[논문]CCTV를 활용한 폭풍 해일의 월파 횟수 탐지 및 방재 시스템 설계

최은혜; 김창수

doi:10.9717/kmms.2012.15.2.258

CCTV를 활용한 폭풍 해일의 월파 횟수 탐지 및 방재 시스템 설계
A Design of Disaster Prevention System and Detection of Wave Overtopping Number for Storm Surge base on CCTV 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.15 no.2, 2012년, pp.258 - 265

최은혜 (부경대학교 정보보호학협동과정) , 김창수 (부경대학교 IT융합응용공학과)

초록
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우리나라는 매년 남해안 지역에 크고 작은 해일로 많은 인명과 재산 피해를 겪고 있다. 그러나 폭풍해일에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔지만, 실제 생활현장에서 적용 가능한 해일탐지 및 예방시스템에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 현장 적용이 가능한 상황을 고려하여 CCTV 영상을 이용한 시간당 월파 횟수와 연안 범람의 위험성을 근사적으로 탐지할 수 있는 방재시스템을 제안한다. 그리고 연안범람의 위험이 감지되면 제안된 GIS기반 해일예방시스템은 관리자에게 신속하게 범람지역을 알려준다. 본 제안의 CCTV 영상분석은 맑은 날의 영상과 태풍 "뎬무" 진입시 연구실에서 촬영한 동영상을 기반으로 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Our country is suffering from many human victims and property damages caused to occur great and small tidal waves in southern areas every year. Even though there were progressing many researches for storm surges, it was required more researches for detection of tidal wave and prevention system of its which can be applied in practical living fields. In this paper, we propose the disaster prevention system that can approximately detect a dangerousness of coast flooding and number of overtopping per time based on images of CCTV considering actual field application. And if it is detected a hazard of flooding of coast, the proposed detection system for tidal wave based GIS is quickly informed the areas of flooding to manager. The analyzing results of CCTV image of this proposed are derived from difference images between photos of fine day and photos or videos which are taken for the typhoon which is called "DIANMU" at our laboratory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 빠른 시일 내에 해일 방제가 가능하고, 비용면에서도 저렴한 해일 예방에 도움이될 수 있는 시스템 개발이 필요하다[16]. 따라서 본 논문에서는 대상지역을 해운대구 우동 수영만 마린시티로 한정하여 현실적인 정보수집이 가능하고 해일 발생 촬영정보를 기반한 연구를 진행하였다.
본 논문에서는 해일범람 탐지 시스템을 본 연구실에서 개발한 풍수해 이력정보시스템과 통합하여 구축할 경우 시너지 효과가 있어 이를 함께 활용하고자 제안한다. 현재 많은 연구들이 연안방재시스템과 통합적으로 연계하기 위한 방향들이 제안되고 있으며[19-20], 미국의 NOAA에서는 연안지역에서 발생하는 재해인 태풍, 토네이도, 해일, 집중호우 등에 대한 피해규모에 관한 정보들을 수집 보유하여 GIS 분석을 통해 피해규모를 최소화하는 연구를 진행하고 있다[21-22].
본 연구는 수영만 마린시티의 해일탐지를 위해 OpenCV 라이브러리 영상처리 프로그램을 이용하여 해일로 인한 침수 범람을 탐지하는 시스템을 설계한다[8]. 그림 1은 해일범람 탐지 시스템을 위한 영상처리의 설계 흐름도를 나타내고 있다.
현재 많은 연구들이 연안방재시스템과 통합적으로 연계하기 위한 방향들이 제안되고 있으며[19-20], 미국의 NOAA에서는 연안지역에서 발생하는 재해인 태풍, 토네이도, 해일, 집중호우 등에 대한 피해규모에 관한 정보들을 수집 보유하여 GIS 분석을 통해 피해규모를 최소화하는 연구를 진행하고 있다[21-22]. 본 연구에서는 그림 7과 같이 기존의 GI 기반 재해정보시스템에 앞에서 연구한 CCTV 차영상 이미지를 활용한 해일범람 탐지시스템을 연계하여 구현한 내용을 제시하고 있다.
본 연구에서는 태풍 해일의 발생이 연안지역의 특정지역에서 빈번하게 발생한 경우를 고려하여 먼 바다의 상황을 고려하기 보다는 CCTV를 활용한 특정 시점에서의 발생원인을 분석하는데 초점을 맞추어 연구하였다.

