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Derivation of Surface Temperature from KOMPSAT-3A Mid-wave Infrared Data Using a Radiative Transfer Model

Yongseung Kim
  • : 대한원격탐사학회
  • : 대한원격탐사학회지 38권4호
  • : 연속간행물
  • : 2022년 08월
  • : 343-353(11pages)
대한원격탐사학회지

DOI


목차

1. Introduction
2. Methods and Data
3. Results and Discussion
4. Conclusions
Acknowledgements
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An attempt to derive the surface temperature from the Korea Multi-purpose Satellite (KOMPSAT)-3A mid-wave infrared (MWIR) data acquired over the southern California on Nov. 14, 2015 has been made using the MODerate resolution atmospheric TRANsmission (MODTRAN) radiative transfer model. Since after the successful launch on March 25, 2015, the KOMPSAT-3A spacecraft and its two payload instruments ― the high-resolution multispectral optical sensor and the scanner infrared imaging system (SIIS) ― continue to operate properly. SIIS uses the MWIR spectral band of 3.3-5.2 μm for data acquisition. As input data for the realistic simulation of the KOMPSAT-3A SIIS imaging conditions in the MODTRAN model, we used the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) atmospheric profiles, the KOMPSAT-3A sensor response function, the solar and line-of-sight geometry, and the University of Wisconsin emissivity database. The land cover type of the study area includes water, sand, and agricultural (vegetated) land located in the southern California. Results of surface temperature showed the reasonable geographical pattern over water, sand, and agricultural land. It is however worthwhile to note that the surface temperature pattern does not resemble the top-of-atmosphere (TOA) radiance counterpart. This is because MWIR TOA radiances consist of both shortwave (0.2-5 μm) and longwave (5-50 μm) components and the surface temperature depends solely upon the surface emitted radiance of longwave components. We found in our case that the shortwave surface reflection primarily causes the difference of geographical pattern between surface temperature and TOA radiance. Validation of the surface temperature for this study is practically difficult to perform due to the lack of ground truth data. We therefore made simple comparisons with two datasets over Salton Sea: National Aeronautics and Space Administration (NASA) Jet Propulsion Laboratory (JPL) field data and Salton Sea data. The current estimate differs with these datasets by 2.2 K and 1.4 K, respectively, though it seems not possible to quantify factors causing such differences.

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  • : 자연과학분야  > 기타(자연과학)
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38권5호(2022년 10월) 수록논문
최근 권호 논문
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1습지대 변화 관측을 위한 ALOS-2 광대역 모드 적용 연구

저자 : 홍상훈 ( Sang-hoon Hong ) , Shimon Wdowinski

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 447-460 (14 pages)

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인공위성 영상레이더 위상간섭기법은 널리 활용되고 있는 원격탐사 기술로서 지진, 화산, 지반침하 등으로부터 발생한 단단한 지각 표면의 변위를 매우 정밀하게 주기적으로 관측할 수 있는 연구 활용분야의 한 종류이다. 습지대 환경처럼 수상 표면에 식생이 존재하는 경우에는 지표면과 동일한 방법을 적용하여 넓은 지역에 대한 높은 공간해상도의 수위 변화 지도 제작이 가능하다. 현재 다양한 파장 대역의 인공위성 영상레이더 시스템이 운용 중에 있으며 여기에는 넓은 지역에 대한 영상을 효과적으로 획득할 수 있는 광역 관측 ScanSAR 모드를 제공하는 위성도 다수 포함되어 있다. 본 논문의 연구 지역인 콜롬비아 북부의 Ciénaga Grande de Santa Marta (CGSM) 습지대는 카리브 해안을 따라 고지대에 위치한 광대한 습지 지역이다. CGSM 습지대는 해수면 상승과 기후 변화와 같은 자연적인 원인 뿐만 아니라 20세기 후반부터 시작된 농업개발 및 도시확장 등의 다양한 인간 활동으로 인한 심각한 환경적 위협을 받고 있다. 최근 해당 습지 지역에 대한 생태학적 중요성이 대두되면서 해당 습지를 보호하고 복원하기 위한 다양한 계획이 진행 중에 있다. 주기적인 습지대 환경 모니터링에 있어 수위 변화 관측은 매우 중요한 자료를 제공하며 일반적으로 수위계와 같은 현장관측 자료 등에 의존하는 경우가 많다. 수위계의 경우 시간적으로 연속적인 자료 관측이 가능하지만 공간적 분포를 이해하기에는 어려운 경우가 많다. 본 연구에서는 현장 관측의 공간적 해상도의 부족함을 보완하기 위한 L-밴드 ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR 광역 관측 모드 자료의 영상레이더 위상간섭기법 습지대 수위 변화 관측 활용 가능성에 대해 평가하고자 한다. 광역 관측 모드의 공간해상도 및 위상간섭도 품질 비교를 위해 ALOS-2 PALSAR-2 stripmap 고해상 모드와 함께 분석하였다.


It is well known that satellite synthetic aperture radar interferometry (InSAR) has been widely used for the observation of surface displacement owing to earthquakes, volcanoes, and subsidence very precisely. In wetlands where vegetation exists on the surface of the water, it is possible to create a water level change map with high spatial resolution over a wide area using the InSAR technique. Currently, a number of imaging radar satellites are in operation, and most of them support a ScanSAR mode observation to gather information over a large area at once. The Cienaga Grande de Santa Marta (CGSM) wetland, located in northern Colombia, is a vast wetland developed along the Caribbean coast. The CGSM wetlands face serious environmental threats from human activities such as reclamation for agricultural uses and residential purposes as well as natural causes such as sea level rise owing to climate change. Various restoration and protection plans have been conducted to conserve these invaluable environments in recognition of the ecological importance of the CGSM wetlands. Monitoring of water level changes in wetland is very important resources to understand the hydrologic characteristics and the in-situ water level gauge stations are usually utilized to measure the water level. Although it can provide very good temporal resolution of water level information, it is limited to fully understand flow pattern owing to its very coarse spatial resolution. In this study, we evaluate the L-band ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR mode to observe the water level change over the wide wetland area using the radar interferometric technique. In order to assess the quality of the interferometric product in the aspect of spatial resolution and coherence, we also utilized ALOS-2 PALSAR-2 stripmap high-resolution mode observations.

