KR102639326B1 - Water surface area analysis method using satellite informations - Google Patents
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Abstract
본 발명은 위성영상 자료를 기반으로 한 수표면적 분석 방법에 관한 것으로,
인공위성에서 수신된 영상정보들이 위성영상 저장 및 관리 서버에 제공되면 상기 서버 내에서 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘이 수행됨으로써 해당지역의 수표면적을 분석하는 방법에 관한 것으로,
LANDSAT 위성영상정보를 LANDSAT 수신서버로 수신받는 과정과;
LANDSAT 위성영상은 상기 LANDSAT 수신서버를 거쳐 LANDSAT 영상처리서버로 전송되는데, 이때 X밴드 통신으로 위성으로부터 직접 다운링크되고, 상기 영상 처리 서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected)의 전처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되는 과정과;
LANDSAT 위성영상 외, 지상관측자료에 의한 국가하천, 토지피복도, 유역도 자료들이 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되는 과정과;
서버에 전송된 LANDSAT 위성영상 중 Stream Flow Data가, 상기 국가하천, 토지피복도, 유역도 자료들에 의해 마스킹됨으로써 수표면이 추출되는 과정과;
서버에 전송된 LANDSAT 위성영상 중 LANDSAT input txt 파일을 이용하여 위성영상 반사도를 산출하는 과정과;
상기 산출된 반사도에, Green band 와 N/R band를 적용하여 NDWI 지수(Normalized Difference Water Index)를 산출하는 과정과;
상기 산출된 NDWI 지수에, Threshold Point를 찾기 위한 Otsu’s method를 적용함으로써 수계지역과 비수계지역을 구분하는 과정과;
Band Quality Assessment(BQA) band를 이용하여 해당지역에 대한 구름면적을 산출함으로써, 수표면적을 산출하는 과정과;
수표면적 산출결과를 상기 위성영상 저장 및 관리 서버에 저장하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for analyzing water surface area based on satellite image data,
When image information received from a satellite is provided to a satellite image storage and management server, preprocessing and water surface area analysis algorithms are performed within the server, thereby analyzing the water surface area of the area,
A process of receiving LANDSAT satellite image information through a LANDSAT reception server;
LANDSAT satellite images are transmitted to the LANDSAT image processing server via the LANDSAT receiving server. At this time, they are directly downlinked from the satellite through , preprocessing of L1TP (Level 1 Precision Terrain Corrected) and transmitting to the satellite image storage and management server;
A process of transmitting national river, land cover map, and watershed map data based on ground observation data, in addition to LANDSAT satellite images, to the satellite image storage and management server;
A process in which the water surface is extracted by masking stream flow data from the LANDSAT satellite images transmitted to the server with the national river, land cover map, and watershed map data;
A process of calculating satellite image reflectivity using a LANDSAT input txt file among the LANDSAT satellite images transmitted to the server;
A process of calculating the NDWI index (Normalized Difference Water Index) by applying the green band and N/R band to the calculated reflectivity;
A process of distinguishing watershed areas from non-watershed areas by applying Otsu's method to find the threshold point to the calculated NDWI index;
A process of calculating the water surface area by calculating the cloud area for the relevant area using the Band Quality Assessment (BQA) band;
It is characterized by a process of storing the water surface area calculation results on the satellite image storage and management server.
Description
본 발명은 위성영상 자료를 기반으로 한 수표면적 분석 방법에 관한 것으로, LANDSAT 위성영상을 수집하여 댐 유역별 Mask를 생성하고, 댐 유역별 수표면 추출하여 수표면 표면결과 이미지를 생성한 후, 수표면적을 추출 및 저장함으로써, 가뭄 및 홍수 등의 재난을 예측하고 대비할 수 있도록 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water surface area analysis method based on satellite image data, which collects LANDSAT satellite images to generate a mask for each dam basin, extracts the water surface for each dam basin, and generates a water surface result image. This relates to a water surface area analysis method using satellite images that allows predicting and preparing for disasters such as droughts and floods by extracting and storing the surface area.
우리나라는 지난 15년간 위성체 및 탑재체 기술의 국산화에 주력하였으며 위성 개발기술이 성숙기에 들어섬에 따라 정부는 위성개발 중심에서 위성정보 활용 중심으로 정책을 전환하고 있다. 그 중에서도 재해,재난에 대응하기 위해 각 재난분야별 위성정보의 활용성은 구체성을 확보해가고 있으며 한국항공우주연구원, 국가기상위성센터에서도 인공위성 활용 분야에 재해,재난분야를 포함시키고 있다.Korea has focused on the local production of satellite and payload technology over the past 15 years, and as satellite development technology has reached maturity, the government is shifting its policy from focusing on satellite development to using satellite information. Among them, the usability of satellite information for each disaster field is gaining specificity in order to respond to disasters and calamities, and the Korea Aerospace Research Institute and the National Meteorological Satellite Center are also including the disaster and calamity fields in the field of satellite utilization.
최근 들어 재난은 과거와는 다른 양상을 보이며 복잡화 및 대형화 되어가고 있는 추세인데, 특히 기후변화 현상으로 인하여 강수량 변동성이 커짐에 따라 집중호우, 가뭄 등에 대한 피해 예측이 어렵고, 가뭄 및 풍수해에 대한 장기적인 재난관리계획 수립에 있어 불확실성이 증가하고 있는 실정이다. Recently, disasters are showing different aspects from the past and are becoming more complex and large-scale. In particular, as precipitation volatility increases due to climate change, it is difficult to predict damage from heavy rains, droughts, etc., and long-term disasters from droughts and storms and floods. Uncertainty in establishing management plans is increasing.
기후변화로 재난관리의 불확실성이 증가하고 있는 가운데 우리나라 가뭄을 관리하기 위한 대표적인 지표로서 수자원 이용 시설물인 저수지는 전국적으로 약 18,000여 개가 건설되어 있으며 전체 관개면적의 약 57%에 농업용수를 공급하고 있고, 농업활동을 위한 중요한 시설물이자 수단이다.As uncertainty in disaster management increases due to climate change, about 18,000 reservoirs, which are water resource utilization facilities as a representative indicator for managing drought in Korea, have been built nationwide, supplying agricultural water to about 57% of the total irrigation area. , It is an important facility and means for agricultural activities.
기상변화가 극심해지고 농업용수의 사용처가 다양해짐에 따라 제한된 농업용수의 효율적인 사용방안은 선택이 아닌 필수사항이 되었는데, 대부분의 농업저수지는 소규모 저수지로서 계측 설비와 제도적 장치의 미비, 유지관리 업무와 인력이 충분하지 않고, 농업 분야와 더불어 우리 생활에 중요한 수자원 이용 시설물인 저수지에 대해 재해,재난 대응을 수행하기에는 관련정보 제공 단위에 대한 명확한 기준과 충분한 가용자료가 제시되지 않고 있는 상황이다.As weather changes become more extreme and the uses of agricultural water become more diverse, efficient use of limited agricultural water has become a necessity rather than an option. Most agricultural reservoirs are small reservoirs, lack measuring equipment and institutional devices, and require maintenance work. There is not enough manpower, and there are no clear standards for relevant information provision units and sufficient available data to respond to disasters and disasters in reservoirs, which are important water resource use facilities in our lives along with the agricultural sector.
