 가설검증부(130)에 의한 확률밀도분포의 적합도 평가방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method for evaluating the goodness of fit of the probability density distribution by the hypothesis verification unit 130 will be described.

한 픽셀에서 편파된 신호 VV밴드와 VH밴드에 대한 측정강도를 각각 Svv, Svh라 하면, 화소 m에 대한 공분산행렬을 아래와 같이 표시할 수 있다.If the measured intensities of the VV and VH bands of the polarized signals at one pixel are Svv and Svh, respectively, the covariance matrix for pixel m can be expressed as follows.

Figure 112021141105818-pat00001
Figure 112021141105818-pat00001

< >는 앙상블 평균을 의미한다.< > means the ensemble average.

SAR영상의 샘플링번호 i= 1,2,…, k라 하고, ENL(equivalent number of looks)를 n이라 할 때, 독립확률변수 Xi=n<C>i, 기대값 E{Xi/n}=Σi를 가지며, 독립확률변수 Xi가 복소위샤트분포 Wc(p, n, Σi)를 따른다고 할 때, 시간대별 SAR영상이 동일성 범주에 속한다는 가설은 Σ1 = Σ2 = … = Σk로 표시할 수 있으며,Sampling number of SAR image i = 1,2,… , k, and ENL (equivalent number of looks) n, an independent random variable X i =n<C> i , an expected value E{X i /n}=Σ i , and an independent random variable X i Assuming that follows the complex order distribution Wc(p, n, Σ i ), the hypothesis that SAR images for each time period belong to the identity category is Σ 1 = Σ 2 = … = Σ k ,

가설검증부에서는 복수의 SAR영상에 대한 총가능성통계량 Q를 아래와 같이 설정하고, 총가능성통계량을 평가하여 가설의 적합 또는 기각 여부를 판단한다.In the hypothesis verification unit, the total likelihood statistic Q for the plurality of SAR images is set as follows, and the total likelihood statistic is evaluated to determine whether the hypothesis is suitable or rejected.

Figure 112021141105818-pat00002
Figure 112021141105818-pat00002

여기서,

Figure 112021141105818-pat00003
이고, | |는 행렬식을 나타낸다.here,
Figure 112021141105818-pat00003
and | | represents a determinant.

3개의 편파를 가진 데이터의 경우 p=3, 두개의 편파를 가진 경우 p=2, 하나의 밴드만 가진 경우 p=1이 된다.In the case of data with three polarizations, p = 3, in the case of two polarizations, p = 2, and in the case of only one band, p = 1.

총가능성통계량 Q는 [0,1]의 값을 가지며, Q=1인경우 완전히 동등한 것을 나타낸다.The total likelihood statistic Q has a value of [0,1], and indicates perfect equality when Q=1.

또한, 양변에 로그를 취하면 아래와 같이 표시할 수 있다.Also, taking the logarithm on both sides, it can be expressed as follows.

Figure 112021141105818-pat00004
Figure 112021141105818-pat00004

여기서, here,

Figure 112021141105818-pat00005
Figure 112021141105818-pat00005

Figure 112021141105818-pat00006
Figure 112021141105818-pat00006

Figure 112021141105818-pat00007
Figure 112021141105818-pat00007

로 하면, z(=-2ρlnq)(q는 관측값)보다 더 작은 -2ρlnQ값의 확률은 아래와 같다., the probability of a value of -2ρlnQ smaller than z(=-2ρlnq) (q is an observed value) is as follows.

Figure 112021141105818-pat00008
Figure 112021141105818-pat00008

여기서, χ2(f)는 자유도 f인 카이제곱 확률분포함수를 나타낸다.Here, χ 2 (f) represents the chi-square probability distribution function with the degree of freedom f.

한편, j번째 SAR영상에 대한 부분가능성통계량 Rj는 아래와 같이 설정될 수 있다.Meanwhile, the partial likelihood statistic R j for the j-th SAR image can be set as follows.

Figure 112021141105818-pat00009
Figure 112021141105818-pat00009

Figure 112021141105818-pat00010
Figure 112021141105818-pat00010

즉,

Figure 112021141105818-pat00011
임을 알 수 있다.in other words,
Figure 112021141105818-pat00011
It can be seen that

여기서,here,

f = p2 f = p 2

Figure 112021141105818-pat00012
Figure 112021141105818-pat00012

Figure 112021141105818-pat00013
Figure 112021141105818-pat00013

로 하면, -2ρjlnRj의 근사 확률밀도분포는 아래와 같다., the approximate probability density distribution of -2ρ j lnR j is as follows.