제안 방법

이때 당시에는 태풍 ‘뎬무’의 내습으로 인해 촬영 영상을 보면 월파가 매우 심한 것을 알 수 있었다. 그림 6에서와 같이 월파가 탐지된 구간이 총 5구간이 탐지되었으며, 그림 6의 그래프는 오전 10시 14분부터 촬영한 동영상이며 총 60초의 영상을 분석하였다. 분석 결과로 10초∼12초 구간인 A구간과 21초∼23초 구간인 B구간, 33초 구간인 C구간, 39초 구간인 D구간, 마지막 구간인 45초∼50초까지의 구간인 E구간이 탐지되었다.
현재 국내 등표 지점은 총 9군대에 위치하고 있으며 그 중 수영만 연안과 가장 가까운 광안 지점 관측 자료를 사용하려 하였으나, 광안 지점 관측 자료의 기계오류로 자료를 얻을 수가 없었다. 따라서 가장 가까운 지점인 이덕서 지점의 정보를 통해 CCTV 영상 자료와 비교 분석을 하게 되었다. 추후 광안지점 관측 자료를 수집할 경우 좀 더 정확한 비교가 가능할 것으로 판단된다.
그리고 TTP나 지형구조에 따라 영상처리 흐름은 달라져야 한다. 따라서 객체의 윤곽선 에지 추출로 방파제 윤곽선 및 파도 윤곽선을 추출한 뒤, 객체 분리를 통해 방파제와 파도 객체 윤곽선을 따로 분리하도록 하였다. 방파제 객체는 고정되어 있는 객체로 두고, 파도 객체는 동적인 객체로 두어 태풍 내습 시 파도 객체가 해안도로를 범람하는 것을 인식하여 설계하고 있다.
따라서 본 논문에서는 기존 해일 시뮬레이션의 복잡성을 단순화하여 2010년 8월 태풍 4호 ‘뎬무’ 내습 시의 영상자료와 기상자료를 활용하여 IT기술을 기반으로 모니터링 및 월파 탐지를 고려하였다.
그리고 촬영된 영상 내 파도와 방파제가 객체로 추출되어야 하는데, 실생활에서는 여러 가지 외부 변수가 존재한다. 따라서 잡음제거를 위한 전처리 과정에서 영상 내 자주 잡히는 사람 및 자동차 객체를 잡음으로 간주하여 윤곽선 추출을 통해 잡음을 제거 한 뒤, 영상분석이 이루어지도록 설계하였다.
해일 탐지를 위해 본 연구에서는 차영상을 통해 월파 및 횟수 탐지를 분석한다. 먼저 맑은 날씨에 촬영된 영상을 기준 영상으로 두고, 태풍 내습 시의 영상과 바람이 많이 불거나 비가 많이 오는 날씨에 월파가 발생한 경우를 탐지하기 위해 차영상 기법을 적용한다. 현재는 맑은 날의 영상과 태풍 내습시의 영상을 분석하기 위해 월파가 탐지될 시, 월파의 유무를 초 단위로 분석하여 월파 회수에 따른 탐지방법을 제안하였으며, 그림 5의 (b)는 해일탐지 차영상 알고리즘을 나타낸다.
본 논문에서는 국내 등표 자료인 수치 자료만으로는 신속하게 해일을 판단하기가 힘들기 때문에 CCTV를 활용하여 현장 상황을 실시간으로 모니터링하고 영상분석을 통한 해일 범람의 탐지와 월파 횟수 분석을 통해 자동으로 해일의 위험을 탐지하고, 기상청 자료의 비교로 파도의 패턴을 분석하였다. 이때 당시에는 태풍 ‘뎬무’의 내습으로 인해 촬영 영상을 보면 월파가 매우 심한 것을 알 수 있었다.
본 연구를 수행하기 위해서 2010년 8월 11일 태풍 “뎬무” 진입시 발생한 해일범람을 동영상과 사진을 현장에서 촬영하였으며, 그 당시의 기상청 정보와 연계된 해일범람 횟수 및 차영상을 이용한 해일 탐지 방법을 제시하였다.
그리고 해당 지역 설계파고는 일반적으로 심해파고(HO)에 굴절, 회절, 천수변형, 쇄파 등의 영향을 고려하여 결정된다. 이러한 방파제 정보 및 기상청의 해당 지역 관측 자료를 수집하여 실제 현장에서 촬영된 CCTV 영상정보와 비교하여 분석하게 된다. 또한 해양 관측 자료는 부산지방기상청 홈페이지에서 국내 등표자료를 제공받았다[17].
따라서 본 논문에서는 기존 해일 시뮬레이션의 복잡성을 단순화하여 2010년 8월 태풍 4호 ‘뎬무’ 내습 시의 영상자료와 기상자료를 활용하여 IT기술을 기반으로 모니터링 및 월파 탐지를 고려하였다. 이를 위해 촬영된 CCTV 영상분석을 통해 태풍 내습 시 시간당 월파 횟수를 탐지하여 해일의 위험성을 파악하고 관리자에게 월파 및 횟수를 알려주는 것과 GIS시스템을 통해 위험을 탐지한 위치에 대해 시간별 월파 정보를 활용하여 현장의 CCTV 연결 및 위험지역 검색 및 서비스가 가능한 해일 탐지 시스템을 제안한다.
입력영상은 맑은 날씨에 촬영한 영상을 기준영상인 입력영상 A로 두고, 태풍 내습 시 촬영한 영상을 입력영상 B로 두어 분석하였다. 본 연구실에서 촬영한 현장 데이터인 입력영상 A와 B는 아래의 그림 2와 3과 같다.
해일 탐지를 위해 본 연구에서는 차영상을 통해 월파 및 횟수 탐지를 분석한다. 먼저 맑은 날씨에 촬영된 영상을 기준 영상으로 두고, 태풍 내습 시의 영상과 바람이 많이 불거나 비가 많이 오는 날씨에 월파가 발생한 경우를 탐지하기 위해 차영상 기법을 적용한다.