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2시계열 토지피복도 제작을 위한 준감독학습 기반의 훈련자료 자동 추출

저자 : 곽근호 ( Geun-ho Kwak ) , 박노욱 ( No-wook Park )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 461-469 (9 pages)

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이 연구에서는 시계열 토지피복도를 제작하기 위해 분석자 개입 없이 준감독학습 기반 분류를 이용하는 새로운 훈련자료 추출 기법을 제안하였다. 준감독학습 기반 훈련자료 추출 기법은 먼저 분류 대상 영상과 유사한 토지피복 특성을 포함하는 과거 영상으로부터 획득한 초기 훈련자료를 이용하여 초기 분류를 수행한다. 이후, 분류의 불확실성 정보와 인접 화소의 분류 항목을 제약 조건으로 이용하는 준감독학습 기반 반복 분류를 이용하여 초기 분류 결과로부터 신뢰할 수 있는 훈련자료를 추출한다. 준감독학습 기반 훈련자료 추출 기법의 적용 가능성은 농경지에서 unmanned aerial vehicle 영상을 이용하는 분류 실험을 통해 평가되었다. 제안한 준감독학습 기반 훈련자료 추출 기법에 의해 자동으로 추출된 새로운 훈련자료를 이용하는 것은 초기 분류 결과에서 나타난 오분류를 두드러지게 완화할 수 있었다. 특히, 인접 화소의 공간 문맥 정보를 고려함으로써 고립된 화소가 크게 감소하였다. 결과적으로, 제안 기법의 분류 정확도는 수동으로 추출한 훈련자료를 이용하는 분류 정확도와 유사하였다. 이러한 결과는 이 연구에서 제시한 준감독학습 기반 반복 분류가 시계열 토지피복도를 제작하기 위해 신뢰할 수 있는 훈련자료를 자동으로 추출하는데 효과적으로 적용될 수 있음을 나타낸다.


This paper presents a novel training data extraction approach using semi-supervised learning (SSL)-based classification without the analyst intervention for time-series land-cover mapping. The SSL-based approach first performs initial classification using initial training data obtained from past images including land-cover characteristics similar to the image to be classified. Reliable training data from the initial classification result are then extracted from SSL-based iterative classification using classification uncertainty information and class labels of neighboring pixels as constraints. The potential of the SSL-based training data extraction approach was evaluated from a classification experiment using unmanned aerial vehicle images in croplands. The use of new training data automatically extracted by the proposed SSL approach could significantly alleviate the misclassification in the initial classification result. In particular, isolated pixels were substantially reduced by considering spatial contextual information from adjacent pixels. Consequently, the classification accuracy of the proposed approach was similar to that of classification using manually extracted training data. These results indicate that the SSL-based iterative classification presented in this study could be effectively applied to automatically extract reliable training data for time-series land-cover mapping.

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3전산유체역학 모델을 활용한 여름철 종관기상관측소의 기온과 바람 관측 환경 평가

저자 : 강정은 ( Jung-eun Kang ) , 노주환 ( Ju-hwan Rho ) , 김재진 ( Jae-jin Kim )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 471-484 (14 pages)

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본 연구는 전산유체역학 모델을 이용하여 기상청에서 운용하는 종관기상관측소(automated synoptic observing system, ASOS) 10개 지점을 대상으로 ASOS 주변 지형과 건물이 기온과 바람(풍속, 풍향) 관측 환경에 미치는 영향을 분석하였다. ASOS에서 최근 10년간 8월의 관측 자료를 기반으로 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 모델의 초기·경계 자료를 구축하였다. 실제 토지 피복을 고려한 경우와 모든 피복을 초지로 가정한 경우에 대해, 관측 고도에서 초기 기온 대비 기온 변화율을 비교함으로써 기온 관측 환경을 분석하였다. 기온 관측 환경은 관측 지점 주위의 토지 피복에 의한 영향을 많이 받았다. ASOS 주변에 지표면 온도가 높은 건물과 도로가 밀집한 경우에 기온 변화율이 크게 나타났다. 반면, 모든 토지 피복을 초지로 가정한 경우에는 초기 기온 대비 기온 변화율이 작았다. 실제 토지 피복을 고려하여 관측 고도의 유입류 대비 풍속 변화율과 풍향 변화를 비교함으로써 풍속과 풍향 관측 환경을 분석하였다. 풍속과 풍향은 ASOS 주변에 관측 고도보다 높거나 비슷한 높이의 지형과 건물 영향을 크게 받았으며, 원거리에 위치한 장애물에 의한 영향도 나타났다. 본 연구 결과는 종관기상관측소의 이전과 신설 단계에서 관측 환경 평가에 활용될 것이다.