재난관리에 있어 관련 데이터의 확보가 선제적으로 이루어져야 하므로 담당부처와 기관에서 현장자료 측정을 위한 지상센서를 확충하며 전국단위의 관리를 수행하고 있지만 지상센서가 균일하게 분포하지 못하는 공간적인 편이로 인한 정보의 부정확성이 존재하고 있으며, 특히 미계측지역은 정보를 취득할 방법이 없어 지상센서 정보를 이용한 공간 보정 기법 등을 활용하여 정보를 생산,이용하지만, 근본적인 공간적 한계성 문제를 해결하기에는 어려움이 존재한다. In disaster management, relevant data must be secured preemptively, so ministries and agencies in charge are expanding ground sensors to measure field data and carrying out management on a national level. However, due to spatial variation in which ground sensors are not distributed uniformly, There is information inaccuracy, and in particular, there is no way to acquire information in unmeasured areas, so information is produced and used using spatial correction techniques using ground sensor information, but there is difficulty in solving the fundamental problem of spatial limitations. .
최근 수문기상재해에 대해 즉각적으로 예측 및 대응하기 위해 점 단위 자료만을 보유하고 있는 수문관측자료의 한계성을 극복하고 효율적인 수자원 관리를 위해 실시간 수자원 모니터링 시스템 설계 수요가 증가하고 있는 추세이며, 지상센서만을 이용해서 발생하는 공간적 단점을 극복하기 위하여 국내,외 재난분야에서는 위성영상을 이용한 다양한 시도가 이루어지고 있다. Recently, in order to immediately predict and respond to hydrometeorological disasters, there is an increasing demand for designing real-time water resource monitoring systems to overcome the limitations of hydrological observation data, which only holds point-level data, and to manage water resources efficiently, using only ground sensors. In order to overcome the spatial shortcomings arising from this, various attempts using satellite images are being made in the disaster field at home and abroad.
위성영상을 활용할 시 정보의 사각지대인 미계측지역에 대한 가용정보를 확보할 수 있으며 또한 전국규모의 지속성이 확보되는 정보를 생산할 수 있기 때문이다.This is because when using satellite images, usable information can be secured for unmeasured areas, which are blind spots in information, and information can be produced that ensures continuity on a national scale.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,The present invention is intended to solve the problems of the prior art,
LANDSAT 위성영상을 수집하여 댐 유역별 Mask를 생성하고, 댐 유역별 수표면 추출하여 수표면 표면결과 이미지를 생성한 후, 수표면적을 추출 및 저장함으로써, 가뭄 및 홍수 등의 재난을 예측하고 대비할 수 있도록 함에 첫번째 목적이 있는 것이다.By collecting LANDSAT satellite images, creating a mask for each dam basin, extracting the water surface for each dam basin, creating a water surface result image, and then extracting and storing the water surface area, it is possible to predict and prepare for disasters such as droughts and floods. The first purpose is to make it happen.
또한, 위성영상에 의해 중,소 저수지의 수표면적을 모니터링함으로써 저수량을 용이하게 산출할 수 있도록 하고, 저수지 모니터링은 시계열적으로 수행되고 수표면적 및 저수량의 평균 및 표준편차가 산출되게함으로써, 중,소 저수지에 대한 가뭄 및 수해 발생 가능성을 정확히 분석할 수 있도록 함에 두번째 목적이 있는 것이다.In addition, by monitoring the water surface area of small and medium-sized reservoirs using satellite images, storage volume can be easily calculated. Reservoir monitoring is performed in time series and the average and standard deviation of water surface area and storage volume are calculated. The second purpose is to accurately analyze the possibility of drought and flood damage in small reservoirs.
뿐만 아니라, 가뭄에 취약한 중·소규모 농업용 저수지의 수표(수체)면적을 연속적으로 관측할 수 있게 함으로써, 전국적인 가뭄의 정도를 직관적으로 파악할 수 있도록 함에 세번째 목적이 있는 것이다.In addition, the third purpose is to enable continuous observation of the water body area of small and medium-sized agricultural reservoirs that are vulnerable to drought, so that the extent of drought nationwide can be intuitively understood.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법에서는 ;In the water surface area analysis method using satellite images of the present invention to achieve the above objective;
인공위성에서 수신된 영상정보들이 위성영상 저장 및 관리 서버에 제공되면 상기 서버 내에서 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘이 수행됨으로써 해당지역의 수표면적을 분석하는 방법에 관한 것으로,When image information received from a satellite is provided to a satellite image storage and management server, preprocessing and water surface area analysis algorithms are performed within the server, thereby analyzing the water surface area of the area,
LANDSAT 위성영상정보를 LANDSAT 수신서버로 수신받는 과정과;A process of receiving LANDSAT satellite image information through a LANDSAT reception server;
LANDSAT 위성영상은 상기 LANDSAT 수신서버를 거쳐 LANDSAT 영상처리서버로 전송되는데, 이때 X밴드 통신으로 위성으로부터 직접 다운링크되고, 상기 영상 처리 서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected)의 전처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되는 과정과;LANDSAT satellite images are transmitted to the LANDSAT image processing server via the LANDSAT receiving server. At this time, they are directly downlinked from the satellite through , preprocessing of L1TP (Level 1 Precision Terrain Corrected) and transmitting to the satellite image storage and management server;
LANDSAT 위성영상 외, 지상관측자료에 의한 국가하천, 토지피복도, 유역도 자료들이 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되는 과정과;A process of transmitting national river, land cover map, and watershed map data based on ground observation data, in addition to LANDSAT satellite images, to the satellite image storage and management server;
서버에 전송된 LANDSAT 위성영상 중 Stream Flow Data가, 상기 국가하천, 토지피복도, 유역도 자료들에 의해 마스킹됨으로써 수표면이 추출되는 과정과;A process in which the water surface is extracted by masking stream flow data from the LANDSAT satellite images transmitted to the server with the national river, land cover map, and watershed map data;
서버에 전송된 LANDSAT 위성영상 중 LANDSAT input txt 파일을 이용하여 위성영상 반사도를 산출하는 과정과;A process of calculating satellite image reflectivity using a LANDSAT input txt file among the LANDSAT satellite images transmitted to the server;
상기 산출된 반사도에, Green band 와 N/R band를 적용하여 NDWI 지수(Normalized Difference Water Index)를 산출하는 과정과;A process of calculating the NDWI index (Normalized Difference Water Index) by applying the green band and N/R band to the calculated reflectivity;
상기 산출된 NDWI 지수에, Threshold Point를 찾기 위한 Otsu’s method를 적용함으로써 수계지역과 비수계지역을 구분하는 과정과;A process of distinguishing between water-based areas and non-water-based areas by applying Otsu’s method to find the Threshold Point to the calculated NDWI index;
Band Quality Assessment(BQA) band를 이용하여 해당지역에 대한 구름면적을 산출함으로써, 수표면적을 산출하는 과정과; A process of calculating the water surface area by calculating the cloud area for the relevant area using the Band Quality Assessment (BQA) band;
수표면적 산출결과를 상기 위성영상 저장 및 관리 서버에 저장하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.It is characterized by a process of storing the water surface area calculation results on the satellite image storage and management server.
상기 서버 내에서 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘이 실행되면, 외부의 입력자료들(LANDSAT 위성영상, 지상관측 자료)을 수집하여 자동모드 또는 수동모드에서 수표면적 분석이 실행되는데,When the preprocessing and water surface area analysis algorithm is executed within the server, external input data (LANDSAT satellite images, ground observation data) are collected and water surface area analysis is performed in automatic or manual mode.
자동모드의 경우, 분석 시작 시 설정한 LANDSAT 위성영상의 수신 경로에서 새로운 자료 수신을 감시하여 새로운 영상자료가 수신되면 자동으로 분석을 수행하여 카탈로그 시스템에 결과를 등록한다.In the case of automatic mode, the reception of new data is monitored from the LANDSAT satellite image reception path set at the start of the analysis, and when new image data is received, the analysis is automatically performed and the results are registered in the catalog system.