대상 데이터

대상지역인 수영만 마린시티 지점의 2010년 8월 11일에 촬영한 태풍 ‘뎬무’ 내습시의 총 60초 영상에서 월파를 분석한 결과는 다음 그림 6과 같다.
수영만 마린시티 해안도로에 있는 호안의 설계정보는 구청의 기본 자료를 활용하였다. 호안의 설계정보는 설계파고 및 방파제 높이 등의 정보로 이루어지며, 설계파고의 경우 과거 최대 파고의 통계로 설계되는데 통상 50년 재현 빈도에 의한 실측 또는 기상자료를 근거하여 파고 및 주기를 결정한다.

이론/모형

마린시티 해안도로의 월파를 탐지하기 위해 영상 내 윤곽선을 추출하는 에지 추출 기법을 활용한다. 그리고 TTP나 지형구조에 따라 영상처리 흐름은 달라져야 한다.
해양공학측면에서 폭풍해일고를 산정하기 위한 방법은 아래 수식과 같이 연직방향으로 적분한 비선형장파방정식 폭풍해일고 산정식이 있다. 폭풍해일고 산정의 원리는 저기압에 의한 수면상승과 바람에 의한 수면상승을 고려한 비선형장파이론에 근거한 단층모델을 이용한다. 이러한 기초방정식은 연직방향으로 적분된 다음의 연속방정식 (1)과 이로부터 유도되는 수심적분한 비선형장파방정식 (2), (3)으로 구성된다[2,6].
는 해면저항계수(항력계수)이다. 항력계수에 대해서는 모형실험이나 현지관측에 기초한 많은 경험 값이 제안되어 있지만, 본 논문에서 사용한 항 력계수는 [14]의 제안식을 사용하였으며, 해면저항계수 식(8)에서 U₁₀은 해면상 풍속 10m를 의미한다.

