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보고서발간 번호BS
PE99 571- 1171 6-2
원격 반사 도 측정 을 위한
수상 복사 계 드론
개발
한국 해양 과학 기술 원
BSPE99571-11716-2
원격반사도 측정을 위한 수상복사계 드론 개발
Developing an above-water radiometer drone for measuring
remote sensing reflectance
2018.01.10
한 국 해 양 과 학 기 술 원
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제 출 문
한국해양과학기술원장 귀하
본 보고서를 “원격반사도 측정을 위한 수상복사계 드론 개발”과제의 최종보고서로 제출합 니다.
2018. 1. 10
총괄연구책임자 : 김 원 국 참 여 연 구 원 : 김 원 국
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보고서 초록
과제고유 번호
해당단계 연구기간
2017. 03. 01 -
12. 31 단계 구분
연구사업명 중사업명 기관 주요사업
세부사업명 창의연구사업
연구과제명 대과제명
세부과제명 원격반사도 측정을 위한 수상복사계 드론 개발
연구책임자 김원국
해당단계 참여연구원수
총 : 명
내부: 명
외부: 명
해당단계 연구비
정부: 천원
기업: 천원
계 : 천원
총연구기간 참여연구원수
총 : 1 명 내부: 1 명 외부: 0 명
총 연구비
정부: 50,000 천원
기업: 천원
계 : 천원
연구기관명 및 소속부서명
해양위성센터 참여기업명
국제공동연구 위탁연구
요약 보고서
면수 17
○ 수질 변수 관측을 위한 수상복사계 드론 설계
- 광학센서를 이용한 원격 수질 관측을 위한 드론 설계 - 해수반사도 추정을 위한 자율 구동 광학계 설계 - 적정 관측 기하를 만족시키는 센서-드론 접합부 설계
○ 수상복사계 드론의 시제품 제작
- 초분광 광학 센서를 상정한 수상복사계 드론 제작 - 짐볼을 이용한 내진 설계 및 제작
- 자료처리 시스템의 탑재
○ 드론 제어 및 송수신을 위한 지상국 제작 - 배터리 팩 저장공간 및 실시간 모니터 화면 - 수동 조정 장치 및 자료 확인 기능
- 비행 임무 설정 및 송수신 기능 구현 색인어
(각 5개 이상)
한 글 원격탐사, 드론, 수질, 초분광, 복사계, 반사도
영 어 remote sensing, drone, water quality, hyperspectral, radiometer, reflectance
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요 약 문
본 과제에서는 광학 센서를 이용하여 원격 수질 추정을 위한 드론을 설계하고 시제품을 제작하는 연구를 수행하였다. 가시광 및 근적외선 대역의 복사량을 측정할 수 있는 초분 광 센서를 탑재하여 수질을 추정하기 위해서 초분광 센서를 탑재하여 수질 추정에 필요 한 특정한 관측기하를 만족할 수 있는 드론을 설계하였다. 수질 추정을 위해서는 해수, 대기, 하향복사조도의 3개 복사량을 측정하여 “원격탐사 반사도”를 구해야하는데, 위 3개 의 복사량 측정을 위해서는 드론의 자세와 관계없이 특정 관측 기하를 만족시켜야한다.
이를 위해 관측기하 조정부에서는 태양의 위치에 대하여 상대적인 자세를 조정함으로써 적정 관측기하를 유지할 수 있는 구동부를 설계 제작하였고, 초분광 센서를 부착하여 운 영하였다. 또한, 드론으로부터의 자료를 실시간으로 확인하고, 드론을 제어하기 위한 지 상국을 설계 및 제작하였다.
Ⅰ. 제 목
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
Ⅳ. 연구개발결과
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
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S U M M A R Y 및 KEYWORDS
This study aims to design and build a drone system that allows remote monitoring of water quality using optical sensors. The drone can be equipped with hyperspectral sensors according to a due observation geometry to measure radiometry over the wavelength range of visible light and near-infrared. For water quality estimation, three radiometric variables of sea water, atmosphere, and downward irradiance need to be measured, which then sums to "remote sensing reflectance" over the water surface. To maintain the due observation geometry, the geometry control part was designed and constructed using motors and sun light sensors that adjust sensors according to the sun direction. A ground system was also designed and constructed to monitor real-time images from the drone and to control the flight paths of the drone.
