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[국내논문] 초분광센서와의 상호교정을 통한 RedEdge-MX 다분광 카메라의 보정계수 산출
Calculation of correction coefficients for the RedEdge-MX multispectral camera through intercalibration with a hyperspectral sensor 원문보기

한국측량학회지 = Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, v.38 no.6, 2020년, pp.707 - 716  

백승일 (Dept. of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University) ,  고수윤 (Dept. of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University) ,  김원국 (Dept. of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University)

초록
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원격탐사 분야에서 물체의 특성을 정략적으로 추정할 수 있는 분광센서에 대한 관심이 늘어나고 있으며, 특히, 최근 드론에 탑재하여 운영할 수 있는 경량 다분광 카메라의 활용이 주목받고 있다. 정량적 원격탐사를 위해서는 카메라 또는 센서에서 획득된 복사량의 정확도가 중요하지만, 저가의 다분광 카메라의 경우 복사정확도에 대한 독립적인 검증이 충분히 수행되지 않았다. 본 연구에서는 최근 농작물 모니터링, 식생 분석, 수질 분석 등에 다양하게 활용되고 있는 MicaSense사의 RedEdge-MX 카메라에 대한 복사 정확도 분석을 수행하였다. 미국 NIST 표준에 따라 교정된 초분광 센서인 TriOS RAMSES를 이용하여, RedEdge-MX 센서의 복사휘도 및 복사조도에 대한 상대 보정계수를 산출하였다. 분석결과, RedEdge-MX의 복사휘도는 밴드별로 RAMSES보다 5~16% 가량 낮게 나타났고, 복사조도 역시 1~20% 가량 낮은 것이 확인되었다. 본 연구에서는 RedEdge-MX의 관측값을 RAMSES에 상응하는 값으로 변환시키기 위한 보정계수를 1차 그리고 3차 회귀분석을 통하여 제공한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Spectroradiometers have recently been drawing great attention in earth observing communities for its capability for obtaining target's quantitative properties. In particular, light-weighted multispectral cameras are gaining popularity in many field domains, as being utilized on UAV's. Despite the im...

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AI 본문요약
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제안 방법