성능/효과

분석 결과로 10초∼12초 구간인 A구간과 21초∼23초 구간인 B구간, 33초 구간인 C구간, 39초 구간인 D구간, 마지막 구간인 45초∼50초까지의 구간인 E구간이 탐지되었다.
분석 결과로 10초∼12초 구간인 A구간과 21초∼23초 구간인 B구간, 33초 구간인 C구간, 39초 구간인 D구간, 마지막 구간인 45초∼50초까지의 구간인 E구간이 탐지되었다. 영상을 확인해보면, C와 D구간은 1초간 파도가 범람한 것을 확인할 수 있는데, 이는 범람의 위험성이 미흡한 것으로 분석되었다. 그러나 E구간과 같이 태풍으로 인해 5초간 파도가 범람된 구간의 영상을 확인해보면 범람의 위험성이 매우 크며, 범람 면적 또한 커지므로 인명피해 및 시설물 관리에 주의가 필요하다.

후속연구

이러한 연구는 아직 다양한 범람 사진이나 동영상을 확보하지 않아서 특정지역의 기상환경과 바람에 의한 해일범람을 정확하게 예측하는 것은 불가능하지만, 이러한 정보를 지속적으로 활용할 경우 향후에는 근사적인 해일 범람 예측 기법을 찾아낼 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 아직은 CCTV의 촬영방향, 해일의 발생원인 및 크기, 범람 도로영역의 예측 결정 등에 대한 연구는 추가되어야 한다.
이러한 연구는 아직 다양한 범람 사진이나 동영상을 확보하지 않아서 특정지역의 기상환경과 바람에 의한 해일범람을 정확하게 예측하는 것은 불가능하지만, 이러한 정보를 지속적으로 활용할 경우 향후에는 근사적인 해일 범람 예측 기법을 찾아낼 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 아직은 CCTV의 촬영방향, 해일의 발생원인 및 크기, 범람 도로영역의 예측 결정 등에 대한 연구는 추가되어야 한다.
따라서 가장 가까운 지점인 이덕서 지점의 정보를 통해 CCTV 영상 자료와 비교 분석을 하게 되었다. 추후 광안지점 관측 자료를 수집할 경우 좀 더 정확한 비교가 가능할 것으로 판단된다.
현재는 수영만 마린시티 지점에 다양한 CCTV 정보를 활용할 수 없어 태풍 ‘뎬무’ 내습 시 현장에서 촬영한 현장 영상과 맑은 날씨의 다른 날 유사한 지점의 영상으로 정확한 차영상을 계산하는 것은 무리가 있지만, 추후보다 정확한 영상이 취득되면 본 연구의 정상적인 차영상 검증이 가능할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2010년 한반도에 직접적인 영향을 준 태풍은 무엇이 있는가?	2003년에도 태풍 매미의 내습으로 마산만에 해일이 발생하여 32명의 인명피해 및 6,000억원의 재산피해가 있었다[2]. 2010년에는 한반도에 직접적인 영향을 준 태풍 ‘뎬무’, ‘곤파스’, ‘말로’와 같은 강도 높은 태풍이 한 달 사이 우리나라를 통과하게 되었다. 태풍 4호 ‘뎬무’는 해운대구 우동 수영만 마린시티 지역의 해안 도로에 차량 20대, 보도블록 일부를 파손하였고, 인명피해도 잇따랐다.
	해일 시뮬레이션 연구에는 동적 파도 조건 외에도 어떤 현실적인 어려움이 존재하는가?	그러나 이러한 해일 시뮬레이션은 해양이라는 동적 파도 조건 때문에 연안 지형에 따른 지형도 분석 및 해당 지역마다 변수가 불규칙하고, 파도 분야만 연구하는데도 오랜 시간이 요구된다. 그리고 해일 현장의 실시간 정보 수집을 위해 많은 노력이 요구되기 때문에 현실적인 어려움이 따른다. 따라서 본 논문에서는 기존 해일 시뮬레이션의 복잡성을 단순화하여 2010년 8월 태풍 4호 ‘뎬무’ 내습 시의 영상자료와 기상자료를 활용하여 IT기술을 기반으로 모니터링 및 월파 탐지를 고려하였다.
	2010년 4호 태풍 '뎬무'로 인해 발생한 피해는 무엇인가?	2010년에는 한반도에 직접적인 영향을 준 태풍 ‘뎬무’, ‘곤파스’, ‘말로’와 같은 강도 높은 태풍이 한 달 사이 우리나라를 통과하게 되었다. 태풍 4호 ‘뎬무’는 해운대구 우동 수영만 마린시티 지역의 해안 도로에 차량 20대, 보도블록 일부를 파손하였고, 인명피해도 잇따랐다.

