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딥러닝 기반의 초분광영상 분류를 사용한 환경공간정보시스템 활용
Deep Learning-based Hyperspectral Image Classification with Application to Environmental Geographic Information Systems 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.33 no.6 pt.2, 2017년, pp.1061 - 1073  

송아람 (서울대학교 건설환경공학부) ,  김용일 (서울대학교 건설환경공학부)

초록
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본 연구는 4차 산업의 핵심기술인 인공지능환경공간정보의 융합을 통한 정보생산 및 활용가능성을 제시하고자 대표적인 딥러닝(deep-learning) 기법인 CNN(Convolutional Neural Network)을 이용한 영상분류를 수행하였다. CNN은 학습을 통해 스스로 분류기준에 따른 커널의 속성을 결정하며, 최적의 특징영상(feature map)을 추출하여 화소를 분류한다. 본 연구에서는 CNN network를 구성하여 기존의 영상처리 기법으로 해결이 어려웠던 분광특성이 유사한 물질간의 분류 및 GIS속성정보에 따른 분류를 수행하였으며, 항공초분광센서인 CASI(Compact Airborne Spectrographic imager)와 AISA(Airborne Imaging Spectrometer for Application)로 취득된 영상을 이용하였다. 실험대상지역은 총 3곳이며, Site 1과 Site 2는 감자, 양파, 벼 등의 다양한 농작물을 포함하며, Site 3는 단독주거시설, 공동주거시설 등 세분류 토지피복도의 분류 항목으로 구성된 건물을 포함한다. 실험결과, 분류 정확도 96%, 99%로 농작물을 종류에 따라분류하였으며, 96%의 정확도로 건물을 용도에 따라 분류하였다. 본 연구의 결과를 환경공간정보 서비스에 활용하기 위하여 계절별 농작물의 종류를 제공할 수 있는 환경주제도를 제안하였으며, 기존의 토지피복도와 최신 GIS자료를 이용한 세분류 토피지복도 제작 및 갱신 가능성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, images were classified using convolutional neural network (CNN) - a deep learning technique - to investigate the feasibility of information production through a combination of artificial intelligence and spatial data. CNN determines kernel attributes based on a classification criterio...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 영상에서 건물을 포함하는 화소는 분광특성의 차이 외에도 건물이 사용되는 용도에 따라 크기 및 모양, 인접건물의 특성, 분포 등과 같은 고유한 특징을 가질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 영상에서 건물을 용도에 따라 분류하고자 스스로 커널의 특성을 학습하여 다양한 정보를 추출할 수 있는 CNN기법을 이용하였으며, 국가공간정보포털에서 제공하는 최신 GIS 건물통합정보를 참조자료로 이용하여 정확도 평가를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 CNN을 이용한 초분광영상의 분류 성능을 확인하기 위하여 농작물의 종류 및 건물의 용도에 따른 분류를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 사용자의 개입을 최소화하며 영상에서 환경공간정보시스템에 활용될 수 있는 유용한 정보를 추출하기 위하여 딥러닝(Deep learning)을 이용한 초분광영상의 분류를 수행하였으며, 이를 이용한 환경주제도 및 토지피복도 구축 방안을 제시하고자 한다.
  • 본 연구의 결과를 공간정보시스템 활성화 및 갱신에 활용하고자 환경주제도 및 토지피복도 갱신 방안을 제안하고자 한다.
  • 본 연구의 성과를 토지피복도의 제작 및 갱신에 활용 하고자, 영상을 직접 세분류 토지피복도 항목으로 분류 하고자 하였다. 정보의 최신성을 유지하면서 제작의 효율성 및 경제성을 고려하기 위하여, 최신 GIS건물정보및 기존의 토지피복도를 활용하였다(Fig.
  • 실험 대상지역 Site1, Site2, Site3에 대한 분류 정확도는 각각 96%, 99%, 96%로 나타났으며, 머신러닝의 대표적인 기법인 SVM에 비하여 높은 분류정확도로 분광특성과 속성정보에 따라 농작물과 건물을 효과적 으로 분류할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 계절 별 농작물의 종류를 제공할 수 있는 환경주제도를 제안 하였으며, 최신 GIS자료와 기존의 토지피복도를 이용한 세분류 토피지복도의 제작 및 갱신가능성을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 토지피복도 제작방법의 경우 영상을 중분류 및 세분류 항목으로 직접 분류하기 때문에 드론 등과 같이 최신 영상을 취득하기 용이한 현 상황에서 토지피복도의 갱신과 제작에 소모되는 시간과 비용을 현저히 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
환경공간정보란 무엇인가? 환경공간정보(Environmental Geographic Information)란 환경에 관련된 유용한 정보를 지도 위에 표현이 가능하도록 처리하여 그 위치나 분포 등을 알 수 있는 모든 정보를 뜻한다. 환경공간정보를 구축하고 활용하는 것은 국토를 친환경적이고 계획적으로 관리하기 위하여 반드시 필요한 일이다.
지도제작에 사용되는 위성 및 항공영상의 경우 어떤 문제가 발생할 수 있는가? 대분류 및 중분류 토지피복도는 Landsat TM, SPOT 5, 아리랑2호 등의 위성영상을 활용하며, 세분류 토지피복도의 경우 고해상도 위성영상인 IKONOS 및 항공 정사영상을 이용하여 정보를 추출한다(Ministry of Environment, 2016). 그러나 지도제작에 사용되는 위성 및 항공영상의 경우, 촬영당시 지표의 물리적 특징만을 반영하기 때문에 속성정보를 추출하기 어렵고, 공간해상도에 따라 물질의 경계지역에서 정보의 손실이 발생할 수 있다(Shin et al., 2015).
최적의 특징영상(feature map)을 추출하기 위해 어떤 과정을 거치는가? CNN의 핵심개념은 학습을 통해 커널의 속성과 개수를 정의하여 최적의 특징영상(feature map)을 추출하는 것이다. 이러한 과정에서 여러 개의 convolution layer를 구성하여 deep network를 구성하며, 영상의 차원을 축소하기 위하여 pooling이란 과정을 거치게 된다. 서로 이웃한 화소는 유사할 가능성이 크기 때문에 다양한 방법의 차원축소를 통해 화소를 subsampling하는 과정을 pooling이라고 한다.
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참고문헌 (12)

