Econ. Environ. Geol. 2024; 57(4): 353-362
Published online August 30, 2024
https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.4.353
© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY
Correspondence to : *jaeyu@cnu.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.
This study examined the spectral characteristics of sediments according to moisture content using an unmanned aerial vehicle (UAV)-based hyperspectral sensor and evaluated the efficiency of moisture content detection at different flight altitudes. For this purpose, hyperspectral images in the 400-1000nm wavelength range were acquired and analyzed at altitudes of 40m and 80m for sediment samples with various moisture contents. The reflectance of the sediments generally showed a decreasing trend as the moisture content increased. Correlation analysis between moisture content and reflectance showed a strong negative correlation (r < -0.8) across the entire 400-900nm range.
The moisture content detection model constructed using the Random Forest technique showed detection accuracies of RMSE 2.6%, R2 0.92 at 40m altitude and RMSE 2.2%, R2 0.95 at 80m altitude, confirming that the difference in accuracy between altitudes was minimal. Variable importance analysis revealed that the 600-700nm band played a crucial role in moisture content detection. This study is expected to be utilized in efficient sediment moisture management and natural disaster prediction in the field of environmental monitoring in the future.
Keywords unmanned aerial vehicle (UAV), moisture content, hyperspectral, spectral analysis, machine learning
이경은1 · 유재형1,2,* · 박찬혁3 · Trung Hieu Pham4
1충남대학교 지구환경·우주융합과학과
2충남대학교 지질환경과학과
3충남대학교 우주·지질학과
4Faculty of Geology, University of Science, VNU-HCM
본 연구는 무인항공기 기반 초분광 센서를 활용하여 퇴적물의 함수율에 따른 분광학적 반응 특성을 고찰하고, 비행 고도에 따른 함수율 탐지 효율성을 평가하였다. 이를 위해 다양한 함수율을 가진 퇴적물 시료를 대상으로 40m와 80m 고도에서 400~1000nm파장 대역의 초분광 영상을 획득하고 분석하였다. 퇴적물의 반사도는 함수율이 증가함에 따라 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 함수율과 반사도 사이의 상관관계 분석 결과, 400~900nm 전 영역에서 강한 음의 상관관계(r < -0.8)를 보였다. 랜덤포레스트 기법을 활용한 함수율 탐지모델 구축 결과, 40m와 80m 고도에서의 탐지 정확도는 각각 RMSE 2.6%, R2 0.92와 RMSE 2.2%, R2 0.95로 나타나 고도 간 정확도 차이가 미미함을 확인하였다. 변수 중요도 분석 결과, 600~700nm 대역이 함수율 탐지에 주요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 본 연구는 향후 환경 모니터링 분야에서 효율적인 퇴적물의 수분 관리와 자연재해 예측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
주요어 무인항공기, 함수율, 초분광, 분광분석, 기계학습
Econ. Environ. Geol. 2024; 57(4): 353-362
Published online August 30, 2024 https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.4.353
Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.
Kyoungeun Lee1, Jaehyung Yu1,2,*, Chanhyeok Park3, Trung Hieu Pham4
1Department of Earth Environmental & Space Department of Earth, Environmental & Space Sciences Sciences, Chungnam National University
2Department of Geological Sciences, Chungnam National University
3Department of Astronomy, Space Science, & Geology, Chungnam National University
4Faculty of Geology, University of Science, Vietnam National University, Ho Chi Minh City (VNU-HCM)
Correspondence to:*jaeyu@cnu.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.
This study examined the spectral characteristics of sediments according to moisture content using an unmanned aerial vehicle (UAV)-based hyperspectral sensor and evaluated the efficiency of moisture content detection at different flight altitudes. For this purpose, hyperspectral images in the 400-1000nm wavelength range were acquired and analyzed at altitudes of 40m and 80m for sediment samples with various moisture contents. The reflectance of the sediments generally showed a decreasing trend as the moisture content increased. Correlation analysis between moisture content and reflectance showed a strong negative correlation (r < -0.8) across the entire 400-900nm range.
The moisture content detection model constructed using the Random Forest technique showed detection accuracies of RMSE 2.6%, R2 0.92 at 40m altitude and RMSE 2.2%, R2 0.95 at 80m altitude, confirming that the difference in accuracy between altitudes was minimal. Variable importance analysis revealed that the 600-700nm band played a crucial role in moisture content detection. This study is expected to be utilized in efficient sediment moisture management and natural disaster prediction in the field of environmental monitoring in the future.
Keywords unmanned aerial vehicle (UAV), moisture content, hyperspectral, spectral analysis, machine learning
이경은1 · 유재형1,2,* · 박찬혁3 · Trung Hieu Pham4
1충남대학교 지구환경·우주융합과학과
2충남대학교 지질환경과학과
3충남대학교 우주·지질학과
4Faculty of Geology, University of Science, VNU-HCM
본 연구는 무인항공기 기반 초분광 센서를 활용하여 퇴적물의 함수율에 따른 분광학적 반응 특성을 고찰하고, 비행 고도에 따른 함수율 탐지 효율성을 평가하였다. 이를 위해 다양한 함수율을 가진 퇴적물 시료를 대상으로 40m와 80m 고도에서 400~1000nm파장 대역의 초분광 영상을 획득하고 분석하였다. 퇴적물의 반사도는 함수율이 증가함에 따라 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 함수율과 반사도 사이의 상관관계 분석 결과, 400~900nm 전 영역에서 강한 음의 상관관계(r < -0.8)를 보였다. 랜덤포레스트 기법을 활용한 함수율 탐지모델 구축 결과, 40m와 80m 고도에서의 탐지 정확도는 각각 RMSE 2.6%, R2 0.92와 RMSE 2.2%, R2 0.95로 나타나 고도 간 정확도 차이가 미미함을 확인하였다. 변수 중요도 분석 결과, 600~700nm 대역이 함수율 탐지에 주요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 본 연구는 향후 환경 모니터링 분야에서 효율적인 퇴적물의 수분 관리와 자연재해 예측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
주요어 무인항공기, 함수율, 초분광, 분광분석, 기계학습
Table 1 . The specification of hyperspectral sensor and UAV used for this study.
Table 2 . The details of UAV survey conditions for data acquisition.
Date (yyyy-mm-dd) | Flight altitude (m) | Ground resolution (cm/px) | Mission time |
---|---|---|---|
2022-09-23 | 40m | 3.67 | 11~12am |
80m | 7.33 | ||
2022-10-06 | 40m | 3.67 | 1~2pm |
80m | 7.33 | ||
2022-10-27 | 40m | 3.67 | 11~12am |
80m | 7.33 | ||
2022-10-28 | 40m | 3.67 | 11~12am |
80m | 7.33 |
Table 3 . Accuracy assessment of random forest classification for detection of moisture content using hyperspectral images at 40m and 80m.
Altitude | Spectral Variables | RMSE(%) | |
---|---|---|---|
40m | Reflectance | 0.92 | 2.6 |
80m | Reflectance | 0.95 | 2.2 |
Chanhyeok Park, Jaehyung Yu, Min-Kyu Oh, Gilljae Lee, Giyeon Lee
Econ. Environ. Geol. 2022; 55(2): 197-207Kalaivanan K, Vellingiri J
Econ. Environ. Geol. 2024; 57(3): 329-342Jongpil Won, Jungkyun Shin, Jiho Ha, Hyunggu Jun
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