Figure 112021141105818-pat00014
Figure 112021141105818-pat00014

가설검증부(130)에서는 변화측정값(p-value)을 In the hypothesis verification unit 130, the change measurement value (p-value)

Pr(Q<q)=1-Pr(-2ρlnQ ≤ -2ρlnq)(q는 관측값)로 계산하여 0.01 내지 0.005의 유의수준인 변화기준값과 비교하여 가설의 적합 또는 기각여부를 판단한다. 변화기준값은 저장부에 DB화되어 저장되고, 가설검증부(130)에서는 설정된 유의수준에 따라 DB를검색하여 판단하는 것이 바람직하다.It is calculated as Pr(Q<q)=1-Pr(-2ρlnQ ≤ -2ρlnq) (q is an observed value) and compared with the change reference value, which is a significance level of 0.01 to 0.005, to determine whether the hypothesis is suitable or rejected. It is preferable that the change reference value is converted into a DB and stored in the storage unit, and the hypothesis verification unit 130 searches and determines the DB according to the set significance level.

즉, 변화측정값이 변화기준값보다 크면 가설검증부에서는 해당 픽셀이 동일성 범주에 포함되는 것으로 판단하고, 변화측정값이 변화기준값보다 작으면 해당 픽셀이 동일성 범주에 포함되지 않고 부유물이 생겨 호소의 표면이 변화된 것으로 판단한다.That is, if the change measurement value is greater than the change reference value, the hypothesis verification unit determines that the corresponding pixel is included in the identity category, and if the change measurement value is smaller than the change reference value, the corresponding pixel is not included in the identity category and floats are generated on the surface of appeal. judge that this has changed.

다음으로, 본 발명에 의한 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지방법에 대해 설명한다.Next, a method for detecting floating waste in lakes using statistical characteristics of SAR radar images according to the present invention will be described.

상기 영상획득부(110)에서는 위성 레이다를 이용해 촬영된 SAR(Synthetic Aperture Radar)영상을 수신받고, 수신받은 SAR영상은 전처리부(120)에서 정합 또는 보정되어 SAR영상을 분석할 수 있도록 변형된다.The image acquisition unit 110 receives a Synthetic Aperture Radar (SAR) image captured using a satellite radar, and the received SAR image is matched or corrected in the pre-processing unit 120 and transformed so that the SAR image can be analyzed.

이후, 가설검증부(130)에서는 시간대별 SAR영상이 동일성 범주에 속한다는 가설을 세우고 총가능성통계량 Q에 대해 변화측정값(p-value)Thereafter, the hypothesis verification unit 130 hypothesizes that the SAR images for each time period belong to the same category, and calculates the change measurement value (p-value) for the total likelihood statistic Q

Pr(Q<q)=1-Pr(-2ρlnQ ≤ -2ρlnq)를 계산하고, 저장부에 저장된 유의수준 0.005의 변화기준값을 검출하여 상기 변화측정값과 비교한다. Pr(Q<q)=1-Pr(-2ρlnQ ≤ -2ρlnq) is calculated, and a change reference value with a significance level of 0.005 stored in the storage unit is detected and compared with the change measurement value.

비교결과, 변화측정값이 변화기준값보다 크면 시간대별 SAR영상이 모두 동일성 범주에 속한여 가설이 적합하다고 판단하고 부유물 없음으로 표시한다. 반면, 변화측정값이 변화기준값보다 작으면 가설을 기각하여 부유성 폐기물이 있는 것으로 판단하고 각 SAR영상 중 두개의 SAR영상을 추출하여 순차적으로 가설검증을 진행한다.As a result of comparison, if the change measurement value is greater than the change reference value, all SAR images for each time period belong to the same category, so the hypothesis is judged to be suitable and marked as no float. On the other hand, if the change measurement value is smaller than the change reference value, the hypothesis is rejected and it is determined that there is floating waste, and two SAR images are extracted from each SAR image to sequentially perform hypothesis verification.

