기존의 하천 유량측정 방법은 고비용과 많은 인력 투입이 필요하며 측정 시 위험성이 존재한다는 문제점을 지니고 있다. 이로 인해 최근에는 직접 하천에 들어가지 않고 계측을 할 수 있는 비접촉식 유량계측 방식이 주목을 받고 있다. 특히, 영상을 이용하는 표면영상유속계(SIV, Surface Image Velocimetry)는 비접촉식이며 측정단면의 모든 측점에서 유속을 동시에 측정할 수 있다는 장점이 있어 전국 소하천 및 국가하천을 대상으로 적용사례가 늘어나고 있다. 하지만 표면영상유속계의 불확도 산정에 관한 연구는 거의 진행된 바가 없어 계측결과에 대한 신뢰성을 나타내는 지표가 공시되어 있지 않은 상황이다. 따라서 본 연구에서는 표면영상유속계 불확도 요인 중 영상 획득 시 영향을 크게 미칠것으로 판단되는 빛의 밝기 변화에 따른 불확도를 산정하였고, 빛이 없는 환경에서 열영상 카메라를 이용한 표면영상유속계의 적용성을 검토하였다.
빛의 밝기 변화에 따른 불확도 변화를 분석하기 위해 한국건설기술연구원의 하천 실험센터 내 폭 10 m, 자갈하상의 유량조절이 가능한 소하천 규모의 수로에서 수리실험을 수행하였다. 실험은 표면영상유속계로 동시에 측정한 300개 측점의 평균유속을 태양광과 인공조명의 조도변화에 따라 비교하여 불확도를 산정하였다. 또한, 빛의 없는 상황에서 분석이 불가능한 표면영상유속계의 단점을 보완하기 위하여 조도가 낮은 환경에서 열영상표면유속계의 적용성을 확인하였다.
빛의 밝기변화에 대한 불확도 측정결과, 태양광(0 lx ~ 54,000.00 lx)의 경우 조도7,620.00 lx ~　54,000.00 lx 에서 불확도 2 % 이하, 513.00 lx　~ 6,830.00 lx 에서 불확도 5 % 이하로 산정되었다. 274.00 lx 이하의 조도에서 불확도가 급격히 증가하며 측정 가능한 최소 조도인 2.80 lx에서 최대 불확도 50.69 %가 산정되었다. 인공조명( 14.1 lx ~　168.6 lx)의 경우 조도 168.60 lx에서 최소 불확도 10.65 %가 산정되었으며 30.40 lx에서 최대 불확도 21.30 %가 산정되었다.
열영상카메라를 이용한 열영상표면유속계의 적용성을 확인하기 위하여 태양광과 인공 조명의 조도 변화에 따른 불확도를 산정한 결과 불확도는 전 측정조도(태양광 : 0 lx ~ 2,000 lx, 인공조명 : 20.1 lx ~　102.9 lx)에서 1 % 미만의 불확도가 산정되었다. 특히 조도가 0 lx인 경우에도 1 % 미만의 불확도가 산정되어 열영상표면유속계는 빛이 없는 환경에서도 사용할 수 있음을 확인하였다.
불확도 분석 결과 동일 조도이지만 불확도의 차이가 크게 발생하는 결과가 나타났는데 이는 같은 조도라도 광원과 카메라의 위치관계에 따라 촬영된 영상에서 수표면의 명암의 분포가 다르게 나타났기 때문으로 판단되었다. 따라서 빛의 밝기보다는 분석영역 내 명암값의 표준편차가 불확도와 더 밀접한 관계가 있는 것을 확인하였으며 분석영역 명암값의 표준편차가 12 이하에서 불확도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 분석영역 명암값의 표준편차가 12 ~ 35 사이에서 불확도는 최대 2.5 %를 보였으며, 분석결과를 정리하여 분석영역 내 명암값의 표준편차와 불확도와의 관계식을 제시하였다.