KEYWORDS : 원격탐사, 드론, 수질, 초분광, 복사계, 반사도 (remote sensing, drone, water quality, hyperspectral, radiometer, reflectance)
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C O N T E N T S
Ⅰ. Title
Ⅱ. Objective and Importance of the Study
Ⅲ. Subject and Scope of the Study
Ⅳ. Results of the Study
Ⅴ. Future Plan
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목 차
제 1 장 서론
제 2 장 국내외 기술개발 현황
제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과
제 4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도
제 5 장 연구개발결과의 활용계획
제1장 연구개발과제의 개요
○ 기존 현장관측의 한계
- 주로 고정점 관측이나 선박 조사시 수상복사계를 휴대하여 관측 수행 - 고정점 관측은 별도의 tower나 기지가 필요
-> 위치 선정에 큰 제약
-> 원하는 위치에 조사가 불가능
-> 고정 관측소에 설치된 장비에 대해 정기적인 교정 및 관리 필요 - 선박 조사시 관측
-> 선박조사는 선박 임차 및 조사 인원을 미리 계획해야함 -> 고비용에 비해 이동 속도에 제약
-> 기상상황에 많은 제약
-> 단, 대형조사선의 경우 먼바다에 장기간 체류하면서 관측할 수 있다는 장점
○ 드론을 이용한 현장관측의 필요성
1. 연안역에 돌발적으로 발생하는 현상의 경우 즉각적인 관측이 필요 (적조, 부유 조류 유입, 유류 유출 등)
2. 수심 및 양식장, 그물 등으로 인해 출입이 어려운 연안 해역에서 관측이 가능
3. 영상형태로 자료를 취득하여 선박에 비하여 비교적 빠른 속도로 넓은 영역을 관측함으로써 분석현상의 공간적 분포 파악 가능
4. 관측자료를 즉시 분석하여 현업 담당자의 의사결정을 신속하게 지원함
<그림 1> 위성 및 현장 사진을 이용하여 관측한 해양 위해요소 (좌) 괭생이 모자만, (중) 적조, (우) 기름유출
○ 연구개발 대상 제품의 개요
- 수상 복사계 드론 (above-water radiometer drone, 이하 AWR 드론)
- 초분광 센서를 탑재하여 수출광량 (water-leaving radiance), 하늘광량(sky radiance),
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하향 복사 조도 (downward irradiance)를 측정할 수 있는 수상 복사계 시스템을 드론에 구현함이 목적
- 상기 3 복사량을 측정시 해수로부터의 원격반사도 (remote sensing reflectance)를 계 산할 수 있음
<그림 2> 수상 복사계 드론의 개념
○ 핵심기술
- 초분광 센서를 탑재하기 위한 광학장착부의 디자인 및 개발
: 광학 측정을 상공에서 일정한 자세와 방향을 유지하면서 드론 기체의 광학적 물리적 인 간섭없이 측정할 수 있는 광학장착부의 디자인과 제어기술이 필요
- 광학부의 드론 탑재를 위한 측정부 및 자료 저장부의 경량화 필요
○ AWR 드론의 활용 분야
- 초분광 수상복사계를 원하는 시기에 원하는 장소로 운영이 가능해짐에 따라 선박의 가용여부에 상관없이 연안의 즉각적인 관측이 필요한 해양 현상 (적조 발생, 저염분수 유 입 등)을 즉시에 관측할 수 있음
- 해양위성자료의 검보정 및 알고리즘 검증에 이용할 수 있음
제2장 국내외 기술개발 현황
○ 해수 원격반사도
- 해수 원격반사도 (remote sensing reflectance; Rrs)
- 해수내 구성성분의 흡광 (absorption) 및 산란 (scattering) 성질과 각 구성성분의 수직 분포에 의해 결정
- 원격반사도를 통해 엽록소 농도, 부유물 농도, 용존유기물 농도 등의 해 수 구성 성분을 역추정할 수 있음
- 주로 초분광 (hyperspectral) 자료의 형태로 획득
<그림 2> 해수 구성성분에 따라 달라지는 바닷물의 색깔
○ 현장 원격반사도의 측정
- 수상 복사계 (above-water radiometer)를 이용하여 3 복사량 측정해야함 - Lsky : 하늘 복사휘도 (sky radiance)
- LwT : 해수 복사휘도 (water radiance) - Ed : 하향복사조도 (downward irradiance)
