• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.70-70
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• 2017

영상처리 기법을 이용한 유속 측정 방법인 표면영상유속계는 비접촉식으로 간편하게 유속을 측정할 수 있다는 장점이 있지만 영상 내 추적자의 움직임을 식별하기 어려운 야간의 경우와 새벽의 안개가 발생하는 경우에 대한 유속 측정의 어려움이 있었다. 표면영상유속계를 이용한 야간 유속 측정은 조명과 적외선 카메라를 이용하여 수표면을 가시화하는 방법을 통해 현장 적용성을 검증하였으나, 안개 발생 상황에서는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 야간과 안개 등의 한계를 동시에 극복하기 위한 방법으로 원적외선 카메라를 이용한 연구들이 이루어지고 있지만 아직 시작단계이고, 원적외선의 경우 주변 환경 변화에 따라 물체의 표면온도가 검출되는 파장이 달라져 영상의 품질에 차이가 발생하기 때문에 이에 대한 다양한 실험적 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 야외 개수로에서 드라이아이스를 이용하여 안개 조건을 재현하고, 다양한 흐름 조건에서 원적외선 영상을 이용한 표면유속 측정 적용성을 검토하였다. 안개가 발생하는 경우 원적외선 표면영상 유속계를 적용한 결과 안개가 없을 때의 유속 측정 결과와 거의 일치하는 것을 확인하였다. 따라서 원적외선 카메라를 이용한 표면유속 측정 방법은 야간과 안개가 발생하는 상황에 모두 사용하기에 적합한 것을 나타났다. 향후 하천 유량조사에 원적외선 카메라를 활용한다면 기존의 표면영상유속계의 비가시 환경에 대한 한계들을 많은 부분 극복할 수 있을 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제41권8호
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• pp.855-862
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• 2008

표면 영상 유속계(SIV, Surface Image Velocimetry)는 영상 처리 기술을 이용하여 수표면의 유속을 측정하는 장비이다. 유속 측정의 정밀도를 높이기 위해서는 화질이 좋고, 왜곡이 적은 영상을 획득하는 것이 매우 중요하다. 트럭에 장착된 기중기를 이용하는 차량탑재형 표면 영상 유속계는 왜곡이 적은 영상을 얻는 좋은 방법이 될 수 있다. 이 때, 기중기의 흔들림 때문에 획득된 영상이 흔들리는 문제가 발생하며, 영상의 흔들림을 보정하여 유속을 측정할 수 있는 영상 처리 알고리듬이 필요하게 된다. 본 연구에서는 영상 분석 기법과 좌표 변환 기법, 유속 산정 기법 등을 조합하여 흔들리는 영상에서 표면 유속을 측정하는 기법을 개발하였다. 즉, 비디오 카메라로 촬영된 연속 영상에서 고정점들의 움직임을 추적하여 카메라의 위치 변동을 파악한다. 영상 분석에서 구한 격자점의 속도에서 고정점의 속도를 빼서, 격자점의 유속장을 산정하였다. 개발된 기법의 검증을 위해서 실험 수로에서 동일한 흐름에 대해 흔들리지 않은 영상과 흔들리는 영상의 두 가지 영상을 만들고, 흔들림이 없는 영상의 처리 결과를 기준으로 삼아, 흔들림이 있는 영상의 처리 결과를 검토하였다. 그 결과, 흔들림이 지나치게 커서 참조점들의 추적이 불가능한 경우를 제외하고는 두 자료의 처리 결과는 거의 동일하였으며, 유속 측정의 오차는 약 6 % 내외로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.158-158
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• 2020

국내외 기상이변으로 인한 하천허용유량의 초과가 많이 일어나고 있다. 이때 사람이 직접 도섭으로 하천의 정보 대한 정보를 취득하기 어렵기 때문에 간접적인 방법으로의 정보취득이 중요시 되어야 한다. 그에 따른 방법으로 주입식의 표면부자를 활용한 방법이나, PIV 기법을 활용한 표면영상유속계측법을 이용한 유속측정방법 등이 있다. 하지만 이런 표면영상유속계측법은 영상의 변위가 커지게 되어 시간간격 설정에 대한 어려움 등이 있고, 표면부자법의 경우 표면 유속을 대변 할 수 있을지에 대한 분석연구가 필요하다. 따라서 이러한 표면 영상 유속계측법과 표면부자의 수표면 유속 측정 능력 등을 분석하여 GPS 전자부자의 활용성을 확인해 보고자 하였다. Lab-Scale 수로에서 GPS전자부자를 입자로 활용하여 주입 후 흘러가는 부분을 영상촬영하고, LS-PIV 기법을 활용하여 분석한 후 검증이 된 전자유속계 (FlowTracker)의 데이터를 참값으로 비교 분석하였다. LS-PIV 기법을 통해서 GPS 전자부자의 표면 유속 측정 능력을 잘 검증해낸다면, 유속측정에 용이하고 접근성 및 안정성까지 확보할 수 있다. 더 나아가 홍수 시 사용뿐만 아니라, ADCP나 ADV로 측정이 불가능한 저수심·저유속의 중소하천에서도 적용할 수 있다. GPS전자부자의 지속적인 연구는 향후 하천 측정 시스템에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.171-171
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• 2015