This study examined the effects of topography and buildings around the automated synoptic observing system (ASOS) on the observation environment of air temperatures and wind speeds and directions using a computational fluid dynamics (CFD) model. For this, we selected 10 ASOSs operated by the Korea Meteorological Administration. Based on the data observed at the ASOSs in August during the recent ten years, we established the initial and boundary conditions of the CFD model. We analyzed the temperature observation environment by comparing the temperature change ratios in the case considering the actual land-cover types with those assuming all land-cover types as grassland. The land-cover types around the ASOSs significantly affected the air temperature observation environment. The temperature change ratios were large at the ASOSs around which buildings and roads were dense. On the other hand, when all land covers were assumed as grassland, the temperature change ratios were small. Wind speeds and directions at the ASOSs were also significantly influenced by topography and buildings when their heights were higher or similar to the observation heights. Obstacles even located at a long distance affected the wind observation environments. The results in this study would be utilized for evaluating ASOS observation environments in the relocating or newly organizing steps.

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4RapidEye 영상정보의 지표반사도 생성을 위한 OTB Extension 개발과 정확도 검증 실험

저자 : 김광섭 ( Kwangseob Kim ) , 이기원 ( Kiwon Lee )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 485-496 (12 pages)

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이 연구에서 RapidEye 위성영상 대기 및 지표반사도 산출물을 생성하는 소프트웨어를 구현하였다. 이 소프트웨어는 절대대기보정 알고리즘을 채택하고 있는 오픈소스 원격탐사 소프트웨어 Orfeo Toolbox (OTB) 기반 Extension이다. 소프트웨어 성능을 확인하기 위하여 구현 결과인 산출물 정확도는 Radiometric Calibration Network (RadCalNet) 사이트의 데이터와 해당 위치에 촬영된 RapidEye 영상을 사용하여 검증하고자 하였다. 또한 거의 같은 일자에 같은 지역을 촬영한 KOMPSAT-3A 영상으로부터 생성한 지표반사도와 Landsat Analysis Ready Data (ARD) 제품 중 하나인 지표반사도 자료도 함께 비교하였다. 이 외에도 같은 영상에 대하여 상업 도구에서 지원하는 QUick Atmospheric Correction (QUAC)와 Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes (FLAASH) 도구를 적용한 처리 결과와 직접 비교 연구를 수행하였다. RadCalNet 자료에 대비하여 KOMPSAT 지표반사도와 마찬가지로 이 Extension에서 얻은 결과는 5% 이내 일치 수준의 정확도를 나타내었고 QUAC와 FLAASH를 이용한 결과에 비하여 모든 밴드 영상에서 상대적으로 우수한 정확도를 보이는 것으로 나타났다. 농업, 산림이나 환경 분야에서 Red-Edge 밴드의 중요성이 강조되고 있기 때문에 이 소프트웨어를 이용하여 산출되는 RapidEye 영상의 지표반사도 활용도 증가할 것으로 기대한다.


This study is for the software implementation to generate atmospheric and surface reflectance products from RapidEye satellite imagery. The software is an extension based on Orfeo Toolbox (OTB) and an open-source remote sensing software including calibration modules which use an absolute atmospheric correction algorithm. In order to verify the performance of the program, the accuracy of the product was validated by a test image on the Radiometric Calibration Network (RadCalNet) site. In addition, the accuracy of the surface reflectance product generated from the KOMPSAT-3A image, the surface reflectance of Landsat Analysis Ready Data (ARD) of the same site, and near acquisition date were compared with RapidEye-based one. At the same time, a comparative study was carried out with the processing results using QUick Atmospheric Correction (QUAC) and Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes (FLAASH) tool supported by a commercial tool for the same image. Similar to the KOMPSAT-3A-based surface reflectance product, the results obtained from RapidEye Extension showed accuracy of agreement level within 5%, compared with RadCalNet data. They also showed better accuracy in all band images than the results using QUAC or FLAASH tool. As the importance of the Red-Edge band in agriculture, forests, and the environment applications is being emphasized, it is expected that the utilization of the surface reflectance products of RapidEye images produced using this program will also increase.

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5농업용 저수지 모니터링을 위한 다해상도 SAR 영상의 활용

저자 : 이슬찬 ( Seulchan Lee ) , 정재환 ( Jaehwan Jeong ) , 오승철 ( Seungcheol Oh ) , 정하규 ( Hagyu Jeong ) , 최민하 ( Minha Choi )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 497-510 (14 pages)

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농업용 저수지는 수자원이 계절적으로 편중된 한반도에서 갈수기 용수 공급을 위한 필수적인 구조물이다. 효율적인 물 관리를 위해서는 중소규모 저수지에 대한 체계적이고 효과적인 모니터링이 필요하며, 합성개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR) 영상은 전천후 관측이 가능하다는 특징과 함께 연속적인 저수지 모니터링을 위한 도구가 된다. 본 연구에서는 10 m급 해상도를 갖는 Sentinel-1 SAR 영상과 1 m급 해상도의 Capella XSAR 영상을 활용하여 울산광역시 차리, 갈전, 뒷골 저수지의 수체를 탐지하였으며, 이를 통해 국내 중소규모 저수지 모니터링에의 활용성을 평가하고자 하였다. Z fuzzy function 기반 임계값 산정을 통한 영상분할기법과 객체 탐지 기반 분할기법인 Chan-vese (CV) 기법을 통해 수체 영역을 산정하였으며, UAV 영상과의 비교를 통해 성능을 정량적으로 평가하였다. 임계값 기반 탐지 정확도는 Sentinel-1의 경우 약 0.87, 0.89, 0.77 (차리, 갈전, 뒷골), Capella의 경우 약 0.78, 0.72, 0.81로 나타났으며, CV 기법 적용 시 모든 저수지에서 정확도가 향상되는 것을 확인하였다(Sentinel-1: 0.94, 0.89, 0.84, Capella: 0.92, 0.89, 0.93). Capella는 모든 저수지/분할기법에 대해 수체와 비수체의 경계를 비교적 뚜렷하게 모의하였으나, 고해상도로 인한 speckle noise가 충분히 평활화되지 않아 오탐지 및 미탐지가 다소 발생하였다. 오탐지의 제거를 위해 광학 센서 기반 보조자료를 활용하여 마스킹한 결과, 정확도가 최대 13% 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 바탕으로 SAR 위성 기반 더욱 정확한 저수지 탐지가 이루어진다면 소규모 저수지를 포함, 종합적인 가용수량에 대한 연속적인 모니터링이 가능할 것이며, 효과적인 수자원 관리에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