시스템 환경설정에서 지정한 LANDSAT 위성영상 경로를 주기적으로 감시(Polling)하고, 해당 폴더에 위성자료가 생성되면 사용자의 개입 없이 가뭄 분석을 수행하고, 그 분석결과를 당일 날짜 정보를 바탕으로 가뭄 분석결과 경로에 연/월/일 형태로 저장한다.The LANDSAT satellite image path specified in the system settings is periodically monitored (polling), and when satellite data is created in the folder, drought analysis is performed without user intervention, and the analysis results are divided into the drought analysis result path based on the date information of the day. Save it in year/month/day format.
상기 서버 내에서 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘이 실행되면, 외부의 입력자료들(LANDSAT 위성영상, 지상관측 자료)을 수집하여 자동모드 또는 수동모드에서 수표면적 분석이 실행되는데,When the preprocessing and water surface area analysis algorithm is executed within the server, external input data (LANDSAT satellite images, ground observation data) are collected and water surface area analysis is performed in automatic or manual mode.
수동모드의 경우, 사용자에 의해 선택된 LANDSAT 위성영상 경로와 분석시점(년/월/일)을 기준으로 가뭄분석을 수행하고, 그 결과를 [가뭄분석 결과 경로]에 저장하며, 수동모드에서는 [가뭄분석 결과저장 DB]에 분석 결과를 저장하지 않을 수 있다.In manual mode, drought analysis is performed based on the LANDSAT satellite image path and analysis time (year/month/day) selected by the user, and the results are saved in [Drought Analysis Result Path]. In manual mode, [Drought Analysis] You may not save the analysis results in the [Analysis result storage DB].
상기 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘은 MATLAB 기반의 것으로서, 시스템 구동을 위해 MCR과 같은 MATLAB 런타임 컴파일러가 구비되고, DB 접근을 위한 DB Engine과 프로그램 실행을 위한 Microsoft 재배포 패키지가 구비될 수 있다.The preprocessing and water surface area analysis algorithm is based on MATLAB, and a MATLAB runtime compiler such as MCR is provided for system operation, a DB Engine for DB access, and a Microsoft redistribution package for program execution.
상기 LANDSAT 위성영상의 입력자료는 녹색 대역(Green Band)과, 근적의 대역(Near Infrared Band)과, 품질 자료(Quality Data), 메타 데이터(Meta Data)이다.The input data of the LANDSAT satellite image is the green band, near infrared band, quality data, and meta data.
상기 LANDSAT 위성영상의 입력 보조자료로는 분석대상 유역별 Shape 파일들과 분석대상 유역 영상을 추출하기 위한 grid (MATLAB matrix) 파일을 사용한다.As input auxiliary data for the LANDSAT satellite image, shape files for each watershed to be analyzed and a grid (MATLAB matrix) file to extract the watershed image to be analyzed are used.
상기 LANDSAT 위성영상은 영상처리서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected)의 전처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되므로, 이를 그대로 출력 시 수체와 비수체로 구분된 영상을 얻게된다.The LANDSAT satellite image goes through preprocessing of L0R (Level 0 Reformatted), L1GT (Level 1 Systematic Terrain Corrected), and L1TP (Level 1 Precision Terrain Corrected) in the image processing server and is then transmitted to the satellite image storage and management server, so it is stored as is. When output, an image divided into water and non-water bodies is obtained.
사용자가 수표면적의 변화 정도를 파악할 수 있도록 위성영상 기반의 수표면적 분석 결과(Geotiff형식 래스터 데이터)와 부가적인 참조정보(저수율, 저수량)를 표출하게된다.Satellite image-based water surface area analysis results (Geotiff format raster data) and additional reference information (water storage rate, storage volume) are displayed so that users can understand the degree of change in water surface area.
수표면 분석결과의 효과적인 데이터 관리 및 시각화를 위하여 GIS 엔진인 Geoserver에 레이어를 발행하는 방법과, 행정구역경계(시도, 시군구, 읍면동)를 기본적으로 중첩하여 볼 수 있도록 기능을 부여하고, 유역단위 공통유역도인 대권역/중권역/표준 유역 경계도 사용자 선택에 따라 함께 중첩하여 볼 수 있도록 한다.For effective data management and visualization of water surface analysis results, we provide a method of publishing layers in Geoserver, a GIS engine, and a function to view administrative district boundaries (city/province, city/county/gu/eup/myeon/dong) by basically overlapping them, and provide a common view at the basin level. The watershed maps, large/medium/standard watershed boundaries, can also be viewed overlapping according to the user's selection.
국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 댐의 일 단위 수위, 저수율, 저수량을 수표면 분석이력이 존재하는 일자와 동일하거나 최근접 일자의 정보를 함께 제공함으로써, 수표면 변화에 따른 댐 수위 및 저수량 변화를 비교해볼 수 있도록 하고, LANDSAT 위성영상으로 산출된 수표면적에 의해 저수지의 저수량을 산출할 수 있도록 한다.The National Water Resources Management Integrated Information System (WAMIS) provides the dam's daily water level, water storage rate, and storage volume with information on the same or closest date as the date on which the water surface analysis history exists, so that the dam water level and water storage volume according to water surface changes. It allows you to compare changes and calculate the water storage capacity of the reservoir based on the water surface area calculated from LANDSAT satellite images.
LANDSAT 위성영상으로 산출된 수표면적에 의한 저수량 모니터링은 시계열적으로 수행되고 수표면적 및 저수량의 평균 및 표준편차가 산출되게함으로써, 중,소 저수지에 대한 가뭄 및 수해 발생 가능성을 정확히 분석할 수 있도록 한다.Water storage monitoring based on water surface area calculated from LANDSAT satellite images is performed in time series and calculates the average and standard deviation of water surface area and water storage volume, allowing accurate analysis of the possibility of drought and flood damage in small and medium-sized reservoirs. .
본 발명은 위성영상 자료를 기반으로 한 수표면적 분석 방법에 관한 것으로, LANDSAT 위성영상을 수집하여 댐 유역별 Mask를 생성하고, 댐 유역별 수표면 추출하여 수표면 표면결과 이미지를 생성한 후, 수표면적을 추출 및 저장함으로써, 가뭄 및 홍수 등의 재난을 예측하고 대비할 수 있도록 하는 효과가 있다.The present invention relates to a water surface area analysis method based on satellite image data, which collects LANDSAT satellite images to generate a mask for each dam basin, extracts the water surface for each dam basin, and generates a water surface result image. By extracting and storing surface area, it is effective in predicting and preparing for disasters such as droughts and floods.
또한, 위성영상에 의해 중,소 저수지의 수표면적을 모니터링함으로써 저수량을 용이하게 산출할 수 있도록 하고, 저수지 모니터링은 시계열적으로 수행되고 수표면적 및 저수량의 평균 및 표준편차가 산출되게함으로써, 중,소 저수지에 대한 가뭄 및 수해 발생 가능성을 정확히 분석할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, by monitoring the water surface area of small and medium-sized reservoirs using satellite images, storage volume can be easily calculated. Reservoir monitoring is performed in time series and the average and standard deviation of water surface area and storage volume are calculated. It has the effect of allowing accurate analysis of the possibility of drought and flood damage in small reservoirs.
