An analysis of bidirectional reflectance distribution function (BRDF) with field goniometer system based on multispectral camera of unmanned aerial vehicle (UAV)

Abstract

양방향 반사율 분포 함수(BRDF)는 지표면의 비등방성 반사 특성을 태양과 센서의 위치의 기하학적 관계로 설명하는 함수로서 인공위성 영상이나 항공사진이 연직 아래 방향으로 지표면을 관측하지 않았을 때 발생하는 양방향 반사 효과를 보정하는 데 쓰일 수 있다. BRDF는 주로 현장에서 수집한 데이터를 기반으로 추정되는데, 데이터 수집에 쓰였던 기존의 현장 고니오미터 시스템은 매우 큰 크기와 무거운 무게를 가지고 있고, 반구형 데이터를 수집하는 데 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다. 이에 작고 가벼우며, 데이터를 수집하는 데 단 11분이면 충분한 UAV 고니오미터 시스템을 제안한다. 본 연구에서는 현장 실험을 통해 BRDF 데이터를 수집하였다. 현장 실험 장소에 4종의 타프를 설치하고, 각 타프를 대상으로 총 5회에 걸쳐 P4 Multispectral로 다중분광 영상을 수집하였다. 영상에서 타프의 반사율을 계산하는 데 필요한 복사 조도를 P4 Multispectral 상단의 sunlight sensor, 그리고 지상에 설치한 분광계를 통해 측정하였다. 밴드별 영상에서 타프의 반사도를 산정하는 데 P4 Multispectral의 sunlight sensor로 측정한 값보다 지상에서 측정한 값을 활용하는 것이 더욱 정확하였다. 이는 P4 Multispectral이 영상을 수집하면서 UAV의 자세를 바꾸었기 때문이다. 각 영상에 지상 irradiance 보정 유무에 따라 생성한 orthophoto를 통해 타프의 반사율을 계산하고, 이를 anisotropy factor(ANIF) 값으로 정규화한 뒤, BRDF 모델의 k 계수를 산정하였다. irradiance 보정을 한 영상으로 BRDF를 추정하였을 때가 보정을 하지 않았을 때보다 더 적은 표준편차를 보였다. UAV 고니오미터를 통해 BRDF를 추정한 결과는 기존의 고니오미터를 활용한 결과와 비슷한 정확도를 보였지만, 지상으로 입사하는 복사 조도 데이터가 필수적이다.