자연 하천의 홍수 유량 측정은 매우 어렵고 많은 비용과 시간, 노력을 요하는 작업이다. 보다 안전하고 경제적인 유량 측정의 대안으로 제시된 것이 하천 표면의 영상 분석을 이용하는 표면영상유속계이다. 이처럼 영상유속계로 하천 유속을 측정할 때, 적절한 품질의 영상을 취득하는 것은 기본이며 매우 중요한 단계이다. 특히 홍수 첨두는 야간에 발생하는 경우가 많으므로, 야간에 영상 분석에 적절한 품질의 하천 표면영상을 취득하는 것은 매우 어려운 일이다. 야간 영상을 측정하기 위해 별도의 조명을 이용하거나 발광체를 이용하는 방법이 대안으로 제시되었으나 여전히 실용적인 차원의 적용에는 이르지 못하고 있다. 본 연구에서는 표면영상유속계의 영상 취득 장치로 원적외선 카메라를 이용할 수 있는가 시험하였다. 원적외선 카메라는 별다른 조명의 도움없이 야간의 하천 표면영상을 취득할 수 있다. 안동하천실험센터의 인공수로에서 주야간 촬영을 하고 영상 분석을 통해 원적외선 카메라의 적용성을 검토하였다. 비교를 위하여 일반적인 캠코더와 근적외선 카메라를 동시에 적용하였다. 세 종류의 카메라로 촬영된 영상은 시공간 영상의 상호상관 분석법을 통해 유속으로 환산하고, 미속계로 측정한 표면 유속과 비교하였다. 비교 결과 원적외선 카메라 영상은 주야간에 상관없이 적절한 유속을 분석해 낼 수 있음을 보였다. 다만, 공간 해상도가 높지 않아 영상 분석의 정확도는 최적의 조건에서 다른 카메라로 촬영된 영상에 비해 떨어진다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.381-381
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• 2015

표면영상유속계측법(Surface Image Velocimeter; SIV)은 영상분석기법의 일종으로 하천 표면의 유동을 영상저장장치로 기록하고 연속되는 이미지상의 입자이동을 계산하여 유속을 산정하는 방법이다. 그러나 표면영상유속계를 활용한 유속분석과정에서 현장 상황에 따라 많은 오차 요인들이 있을 수 있기 때문에 계산한 유속 산정 결과를 그대로 사용하면 정확도가 낮아질 수 있다. 특히 야간 영상과 같은 영상의 화질이 떨어지는 경우에는 유속 산정 결과를 필터링해서 사용해야 한다. 이는 순간 유속장을 분석하는 과정에서 획득된 이미지에 따라 분석된 유속벡터가 평균 유속보다 과다하게 크거나 상관계수 값이 너무 작은 경우가 포함되기 때문이다. 이 연구에서는 제주도 외도천 외도정수장에서 2013년 5월 27일 집중호우에 의한 유출 발생 주 야간 유출영상자료를 획득하여 표면영상유속계(SIV)와 ADCP를 활용하여 유량을 분석하고, 동시에 고정식 전자파 표면유속계인 Kalesto 관측 유량과 비교 분석하였다. 비교과정에서 제주도는 댐방류량과 같은 유량의 참값이 없으므로 각각 관측기기의 상대적인 비교를 하여 경향성을 분석하였다. 분석결과 주간유출영상은 상관계수가 0.6~0.7범위에 해당하는 유속이 전체 59개의 유속벡터 중 6.8%로 나타났으며, 0.7~0.8범위가 13.6%, 0.8~0.9범위가 18.6%, 0.9~1.0범위가 61.0%의 퍼센트를 나타났다. 야간유출영상을 주간유출영상과 비교해보면 0.6~0.7범위에 해당하는 상관계수가 6.8% 높게 분석되었으며, 반대로 0.9~1.0범위에 해당하는 상관계수는 17% 낮게 분석되었다. 이와 같은 결과는 야간유출영상이 주간유출영상에 비해 영상의 질이 떨어짐을 나타내며 표면영상유속계를 적용하여 유량을 산정하는 과정에서 획득되는 영상에 따라 상관계수에 대한 합리적인 필터링 과정이 필요하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.230-230
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• 2020

