[논문]석조문화재 모니터링을 위한 하이퍼스펙트럴 이미지분석의 활용

전유근; 이명성; 김유리; 이미혜; 최명주; 최기현

doi:10.12654/jcs.2015.31.4.07

석조문화재 모니터링을 위한 하이퍼스펙트럴 이미지분석의 활용
Utilization of Hyperspectral Image Analysis for Monitoring of Stone Cultural Heritages 원문보기

보존과학회지 = Journal of conservation science, v.31 no.4, 2015년, pp.395 - 402

전유근 (국립문화재연구소 보존과학연구실) , 이명성 (국립문화재연구소 보존과학연구실) , 김유리 (국립문화재연구소 보존과학연구실) , 이미혜 (국립문화재연구소 보존과학연구실) , 최명주 (국립문화재연구소 보존과학연구실) , 최기현 ((주)아세아항측)

초록
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이 연구에서는 하이퍼스펙트럴 이미지를 활용하여 석조문화재의 훼손상태 모니터링에 대한 활용성을 검토하였다. 이를 위해 하이퍼스펙트럴 데이터의 보정방법, 영상분류 및 정규화 식생지수 산출방법을 석조문화재에 적용하였다. 이 결과 각 물질의 분광정보를 기반으로 한 객관적인 훼손지도 작성, 정밀도 높은 훼손율의 산출 및 식생들의 활력도 모델작성 등 다양한 분석이 가능하였다. 따라서 하이퍼스펙트럴 이미지 분석을 활용하여 석조문화재를 모니터링 한다면 효율적으로 훼손상태 변화를 파악할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was considered utilization of hyperspectral image analysis for monitoring. Accordingly we applied to stone cultural properties to data correction methods, image classification techniques, NDVI computation techniques using hyperspectral image. As the results, hyperspectral image analysis was possible making detailed deterioration map, accurate calculation of deterioration rate, mapping of normalized difference vegetation index on the basis of reflectance of each materials. Therefore, hyperspectral image analysis will be used for effective monitoring techniques of stone cultural heritages.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2009) 국내에서는 전무한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 석조문화재의 모니터링을 위한 하이퍼스펙트럴 이미지분석의 활용성에 대한 고찰을 실시하였다.
이 연구에서는 석조문화재의 훼손상태 변화를 모니터링하기 위한 방법으로 하이퍼스펙트럴 이미지분석을 제안하고자 한다. 이 분석기법은 촬영된 이미지의 분광정보를 분류하여 측정대상의 성질을 판별하는 방법으로 주로 원격탐사에서 활용되고 있다.
이 연구에서는 지상용 하이퍼스펙트럴 카메라를 활용하여 석조문화재의 훼손상태 모니터링에 대한 활용성을 검토하였다. 이를 위해 석조문화재를 대상으로 하이퍼스펙트럴 이미지를 촬영하고 방사보정 및 대기보정을 실시한 후 훼손원인 물질에 대한 분광반사곡선을 획득하였다.

제안 방법

이를 위해 석조문화재를 대상으로 하이퍼스펙트럴 이미지를 촬영하고 방사보정 및 대기보정을 실시한 후 훼손원인 물질에 대한 분광반사곡선을 획득하였다. 또한 각 화소별 분광데이터를 분류하여 훼손상태를 파악하였다. 이 결과, 각 물질의 분광정보를 기반으로 한 객관적인 훼손지도 작성, 정밀도 높은 훼손율의 산출 및 식생들의 활력도 모델작성 등 다양한 분석이 가능하였다.
숭례문 육축의 하이퍼스펙트럴 이미지를 대상으로 각 화소별 NDVI를 산출하고 도면화 하였다(Figure 4). 각 영역별 NDVI 값은 신선한 화강암의 경우 –0.
이와 같은 훼손현상에 따라 다르게 나타내는 분광반사곡선을 기준으로 SAM법을 활용하여 영상분류를 실시하였다. 영상분류를 마친 이미지는 훼손영역에 해당하는 부분을 도면화하고 각 화소수를 계산하여 훼손율을 산출하였다. 분석결과, 신선한 화강암의 영역은 30.
이 연구에서는 지상용 하이퍼스펙트럴 카메라를 활용하여 석조문화재의 훼손상태 모니터링에 대한 활용성을 검토하였다. 이를 위해 석조문화재를 대상으로 하이퍼스펙트럴 이미지를 촬영하고 방사보정 및 대기보정을 실시한 후 훼손원인 물질에 대한 분광반사곡선을 획득하였다. 또한 각 화소별 분광데이터를 분류하여 훼손상태를 파악하였다.
이 영상은 각 화소마다 350~1000nm의 분광반사곡선을 가지고 있으며 250여개의 밴드로 조합되어 있다. 하이퍼스펙트럴 영상 중에서 640nm, 550nm, 460nm 밴드를 조합하여 칼라이미지를 만들어 석탑의 훼손상태를 파악하였다. 무량사 오층석탑의 주요 훼손현상은 황색 및 갈색변색, 유․무기 오염물에 의한 흑색변색 등으로 분류되며 각각의 훼손유형들은 특정한 분광반사곡선을 나타내고 있다.