  • 다분광 카메라는 통상 제조 시에 복사보정을 수행하여 복사보정계수 및 복사 보정 코드를 제공하지만, 이에 대한 독립적인 검증이 필요하다. 본 연구에서는 상호교정을 통해서 최근 그 활용도가 높아지고 있는 MicaSense사의 RedEdge-MX 카메라에 대한 복사정확도 검증 및 보정 계수를 산출한다.
  • 본 연구는 초분광센서인 TriOS RAMSES를 이용하여, 다 분광 카메라인 MicaSense사의 RedEdge-MX 카메라의 복사 정확도를 평가하고 RAMSES에 대한 보정 계수를 산출한다. 사용된 TriOS RAMSES는 미국 NIST (National Institute of Standards and Technology) 표준에 따라 교정된 센서로 해양 및 육상의 정량적 분석을 위해 폭넓게 활용되고 있는 센서이다 (Matthews, 2011, Garaba et al.
  • RedEdge-MX는 카메라 본체를 통해 영상형태의 복사휘도(Radiance)를 획득할 수 있고, 별도의 DLS-2 센서를 통해서는 복사 조도(Irradiance)를 획득할 수 있는데, 각각 총 5개의 분광밴드에 대한 측정치를 생산한다. 본 연구에서는 우선 5개 밴드에서의 복사휘도 및 복사 조도를 해당하는 RAMSES의 측정치와 비교하여 편차를 산출하고, 각 밴드에 대한 보정계수를 제시한다.
  • 복사휘도를 관측하는 RAMSES의 복사휘도 센서와 다분광 카메라는 지상에서 약 40 ~ 80cm 높이에 설치하였다. 그림자의 영향을 최소화하기 위하여 센서는 참조 패널을 기준으로 남쪽을 향하여 관측할 수 있게 설치하였다. 참조패널이 Lambertian특성을 가지고 있어 어느 각도로 관측하여도 이론적으로 같은 반사도를 가지고 있어, 카메라의 지지대의 그림자와 두 센서의 동시 관측이 용이하도록 임의의 각도(하방 30°)로 고정하여 관측을 수행하였다(Fig.
  • 그림자의 영향을 최소화하기 위하여 센서는 참조 패널을 기준으로 남쪽을 향하여 관측할 수 있게 설치하였다. 참조패널이 Lambertian특성을 가지고 있어 어느 각도로 관측하여도 이론적으로 같은 반사도를 가지고 있어, 카메라의 지지대의 그림자와 두 센서의 동시 관측이 용이하도록 임의의 각도(하방 30°)로 고정하여 관측을 수행하였다(Fig. 2(a)).
  • 하향복사조도를 관측하는 RAMSES의 복사조도 센서와 DLS-2는 상반구상에 방해물이 없도록 높은 위치(약 1.5m 높이)에 기포관 수평기를 이용하여 수평으로 설치하였다(Fig. 2(b)).
  • 관측은 2020년 11월 12일에 이루어졌고, 넓은 광량 범위에 대한 관측데이터를 얻기 위하여 태양고도가 최대인 12:00 부터 해질녘인 16:30까지 촬영하였다. 데이터는 10초 간격으로 취득하였는데, 관측 중간에 전원 문제로 약 15분 정도의 데이터가 누락되었다.
  • 두 센서는 시간 동기화가 되어 있지만, 촬영 시각에 약 1~2초의 차이가 발생하였다. RAMSES 데이터의 시간 기록을 기준으로 ±2초 내의 RedEdge-MX 데이터를 동시에 촬영된 자료로 간주하고 비교 분석하였다. 지금까지 기술한 복사휘도와 복사조도에 대한 보정계수 산출 절차는 아래 Fig.
  • (1)을 위한 각 계수들은 영상자료의 meta data에서 확인이 가능하다. 변환된 복사휘도 영상에서 참조패널에 해당되는 화소만 추출한 후 평균하여 복사휘도값을 계산하였다.
  • 두 그래프의 차이는, 우선 태양고도각 37°~30°구간의 기울기가 현저히 다르고, ′의 경우 태양 고도각 24°부근에서 비정상적인 단차가 발생한다는 점이다. 센서를 새로 가동시킨 후 약 80장의 영상을 촬영한 후에 정상적인 값으로 복원하였다. 태양고도각 12° 부근에서는 두 그래프 모두 갑작스러운 감소를 나타내는데, 이는 추후 서술하겠지만, 낮은 태양고도각으로 진입함에 따라 주변을 둘러싼 산, 건물 등에 의해 하향복사조도가 급격하게 차단된 결과로 보인다.
  • 다분광 센서의 복사보정식은 센서의 관측광량범위 내에서는 대체로 선형성을 가짐으로 (Iqbal et al., 2018, Cao et al., 2019, Guo et al., 2019), 전체 광량범위에 대한 보정의 경 우본 연구에서 도출된 1차선형식에 기반한 보정계수의 사용을 제안한다.
  • 결론적으로, RedEdge-MX에 대한 범용적인 보정 계수로 1 차회귀를 통해 획득한 아래의 보정계수의 사용을 제시한다. 본연구에서 시험되지 않은 광량범위 즉, 복사휘도의 경우 0.

대상 데이터

  • 참조패널의 반사도는 패널 내부에 명기되어 있는 수치를 직접 확인하거나, 표시되어 있는 QR코드를 인식하면 웹사이트를 통해 밴드별 반사도를 확인할 수 있다. 본 연구에서 사용된 패널의 반사도는 5개 밴드(475nm, 560nm, 668nm, 717nm, 840nm)에 대해 각각 54.3%, 54.3%, 54.2%, 54.1%, 53.8% 이다.

데이터처리

  • 본 연구는 다분광 센서 RedEdge-MX로 관측되는 복사 휘도와 복사조도를 초분광 센서인 TriOS RAMSES의 관측값과 비교 분석하였고, 1, 3차 회귀분석을 통해 RAMSES센서에 대한 RedEdge-MX의 상대 보정계수를 산출하였다. RedEdge-MX 의 복사량(복사휘도, 복사조도)은 RAMSES 관측치와 대체로선 형성을 가지고 있음이 확인되었지만, 밴드에 따라 1%에서 크게는 20% 가량 낮은 값을 가지는 것으로 나타났다.

이론/모형

  • 수평면에 대한 복사조도는 Cosine 기법(Teillet et al., 1982) 을 적용하여 아래와 같이 얻을 수 있다.
  • 센서 간의 미세한 관측시각 차이, 구름 이동 등으로 인한 순간적인 광환경의 변화, 센서의 위치차이로 인한 관측기하의 차이 등의 요인이 있고, 이러한 영향이 센서별로 차이가 클 경우 outher의 원인이 된다. 센서 간 정확도 비교 및 분석을 수행하기에 앞서, RANSAC (Random sample consensus) 기법을 이용하여 outher를 제거하였다. RANSAC 기법은 데이터 내에서 무작위의 샘플을 추출하여 모델을 생성한 후 모델의 잔차 이내의 점들 개수가 최대가 되는 모델을 선택하는 기법으로(Fischler and Bolles, 1981, Choi et al.
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참고문헌 (21)

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