Agricultural reservoirs are essential structures for water supplies during dry period in the Korean peninsula, where water resources are temporally unequally distributed. For efficient water management, systematic and effective monitoring of medium-small reservoirs is required. Synthetic Aperture Radar (SAR) provides a way for continuous monitoring of those, with its capability of all-weather observation. This study aims to evaluate the applicability of SAR in monitoring medium-small reservoirs using Sentinel-1 (10 m resolution) and Capella X-SAR (1 m resolution), at Chari (CR), Galjeon (GJ), Dwitgol (DG) reservoirs located in Ulsan, Korea. Water detected results applying Z fuzzy function-based threshold (Z-thresh) and Chan-vese (CV), an object detection-based segmentation algorithm, are quantitatively evaluated using UAV-detected water boundary (UWB). Accuracy metrics from Z-thresh were 0.87, 0.89, 0.77 (at CR, GJ, DG, respectively) using Sentinel-1 and 0.78, 0.72, 0.81 using Capella, and improvements were observed when CV was applied (Sentinel-1: 0.94, 0.89, 0.84, Capella: 0.92, 0.89, 0.93). Boundaries of the waterbody detected from Capella agreed relatively well with UWB; however, false- and un-detections occurred from speckle noises, due to its high resolution. When masked with optical sensor-based supplementary images, improvements up to 13% were observed. More effective water resource management is expected to be possible with continuous monitoring of available water quantity, when more accurate and precise SAR-based water detection technique is developed.

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6DeepLabV3+를 이용한 이종 센서의 구름탐지 기법 연구

저자 : 김미정 ( Mi-jeong Kim ) , 고윤호 ( Yun-ho Ko )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 511-521 (11 pages)

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위성영상에서의 구름 탐지 및 제거는 지형관측과 분석을 위해 필수적인 과정이다. 임계값 기반의 구름 탐지 기법은 구름의 물리적인 특성을 이용하여 탐지하므로 안정적인 성능을 보여주지만, 긴 연산시간과 모든 채널의 영상 및 메타데이터가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 최근 활발히 연구되고 있는 딥러닝을 활용한 구름탐지 기법은 4개 이하의 채널(RGB, NIR) 영상만을 활용하고도 짧은 연산시간과 우수한 성능을 보여주고 있다. 본 논문에서는 해상도가 다른 이종 데이터 셋을 활용하여 학습데이터 셋에 따른 딥러닝 네트워크 성능 의존도를 확인하였다. 이를 위해 DeepLabV3+ 네트워크를 구름탐지의 채널 별 특징이 추출되도록 개선하고 공개된 두 이종 데이터 셋과 혼합 데이터로 각각 학습하였다. 실험결과 테스트 영상과 다른 종류의 영상으로만 학습한 네트워크에서는 낮은 Jaccard 지표를 보여주었다. 그러나 테스트 데이터와 동종의 데이터를 일부 추가한 혼합 데이터로 학습한 네트워크는 높은 Jaccard 지표를 나타내었다. 구름은 사물과 달리 형태가 구조화 되어 있지 않아 공간적인 특성보다 채널 별 특성을 학습에 반영하는 것이 구름 탐지에 효과적이므로 위성 센서의 채널 별 특징을 학습하는 것이 필요하기 때문이다. 본 연구를 통해 해상도가 다른 이종 센서의 구름탐지는 학습 데이터 셋에 매우 의존적임을 확인하였다.


Cloud detection and removal from satellite images is an essential process for topographic observation and analysis. Threshold-based cloud detection techniques show stable performance because they detect using the physical characteristics of clouds, but they have the disadvantage of requiring all channels' images and long computational time. Cloud detection techniques using deep learning, which have been studied recently, show short computational time and excellent performance even using only four or less channel (RGB, NIR) images. In this paper, we confirm the performance dependence of the deep learning network according to the heterogeneous learning dataset with different resolutions. The DeepLabV3+ network was improved so that channel features of cloud detection were extracted and learned with two published heterogeneous datasets and mixed data respectively. As a result of the experiment, clouds' Jaccard index was low in a network that learned with different kind of images from test images. However, clouds' Jaccard index was high in a network learned with mixed data that added some of the same kind of test data. Clouds are not structured in a shape, so reflecting channel features in learning is more effective in cloud detection than spatial features. It is necessary to learn channel features of each satellite sensors for cloud detection. Therefore, cloud detection of heterogeneous sensors with different resolutions is very dependent on the learning dataset.