하천 유량측정을 위한 표면유속계는 비접촉식 방식이기 때문에 현장에서의 측정이 간편하고, 비교적 안전하기 때문에 홍수시 유량측정에 널리 이용되고 있다. 비접촉식 유속계가 가지고 있는 이러한 장점으로 전자파표면유속계의 활용이 점차 증가하고 있으며, 영상유속계와 같은 비접촉 측정방식의 활용방안 마련에 대한 연구개발 등이 꾸준히 진행되어 왔다. 최근에는 고정식으로 상시 운영이 가능한 표면유속계 등이 출시되어 소규모 하천이나 수로에서의 상시 유량측정에 활용되고 있다. 다만, 이러한 비접촉식 유속계는 표면의 유속을 측정하기 때문에 유량산정을 위해서는 평균유속으로의 환산이 필요하지만, 현재까지는 평균유속 환산계수를 사용하여 표면유속을 평균유속으로 환산하는 방법이 유일하게 활용되고 있다. 하지만, 실제 하천에서는 단면 및 하도형태, 하상조건, 수리특성 및 유속분포 등의 다양한 조건에 따라 환산계수가 결정되기 때문에 이를 단순히 일률적으로 적용하는 것은 곤란하며, 이로 인해 과거 오랫동안 표면유속을 평균유속으로 환산하기 위한 다양한 연구가 진행되었지만, 실제 다양한 조건의 하천에 적용할 수 있는 표준화된 방법은 아직까지 제시되지 못하고 있다. 현재까지, 고정식으로 설치된 유속계로부터 측정된 유속을 평균유속으로 환산하는 방법으로는 국내외적으로 지표유속법(Index Velocity Method)과 유속분포법(Velocity Profile Method)이 대표적이며, H-ADCP (Horizontal-Acoustic Doppler Velocity Profiler) 또는 UVM(Ultrasonic Velocity Meter) 등과 같은 초음파유속계를 활용한 자동유량측정시설의 유량산정방법으로 활용되고 있다. 이러한 방법들은 고정된 유속계의 측정유속을 지표유속(V_i)으로 하여 다양한 범위의 실측된 평균유속과의 관계를 개발하여 활용하거나, 지표유속을 매개로 개수로 단면의 이론적인 유속분포를 추정하여 평균유속을 산정한다. 이러한 지표유속을 활용하는 방법들에서 공통적으로 중요한 것은 하천단면의 최대유속(V_max)이 가장 좋은 지표유속이라는 것이다. 따라서 국제기준에서는 지표유속을 측정하는 유속계의 가장 바람직한 위치로 유심부(core flow)를 권장하고 있다. 하지만, 접촉식 유속계의 경우 유심부 설치가 매우 어렵고 많은 비용이 들기 때문에, 비접촉식 유속계를 활용하여 하천단면의 최대유속을 측정할 수 있다면, 가장 효율적인 고정식 측정방법이 될 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 비접촉식 표면유속계의 고정식 유량측정 활용성 및 적용성을 검토할 목적으로 표면유속에 대한 유량산정방법을 검토하였다. 이를 위해 24GHz의 주파수를 갖는 레이다표면유속계인 Sensoflow를 낙동강 수계 길안천에 위치한 안동시(대사3교)에 고정설치하여 표면유속을 지표유속으로 수집하였다. 다양한 유량규모에서 측정한 실측 표면유속과 수집된 표면유속을 지표유속으로 활용하여 지표유속관계를 개발하였으며, 산정된 유량을 기존 수위-유량관계곡선식의 환산유량과 비교하여 표면유속의 지표유속 활용성을 검토하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.366-366
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• 2017

