Evaluation of unmanned surface vehicle applications in aquatic environmental monitoring

Chang Hyun Lee; Chan Woong Jun; Yong Sik Song; Young Do Kim

doi:10.3741/JKWRA.2025.58.S-3.1513

All Issue

2025 Vol.58, Issue 12S-3 Next Page

Research Article

Evaluation of unmanned surface vehicle applications in aquatic environmental monitoring 무인선을 활용한 수환경에서의 모니터링 적용성 연구

31 December 2025. pp. 1513-1523

PDF XML

Abstract

This study aims to evaluate the applicability of unmanned surface vehicles (USVs) for aquatic environment monitoring. Aquatic monitoring is essential for diagnosing environmental issues such as algal blooms, turbidity dispersion, and hypoxia in bottom layers. However, conventional manned surveys have inherent limitations, including time consumption, low spatiotemporal resolution, and safety concerns. To address these issues, this study conducted field investigations in the Geumho River and Lake Soyang, representing river and lake environments, using USVs equipped with multi-parameter water quality sensors (YSI EXO) and Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP). In Lake Soyang, the efficiency of USVs was evaluated through a comparative analysis of survey time and the number of acquired data points against manned surveys. In the Geumho River, USV-based high-resolution monitoring data were combined with spatial interpolation techniques to examine the reproducibility of spatial distribution compared to manned surveys. The results demonstrated that USVs reduced the average survey time by 6.7%, while the number of data points decreased by 8.7% compared to manned surveys. Nevertheless, the data density obtained by USVs was sufficient to reproduce the three-dimensional structure of the water body. In the Geumho River, USV-based observations provided more detailed hydrodynamic and water quality patterns in the spatial interpolation results, highlighting their effectiveness for high-resolution monitoring in narrow riverine environments. In conclusion, USVs exhibited clear advantages in terms of time efficiency, safety, and automation potential over conventional manned surveys, suggesting that USVs are a promising alternative or complementary tool for aquatic environment monitoring and management.

Keywords

Unmanned Surface Vehicle (USV)

Aquatic environment monitoring

Applicability assessment

Spatial interpolation

본 연구는 무인선(Unmanned Surface Vehicle, USV)을 활용한 수환경 모니터링의 적용성을 평가하기 위하여 수행되었다. 수환경 모니터링은 녹조 발생, 탁수 확산, 저층 용존산소 고갈 등 다양한 수환경 문제를 진단하는 데 필수적이며, 기존 유인 조사 방식은 조사 시간 소요, 공간·시간 해상도의 한계, 안전성 문제를 내포하고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 수리·수질 센서를 탑재한 무인선을 운용하여, 하천과 호소를 대표하는 금호강과 소양호를 대상으로 유·무인 조사 결과를 비교·분석하였다. 연구 방법으로는 소양호에서 유·무인선 간 조사 시간 및 데이터 개수 비교를 수행하여 무인선 운용의 효율성을 평가하였으며, 금호강에서는 무인선의 고해상도 모니터링 자료를 공간 보간 기법과 결합하여 유·무인 조사 자료의 공간 재현성을 검증하였다. 연구 결과, 무인선은 유인선 대비 조사 시간을 평균 6.7% 단축하였으며, 데이터 개수는 평균적으로 8.7% 감소하였으나 수체의 3차원 구조를 재현하기에는 충분한 밀도가 확보되었다. 또한 금호강에서는 무인선 기반 조사 자료가 공간 보간 결과에서 더 정밀한 수리·수질 구조를 나타내어, 좁은 수역에서의 고해상도 모니터링에 효과적임이 확인되었다. 결론적으로, 무인선은 수환경 모니터링에서 시간 효율성, 안전성, 자동화 가능성 측면에서 유인 조사 방식에 비해 우수한 성능을 보였으며, 향후 수환경 관리 및 연구 현장에서 기존 방법을 보완하거나 대체할 수 있는 유망한 기술적 대안으로 활용될 수 있다.

키워드

무인선

수환경모니터링

적용성평가

공간보간

References

Chen, L., Zhao, W., and Zhang, Q. (2025). “Development of autonomous electric USV for water quality detection.” Sensors, Vol. 25, No. 12, 3747. doi: 10.3390/s25123747.

10.3390/s2512374740573634PMC12197029

Choi, H., Ryu, I., Park, M., Song, Y., Yu, S., and Kim, S. (2020). “Analysis of the water circulation structure in the Paldang Reservoir, South Korea.” Applied Sciences, Vol. 10, No. 19, 6822. doi: 10.3390/app10196822.

10.3390/app10196822

Imberger, J., and Patterson, J.C. (1990). “Physical limnology.” Advances in Applied Mechanics, Vol. 27, pp. 303-475. doi: 10.1016/S0065-2156(08)70199-6.

10.1016/S0065-2156(08)70199-6

Jones, T., Miller, P., and Evans, R. (2020). “Autonomous unmanned surface vehicles for safe hydrological monitoring.” Water, Vol. 12, No. 11, 3017. doi: 10.3390/w12113017.

10.3390/w12113017

Kim, J., Lee, T., and Seo, D. (2017). “Algal bloom prediction of the lower Han River, Korea using the EFDC hydrodynamic and water quality model.” Ecological Modelling, Vol. 366, pp. 27-36. doi: 10.1016/j.ecolmodel.2017.10.015.

10.1016/j.ecolmodel.2017.10.015

Lee, C.H., Park, J.G., Kim, K.D., Ryu, S.W., Kim, D.S., and Kim, Y.D. (2022). “Two dimensional spatial distribution analysis using water quality measurement results at river junctions.” KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research, Vol. 42, No. 3, pp. 343-350. doi: 10.12652/Ksce.2022.42.3.0343.

10.12652/Ksce.2022.42.3.0343

Martinez Vargas, S., Vitale, A.J., Genchi, S.A., Nogueira, S.F., Arias, A.H., Perillo, G.M.E., Siben, A., Delrieux, C.A. (2023). “Monitoring multiple parameters in complex water scenarios using a low-cost open-source data acquisition platform.” HardwareX, Vol. 16, e00492. doi: 10.1016/j.ohx.2023.e00492.

10.1016/j.ohx.2023.e0049238148972PMC10749909

Qadir, M.I., Mumtaz, R., Manzoor, M., Saleem, M., Khan, M.A., Charlesworth, S. (2024). “Unmanned surface vehicle for intelligent water quality assessment to promote sustainable human health.” Water Supply, Vol. 24, No. 7, pp. 2259-2270. doi: 10.2166/ws.2024.141.

10.2166/ws.2024.141

Robertson, D.M., and Imberger, J. (1994). “Lake Number, a quantitative indicator of mixing used to estimate changes in dissolved oxygen.” Internationale Revue der gesamten Hydrobiologie und Hydrographie, Vol. 79, No. 2, pp. 159-176. doi: 10.1002/iroh.19940790202.

10.1002/iroh.19940790202

Information

Publisher :KOREA WATER RESOURECES ASSOCIATION
Publisher(Ko) :한국수자원학회
Journal Title :Journal of Korea Water Resources Association
Journal Title(Ko) :한국수자원학회 논문집
Volume : 58
No :12
Pages :1513-1523
Received Date : 2025-10-08
Revised Date : 2025-11-17
Accepted Date : 2025-11-18
DOI :https://doi.org/10.3741/JKWRA.2025.58.S-3.1513

Journal of Korea Water Resources Association ISSN:2799-8746(Print) 2799-8754(Online) 한국수자원학회 논문집

All Issue