  1. Cao, X., F. Zhou, L. Xu, D. Meng, Z. Xu, and J. Paisley, 2017. Hyperspectral Image Segmentation with Markov Random Fields and a Convolutional Neural Network, Computer Vision and Pattern Recognition, arXiv preprint arXiv:1705.00727. 

  2. Duro, D., S. Franklin, and M. Dube, 2012. A comparison of pixel-based and object-based image analysis with selected machine learning algorithms for the classification of agricultural landscapes using SPOT-5 HRG Imagery, Remote Sensing of Environment, 118: 259-272. 

  3. LeCun, Y., Y. Bengio, and G. Hinton, 2015. Deep learning, Nature, 521(7553): 436-444. 

  4. Lee, H., R. Kang, K. Kim, G. Nam, M. Kwon, H. Song, S. Cheon, J. Lee, J. Yoon, I. Lee, and H. Lee, 2013. Estimating temporal and spatial variation of chlorophyll-a concentration from multi-spectral imagery in Nak-dong River basin, Water Quality Control Center, NEIR-RP2013-296 (in Korean with English abstract). 

  5. Li, Y., H. Zhang, and Q. Shen, 2017. Spectral-Spatial Classification of Hyperspectral Imagery with 3D Convolutional Neural Network, Remote Sensing, 9(1): 67. 

  6. Krizhevsky, A., I. Sutskever, and G. Hinton, 2012. Imagenet classification with deep convolutional neural networks, In Advances in neural information processing systems, 1097-1105. 

  7. Kim, H. and J. Yeom, 2012. A study on object-based image analysis methods for land cover classification in agricultural areas, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, 15(4): 26-41 (in Korean with English abstract). 

  8. Makantasis, K., K. Karantzalos, A. Doulamis, and N. Doulamis, 2015. Deep supervised learning for hyperspectral data classification through convolutional neural networks, Proc. of 2015 In Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Milan, Italy, Jul. 26-31, pp. 4959-4962. 

  9. Ministry of Environment, 2016. Build a land cover map [7th] and improve the national environmental guidance system (in Korean with English abstract). 

  10. Petersson, H., D. Gustafsson, and D. Bergstrom, 2016. Hyperspectral image analysis using deep learning -A review. In Image Processing Theory Tools and Applications (IPTA), Proc. of 2016 6th International Conference, Oulu, Finland, Dec. 12-15, pp. 1-6. 

  11. Shine, J., T. Lee, P. Jung, and H. Kwon, 2015. A study on land cover map of UAV imagery using an object-based classification method, Journal of the Korean Society for Geospatial Information Science, 23(4): 25-33 (in Korean with English abstract). 

  12. Yu, S., S. Jia, and C. Xu, 2017. Convolutional neural networks for hyperspectral image classification, Neurocomputing, 219: 88-98. 

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