하천의 유량관측 자료는 지표수자원의 확보와 수공구조물의 설계를 위해 가장 기초적인 수문자료로써 정밀하고 지속적인 관측을 요구한다. 최근 유량 관측법은 접촉식 유속측정 방법의 단점을 보완한 전자파 표면유속계나 영상분석기법을 적용한 표면영상유속계(SIV)가 활용되고 있다. 이들 관측장비는 표면유속 관측법에 의해 유량을 측정하므로 보다 정밀한 유량자료를 확보하기 위해서는 측정 영역의 표면유속과 단면의 평균유속에 대한 해석이 필요하다. 이 연구에서는 제주도 남부지역에 위치한 강정천을 대상으로 2011년 7월부터 2015년 6월 까지 월 1~2회 현장관측한 ADCP 자료를 활용하여 Chiu(1987)가 제안한 2차원 유속분포식의 매개변수를 추정하여 정밀한 유량을 산정하였다. 또한 표면영상유속계(SIV)로 산정된 표면유속을 Chiu-2 차원 유속분포식에서 평균유속으로 환산하여 기존의 표면유속을 일률적으로 적용한 수심평균유속 환산계수인 0.85의 적용 값과 비교 분석하였다. 대상하천의 현장에서 72회 관측된 ADCP 자료를 활용하여 각각의 최대유속과 평균유속을 분석하고 엔트로피 계수(M)를 산정한 결과와 유속의 공간적 분포를 모델링하기 위해 제시되는 $_{urf}$를 산정하였으며, 산정된 계수 값을 이용하여 표면유속을 계산한 결과와 ADCP의 관측된 표면유속의 $^2$는 0.874로 나타났다. 이러한 결과는 Chiu-2차원 유속분포식을 연구대상하천에 적용하는 과정에서 추정되는 매개변수의 평균값 사용에 대한 타당성을 보여준다. 이 후 추정된 하천매개변수를 하천현장에 적용성 확인을 위해 강정천의 동일 관측지점에서 표면영상유속계(SIV)를 사용한 표면유속과 유량을 산정함과 동시에 ADCP에 의한 유속 및 유량과 비교 분석하였다. 표면영상유속계(SIV)로 분석된 유속 벡터를 Chiu-2차원 유속분포식에 적용하여 산정된 유량과 기존의 수심평균유속환산계수 0.85를 적용한 유량은 각각 $0.7171m^3/s$과 0$0.5758m^3/s$였다. ADCP 평균유량 $0.6664m^3/s$과의 오차율은 각각 7.63%, 13.64%로 나타나 Chiu-2차원 유속분포식을 적용한 유량이 수심평균유속환산계수 0.85를 적용한 유량에 비해 작은 오차율을 보였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.107-107
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• 2016

표면영상유속계는 영상분석을 이용하여 홍수시 하천 수표면 유속을 측정하는 비접촉식 유속측정장치이다. 때문에 안전하고 편하게 홍수시 유속을 측정할 수 있으나, 이를 위해서는 영상과 실세계와의 좌표변환을 위한 참조점 측량이 반드시 필요하였다. 좌표 변환에 8-변수 사영변환을 이용할 경우 최소한 4개의 참조점이 필요하다. 그러나 홍수시 참조점 측량은 불가능에 가까우며, 홍수전후의 측량도 매우 번거로운 일이다. 본 연구에서는 참조점을 이용하지 않고, 좌표변환 관계를 구성할 수 있는 카메라 모형(camera model)을 구성하였다. 여기서 카메라 모형은 실세계 좌표(world coordinates)를 영상좌표(image coordinates)로 변환해 주는 관계를 말한다. 이 카메라 모형에 필요한 외부 변수는 하천수표면과 카메라와의 높이 및 카메라의 두 가지 경사각뿐이다. 여기에 일반적인 카메라 보정에 이용하는 방법으로 구한 카메라 내부 변수를 결합하면 된다. 이 모형은 표면영상유속계 장비로 스마트폰을 이용할 때 간편하게 적용할 수 있으며, 별도의 경사계만 부착하면 일반적인 CCTV나 캠코더를 이용할 때도 적용할 수 있다. 이 카메라 모형과 종래 사용하던 8-변수 사영변환에 의한 좌표변환관계를 비교한 결과 상호간 오차가 거의 없이 적용할 수 있었다. 또한, 스마트폰 표면영상유속계와 열영상 표면영상유속계에 적용한 결과 종전보다 훨씬 적용이 간편하며, 정확도 또한 거의 차이가 없이 적용할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.144-144
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• 2012