즉, 가설검증부에서는 순차적으로 Pr(Rj < rj) = 1-Pr(-2ρlnRj ≤ -2ρlnRj)를 계산하고, 저장부에 저장된 유의수준 0.001의 변화기준값을 검출하여 상기 변화측정값과 비교한다. 이때, 두 SAR영상의 픽셀신호가 각각 s1, s2라면 가설검증부에서는 s1/s2를 계산하여 가능성통계량 Q의 입력으로 사용될 수 있다.That is, the hypothesis verification unit sequentially calculates Pr(R j < r j ) = 1-Pr(-2ρlnR j ≤ -2ρlnR j ), detects the change reference value with a significance level of 0.001 stored in the storage unit, and calculates the change measurement value. Compare with At this time, if the pixel signals of the two SAR images are s1 and s2, respectively, the hypothesis verification unit calculates s1/s2 and can be used as an input for the probability statistic Q.

비교결과, 픽셀별로 변화측정값이 변화기준값보다 크면 시간대별 SAR영상이 모두 동일성 범주에 속한여 가설이 적합하다고 판단하고 부유물 없음으로 표시한다. 반면, 변화측정값이 변화기준값보다 작으면 가설을 기각하여 해당픽셀에 부유성 폐기물이 있는 것으로 판단한다.As a result of comparison, if the change measurement value for each pixel is greater than the change reference value, it is judged that the hypothesis is appropriate because all SAR images for each time period belong to the same category, and it is marked as no float. On the other hand, if the change measurement value is smaller than the change reference value, the hypothesis is rejected and it is determined that there is floating waste in the corresponding pixel.

한편, 가설검증부에서는 각 SAR영상에서 각 픽셀별로 변화측정값을 계산하여 변화측정값의 분포를 구하고, 전체 픽셀 중 변화기준값보다 작은 픽셀의 비율을 산출하여 그 비율이 일정비율 이하이면 노이즈로 판단하여 부유물에서 제거한다. 또한, 픽셀의 위치정보를 이용하여 변화기준값보다 작은 픽셀의 위치가 수면(호소)이 아니라면 노이즈로 판단하여 부유물에서 제거한다.On the other hand, the hypothesis verification unit calculates the change measurement value for each pixel in each SAR image to obtain the distribution of the change measurement value, calculates the ratio of pixels smaller than the change reference value among all pixels, and judges it as noise if the ratio is less than a certain ratio. and remove it from the float. In addition, if the location of a pixel smaller than the change reference value is not the surface of the water (appeal) by using the location information of the pixel, it is determined as noise and removed from the float.

부유물표시부(140)에서는 가설검정부(130)에 의하여 부유물로 판단된 픽셀을 지도상에서 미리 설정된 색상(예를 들어 빨간색)으로 표시하여 준다. 또한, 부유물표시부에서는 시계열적으로 산출된 변화측정값을 이용하여 일정 시각 부유성 폐기물로 판단되었던 지역이 다른 시각에서 부유성 폐기물이 아닌 것으로 판단되면 그 지역을 다른 색(예를 들면 파란색)으로 표시하여 줄 수 있다.The floating object display unit 140 displays pixels determined to be floating objects by the hypothesis verification unit 130 in a preset color (for example, red) on the map. In addition, in the floating matter display unit, if an area judged to be floating waste at a certain time is determined to be non-floating waste at another time using the change measurement value calculated in time series, the area is displayed in a different color (for example, blue). can give it

실제 수행결과 도 4a 지역에 대한 변화측정값을 계산하여 그 분포를 구한 결과 도 4b와 같은 결과를 얻을 수 있었고, 유의수준 0.001로 판단하여 도 4c와 같은 최종결과물을 얻을 수 있었다. 도 4c에서 붉은색으로 표시된 곳이 부유성 폐기물에 해당하는 지역을 판단된다.As a result of actual execution, as a result of calculating the change measurement value for the region in FIG. 4a and obtaining the distribution, the same result as in FIG. 4b was obtained, and the final result as in FIG. 4c was obtained by judging the significance level of 0.001. In FIG. 4C, the area marked in red is determined as the area corresponding to the floating waste.

도 5를 참조하여 동일시기에 드론으로 촬영된 영상을 확인해 보면 부유물이 있음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 5, it was confirmed that there was a floating object when checking the image taken by the drone at the same time.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and modify the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that it can be changed.