본 연구에서는 제한된 수리 조건에서 빛의 밝기 변화에 따른 표면영상유속계의 유속 측정 불확도만을 분석하였다. 총 불확도를 구하기 위해서는 향후 표면영상유속계의 다양한 불확도 인자에 대한 불확도 산정연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 열영상표면유속계의 적용성에 대한 보편적 평가를 위해서는 조도 뿐만 아니라 온도, 유속규모, 기상 등 다양한 조건에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Existing river flow measurement methods have problems in that they require high cost and a large manpower input and carry a risk during measurement. As a result, a non-contact method of measuring flow without directly entering the river has recently been drawing attention. Surface Image Velocimetry (SIV) using images is especially applied widely in small streams nationwide and national rivers, as it is non-contact and can simultaneously measure the flow velocity at all points of the measurement section. However, there is no published indicator of the measurement results'' reliability since almost no research has been conducted to calculate the SIV''s uncertainty. Thus, this study calculated uncertainty according to the change in light brightness, considered to significantly affect image acquisition among the factors of SIV uncertainty, and reviewed the applicability of thermal SIV using a thermal camera in a lightless environment.
To analyze the change in uncertainty according to the change in light brightness, this study carried out hydraulic experiments in a 10m wide, small stream waterway, with controllable flow rates on gravel beds, in the river test center of the Korea Institute of Construction Technology. In the experiment, the uncertainty was calculated by comparing the average flow velocity of the 300 areas simultaneously measured by SIV according to the illuminance change of sunlight and artificial light, and the analysis areas'' illuminance was measured using an illuminance meter. Also, to compensate for the disadvantage of SIV, which cannot be analyzed in the absence of light, the study examined the applicability of thermal surface velocimetry according to the change in illuminance of sunlight and artificial light.
The results of measuring uncertainty for the change in light brightness showed that for sunlight (0 lx ~ 54,000.00 lx), the uncertainty was calculated to be less than 2% in the illuminance of 7,620.00 lx ~ 54,000.00 and less than 5% in the illuminance of 513.00 lx ~ 6,830.00 lx. Uncertainty increased rapidly for the illuminance under 274.00 lx, and maximum uncertainty of 50.69% was calculated at 2.80 lx, the minimum measurable illuminance. For artificial light (14.10 lx ~168.60 lx), the minimum uncertainty of 10.65 % was calculated at the illuminance of 168.60 lx and the maximum uncertainty of 21.30 % at the illuminance of 30.40 lx. To confirm the applicability of thermal SIV using a thermal camera, this study calculated uncertainty according to changes in the illuminance of sunlight and artificial light. The result was less than 1% of uncertainty at the measured illuminance (sunlight: 0 lx ~ 2,000.00 lx, artificial light: 20.10 lx ~ 102.90 lx). Moreover, the uncertainty of less than 1% was calculated when the illuminance was 0 lx, confirming the applicability of thermal SIV even in an environment without light.
According to the uncertainty analysis result, a large difference in uncertainty appeared in the same illuminance because, even with the same illuminance, the distribution of light and shade on the water surface differed in the image taken according to the positional relationship between the light source and the camera, even with the same illuminance. Therefore, it was confirmed that the standard deviation of gray values in the analysis area has a closer relationship with uncertainty than light brightness and that the uncertainty increased rapidly when the standard deviation of gray values in the analysis area was less than 12. Uncertainty was up to 2.5% in the standard deviation of gray values in the analysis area between 12-35, and the analysis results were organized to present the relational expression between the standard deviation of gray values in the analysis area and uncertainty.
This study analyzed the flow velocity measurement uncertainty of SIV according to the change in light brightness under limited hydraulic conditions. To obtain total uncertainty, it is judged that should be carried out continuously to calculate the various uncertainty factors of SIV. In addition, to universally evaluate the applicability of thermal SIV, it is necessary to conduct research on various conditions such as temperature, flow velocity scale, weather, as well as illuminance.