뿐만 아니라, 가뭄에 취약한 중·소규모 농업용 저수지의 수표(수체)면적을 연속적으로 관측할 수 있게 함으로써, 전국적인 가뭄의 정도를 직관적으로 파악할 수 있도록 하는 효과도 있다.In addition, it has the effect of enabling continuous observation of the water body area of small and medium-sized agricultural reservoirs vulnerable to drought, allowing an intuitive understanding of the extent of drought nationwide.
도 1은 본 발명을 실행하기 위한 기본 시스템 구성을 나타낸 블럭도.
도 2는 인공위성으로부터 위성정보를 수신 및 처리하기 위한 시스템 구성도이고,
도 3은 본 발명에 의해 인공위성로부터 수신된 위성정보들을 서버 내에서 처리하는 과정을 나타낸 블럭도이고,
도 4는 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법의 흐름도이고,
도 5는 본 발명에 따른 수계면적 추출 알고리즘의 모식도이고,
도 6은 본 발명을 수행하는 LANDSAT 수표면적 분석시스템의 화면 구성도이고,
도 7은 본 발명에 따른 수표면적 추출 자동화 시스템의 자동 모드 동작에 대한 흐름도이고,
도 8은 본 발명에 따른 수표면적 추출 자동화 시스템의 자동모드 모듈 구성도이고,
도 9는 본 발명에 따른 수표면적 추출 자동화 시스템의 수동모드 모듈 구성도이고,
도 10은 본 발명에 따른 전국 규모 수표면적 분석결과의 표출 예시도이고,
도 11은 본 발명에 따른 수표면 분석결과의 또 다른 표출 예시도이다.1 is a block diagram showing the basic system configuration for implementing the present invention.
Figure 2 is a system configuration diagram for receiving and processing satellite information from a satellite;
Figure 3 is a block diagram showing the process of processing satellite information received from a satellite in a server according to the present invention;
Figure 4 is a flowchart of the water surface area analysis method using satellite images according to the present invention;
Figure 5 is a schematic diagram of the watershed area extraction algorithm according to the present invention,
Figure 6 is a screen configuration diagram of the LANDSAT water surface area analysis system performing the present invention;
Figure 7 is a flowchart of the automatic mode operation of the automated water surface area extraction system according to the present invention;
Figure 8 is a configuration diagram of the automatic mode module of the automated water surface area extraction system according to the present invention;
Figure 9 is a manual mode module configuration diagram of the automated water surface area extraction system according to the present invention;
Figure 10 is an exemplary display of the results of a nationwide water surface area analysis according to the present invention;
Figure 11 is another example display of water surface analysis results according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명의 범주가 여기에 한정되는 것이 아님은 물론이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, it goes without saying that the scope of the present invention is not limited thereto.
본 명세서에서, 본 실시형태는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명의 범주는 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시형태들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.In this specification, the present embodiments are provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains. It is only defined by the claims. Accordingly, in some embodiments, well-known components, well-known operations and well-known techniques are not specifically described in order to avoid ambiguous interpretation of the present invention.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시형태를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 결코 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used herein are for describing embodiments and are in no way intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in the context. Additionally, components and operations referred to as 'including (or, including)' do not exclude the presence or addition of one or more other components and operations.
본 발명은 위성영상 자료를 기반으로 한 수표면적 분석 방법에 관한 것으로, LANDSAT 위성영상을 수집하여 댐 유역별 Mask를 생성하고, 댐 유역별 수표면 추출하여 수표면 표면결과 이미지를 생성한 후, 수표면적을 추출 및 저장함으로써, 가뭄 및 홍수 등의 재난을 예측하고 대비할 수 있도록 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water surface area analysis method based on satellite image data, which collects LANDSAT satellite images to generate a mask for each dam basin, extracts the water surface for each dam basin, and generates a water surface result image. This relates to a water surface area analysis method using satellite images that allows predicting and preparing for disasters such as droughts and floods by extracting and storing the surface area.
지구를 관측하는 위성은 크게 광학(Optic)위성과 레이더위성(Synthetic Aperture Radar, SAR)으로 구분할 수 있다. 광학위성은 지표면으로부터 반사된 태양복사 에너지를 이용하여 지표면을 관측하는 위성이다. 광학 위성에서 취득되는 영상은 사실과 가까운 색상 표현이 되어 영상인식 및 분석에 용이하다. Satellites that observe the Earth can be broadly divided into optical satellites and radar satellites (Synthetic Aperture Radar, SAR). An optical satellite is a satellite that observes the earth's surface using solar radiation energy reflected from the earth's surface. Images acquired from optical satellites are expressed in colors close to reality, making image recognition and analysis easy.
먼저 본 발명에서 이용하는 인공위성은 광학위성에 해당되는 LANDSAT 위성으로서 그 제원 및 특성에 대해 살펴보자면,First, the artificial satellite used in the present invention is a LANDSAT satellite, which is an optical satellite. Let us look at its specifications and characteristics:
LANDSAT-8 위성은 지구관측 위성으로 2013년 2월 11일에 발사되어 고도 705 km에서 매일 740장의 위성영상을 촬영하고 있으며, 동일한 지역에 대해서는 16일 주기로 재방문한다. Landsat 8 위성에는 OLI(Operational Land Imager)와 TIRS(Thermal Infrared Sensor)의 두 개 센서가 탑재되어있다. 공간해상도는 15, 30, 100m로 구성된 VNIR(Visible and Near-InfraRed), SWIR(ShortWave InfraRed), TIR(Thermal InfraRed) 파장대의 11개 밴드 자료를 제공한다.The LANDSAT-8 satellite is an Earth observation satellite, launched on February 11, 2013, and captures 740 satellite images every day at an altitude of 705 km, and revisits the same area every 16 days. The Landsat 8 satellite is equipped with two sensors: OLI (Operational Land Imager) and TIRS (Thermal Infrared Sensor). Spatial resolution provides data in 11 bands in the VNIR (Visible and Near-InfraRed), SWIR (ShortWave InfraRed), and TIR (Thermal InfraRed) wavelength bands, which are comprised of 15, 30, and 100m.
도 1은 본 발명을 실행하기 위한 기본 시스템 구성을 나타낸 블럭도로서,1 is a block diagram showing the basic system configuration for implementing the present invention.
인공위성으로부터 정보를 수신하기 위한 안테나와; 상기 안테나를 통해 직접 전달되는 정보외에 별도 제공되는 지상 관측자료와; 상기 안테나를 통해 수신된 다종 위성정보와, 지상 관측자료들을 취합, 가공 및 저장하고 관리자와 사용자에게 제공하기 위한 서버로 구성된다.an antenna for receiving information from a satellite; ground observation data provided separately in addition to the information directly transmitted through the antenna; It consists of a server for collecting, processing, and storing various types of satellite information and ground observation data received through the antenna and providing them to managers and users.
도 2는 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법의 시스템의 구성도로서, 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 수표면적 분석 시스템은, 위성수신 안테나들과; 상기 안테나들로부터 각각 수신된 위성정보들을 데이터인터페이스와 위성모뎀을 거쳐 수신하기 위한 수신서버들과; 상기 수신서버들에 각각 연결된 영상처리 서버들과; 상기 영상처리 서버들로 부터 전송된 위성정보들을 취합, 가공 및 저장하고 관리자와 사용자에게 제공하기 위한 위성영상 저장 및 관리서버로 구성된다.Figure 2 is a diagram illustrating the configuration of a system for water surface area analysis using satellite images according to the present invention. The water surface area analysis system using satellite images according to the present invention includes satellite reception antennas; Receiving servers for receiving satellite information received from each of the antennas through a data interface and satellite modem; Image processing servers each connected to the receiving servers; It consists of a satellite image storage and management server to collect, process, and store satellite information transmitted from the image processing servers and provide it to managers and users.
