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토지피복지도 갱신을 위한 S2CVA 기반 무감독 변화탐지
Unsupervised Change Detection Based on Sequential Spectral Change Vector Analysis for Updating Land Cover Map 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.33 no.6 pt.2, 2017년, pp.1075 - 1087  

박녕희 (충북대학교 토목공학과) ,  김동학 (충북대학교 토목공학과) ,  안재윤 (충북대학교 토목공학부) ,  최재완 (충북대학교 토목공학과) ,  박완용 (국방과학연구소) ,  박현춘 (국방과학연구소)

초록
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본 연구에서는 위성영상에 대한 변화탐지 기법의 결과를 토지피복지도 갱신의 기초자료로 활용하고자 하였다. $S^2CVA$(Sequential Spectral Change Vector Analysis) 기법을 다시기 다중분광 위성영상에 적용하여 해당 지역 내의 변화지역을 추출하였다. 특히, 분광변화벡터의 방향정보를 이용하여 계절적 변화에 의한 변화지역의 오탐지를 최소화하고자 하였다. 변화탐지 결과인 이진영상은 구역통계를 활용하여 토지 피복도와 함께 통합하였으며, 토지피복지도 갱신을 위하여 객체 기반의 분석을 수행하였다. PlanetScope 자료와 환경부의 토지피복지도를 이용한 실험결과, 토지피복지도 내에 변화된 지역을 효과적으로 탐지할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we tried to utilize results of the change detection analysis for satellite images as the basis for updating the land cover map. The Sequential Spectral Change Vector Analysis ($S^2CVA$) was applied to multi-temporal multispectral satellite imagery in order to extract change...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 토지피복지도의 관점에서 일부 변화지역의 구역들은 위성영상의 방사보정, 기하보정의 오차와 화소의 계절적 변화에 따른 영향을 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서는 변화지역 중에 분광벡터의 방향이 특정 임계치 내에 존재하는 화소들을 계절적 양상에 의한 미변화 지역으로 가정하고, 이를 변화지역에서 제거하여 변화탐지 결과의 오탐지를 최소화하고자 하였다(Fig. 3).
  • 그러나 농경지에 새롭게 생성된 시설재배지 혹은 나지에 건설된 건물 등을 탐지하는 경우에는 토지피복지도의 객체를 기준으로 적은 양의 변화화소들만이 포함될 수 있기 때문에, 해당 객체가 미변화 지역으로 분류될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 토지피복지도와 함께, 영상분할을 통하여 생성된 객체를 추가적으로 사용하여 토지피복지도 내 일부 지형이 변화된 지역들을 탐지하고자 하였다. 이를 위하여, eCognition 상용소프트웨어에 탑재된 대표적인 위성영상 분할 기법인 다중해상도 분할기법(multi-resolution segmentationmethod)을 이용하여 객체단위의 영상을 생성하였다(Baatz and Schäpe, 2000).
  • 따라서 본 연구에서는 해당 지역의 방향값들을 가지는 화소들을 미변화 지역으로 제거하여 변화지역을 최적화하고자 하였으며, 미변화 지역의 방향값을 결정하기 위하여 ROC(Receiver Operating Characteristic) 곡선을 활용한 분석을 수행하였다. ROC 곡선은 실험결과의 임계치에 따른 참조자료 사이의 True Positive와 False Positive를 타낸 그래프이다.
  • 본 연구에서 생성된 변화탐지 이진영상은 벡터자료들과 중첩한 후 객체 안의 평균값에 따른 임계치를 부여하여 구역통계를 실행하였으며, 객체분할 영상에서는 토지피복지도 보다 높은 임계치를 주어 객체 안에서의 오탐지된 부분을 최소화하고자 하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 변화탐지의 결과를 토지피복지도 갱신을 위한 기초자료로 활용하기 위하여 객체 기반의 분석을 수행하였다. 이를 위하여, S2CVA를 이용하여 추정한 변화지역의 이진 영상, 토지피복지도, 변화 후 영상에 대한 다중분광영상의 객체분할 영상을 통합하여 토지피복지도 갱신을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 초소형 위성센서로 취득한 시계열 PlanetScope 자료를 이용하여 무감독 변화탐지를 수행하고, 이를 활용하여 토지피복지도의 갱신 가능성을 확인하고자 하였다. 특히, 본 연구에서는 대표적인 무감독 변화탐지 기법인 S2CVA을 사용하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서 제안한 S2CVA 무감독 변화탐지 기법을 실험영상에 적용하여 추출한 다시기 위성영상을 기반으로 한 분광변화벡터의 크기(ρ)와 방향(θ) 영상의 추출 결과는 Fig. 5와 같으며, 어두울수록 크기 및 방향의 값이 낮으며 변화가 되지 않은 지역으로 가정할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
위성센서에 의하여 취득된 다양한 원격탐사 자료들은 어디에 활용될 수 있는가? 위성센서에 의하여 취득된 다양한 원격탐사 자료(remotely sensed data)들은 환경 모니터링, 공간정보 생성 및 분석 등에 활용될 수 있다. 국내의 KOMPSAT(Korea Multi-Purpose SATellite)-2, 3, 3A호 등과 같은 광학센서들을 통하여 취득 가능한 1 m 내외의 공간해상도를 가지는 고해상도 위성영상은 측량, 국방, 환경 등의 다양한 활용분야에 사용되고 있다.
광학센서들을 통하여 취득 가능한 1 m 내외의 공간해상도를 가지는 고해상도 위성영상은 어디에 쓰이는가? 위성센서에 의하여 취득된 다양한 원격탐사 자료(remotely sensed data)들은 환경 모니터링, 공간정보 생성 및 분석 등에 활용될 수 있다. 국내의 KOMPSAT(Korea Multi-Purpose SATellite)-2, 3, 3A호 등과 같은 광학센서들을 통하여 취득 가능한 1 m 내외의 공간해상도를 가지는 고해상도 위성영상은 측량, 국방, 환경 등의 다양한 활용분야에 사용되고 있다. 또한, ESA(European Space Agency)의 Sentinel-2, NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 Landsat-8 등의 센서를 통하여 약 400~2400 nm의 분광 파장대에 대한 10∼30 m 내외의 공간해상도를 가지는 다중분광(multispectral) 영상을 무료로 제공받을 수 있고, 향후 EnMAP(EnvironmentalMapping and Analysis Program) 등과 같은 초분광(hyperspectral) 센서들이 발사예정임에 따라 매우 다양한 종류의 원격탐사 자료들을 활용할 수 있게 되었다(Yamamoto et al.
본 연구에서 S2CVA의 크기 영상을 이용하여 변화지역을 효과적으로 탐지할 수 있을 것이라고 판단하는 이유는 무엇인가? Fig. 5(a)에서 확인할 수 있듯이, 논과 밭에서 작물이자란 지역과 초지를 개간한 지역, 건물이 새로 지어졌거나 철거된 지역들이 높은 크기 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서 S2CVA의 크기 영상을 이용하여 변화지역을 효과적으로 탐지할 수 있을 것으로 판단된다.
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참고문헌 (16)