하천 제방의 안정성을 평가하기 위해서는 홍수시 제방 주변의 흐름특성을 분석하는 것이 필요하다. 일반적으로 홍수시 유속은 측정된 홍수량을 이용한 단면평균유속을 이용하여 평가를 하고 있기 때문에 제방 주변의 흐름특성을 정확하게 분석하는데 한계가 있다. 이를 개선하기 위해서는 홍수시 제방 주변의 유속을 측정하여야 하는데 접근이 어렵고 위험하기 때문에 봉부자 또는 유속계를 이용한 유속측정이 어려운 실정이다. 이와 같은 경우 제방 주변의 영상 분석을 이용한 표면영상유속계의 활용이 좋은 대안이 될 수 있다. 표면영상유속계의 경우 원거리에서도 줌을 이용하여 영상을 획득할 수 있고, 측정 시간이 짧기 때문에 제방 주변의 유속을 간편하게 측정 가능하다. 하지만 표면영상유속계(SIV)는 영상좌표와 물리좌표 사이의 좌표 변환을 필요로 한다. 종전까지는 일반적으로 8-변수 좌표 변환법이 널리 이용되었으나, 이 방법은 최소한 4점 이상의 참조점이 필요하기 때문에 수면위에 참조점을 설치해야 하는 어려움이 있다. 또한, 내삽을 하는 방법이기 때문에 참조점 내부의 점에 대해서는 비교적 정확한 변환이 가능하지만, 참조점 외부의 좌표들에 대해서는 부정확한 변환이 되는 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 카메라 모형을 이용하여, 새로운 좌표 변환식을 유도하였다. 이 영상좌표 변환식은 참조점을 이용하지 않으며, 수면과 카메라간의 연직 거리와 카메라의 기울어진 각도만을 이용하여 좌표 변환이 가능한 방법이다. 참조점을 필요로 하지 않기 때문에 측량의 번거로움이 없으며, 변환식내에서 내삽을 하지 않기 때문에 영상 전체에 대해 고른 좌표 변환이 가능한 장점을 지니고 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.455-455
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• 2016

최근 기후변화로 빈번하게 발생하는 국지성 집중호우로 인해 홍수 피해가 증가하고 있으며, 이에 따라 유량 계측 자료의 필요성이 더욱 증대되고 있다. 현재까지 하천의 홍수 유량측정은 대부분 부자법에 의해 수행되어 왔지만, 측정 작업의 위험성이나 측정 정확도에 대해 여러 문제점이 지적되고 있다. 이에 비접촉식 측정 방법으로 안전하고 측정방식이 간편하며 높은 정확도를 갖춘 표면영상유속측정법(Surface Image Velocimetry, SIV)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 다만 표면영상유속측정법의 경우 질 좋은 영상 촬영을 위해 밝은 빛이 필요하고, 일반적으로 매우 작은 규모의 하천을 제외하고는 영상 획득이 어렵다는 한계가 있다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 최근 류권규 등(2015)은 영상 획득 장비로 원적외선 카메라의 적용성을 검토한 바 있다. 원적외선 카메라의 경우 별도의 조명을 필요로 하지 않기 때문에 주야간 구분 없이 사용 가능하다는 장점이 있으며 실제 하천에서 홍수와 함께 발생하는 안개의 영향 또한 받지 않아 고정식으로 설치하여 하천 유량측정 시스템을 구성하는 좋은 대안이 될 수 있음을 강조하였다. 다만, 원적외선 카메라는 야간에 적용시 주간과 비교하여 수표면의 움직임이 느리게 분석되는 경향이 있다고 하였다. 실험 결과를 보면, 소형 프로펠러 유속계로 측정한 수표면의 유속값에 비교하여 일반 캠코더 영상으로 산정한 유속 산정 결과의 상대오차는 최대 -10%인 반면, 원적외선 카메라 영상으로 산정한 유속 산정 결과의 오차는 -9%에서 -19%(주간), -10% 에서 -23%까지의 오차 범위를 나타내는 등 일반 캠코더에 비해 원적외선 카메라의 정확도가 다소 떨어지는 결과를 나타냈으며, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 원적외선 영상의 명암값 분포 차이를 해결하기 위해 영상 처리 기법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이라고 하였다. 이에 본 연구에서는 원적외선 영상에 대한 다양한 영상 개선을 통해 표면영상유속계의 유속 측정 정확도를 높이고자 하였다. 이를 위해 우선, 적정 해상도와 시간간격을 제시하였으며, 영상의 색 보정과 영상 강화 등의 영상 개선을 통해 원적외선 영상을 이용한 유속 산정 정확도를 향상하였고, 마지막으로 다양한 야간 하천 흐름 조건에 적용하여 원적외선 영상을 활용한 표면영상유속계의 유속 측정 정확도를 높이고자 하였다.