상기 위성수신 안테나는 미국 USGS의 Landsat-8 영상을 수신하기 위한 안테나와로 구성될 수 있는데,The satellite reception antenna may be composed of an antenna for receiving Landsat-8 images of the USGS,
Landsat-8에서 수신된 영상은 광케이블을 통해 데이터 인터페이스 장비로 연결되고, RF 케이블을 통해 위성 모뎀으로 연결되어 LAN을 통해 Landsat-8 수신 서버로 전송되며, Landsat-8 수신 서버에서 영상처리 서버로는 LAN을 통해 데이터가 전송된다. The image received from Landsat-8 is connected to the data interface equipment through an optical cable, connected to a satellite modem through an RF cable, and transmitted to the Landsat-8 receiving server through LAN, and from the Landsat-8 receiving server to the image processing server. Data is transmitted via LAN.
Landsat-8 데이터는 X밴드 통신으로 위성으로부터 직접 다운링크되고, 상기 영상 처리 서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected) 등의 처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송된다. Landsat-8 data is directly downlinked from the satellite through It is transmitted to the satellite image storage and management server.
도 3은 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 수표면적 분석 시스템에서 서버 내 처리과정을 나타낸 블럭도로서, 본 발명에 따른 위성영상을 이용한 수표면적 분석 시스템은 FarEarth 프로그램을 중심으로 운영된다.Figure 3 is a block diagram showing the processing within the server in the water surface area analysis system using satellite images according to the present invention. The water surface area analysis system using satellite images according to the present invention is operated centered on the FarEarth program.
수신 서버 확인은 FarEarth Acquisition과 FarEarth Director 모듈이 담당하는데, FarEarth Acquisition은 Landsat 8, MODIS, VIIRS의 수신상태를 확인하고, FarEarth Director는 로그를 분석하여 재수신 등의 조치를 취하는 역할을 담당한다. FarEarth Acquisition and FarEarth Director modules are responsible for checking the receiving server. FarEarth Acquisition checks the reception status of Landsat 8, MODIS, and VIIRS, and FarEarth Director is responsible for analyzing logs and taking actions such as re-receiving.
상기 영상처리 서버 확인도 FarEarth Director 모듈을 통해 수행한다. The image processing server confirmation is also performed through the FarEarth Director module.
상기 위성영상 저장 및 관리 서버의 확인은 FarEarth Director 모듈과 NAS Manager 모듈을 통해 이루어지며, FarEarth Director가 Landsat 8, Aqua MODIS, Terra MODIS의 저장 상태를 확인하고, NAS Manager가 스토리지 사용정보를 관리한다. Confirmation of the satellite image storage and management server is done through the FarEarth Director module and the NAS Manager module. FarEarth Director checks the storage status of Landsat 8, Aqua MODIS, and Terra MODIS, and NAS Manager manages storage usage information.
도 4는 LANDSAT 수표면 분석 시스템의 자료 처리 흐름도로서, 본 발명에 따른 위성영상을 활용한 수표면 면적 분석 시스템은 고해상도의 LANDSAT-8 위성영상을 이용하여 남한, 북한의 댐 유역 각각 9개, 총 18개 유역에 대한 수표면적을 추출하는 시스템이다.Figure 4 is a data processing flowchart of the LANDSAT water surface analysis system. The water surface area analysis system using satellite images according to the present invention uses high-resolution LANDSAT-8 satellite images to analyze a total of 9 dam basins in South Korea and North Korea. This is a system that extracts water surface areas for 18 watersheds.
도 5는 본 발명에 따른 수계면적 추출 알고리즘의 모식도로서, 해당 지역에 대한 유역 Masking은 국가하천, 유역도, 토지 피복도를 이용하여 생성되며, 각 해당 지역에 대해 LANDSAT-8 위성영상에서의 반사도를 계산하여 Green band와 NIR band를 이용하여 NDWI(Normalized difference water index) 지수를 산정한다. 산정된 NDWI 지수에서 자동적으로 Threshold point를 찾아주는 Otsu's method를 이용하여 수계지역과 비수계 지역으로 구분하여 수표면적을 계산한다.Figure 5 is a schematic diagram of the watershed area extraction algorithm according to the present invention. Watershed masking for the relevant area is created using national rivers, watershed maps, and land cover maps, and reflectance from the LANDSAT-8 satellite image for each relevant area. Calculate the NDWI (Normalized difference water index) index using the Green band and NIR band. Using Otsu's method, which automatically finds the threshold point from the calculated NDWI index, the water surface area is calculated by dividing it into watery areas and non-watery areas.
도 6은 본 발명을 수행하는 LANDSAT 수표면적 분석시스템의 화면 구성도로서, LANDSAT-8 위성영상을 활용한 수표면 면적 분석 시스템은 연구원에서 직수신 받은 LANDSAT-8 위성 영상으로부터 남한지역 9개, 북한지역 9개 댐/유역에 대한 가뭄분석을 자동/수동으로 수행하는 시스템임을 확인할 수 있다.Figure 6 is a screen configuration diagram of the LANDSAT water surface area analysis system that performs the present invention. The water surface area analysis system using LANDSAT-8 satellite images analyzes 9 South Korean regions and North Korea from LANDSAT-8 satellite images directly received from the research institute. It can be confirmed that this is a system that automatically/manually performs drought analysis for 9 dams/watersheds in the region.
수행한 분석 결과는 연구원의 카탈로그 시스템을 통해 확인 가능하며, 도 7은 본 발명에 따른 수표면적 추출 자동화 시스템의 자동 모드 동작에 대한 흐름도로서 자동 분석모드 시스템 동작 방법을 나타내고 있는데,
먼저 동작모드에서 자동모드가 선택되면, 위성영상 경로, DB 정보에 의한 프로그램 환경이 설정되고, LANSAT 위성영상 경로, MASK 영상 경로, 댐 유역 GIS 파일 경로와, 출력파일 저장경로에 의한 알고리즘 환경이 설정됨으로써 감시가 시작된다.
수동 분석모드는 자동 분석모드와 동일하나 수표면 분석 알고리즘에서 사용하는 위성영상과 분석 기준이 되는 날짜 및 시간을 직접 입력하여 동작한다.The results of the analysis performed can be confirmed through the researcher's catalog system, and Figure 7 is a flowchart of the automatic mode operation of the automated water surface area extraction system according to the present invention, showing the automatic analysis mode system operation method.
First, when automatic mode is selected in the operation mode, the program environment is set by the satellite image path and DB information, and the algorithm environment is set by the LANSAT satellite image path, MASK image path, dam basin GIS file path, and output file storage path. This is where surveillance begins.
The manual analysis mode is the same as the automatic analysis mode, but operates by directly entering the satellite image used in the water surface analysis algorithm and the date and time that serve as the analysis standard.
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사용자는 자동, 수동 모드를 선택하고 모드에 따라, 운용 환경을 설정하여 분석을 수행하고 있다. The user selects automatic or manual mode and sets the operating environment according to the mode to perform analysis.
도 8은 본 발명에 따른 수표면적 추출 자동화 시스템의 자동모드 모듈 구성도로서, 자동 모드의 경우 분석 시작 시 설정한 LANDSAT-8 영상의 수신 경로를 새로운 자료 수신을 감시하여 새로운 영상자료가 수신되면 자동으로 분석을 수행하여 카탈로그 시스템에 결과를 등록하는 구조로 운용되고 있다.Figure 8 is a block diagram of the automatic mode module of the automated water surface area extraction system according to the present invention. In the automatic mode, the reception path of the LANDSAT-8 image set at the start of analysis is monitored for new data reception, and when new image data is received, automatic operation is performed. It is operated in a structure that performs analysis and registers the results in the catalog system.