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7영역-점 회귀 크리깅 기반 다중센서 위성영상의 공간-분광 융합: 고해상도 적색 경계 및 단파 적외선 밴드 생성 실험

저자 : 박소연 ( Soyeon Park ) , 강솔아 ( Sol A Kang ) , 박노욱 ( No-wook Park )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 523-533 (11 pages)

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이 논문에서는 상호보완적인 공간 및 분광해상도를 가진 다중센서 위성영상을 이용하여 공간해상도와 분광해상도를 향상시키기 위해 영역-점 회귀 크리깅(area-to-point regression kriging, ATPRK) 기반의 2단계 spatio-spectral fusion method (2SSFM)을 제안하였다. 2SSFM은 ATPRK와 random forest 회귀 모형을 결합하여 다중센서 위성영상에서 높은 공간해상도를 갖는 분광 밴드를 예측한다. 첫 번째 단계에서는 다중센서 위성영상 사이의 공간해상도 차이를 감소시키기 위해 ATPRK 기반 공간 상세화를 수행한다. 두 번째 단계에서는 다중센서 위성영상 사이의 분광 밴드의 관계성을 정량화하기 위해 random forest를 이용한 회귀 모델링을 적용하였다. 2SSFM의 예측 성능은 적색 경계와 단파 적외선 밴드를 생성하는 사례 연구를 통해 평가하였다. 사례 연구에서 2SSFM은 실제 분광 밴드와 유사한 분광패턴을 보이면서 공간해상도가 향상된 적색 경계와 단파 적외선 밴드를 생성할 수 있었으며, 2SSFM가 고해상도 위성영상에서 제공하지 않은 분광 밴드 생성에 유용함을 확인할 수 있었다. 따라서 2SSFM을 통해 실제로 획득 불가능하지만 환경 모니터링에 효과적인 분광 밴드를 예측함으로써 다양한 분광 지수를 생성할 수 있을 것으로 기대된다.


This paper presents a two-stage spatio-spectral fusion method (2SSFM) based on area-to-point regression kriging (ATPRK) to enhance spatial and spectral resolutions using multi-sensor satellite images with complementary spatial and spectral resolutions. 2SSFM combines ATPRK and random forest regression to predict spectral bands at high spatial resolution from multi-sensor satellite images. In the first stage, ATPRK-based spatial downscaling is performed to reduce the differences in spatial resolution between multi-sensor satellite images. In the second stage, regression modeling using random forest is then applied to quantify the relationship of spectral bands between multi-sensor satellite images. The prediction performance of 2SSFM was evaluated through a case study of the generation of red-edge and short-wave infrared bands. The red-edge and short-wave infrared bands of PlanetScope images were predicted from Sentinel-2 images using 2SSFM. From the case study, 2SSFM could generate red-edge and short-wave infrared bands with improved spatial resolution and similar spectral patterns to the actual spectral bands, which confirms the feasibility of 2SSFM for the generation of spectral bands not provided in high spatial resolution satellite images. Thus, 2SSFM can be applied to generate various spectral indices using the predicted spectral bands that are actually unavailable but effective for environmental monitoring.

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8드론 다중분광영상과 컴퓨터 비전 기술을 이용한 배추 객체 탐지 알고리즘 개발

저자 : 류재현 ( Jae-hyun Ryu ) , 한중곤 ( Jung-gon Han ) , 안호용 ( Ho-yong Ahn ) , 나상일 ( Sang-il Na ) , 이병모 ( Byungmo Lee ) , 이경도 ( Kyung-do Lee )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 535-543 (9 pages)

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농업분야에서 드론을 활용하여 작물의 생육을 진단하고 정보를 영상으로 제공하고 있다. 들녘 단위에 대한 고해상도 드론 영상을 활용하는 경우 객체별 생육정보를 생산할 수 있으나 정확하게 작물을 탐지하고 인접한 객체를 효율적으로 구분하기 위한 작업이 요구된다. 본 연구에서는 작물 객체를 탐지하고 위치 정보를 추출하는 알고리즘을 개발하는 것이 목적이다. 드론 다중분광영상과 컴퓨터 비전 기술을 활용하여 객체 탐지를 위한 알고리즘을 개발하였으며, 대상 작물은 가을배추로 선정하였다. 2018년~2020년까지 가을배추를 대상으로 정식 후 7일~15일 사이의 드론 영상을 취득하였으며, 2019년 영상 기반으로 객체 탐지 알고리즘을 개발한 뒤 2018년, 2020년 영상을 기반으로 알고리즘 평가를 수행하였다. 분광반사도 기반 지수와 식생의 분광 반사도 특성을 고려하여 식생 지역을 추출하였다. 이후 추출된 식생 지역에서 객체의 크기를 고려하여 팽창(Dilatation), 침식(Erosion), 이미지 분할 등과 같은 모폴로지(Morphology) 기법을 통해 객체 탐지 정확도를 향상시켰다. 개발된 객체 탐지 알고리즘의 정밀도는 95.19% 이상이었으며, 재현율과 정확도는 각각 95.4%, 93.68% 이상이었다. 객체 탐지 알고리즘의 F1-Score는 0.967 이상으로 나타났다. 본 연구에서 개발한 알고리즘을 이용하여 추출된 배추 객체 중심에 대한 위치 정보는 작물의 재배시기에 따라 영농단계별 의사결정 정보를 제공하기 위한 자료로써 활용될 것이다.


A drone is used to diagnose crop growth and to provide information through images in the agriculture field. In the case of using high spatial resolution drone images, growth information for each object can be produced. However, accurate object detection is required and adjacent objects should be efficiently classified. The purpose of this study is to develop a Chinese cabbage object detection algorithm using multispectral reflectance images observed from drone and computer vision techniques. Drone images were captured between 7 and 15 days after planting a Chinese cabbage from 2018 to 2020 years. The thresholds of object detection algorithm were set based on 2019 year, and the algorithm was evaluated based on images in 2018 and 2019 years. The vegetation area was classified using the characteristics of spectral reflectance. Then, morphology techniques such as dilatation, erosion, and image segmentation by considering the size of the object were applied to improve the object detection accuracy in the vegetation area. The precision of the developed object detection algorithm was over 95.19%, and the recall and accuracy were over 95.4% and 93.68%, respectively. The F1-Score of the algorithm was over 0.967 for 2 years. The location information about the center of the Chinese cabbage object extracted using the developed algorithm will be used as data to provide decision-making information during the growing season of crops.