  1. Baatz, M. and A, Schape, 2000. Multi-resolution segmentation - An optimization approach for high quality multi-scale image segmentation, Angewandte Geographische Informationverarbeitung, 12-23. 

  2. Bernstein, L. S., X. Jin, B. Gregor, and S. M. Adler- Golden, 2012. Quick atmospheric correction code: algorithm description and recent upgrades, Optical engineering, 51(11): 111719-1. 

  3. Canny, J., 1986. A computational approach to edge detection, IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence, (6): 679-698. 

  4. Chen, Q. and Y. Chen, 2016. Multi-feature objectbased change detection using self-adaptive weight change vector analysis, Remote Sensing, 8(7): 549. 

  5. Choi, J., 2015. Unsupervised change detection for very high-spatial resolution satellite imagery by using object-based IR-MAD algorithm, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, 33(4): 297-304 (in Korean with English abstract). 

  6. Jeong, S., 2006. The development of change detection software for public business, Journal of The Korean Society for Geo-Spatial Information System, 14(4): 79-84 (in Korean with English abstract). 

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  8. Lee, S., S. Choi, S. Noh, N. Lim, and J. Choi, 2015. Automatic extraction of initial training data using national land cover map and unsupervised classification and updating land cover map, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, 33(4): 267-275 (in Korean with English abstract). 

  9. Liu, S., L. Bruzzone, F. Bovolo, M. Zanetti, and P. Du, 2015. Sequential spectral change vector analysis for iteratively discovering and detecting multiple change in hyperspectral images, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 53(8): 4363-4378. 

  10. Liu, S., Q. Du, X. Tong, A. Samat, L. Bruzzone, and F. Bovolo, 2017. Multiscale morphological compressed change vector analysis for unsupervised multiple change detection, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 10(9): 4124-4137. 

  11. Malila, W. A. 1980. Change vector analysis: an approach for detecting forest changes with Landsat, LARS symposia, 385. 

  12. Oh, J. H. and C. N. Lee, 2015. Urban change detection between heterogeneous images using the edge information, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, 33(4): 259-266 (in Korean with English abstract). 

  13. San B. T. and M. L. Suzen, 2010. Evaluation of different atmospheric correction algorithms for EO-1 Hyperion imagery, Proc. of The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science, Kyoto, Japan, Aug. 9-12, vol. XXXVIII, pp. 392-397. 

  14. Varshney, A., M.K. Arora, and J.K. Ghosh, 2012. Median change vector analysis algorithm for land-use land-cover change detection from remote-sensing data, Remote Sensing Letters, 3(7): 605-614. 

  15. Warner, T. A., G. M. Foody, and M. D. Nellis, 2009. The Sage handbook of remote sensing, Sage Publications, CA, USA. 

  16. Yamamoto, H., N. Ryosuke, and T. Satoshi, 2012. Radiometric calibration plan for the hyperspectral imager suite (HISUI) instruments, Proc. of SPIE Asia-Pacific Remote Sensing, Kyoto, Japan, Oct. 29-Nov. 1, vol. 8527. 

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