LANDSAT 시스템의 자동모드는 도 8의 절차와 같이, 먼저 위성영상을 수신하는 과정, 댐 유역별 MASK를 생성하는 과정, 수표면적 분석 알고리즘을 실행하는 과정, 출력파일을 생성확인하는 과정, 보고서를 DB에 저장하는 과정을 순차적으로 진행한 후, 상기 위성영상 수신 과정부터 보고서 DB 저장 과정까지를 계속 반복되도록 구성된다.
즉, 시스템 환경설정에서 지정한 LANDSAT-8 위성영상 경로를 주기적으로 감시(Polling)하고, 해당 폴더에 위성자료가 생성되면 사용자의 개입 없이 가뭄 분석을 수행한다. 그 분석결과를 당일 날짜 정보를 바탕으로 가뭄 분석결과 경로에 연/월/일 형태로 저장한다. 또한, [시스템 환경설정]-[가뭄 분석 결과저장 DB]에 분석결과에 대한 부가 정보를 저장한다.The automatic mode of the LANDSAT system is as shown in the procedure in Figure 8, first receiving satellite images, creating MASK for each dam basin, executing the water surface area analysis algorithm, creating and checking the output file, and sending the report to the DB. After the saving process is sequentially performed, the process from the satellite image reception process to the report DB storage process is configured to be repeated continuously.
In other words, the LANDSAT-8 satellite image path specified in the system environment settings is periodically monitored (polling), and when satellite data is created in the corresponding folder, drought analysis is performed without user intervention. The analysis results are stored in the format of year/month/day in the drought analysis result path based on the date information of the day. Additionally, additional information about the analysis results is stored in [System Preferences]-[Drought Analysis Results Storage DB].
도 9는 본 발명에 따른 수표면적 추출 자동화 시스템의 수동모드 모듈 구성도로서, 이LANDSAT 시스템의 수동모드는 사용자가 선택한 LANDSAT-8 위성영상 경로와 분석시점(년/월/일)을 기준으로 가뭄분석을 수행하고, 그 결과를 [가뭄분석 결과 경로]에 저장한다. 이때, 수동모드에서는 [가뭄분석 결과저장 DB]에 분석 결과를 저장하지 않는다.Figure 9 is a configuration diagram of the manual mode module of the automated water surface area extraction system according to the present invention. The manual mode of this LANDSAT system is based on the LANDSAT-8 satellite image path selected by the user and the analysis time (year/month/day). Perform analysis and save the results in [Drought Analysis Results Path]. At this time, in manual mode, the analysis results are not saved in the [Drought Analysis Results Storage DB].
LANDSAT 수표면 측정 분석 시스템의 분석 알고리즘은 MATLAB을 기반으로 개발되었다. 따라서 시스템의 구동을 위해서는 MCR과 같은 MATLAB 런타임 컴파일러가 필요하다. 또한, DB 접근을 위한 DB Engine과 프로그램 실행을 위한 Microsoft 재배포 패키지 설치가 필요하다. 필요한 도구에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다.The analysis algorithm of the LANDSAT water surface measurement analysis system was developed based on MATLAB. Therefore, a MATLAB runtime compiler such as MCR is required to run the system. Additionally, it is necessary to install DB Engine for DB access and Microsoft redistribution package to run the program. Specific details on the necessary tools are as follows.
국립재난안전연구원에서 직수신 받은 LANDSAT-8 위성 영상을 입력 자료로 사용하며, LANDSAT-8 위성영상의 상세 정보는 다음과 같다.LANDSAT-8 satellite images directly received from the National Disaster and Safety Research Institute are used as input data, and detailed information on LANDSAT-8 satellite images is as follows.
LANDSAT 수표면 측정 분석시스템의 분석 입력 보조 자료로서 각 남한 9개, 북한 9개 유역별 Shape 파일들과 분석대상 유역 영상을 추출하기 위한 grid (MATLAB matrix) 파일을 사용한다.As analysis input auxiliary data for the LANDSAT water surface measurement and analysis system, shape files for each of the nine basins in South Korea and nine in North Korea are used, as well as a grid (MATLAB matrix) file to extract the image of the basin to be analyzed.
LANDSAT-8 위성영상을 활용한 수표면 면적 분석 시스템의 결과물은 연구원의 위성영상 카탈로그 시스템을 통해서 연구원 내부용으로만 배포된다. The results of the water surface area analysis system using LANDSAT-8 satellite images are distributed only for the institute's internal use through the institute's satellite image catalog system.
수표 면적 분석 시스템 결과는 가뭄 및 폭우 등에 강수 변화량에 따른 대응에 활용할 수 있으며, 가뭄인 경우 각 등록된 유역별 수량을 측정하여 용수 부족에 따른 모니터링도와 대응 기초자료를 위한 예상 지도를 작성할 수 있다. 반대로 홍수인 경우 각 등록된 유역별 범람, 침수 및 고립 지역을 예상하며, 재난 발생 시 발생한 피해파악을 돕기 위한 범람지도 및 피해평가지도 작성이 가능하다. The results of the check area analysis system can be used to respond to changes in precipitation, such as drought and heavy rain. In the case of drought, the amount of water in each registered basin can be measured to create an expected map for monitoring and basic data for response due to water shortage. Conversely, in the case of a flood, flooding, inundation, and isolated areas are expected for each registered basin, and it is possible to create a flood map and damage assessment map to help identify damage in the event of a disaster.
본 발명에서는 LANDSAT 위성영상을 활용하여 가뭄에 대한 재난분석 기술을 발전시키고 이를 현장에 적용하고자 하며, 가뭄문제를 해결하기 위해서는 수표면적에 대한 지속적인 모니터링이 필요하므로 중해상도 위성을 이용한 가뭄 집중 모니터링 알고리즘을 개발하게되었다. The present invention seeks to develop disaster analysis technology for drought using LANDSAT satellite images and apply it to the field. In order to solve the drought problem, continuous monitoring of the water surface area is necessary, so a drought intensive monitoring algorithm using a medium-resolution satellite is developed. was developed.
더 나아가 위성기반 수표면적 관측의 정확도가 검증되면서 북한의 대규모 댐과 저수지 현황에 대해 모니터링이 가능케되었다Furthermore, as the accuracy of satellite-based water surface area observations was verified, it became possible to monitor the status of large-scale dams and reservoirs in North Korea.
한편, LANDSAT 위성영상은 상기 LANDSAT 수신서버를 거쳐 LANDSAT 영상처리서버로 전송되는데, 이때 X밴드 통신으로 위성으로부터 직접 다운링크되고, 상기 영상 처리 서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected)의 전처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되며, 이를 그대로 출력하면 아래와 같이 수체와 비수체가 구분되어진 영상을 얻을 수 있게된다.Meanwhile, LANDSAT satellite images are transmitted to the LANDSAT image processing server via the LANDSAT reception server. At this time, they are directly downlinked from the satellite through Corrected) and L1TP (Level 1 Precision Terrain Corrected) preprocessing before being transmitted to the satellite image storage and management server, and when output as is, an image with water bodies and non-water bodies separated can be obtained as shown below.
가뭄분야는 위성영상 기반의 수표면적 분석 결과(Geotiff형식 래스터 데이터)와 부가적인 참조정보(저수율, 저수량)를 표출하여 사용자가 수표면적의 변화 정도를 파악하도록 하는데 목적이 있다. The purpose of the drought field is to display satellite image-based water surface area analysis results (Geotiff format raster data) and additional reference information (water storage rate, water storage volume) to help users understand the degree of change in water surface area.