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9Sentinel-2 위성영상을 이용한 DMZ 산불 피해 면적 관측 기법 연구

저자 : 이슬기 ( Seulki Lee ) , 송종성 ( Jong-sung Song ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee ) , 고보균 ( Bokyun Ko )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 545-557 (13 pages)

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본 연구는 직접적인 접근이 어려운 demilitarized zone (DMZ)의 산불 피해 지역을 파악하기 위하여, 고해상도 위성영상 및 머신러닝 기반의 감독 분류 기법을 이용하였다. 고해상도 위성 영상은 Sentinel-2 A/B를 이용하였으며, SVM 감독분류 기법을 기반으로 토지피복도를 산출하였다. DMZ 산불 피해 지역을 분류하기 위한 최적의 조합을 찾기 위하여 SVM 내에 다양한 커널과 밴드 조합에 따른 감독 분류를 진행하고 오차 행렬을 통해 정확도를 평가하였다. 또한, 2020년, 2021년은 위성영상 자료 기반의 산불 탐지 결과와 산불 연보의 피해 지역 면적 간의 비교를 통한 검증을 수행하였다. 이후, 현재 피해 면적 자료가 없는 2022년의 산불 피해 지역을 탐지함으로써 신뢰할 만한 수준의 결과를 신속적으로 파악하고자 하였다.


This study used high-resolution satellite images and supervised classification technique based on machine learning method in order to detect the areas affected by wildfires in the demilitarized zone (DMZ) where direct access is difficult. Sentinel-2 A/B was used for high-resolution satellite images. Land cover map was calculated based on the SVM supervised classification technique. In order to find the optimal combination to classify the DMZ wildfire damage area, supervised classification according to various kernel and band combinations in the SVM was performed and the accuracy was evaluated through the error matrix. Verification was performed by comparing the results of the wildfire detection based on satellite image and data by the wildfire statistical annual report in 2020 and 2021. Also, wildfire damage areas was detected for which there is no current data in 2022. This is to quickly determine reliable results.

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10광학 위성 영상 기반 선박탐지의 정확도 개선을 위한 딥러닝 초해상화 기술의 영향 분석

저자 : 박성욱 ( Seongwook Park ) , 김영호 ( Yeongho Kim ) , 김민식 ( Minsik Kim )

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 5호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 559-570 (12 pages)

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광학 위성 영상의 공간해상도가 낮게 되면 크기가 작은 객체들의 경우 객체 탐지의 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 위성 영상의 공간해상도를 향상시키는 초해상화(Super-resolution) 기술이 객체 탐지 정확도 향상에 대한 영향이 유의미한지 알아보고자 하였다. 쌍을 이루지 않는(unpaired) 초해상화 알고리즘을 이용하여 Sentinel-2 영상의 공간해상도를 3.2 m로 향상시켰으며, 객체 탐지 모델인 Faster-RCNN, RetinaNet, FCOS, S2ANet을 활용하여 초해상화 적용 유무에 따른 선박 탐지 정확도 변화를 확인했다. 그 결과 선박 탐지 모델의 성능 평가에서 초해상화가 적용된 영상으로 학습된 선박 탐지 모델들에서 Average Precision (AP)가 최소 12.3%, 최대 33.3% 향상됨을 확인하였고, 초해상화가 적용되지 않은 모델에 비해 미탐지 및 과탐지가 줄어듦을 보였다. 이는 초해상화 기술이 객체 탐지에서 중요한 전처리 단계가 될 수 있다는 것을 의미하고, 객체 탐지와 더불어 영상 기반의 다른 딥러닝 기술의 정확도 향상에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


When a satellite image has low spatial resolution, it is difficult to detect small objects. In this research, we aim to check the effect of super resolution on object detection. Super resolution is a software method that increases the resolution of an image. Unpaired super resolution network is used to improve Sentinel-2's spatial resolution from 10 m to 3.2 m. Faster-RCNN, RetinaNet, FCOS, and S2ANet were used to detect vessels in the Sentinel-2 images. We experimented the change in vessel detection performance when super resolution is applied. As a result, the Average Precision (AP) improved by at least 12.3% and up to 33.3% in the ship detection models trained with the super-resolution image. False positive and false negative cases also decreased. This implies that super resolution can be an important pre-processing step in object detection, and it is expected to greatly contribute to improving the accuracy of other image-based deep learning technologies along with object detection.

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1Cloud Removal Using Gaussian Process Regression for Optical Image Reconstruction

저자 : Soyeon Park , No-wook Park

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 327-341 (15 pages)

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Cloud removal is often required to construct time-series sets of optical images for environmental monitoring. In regression-based cloud removal, the selection of an appropriate regression model and the impact analysis of the input images significantly affect the prediction performance. This study evaluates the potential of Gaussian process (GP) regression for cloud removal and also analyzes the effects of cloud-free optical images and spectral bands on prediction performance. Unlike other machine learning-based regression models, GP regression provides uncertainty information and automatically optimizes hyperparameters. An experiment using Sentinel-2 multi-spectral images was conducted for cloud removal in the two agricultural regions. The prediction performance of GP regression was compared with that of random forest (RF) regression. Various combinations of input images and multi-spectral bands were considered for quantitative evaluations. The experimental results showed that using multi-temporal images with multi-spectral bands as inputs achieved the best prediction accuracy. Highly correlated adjacent multi-spectral bands and temporally correlated multi-temporal images resulted in an improved prediction accuracy. The prediction performance of GP regression was significantly improved in predicting the near-infrared band compared to that of RF regression. Estimating the distribution function of input data in GP regression could reflect the variations in the considered spectral band with a broader range. In particular, GP regression was superior to RF regression for reproducing structural patterns at both sites in terms of structural similarity. In addition, uncertainty information provided by GP regression showed a reasonable similarity to prediction errors for some sub-areas, indicating that uncertainty estimates may be used to measure the prediction result quality. These findings suggest that GP regression could be beneficial for cloud removal and optical image reconstruction. In addition, the impact analysis results of the input images provide guidelines for selecting optimal images for regression-based cloud removal.

