[논문]초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 표준 분광라이브러리 구축 방안

권영화; 김동수; 유호준

doi:10.3741/jkwra.2020.53.10.845

초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 표준 분광라이브러리 구축 방안
A standardized procedure on building spectral library for hazardous chemicals mixed in river flow using hyperspectral image 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.10, 2020년, pp.845 - 859

권영화 (단국대학교 토목환경공학과) , 김동수 (단국대학교 토목환경공학과) , 유호준 (아이오와대학교)

초록
AI-Helper

최근 기후변화와 여름철 고온 등으로 인한 녹조현상, 사고발생으로 인한 화학물질 및 유류 유출 등 수질오염과 관련된 사회적 관심이 높아지고 있다. 수질오염 사례 중 화학사고로 인한 유해화학물질 유출은 인체에 접촉시 인체에 악영향을 끼치며, 대기·수질·토양을 오염시키고 주변 농작물의 변색이나 괴사를 유발하는 등 생태환경에 직접적인 피해가 발생한다. 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다. 화학사고 발생시 화학물질의 탐지는 간이접촉식탐지장비를 이용하거나 화학물질의 유출이 우려되는 곳에 검출센서를 설치해 사고를 감시하고 있다. 이러한 접촉식 센서는 현장인력에 의존적이고, 설치식 검출센서 또한 제한적으로 설치되어 미설치 지역에 대한 능동적 탐지가 어렵다는 한계가 있다. 한편 최근 초분광 영상을 활용하여 물질 고유의 분광특성을 분석함으로써 토지피복, 식생, 수질 등의 식별에 활용되고 있다. 따라서 초분광 센서를 활용한 화학물질 감지 가능성도 보여주고 있지만 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 수계로 유출되는 유해화학물질을 식별하기 위하여 접촉식 탐지 기술의 한계를 극복할 수 있는 원격탐사기법과 최신 센서기술을 활용하였다. 유해화학물질 18종을 대상으로 초분광 영상을 이용한 상호 구분이 가능한 지 확인하고자 해당 유해화학물질의 초분광 영상을 촬영하여 분광라이브러리를 구축하였다. 향후 연구를 통해 유해화학물질 분광라이브러리 데이터베이스를 확대하고, 하천 적용에 대한 검증을 실시한 후 실시간 모니터링에 적용할 경우 신속한 화학사고 발생여부 감지 및 대응에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Climate change and recent heat waves have drawn public attention toward other environmental issues, such as water pollution in the form of algal blooms, chemical leaks, and oil spills. Water pollution by the leakage of chemicals may severely affect human health as well as contaminate the air, water, and soil and cause discoloration or death of crops that come in contact with these chemicals. Chemicals that may spill into water streams are often colorless and water-soluble, which makes it difficult to determine whether the water is polluted using the naked eye. When a chemical spill occurs, it is usually detected through a simple contact detection device by installing sensors at locations where leakage is likely to occur. The drawback with the approach using contact detection sensors is that it relies heavily on the skill of field workers. Moreover, these sensors are installed at a limited number of locations, so spill detection is not possible in areas where they are not installed. Recently hyperspectral images have been used to identify land cover and vegetation and to determine water quality by analyzing the inherent spectral characteristics of these materials. While hyperspectral sensors can potentially be used to detect chemical substances, there is currently a lack of research on the detection of chemicals in water streams using hyperspectral sensors. Therefore, this study utilized remote sensing techniques and the latest sensor technology to overcome the limitations of contact detection technology in detecting the leakage of hazardous chemical into aquatic systems. In this study, we aimed to determine whether 18 types of hazardous chemicals could be individually classified using hyperspectral image. To this end, we obtained hyperspectral images of each chemical to establish a spectral library. We expect that future studies will expand the spectral library database for hazardous chemicals and that verification of its application in water streams will be conducted so that it can be applied to real-time monitoring to facilitate rapid detection and response when a chemical spill has occurred.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Preparation of hazardous chemicals
표 Table 1. Hazardous chemicals used to build spectral library in this study
그림 Fig. 2. Hyperspectral imaging equipment and acquired hyperspectral image
그림 Fig. 3. Irradiance, Radiance, Reflectance
그림 Fig. 4. Example of spectral extraction and extracted spectral spectrum
그림 Fig. 5. Derivation of radiometric calibration equation of hyperspectral image using reflectance tarps
표 Table 2. Equation of radiometric calibration for each wavelength using reflectance tarps
그림 Fig. 6. Spectral spectrum extraction
그림 Fig. 7. Separation of the reflectance of hazardous chemicals in the mixture
그림 Fig. 8. Example of outlier removal (Bromine)
표 Table 3. Criteria for removing outliers (Bromine)
그림 Fig. 9. Example applying Super Smoother (Bromine)
그림 Fig. 10. Spectral spectrum before and after vector normalization (Hydrogen fluoride)
그림 Fig. 11. Spectral library of 18 hazardous chemicals

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분광자료를 수집하는 장비에는 어떤 것들이 있는가?	분광자료를 수집하는 장비에는 분광계(Spectrometer), 분광복사계(Spectroradiometer), 초분광 센서(Hyperspectral Sensor)가 있다. 분광계는 실내에서 특정 광원을 발생시켜샘플에 직접 투과하여 측정하는 Active 방식이며, 분광복사계는 물체가 자연광(태양)을 흡수 한 후 반사하는 빛의 정보를 수집하는 Passive 방식의 장비이다.
	분광계는 어떤 방식인가?	분광자료를 수집하는 장비에는 분광계(Spectrometer), 분광복사계(Spectroradiometer), 초분광 센서(Hyperspectral Sensor)가 있다. 분광계는 실내에서 특정 광원을 발생시켜샘플에 직접 투과하여 측정하는 Active 방식이며, 분광복사계는 물체가 자연광(태양)을 흡수 한 후 반사하는 빛의 정보를 수집하는 Passive 방식의 장비이다. 분광계와 분광복사계는 일반적으로 주사되는 분광신호를 시간평균하여 1회 촬영시 1개의 분광정보를 제공한다.
	화학사고로 인한 유해화학물질 유출에 대해 전문적인 대응이 요구되는 이유는 무엇인가?	그 중 화학사고로 인한 유해화학물질 유출은 접촉시 인체에 악영향을 끼치며, 대기·수질·토양을 오염시키고 주변 농작물의 변색이나 괴사를 유발하는 등 다양하고 복합적인 피해가 발생한다(You and Chung, 2014). 초기대응이 미흡한 경우 치명적인 환경재난으로 확대되기 때문에 발생 시 적절한 조치와 대응이 필요하며 피해복구에 전문적인 대응이 요구된다. 특히 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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