도 10은 본 발명에 따른 전국 규모 수표면 분석결과의 표출 예시도로서, 전국 2개 댐유역의 수표면을 LANDSAT 영상 기반으로 분석한 결과를 확인할 수 있다.Figure 10 is an example diagram of the national-scale water surface analysis results according to the present invention, and the results of analyzing the water surfaces of two dam basins nationwide based on LANDSAT images can be confirmed.
가뭄분야 표출 주요 데이터 목록은 아래와 같으며, 수표면 분석결과의 효과적인 데이터 관리 및 시각화를 위하여 GIS엔진인 Geoserver에 레이어를 발행하는 방법을 적용하였다. 그리고 행정구역경계(시도, 시군구, 읍면동)를 기본적으로 중첩하여 볼 수 있도록 기능을 구현하고, 유역단위 공통유역도인 대권역/중권역/표준유역 경계도 사용자 선택에 따라 함께 중첩하여 볼 수 있도록 하였다. The list of main data expressed in the drought field is as follows, and for effective data management and visualization of water surface analysis results, a method of publishing layers was applied to Geoserver, a GIS engine. In addition, a function is implemented so that administrative district boundaries (city/province, city, county/gu, town/village/dong) can be viewed by basically overlapping them, and the boundaries of large/medium/standard watersheds, which are common watershed maps at the watershed level, can also be viewed overlapped together according to the user's selection. did.
도 11은 본 발명에 따른 수표면 분석결과의 또 다른 표출 예시도로서, 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 댐의 일 단위 수위, 저수율, 저수량을 수표면 분석이력이 존재하는 일자와 동일하거나 최근접 일자의 정보를 함께 제공함으로써, 수표면 변화에 따른 댐 수위 및 저수량 변화를 비교해볼 수 있도록 하였다.Figure 11 is another example of displaying the water surface analysis results according to the present invention. In the National Water Resources Management Information System (WAMIS), the daily unit water level, water storage rate, and storage volume of the dam are the same as the date on which the water surface analysis history exists, or By providing information on the closest date, it was possible to compare changes in dam water level and storage volume according to water surface changes.
따라서, LANDSAT 위성영상을 기반으로 수표면적을 추출하여 저수지의 저수량을 산출함으로써, 가뭄 및 홍수 등의 재난을 예측하고 대비할 수 있는 것이다.Therefore, by extracting the water surface area based on LANDSAT satellite images and calculating the water storage volume of the reservoir, it is possible to predict and prepare for disasters such as droughts and floods.
또한, 위성영상에 의해 중,소 저수지의 수표면적을 모니터링함으로써 저수량을 용이하게 산출할 수 있도록 하고, 저수지 모니터링은 시계열적으로 수행되고 수표면적 및 저수량의 평균 및 표준편차가 산출되게함으로써, 중,소 저수지에 대한 가뭄 및 수해 발생 가능성을 정확히 분석할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, by monitoring the water surface area of small and medium-sized reservoirs using satellite images, storage volume can be easily calculated. Reservoir monitoring is performed in time series and the average and standard deviation of water surface area and storage volume are calculated. It has the effect of allowing accurate analysis of the possibility of drought and flood damage in small reservoirs.
뿐만 아니라, 가뭄에 취약한 중·소규모 농업용 저수지의 수표(수체)면적을 연속적으로 관측할 수 있게 함으로써, 전국적인 가뭄의 정도를 직관적으로 파악할 수 있도록 하는 효과도 있다.In addition, it has the effect of enabling continuous observation of the water body area of small and medium-sized agricultural reservoirs vulnerable to drought, allowing an intuitive understanding of the extent of drought nationwide.
본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시형태에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시형태는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the technical idea of the present invention has been specifically described in preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for explanation and not limitation. It is obvious to those skilled in the art that various variations and modifications are possible within the technical scope of the present invention, and therefore, it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended patent claims.
Claims (13)
LANDSAT 위성영상정보를 LANDSAT 수신서버로 수신받는 과정과;
LANDSAT 위성영상은 상기 LANDSAT 수신서버를 거쳐 LANDSAT 영상처리서버로 전송되는데, 이때 X밴드 통신으로 위성으로부터 직접 다운링크되고, 상기 영상 처리 서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected)의 전처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되는 과정과;
LANDSAT 위성영상 외, 지상관측자료에 의한 국가하천, 토지피복도, 유역도 자료들이 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되는 과정과;
서버에 전송된 LANDSAT 위성영상 중 Stream Flow Data가, 상기 국가하천, 토지피복도, 유역도 자료들에 의해 마스킹됨으로써 수표면이 추출되는 과정과;
서버에 전송된 LANDSAT 위성영상 중 LANDSAT input txt 파일을 이용하여 위성영상 반사도를 산출하는 과정과;
상기 산출된 반사도에, Green band 와 N/R band를 적용하여 NDWI 지수(Normalized Difference Water Index)를 산출하는 과정과;
상기 산출된 NDWI 지수에, Threshold Point를 찾기 위한 Otsu’s method를 적용함으로써 수계지역과 비수계지역을 구분하는 과정과;
Band Quality Assessment(BQA) band를 이용하여 해당지역에 대한 구름면적을 산출함으로써, 수표면적을 산출하는 과정과;
수표면적 산출결과를 상기 위성영상 저장 및 관리 서버에 저장하는 과정으로 이루어지며,
상기 서버 내에서 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘이 실행되면, 외부의 입력자료들(LANDSAT 위성영상, 지상관측 자료)을 수집하여 수표면적 분석이 실행되는데,
먼저 동작모드에서 자동모드가 선택되면, 위성영상 경로, DB 정보에 의한 프로그램 환경이 설정되고, LANSAT 위성영상 경로, MASK 영상 경로, 댐 유역 GIS 파일 경로와, 출력파일 저장경로에 의한 알고리즘 환경이 설정됨으로써 감시가 시작되며,
위성영상을 수신하는 과정, 댐 유역별 MASK를 생성하는 과정, 수표면적 분석 알고리즘을 실행하는 과정, 출력파일을 생성확인하는 과정, 보고서를 DB에 저장하는 과정을 순차적으로 진행한 후, 상기 위성영상 수신 과정부터 보고서 DB 저장 과정까지를 계속 반복되도록 구성된 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
When image information received from a satellite is provided to a satellite image storage and management server, preprocessing and water surface area analysis algorithms are performed within the server, thereby analyzing the water surface area of the area,
A process of receiving LANDSAT satellite image information through a LANDSAT reception server;
LANDSAT satellite images are transmitted to the LANDSAT image processing server via the LANDSAT receiving server. At this time, they are directly downlinked from the satellite through , preprocessing of L1TP (Level 1 Precision Terrain Corrected) and transmitting to the satellite image storage and management server;
A process of transmitting national river, land cover map, and watershed map data based on ground observation data, in addition to LANDSAT satellite images, to the satellite image storage and management server;
A process in which the water surface is extracted by masking stream flow data from the LANDSAT satellite images transmitted to the server with the national river, land cover map, and watershed map data;
A process of calculating satellite image reflectivity using a LANDSAT input txt file among the LANDSAT satellite images transmitted to the server;
A process of calculating the NDWI index (Normalized Difference Water Index) by applying the green band and N/R band to the calculated reflectivity;
A process of distinguishing watershed areas from non-watershed areas by applying Otsu's method to find the threshold point to the calculated NDWI index;
A process of calculating the water surface area by calculating the cloud area for the relevant area using the Band Quality Assessment (BQA) band;
It consists of a process of storing the water surface area calculation results on the satellite image storage and management server,
When the preprocessing and water surface area analysis algorithm is executed within the server, water surface area analysis is performed by collecting external input data (LANDSAT satellite images, ground observation data).