100 : 부유성 폐기물 탐지시스템 110 : 영상획득부
120 : 전처리부 130 : 가설검증부
140 : 부유물 표시부
100: floating waste detection system 110: image acquisition unit
120: pre-processing unit 130: hypothesis verification unit
140: float display unit

Claims (5)

시간대별로 복수의 SAR영상을 획득하는 영상획득부;
상기 획득된 SAR영상을 정합 또는 보정하는 전처리부;
상기 복수의 SAR영상을 이용하여 다른 시간대의 영상이 동일성 범주에 속하는 영상인지 검증하는 가설검증부;
상기 가설검증부에서 동일한 범주에 속하지 않는다고 판단된 시간대의 SAR영상에서 부유물로 판단된 픽셀의 색상을 미리 정해진 색상으로 표시하여 주는 부유물표시부를 포함하며,
상기 가설검증부에서는 시간대별 SAR영상이 동일성 범주에 속한다는 가설을 세우고, 각 픽셀에 대해 편광방향에 기초하여 VV밴드 및 VH밴드에 의한 측정강도를 각각 SVV, SVH로 하여 상기 SVV, SVH를 공분산행렬 C의 원소로 산출하며,
복수의 SAR영상에 대한 총가능성통계량 Q를
Figure 112022123815468-pat00023
(
Figure 112022123815468-pat00024
)
와 같이 설정하며,
변화측정값을 Pr(Q<q)=1-Pr(-2ρlnQ ≤ -2ρlnq)(q는 관측값)로 계산하고, 저장부에 저장된 변화기준값을 검출하여 상기 변화측정값과 비교한 후,
상기 변화측정값이 변화기준값보다 크면 시간대별 SAR영상이 모두 동일성 범주에 속하여 부유물 없음으로 판단하고, 변화측정값이 변화기준값보다 작으면 가설을 기각하는 것으로 판단하는 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템.
an image acquisition unit that acquires a plurality of SAR images for each time period;
a pre-processing unit that matches or corrects the acquired SAR image;
a hypothesis verification unit verifying whether images of different time zones belong to the same category by using the plurality of SAR images;
A float display unit for displaying the color of pixels determined to be floating in a predetermined color in the SAR image of the time zone determined not to belong to the same category by the hypothesis verification unit,
The hypothesis verification unit establishes a hypothesis that the SAR images for each time period belong to the category of identity, sets the measured intensities by the VV band and the VH band to S VV and S VH, respectively, based on the polarization direction for each pixel, and sets the S VV , S VH Calculate S VH as an element of the covariance matrix C,
The total likelihood statistic Q for multiple SAR images
Figure 112022123815468-pat00023
(
Figure 112022123815468-pat00024
)
set as
The change measurement value is calculated as Pr(Q<q) = 1-Pr(-2ρlnQ ≤ -2ρlnq) (q is an observed value), the change reference value stored in the storage unit is detected and compared with the change measurement value,
If the change measurement value is greater than the change reference value, all SAR images for each time period belong to the same category and are judged to be free of floating matter, and if the change measurement value is smaller than the change reference value, the hypothesis is rejected of floating waste detection system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 가설검증부는 총가능성통계량에 기초하여 가설의 적합 또는 기각 여부를 판단하며, 기각으로 판단한 경우 다른 시간대의 두 영상에 대한 부분가능성통계량을 설정하고, 상기 두 영상에 대한 가설의 적합 또는 기각 여부를 순차적으로 판단하는 것을 특징으로 하는 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템.
According to claim 1,
The hypothesis verification unit determines whether the hypothesis is suitable or rejected based on the total likelihood statistic. A system for detecting floating waste in lakes using statistical characteristics of SAR radar images, characterized in that they are determined sequentially.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 가설검증부는 각 SAR영상에서 상기 변화측정값의 분포를 구하고, 상기 변화기준값보다 작은 값들의 비율을 산출하여 노이즈 제거여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 SAR 레이더 영상의 통계적 특성을 이용한 호소의 부유성 폐기물 탐지시스템.
According to claim 1,
The hypothesis verification unit calculates the distribution of the change measurement values in each SAR image and calculates the ratio of values smaller than the change reference value to determine whether or not to remove the noise. waste detection system.
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