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2Derivation of Surface Temperature from KOMPSAT-3A Mid-wave Infrared Data Using a Radiative Transfer Model

저자 : Yongseung Kim

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 343-353 (11 pages)

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An attempt to derive the surface temperature from the Korea Multi-purpose Satellite (KOMPSAT)-3A mid-wave infrared (MWIR) data acquired over the southern California on Nov. 14, 2015 has been made using the MODerate resolution atmospheric TRANsmission (MODTRAN) radiative transfer model. Since after the successful launch on March 25, 2015, the KOMPSAT-3A spacecraft and its two payload instruments ― the high-resolution multispectral optical sensor and the scanner infrared imaging system (SIIS) ― continue to operate properly. SIIS uses the MWIR spectral band of 3.3-5.2 μm for data acquisition. As input data for the realistic simulation of the KOMPSAT-3A SIIS imaging conditions in the MODTRAN model, we used the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) atmospheric profiles, the KOMPSAT-3A sensor response function, the solar and line-of-sight geometry, and the University of Wisconsin emissivity database. The land cover type of the study area includes water, sand, and agricultural (vegetated) land located in the southern California. Results of surface temperature showed the reasonable geographical pattern over water, sand, and agricultural land. It is however worthwhile to note that the surface temperature pattern does not resemble the top-of-atmosphere (TOA) radiance counterpart. This is because MWIR TOA radiances consist of both shortwave (0.2-5 μm) and longwave (5-50 μm) components and the surface temperature depends solely upon the surface emitted radiance of longwave components. We found in our case that the shortwave surface reflection primarily causes the difference of geographical pattern between surface temperature and TOA radiance. Validation of the surface temperature for this study is practically difficult to perform due to the lack of ground truth data. We therefore made simple comparisons with two datasets over Salton Sea: National Aeronautics and Space Administration (NASA) Jet Propulsion Laboratory (JPL) field data and Salton Sea data. The current estimate differs with these datasets by 2.2 K and 1.4 K, respectively, though it seems not possible to quantify factors causing such differences.

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3Recent Trends of Abnormal Sea Surface Temperature Occurrence Analyzed from Buoy and Satellite Data in Waters around Korean Peninsula

저자 : Won-jun Choi , Chan-su Yang

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 355-364 (10 pages)

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In this study a tendency of abnormal sea surface temperature (SST) occurrence in the seas around South Korea is analyzed from daily SST data from satellite and 14 buoys from August 2020 to July 2021. As thresholds 28℃ and 4℃ are used to determine marine heatwaves (MHWs) and abnormal low water temperature (ALWT), respectively, because those values are adopted by the National Institute of Fisheries Science for the breaking news of abnormal temperature. In order to calculate frequency of abnormal SST occurrence spatially by using satellite SST, research area was divided into six areas of coast and three open seas. ALWT dominantly appeared over a wide area (7,745 km2) in Gyeonggi Bay for total 94 days and it was also confirmed from buoy temperature showing an occurrence number of 47 days. MHWs tended to be high in frequency in the coastal areas of Chungcheongdo and Jeollabukdo and the south coastal areas while in case of buoy temperature Jupo was the place of high frequency (32 days). This difference was supposed to be due to the low accuracy of satellite SST at the coasts. MHWs are also dominant in offshore waters around Korean Peninsula. Although detecting abnormal SST by using satellite SST has advantage of understanding occurrence from a spatial point of view, we also need to perform detection using buoys to increase detection accuracy along the coast.

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4Activity of the Fushun West Open-pit Mine in China Observed by Sentinel-1 InSAR Coherence Images

저자 : Da-woon Jung , Hoonyol Lee

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 365-374 (10 pages)

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Mining activity causes environmental pollution and geological hazards such as ground subsidence or landslide of which continuous monitoring is necessary. In this study, the activity on the Fushun West Open- Pit Mine (FWOPM), one of the largest open-pit coal mines in Asia located in Fushun, Liaoning Province, China, was analyzed by using a time-series Sentinel-1 InSAR coherence dataset. By using the difference between the two Digital Elevation Models (DEM) of the area, it was possible to confirm that there was a stockpiling activity in the western area of the FWOPM while excavation activity in the eastern area. By using RGB composite images using the yearly-averaged InSAR coherence images, the activity of the mine was confirmed by period, which was confirmed by Google Earth optical images. As a result, it was possible to confirm three landslides and the related activities on the northwest slope and the dumping activity on the west slope of FWOPM.

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5Performance of Random Forest Classifier for Flood Mapping Using Sentinel-1 SAR Images

저자 : Yongjae Chu , Hoonyol Lee

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 375-386 (12 pages)

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The city of Khartoum, the capital of Sudan, was heavily damaged by the flood of the Nile in 2020. Classification using satellite images can define the damaged area and help emergency response. As Synthetic Aperture Radar (SAR) uses microwave that can penetrate cloud, it is suitable to use in the flood study. In this study, Random Forest classifier, one of the supervised classification algorithms, was applied to the flood event in Khartoum with various sizes of the training dataset and number of images using Sentinel-1 SAR. To create a training dataset, we used unsupervised classification and visual inspection. Firstly, Random Forest was performed by reducing the size of each class of the training dataset, but no notable difference was found. Next, we performed Random Forest with various number of images. Accuracy became better as the number of images increased, but converged to a maximum value when the dataset covers the duration from flood to the completion of drainage.