First, when automatic mode is selected in the operation mode, the program environment is set by the satellite image path and DB information, and the algorithm environment is set by the LANSAT satellite image path, MASK image path, dam basin GIS file path, and output file storage path. Surveillance begins with this,
After sequentially proceeding with the process of receiving satellite images, creating MASK for each dam basin, running the water surface area analysis algorithm, creating and checking the output file, and saving the report in the DB, the satellite image A water surface area analysis method using satellite images, characterized in that the process from reception to report DB storage is continuously repeated.
시스템 환경설정에서 지정한 LANDSAT 위성영상 경로를 주기적으로 감시(Polling)하고, 해당 폴더에 위성자료가 생성되면 사용자의 개입 없이 가뭄 분석을 수행하고, 그 분석결과를 당일 날짜 정보를 바탕으로 가뭄 분석결과 경로에 연/월/일 형태로 저장하는 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
The LANDSAT satellite image path specified in the system settings is periodically monitored (polling), and when satellite data is created in the folder, drought analysis is performed without user intervention, and the analysis results are divided into the drought analysis result path based on the date information of the day. Water surface area analysis method using satellite images, characterized in that it is saved in the form of year/month/day.
상기 서버 내에서 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘이 실행되면, 외부의 입력자료들(LANDSAT 위성영상, 지상관측 자료)을 수집하여 자동모드 또는 수동모드에서 수표면적 분석이 실행되는데,
수동모드의 경우, 사용자에 의해 선택된 LANDSAT 위성영상 경로와 분석시점(년/월/일)을 기준으로 가뭄분석을 수행하고, 그 결과를 [가뭄분석 결과 경로]에 저장하는 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
When the preprocessing and water surface area analysis algorithm is executed within the server, external input data (LANDSAT satellite images, ground observation data) are collected and water surface area analysis is performed in automatic or manual mode.
In the case of manual mode, drought analysis is performed based on the LANDSAT satellite image path and analysis time (year/month/day) selected by the user, and the results are stored in [Drought Analysis Result Path]. Water surface area analysis method using .
수동모드에서는 [가뭄분석 결과저장 DB]에 분석 결과를 저장하지 않는 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 4,
Water surface area analysis method using satellite images, characterized in that the analysis results are not saved in the [drought analysis result storage DB] in manual mode.
상기 전처리 및 수표면적 분석 알고리즘은 MATLAB 기반의 것으로서, 시스템 구동을 위해 MCR과 같은 MATLAB 런타임 컴파일러가 구비되고, DB 접근을 위한 DB Engine과 프로그램 실행을 위한 Microsoft 재배포 패키지가 구비된 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
The preprocessing and water surface area analysis algorithm is based on MATLAB, and a MATLAB runtime compiler such as MCR is provided to drive the system, and a DB Engine for DB access and a Microsoft redistribution package for program execution are provided. Water surface area analysis method using .
상기 LANDSAT 위성영상의 입력자료는 녹색 대역(Green Band)과, 근적의 대역(Near Infrared Band)과, 품질 자료(Quality Data), 메타 데이터(Meta Data)임을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
Water surface area analysis using satellite images, characterized in that the input data of the LANDSAT satellite images are green band, near infrared band, quality data, and meta data. method.
상기 LANDSAT 위성영상의 입력 보조자료로는 분석대상 유역별 Shape 파일들과 분석대상 유역 영상을 추출하기 위한 grid (MATLAB matrix) 파일을 사용한 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
A water surface area analysis method using satellite images, characterized by using Shape files for each watershed to be analyzed and a grid (MATLAB matrix) file to extract the watershed images to be analyzed as input auxiliary data for the LANDSAT satellite image.
상기 LANDSAT 위성영상은 영상처리서버에서 L0R(Level 0 Reformatted), L1GT(Level 1 Systematic Terrain Corrected), L1TP(Level 1 Precision Terrain Corrected)의 전처리를 거쳐 상기 위성영상 저장 및 관리 서버로 전송되므로, 이를 그대로 출력 시 수체와 비수체로 구분된 영상을 얻게되는 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
The LANDSAT satellite image goes through preprocessing of L0R (Level 0 Reformatted), L1GT (Level 1 Systematic Terrain Corrected), and L1TP (Level 1 Precision Terrain Corrected) in the image processing server and is then transmitted to the satellite image storage and management server, so it is stored as is. A water surface area analysis method using satellite images, characterized in that images divided into water bodies and non-water bodies are obtained when output.
사용자가 수표면적의 변화 정도를 파악할 수 있도록 위성영상 기반의 수표면적 분석 결과(Geotiff형식 래스터 데이터)와 부가적인 참조정보(저수율, 저수량)를 표출하게됨을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 1,
A water surface area analysis method using satellite images, characterized by displaying satellite image-based water surface area analysis results (Geotiff format raster data) and additional reference information (water retention rate, storage volume) so that users can determine the degree of change in water surface area. .
수표면 분석결과의 효과적인 데이터 관리 및 시각화를 위하여 GIS 엔진인 Geoserver에 레이어를 발행하는 방법과, 행정구역경계(시도, 시군구, 읍면동)를 기본적으로 중첩하여 볼 수 있도록 기능을 부여하고, 유역단위 공통유역도인 대권역/중권역/표준 유역 경계도 사용자 선택에 따라 함께 중첩하여 볼 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 10,
For effective data management and visualization of water surface analysis results, we provide a method of publishing layers in Geoserver, a GIS engine, and a function to view administrative district boundaries (city/province, city/county/gu/eup/myeon/dong) by basically overlapping them, and provide a common view at the basin level. A water surface area analysis method using satellite images, characterized in that the boundaries of large/medium/standard watersheds, which are watershed maps, can be viewed overlapping together according to the user's selection.
국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 댐의 일 단위 수위, 저수율, 저수량을 수표면 분석이력이 존재하는 일자와 동일하거나 최근접 일자의 정보를 함께 제공함으로써, 수표면 변화에 따른 댐 수위 및 저수량 변화를 비교해볼 수 있도록 하고, LANDSAT 위성영상으로 산출된 수표면적에 의해 저수지의 저수량을 산출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법.
According to clause 10,
The National Water Resources Management Integrated Information System (WAMIS) provides the dam's daily water level, water storage rate, and storage volume with information on the same or closest date as the date on which the water surface analysis history exists, so that the dam water level and water storage volume according to water surface changes. A water surface area analysis method using satellite images, characterized in that changes can be compared and the water storage volume of the reservoir can be calculated based on the water surface area calculated using LANDSAT satellite images.
LANDSAT 위성영상으로 산출된 수표면적에 의한 저수량 모니터링은 시계열적으로 수행되고 수표면적 및 저수량의 평균 및 표준편차가 산출되게함으로써, 중,소 저수지에 대한 가뭄 및 수해 발생 가능성을 정확히 분석할 수 있도록 함을 특징으로 하는 위성영상을 이용한 수표면적 분석방법. According to clause 12,
Water storage monitoring based on water surface area calculated from LANDSAT satellite images is performed in time series and calculates the average and standard deviation of water surface area and water storage volume, allowing accurate analysis of the possibility of drought and flood damage in small and medium-sized reservoirs. Water surface area analysis method using satellite images characterized by .
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