<그림 3> 원격반사도 계산을 위한 3가지 복사량 측정 모식도
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제3장 연구개발수행 내용 및 결과
○ 수상복사계 드론 (AWR 드론)의 설계와 시작품 제작 - 수상복사계를 탑재하여 운영할 수 있는 드론의 개발
○ 개발 내용
- 광학 장착부의 설계 : 드론 기체의 진동 및 회정익 위치에 간섭받지 않는 경량 의 광학부 설계
- 관측기하 조정부의 설계 : 비행시에서도 AWR의 표준 관측 프로토콜을 준수할 수 있도록 설계
- 광학부 자세제어 및 비행모드 제어 소프트웨어 개발 - 드론 망실시 회수장치 설계
- AWR 드론의 시험 운영 가. 광학장착부의 설계
○ 수상 복사계의 관측 기하각을 고려 - 하늘 복사휘도 (sky radiance)
- 하늘 방향 천정각 (zenith angle) 40도 (2) 해수 복사휘도 (water radiance)
- 방향 천정각 (zenith angle) 40도 (3) 하향 복사휘도 (downward irradiance)
- 천정방향
<그림 4> 3종 복사량 측정에 대한 기하각 설명
○ 수상 복사계의 경량화 및 저장, 수신장치 설계 - 비행시간 최대화를 위한 광학부 경량화
- 데이터 로거 및 전자회로 구성 - 밧데리 최적화 및 전압 변환
<그림 5> 드론 탑재 광학계를 위한 시스템 구성도 나. 관측기하 조정부의 설계
○ 태양방향 감지부의 설계
반구형 광센서 배열을 이용한 태양방향 감지
○ 수평 조정 장치 설계
짐볼 (gimbal)을 이용한 수평 유지장치
○ 능동 주향 장치 설계
드론의 이동방향과 상관없이 원하는 방향을 주향할 수 있도록 제어하는 장치 설계 다. 수질관측 드론 시제품(프로토타입) 제작
○ 초분광 센서(TriOS)를 탑재한 쿼드콥터 형태의 드론 시제품 제작
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<그림 6> 초분광 센서를 장착한 수질 관측용 드론 프로토타입
<그림 7> 추락시 침수 방지를 위한 스티로폼 안전장치
라. 지상국 설계 및 제작
<그림 8> 드론 제어 및 모니터링을 위한 지상국 설계도
<그림 9> 지상국 내장부 설계도
<그림 10> 제작된 지상국 시스템
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<그림 11> 수질관측 드론 시험 비행 모습 마. 관련 특허 출원 완료
- 발명명 : 드론형 수질감지장치
- 영문명 : Devices for sensing remote water quality based on drones - 발명자 : 김원국, 정성훈
- 출원번호 : 10-2018-0003984 - 출원일자 : 2018.01.11.
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도
가. 목표달성도
○ 목표하였던 각 파트의 설계 및 시제품 제작을 완료하였고, 수질관측 드론 시제 품을 제작 완료하였음
- 비행 시간 10분 충족 - 연안 비행 5 km 달성 - 요구 관측기하 충족함 나. 관련분야 기여도
- 수산 양식업 어가에 적조, 모자반 등의 부유성 오염물질 접근을 조기에 탐지하 고, 대응을 수립할 수 있게 함.
- 해양 뿐만 아니라 하천에 발생하는 수질 이상 현상 (녹조 등)을 조기에 탐지하 고 그 공간적 분포를 즉각적으로 파악할 수 있는 관측 플랫폼
- 보다 더 광역의 관측을 수행하는 항공기 또는 위성으로부터의 자료와 비교 분 석함으로써 상호 품질 향상이 가능
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제5장 연구개발결과의 활용계획
○ 적조, 녹조, 모자반 등 즉각적인 관측이 필요한 해양현상 관측에 활용
○ 연안 해양 환경 변수의 원격추정 (엽록소 농도, 부유물 농도 등)
○ 해색 위성 (GOCI, GOCI-II, MODIS, VIIRS 등)의 자료 검보정에 활용 가능
○ 연안 해양 쓰레기의 탐지 및 선박 탐지에도 활용이 가능
편집순서 9
뒷 면
주 의
1. 이 보고서는 한국해양과학기술원에서 수행한 주요사업의 연구결과보 고서입니다.
2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 한국해양과학기술원에서 수 행한 주요사업의 연구결과임을 밝혀야 합니다.
3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는 공개하여서는 안됩니다.