대상 데이터

Figure 2는 하이퍼스펙트럴 카메라를 사용하여 부여 무량사 오층석탑의 하부영역을 촬영한 결과이다. 이 영상은 각 화소마다 350~1000nm의 분광반사곡선을 가지고 있으며 250여개의 밴드로 조합되어 있다. 하이퍼스펙트럴 영상 중에서 640nm, 550nm, 460nm 밴드를 조합하여 칼라이미지를 만들어 석탑의 훼손상태를 파악하였다.
하이퍼스펙트럴 카메라는 태양광이 물질에 조사된 후 반사되어 나오는 빛을 스캔미러 또는 슬롯으로 받아들여 분광데이터를 획득한다. Figure 1은 SPECIM사의 VNIR Spectral Camera PS모델로 부여 무량사 오층석탑의 하이퍼스펙트럴 이미지를 촬영한 것이다.

이론/모형

이와 같은 훼손현상에 따라 다르게 나타내는 분광반사곡선을 기준으로 SAM법을 활용하여 영상분류를 실시하였다. 영상분류를 마친 이미지는 훼손영역에 해당하는 부분을 도면화하고 각 화소수를 계산하여 훼손율을 산출하였다.

성능/효과

각 영역별 NDVI 값은 신선한 화강암의 경우 –0.03~0.12, 구부재에 서식하는 지의류는 0.10~0.22의 범위를 나타냈으며, 숭례문 주변에 서식하는 잔디는 0.31~0.53, 수목은 0.60 이상의 식생지수 값을 보였다.
석조문화재에 훼손이 발생하게 되면 암석의 표면은 다양한 무기․유기 오염물에 의해 변질되며 각각의 표면오염물들은 종류마다 서로 다른 분광반사곡선을 나타낸다. 따라서 석조문화재를 대상으로 측정한 분광데이터를 종합하고 각 물질의 분광반사곡선을 분류하여 훼손상태를 파악할 수 있다. 영상분류 방법은 크게 무감독분류와 감독분류로 구분된다.
영상분류를 마친 이미지는 훼손영역에 해당하는 부분을 도면화하고 각 화소수를 계산하여 훼손율을 산출하였다. 분석결과, 신선한 화강암의 영역은 30.7%, 지의류에의한 흑색변색은 19.0%, 무기오염물에 의한 흑색변색은 3.4%, 갈색변색은 42.1%, 황색변색은 4.8%로 계산되었다(Figure 2). 이러한 하이퍼스펙트럴 영상분류 기법은 육안관찰을 바탕으로 산출하는 일반적인 훼손지도 작성법과 달리 각 물질의 분광반사곡선을 분류함으로서 석조문화재의 훼손상태를 객관적으로 파악할 수 있다.
또한 각 화소별 분광데이터를 분류하여 훼손상태를 파악하였다. 이 결과, 각 물질의 분광정보를 기반으로 한 객관적인 훼손지도 작성, 정밀도 높은 훼손율의 산출 및 식생들의 활력도 모델작성 등 다양한 분석이 가능하였다. 또한 하이퍼스펙트럴 이미지는 원거리에서 획득되기 때문에 대형석조문화재라 할지라도 빠른 시간에 훼손상태를 파악할 수 있었다.

후속연구

그러나 지금까지 하이퍼스펙트럴 이미지분석 기법은 문화재 분야에 적용된 사례가 없어 훼손유형별 분광반사곡선에 대한 데이터베이스가 없는 실정이다. 따라서 지속적인 연구를 통해 석조문화재 모니터링을 위한 데이터 보정방법, 영상분류 방법에 대한 체계적인 알고리즘 선정 또는 개발이 필요하며, 문화재 재질 및 표면오염물에 대한 라이브러리가 구축되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이퍼스펙트럴 이미지는 무엇이라고 정의되는가?	반면 하이퍼스펙트럴 이미지는 가시광선에서 적외선 영역의 파장범위에서 수 백 여개의 밴드로 구성되어져 있는 이미지이다. 따라서 하이퍼스펙트럴 이미지는 분광폭이 좁은 많은 수의 밴드를 가지고 있어 분광반사곡선(spectral reflectance curve)이 연속적이며 분광해상도(spectral resolution)가 매우 높은 이미지로 정의된다.
	모든 석조문화재의 훼손도를 평가하는데 따르는 어려움은?	그러나 현시점에서 모든 석조문화재의 훼손도를 평가하는 것은 많은 어려움이 따른다. 또한 보존처리가 실시된 이후 석조문화재에 대한 지속적인 모니터링은 일부 문화재를 대상으로만 시행되고 있다. 이는 하나의 석조문화재를 정밀하게 진단하기 위해서는 많은 전문인력과 연구기간이 필요하기 때문이다. 따라서 체계적인 석조문화재의 보존관리를 위해서는 효율적으로 훼손상태 변화를 모니터링 할 수 있는 시스템이 필요한 실정이다.
	석조문화재가 국가지정 건조물 문화재 중에서 높은 비율을 나타내는 이유는?	우리나라의 석조문화재는 건조물 문화재 중 국보의 76%, 보물의 42%의 점유율을 차지하고 있다. 이와 같이 석조문화재가 국가지정 건조물 문화재 중에서 높은 비율을 나타내는 이유는 암석이 다른 재질에 비해 내구성이 강하여 현재까지 잔존해 있기 때문이다(Lee and Lee, 2005). 그러나 각각의 석조문화재는 구성암석의 종류, 보존환경, 풍화기간 등에 따라 다양한 훼손이 발생되어 있다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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