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6Upwelling Proxy Improvement and Validation Using Satellite Remote Sensing along Southwest of the East Sea: Case Study in 2019

저자 : Deoksu Kim , Dukwon Bae , Jang-geun Choi , Young-heon Jo

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 387-394 (8 pages)

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Coastal upwelling is a significantly imperative process for understanding the interactions between physical and ecological processes and has been investigated incessantly. In this study, we explored the upwelling index, specifically upwelling age (UA). UA enabled us to observe the initiating, sustaining, and decaying upwelling processes. Although the sensitivity of many other geophysical parameters to estimate UA has been investigated, the wind direction has not been evaluated. Thus, we assessed the appropriate wind direction for the UA and obtained efficient upwelling signals from the four coastal stations. Furthermore, we applied the UA and compared it with the satellite sea level anomaly, sea surface temperature, and chlorophyll-a changes to validate how UA depicts their spatial extents. Thus, UA can predict the timing of coastal upwelling events using predicted geophysical parameters.

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7A Study on the Land Cover Classification and Cross Validation of AI-based Aerial Photograph

저자 : Seong-hyeok Lee , Soojeong Myeong , Donghyeon Yoon , Moung-jin Lee

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 395-409 (15 pages)

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The purpose of this study is to evaluate the classification performance and applicability when land cover datasets constructed for AI training are cross validation to other areas. For study areas, Gyeongsang-do and Jeolla-do in South Korea were selected as cross validation areas, and training datasets were obtained from AI-Hub. The obtained datasets were applied to the U-Net algorithm, a semantic segmentation algorithm, for each region, and the accuracy was evaluated by applying them to the same and other test areas. There was a difference of about 13-15% in overall classification accuracy between the same and other areas. For rice field, fields and buildings, higher accuracy was shown in the Jeolla-do test areas. For roads, higher accuracy was shown in the Gyeongsang-do test areas. In terms of the difference in accuracy by weight, the result of applying the weights of Gyeongsang-do showed high accuracy for forests, while that of applying the weights of Jeolla-do showed high accuracy for dry fields. The result of land cover classification, it was found that there is a difference in classification performance of existing datasets depending on area. When constructing land cover map for AI training, it is expected that higher quality datasets can be constructed by reflecting the characteristics of various areas. This study is highly scalable from two perspectives. First, it is to apply satellite images to AI study and to the field of land cover. Second, it is expanded based on satellite images and it is possible to use a large scale area and difficult to access.

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8An Analysis of Land Use Changes in DPR Korea Using Land Cover Maps from the Late 1980s to the Late 2010s

저자 : Soojeong Myeong

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 411-419 (9 pages)

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DPR Korea has been creating cropland across the country due to its chronic food shortage. Cropland was about 17.4% at the end of the 1980s, but it increased steadily to 19.6% at the end of the 1990s, 24.8% at the end of the first decade of 2000s, and 25.4% at the end of the 2010s. On the other hand, the forest land declined from about 74.8% in the late 1980s to 69.5% in the late 2010s. Urbanization is also progressing, increasing from about 1.15% at the end of the 1980s to 1.68% at the end of the 2010s. Most of the deforestation that occurred in DPR Korea was caused by conversion to cropland. These characteristics of land cover changes in DPR Korea provide useful information and implications for international and inter-Korean cooperation for DPR Korea.

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9Satellite-based Assessment of Ecosystem Services Considering Social Demand for Reduction of Fine Particulate Matter in Seoul

저자 : Chul-hee Lim

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 421-434 (14 pages)

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Fine particulate matter (PM2.5) has been the biggest environmental problem in Korea since the 2010s. The present study considers the value of urban forests and green infrastructure as an ecosystem service (ES) concept for PM2.5 reduction based on satellite and spatial data, with a focus on Seoul, Korea. A method for the spatial ES assessment that considers social demand variables such as population and land price is suggested. First, an ES assessment based on natural environment information confirms that, while the vitality of vegetation is relatively low, the ES is high in the city center and residential areas, where the concentration of PM2.5 is high. Then, the ES assessment considering social demand (i.e., the ESS) confirms the existence of higher PM2.5 values in residential areas with high population density, and in main downtown areas. This is because the ESS of urban green infrastructure is high in areas with high land prices, high population density, and above-average PM2.5 concentrations. Further, when a future green infrastructure improvement scenario that considers the urban forest management plan is applied, the area of very high ESS is increased by 74% when the vegetation greenness of the green infrastructure in the residential area is increased by only 20%. This result suggests that green infrastructure and urban forests in the residential area should be continuously expanded and managed in order to maximize the PM2.5 reduction ES.

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10Random Forest Classifier-based Ship Type Prediction with Limited Ship Information of AIS and V-Pass

저자 : Ho-kun Jeon , Jae Rim Han

발행기관 : 대한원격탐사학회 간행물 : 대한원격탐사학회지 38권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 435-446 (12 pages)

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Identifying ship types is an important process to prevent illegal activities on territorial waters and assess marine traffic of Vessel Traffic Services Officer (VTSO). However, the Terrestrial Automatic Identification System (T-AIS) collected at the ground station has over 50% of vessels that do not contain the ship type information. Therefore, this study proposes a method of identifying ship types through the Random Forest Classifier (RFC) from dynamic and static data of AIS and V-Pass for one year and the Ulsan waters. With the hypothesis that six features, the speed, course, length, breadth, time, and location, enable to estimate of the ship type, four classification models were generated depending on length or breadth information since 81.9% of ships fully contain the two information. The accuracy were average 96.4% and 77.4% in the presence and absence of size information. The result shows that the proposed method is adaptable to identifying ship types.

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