참고문헌 (22)

재해연보, 소방방재청, 2005.
허동수, 이현우, 이우동, 배기성, "슈퍼태풍 내습시 부산 경남 연안역의 폭풍해일고," 한국해안해양공학회논문집, 제20권, 제1호, pp. 128-136, 2008.

원문보기 상세보기
박정재, "해수면 상승 및 해일로 인한 자연재해와 대응 방안", 국토지리학회지, 제43권, 제3호, pp. 435-454, 2009.
한성대, 이정렬, "마산만 국지해일 예경보 모의시스템 구축", 한국방재학회논문집, 제9권, 5호, pp. 131-138, 2009.

원문보기 상세보기
박선중, 문승록, 강주환, 윤종태, "MIKE21 모형을 이용한 경남해역 모의," 한국해안 해양공학회, 제17권, pp. 228-231, 2008.
김도삼, 김지민, 이광호, 이성대, "연안역에서 고파랑과 폭풍해일을 고려한 침수해석," 한국해양공학회, 제21권, 제2호, pp. 35-41, 2007.
연안재해 실시간 감시 모니터링 체계 구축 방안, 기상청, 2009.
최은혜, 정명균, 김대규, 김창수, "재난방재를 위한 자동화된 CCTV를 이용한 해일 감시 모니터링," 한국지리정보학회 춘계학술대회, pp. 92-93, 2010.
I.J. Moon, "Impact of a Coupled Ocean Wave- Tide-Circulation System on Coastal Modeling," Ocean Modelling, Vol.8, No.3, pp. 203-236, 2005.

상세보기
K.O. Kim, H.S. Lee, T. Yamashita, and B.H. Choi, "Wave and Storm Surge Simulations for Hurricane Katrina using Coupled Process Based Models," Coastal and Harbor Engineering, Vol.12, No.1, pp. 1-8, 2008.
J. Wolf, "Coastal Flooding: Impacts of Coupled Wave-Surge-Tide Models," Springer, Vol.49, No.2, pp. 241-260, 2009.
J.L. Rego and C. Li, "Nonlinear Terms in Storm Surge Predictions: Effect of Tide and Shelf Geometry with Case Study from Hurricane Rita," Journal if Geophysical Research, Vol.115, No.C06020, pp. 1-19, 2010.
C.W. Li and Y. Song, "Correlation of Extreme Waves and Water Levels using a Third-Generation Wave Model and a 3D Flow Model," Ocean Engineering, Vol.33, No.5-6, pp. 635-653, 2006.

상세보기
H. Mitsuyasu and T. Kusaba, "Drag Coefficient over Water Surface under the Action of Strong Wind," Journal of Natural Disaster Science, Vol.6, No.2, pp. 43-50, 1984.
연합뉴스 사회, http://news.naver.com/main/ read.nhn?modeLSD&midsec&sid1102&oi d001&aid0004603517, 2010.8.13
국토해양부, http://pyeongtaek.mltm.go.kr/USR/ dictionary/m_17841/lst.jsp, 2010.
부산지방기상청, http://www.kma.go.kr/index.jsp, 2010.
H.S. Hwang, T.N. Sharma, and C.S. Kim, "A System Framework for Managing and Analyzing Disaster History Information," International Conference on Multimedia, Information Technology and its Applications, pp. 297-300, 2009.
Taegun Jeon, Hyunsuk Hwang, and Changsoo Kim, "A UIS-Based System Development to Express the Damage History Information of Natural Disasters," Journal of Korea Multimedia Society, Vol.13, No.12, pp. 1739-1747, 2010.

원문보기 상세보기
Yulan Cui, Hyunsuk Hwang, and Changsoo Kim, "A Study on Facility Information System using GIS and Semantic Web in Underground space," Journal of Korea Multimedia Society, Vol.13, No.12, pp. 1843-1854, 2010.

원문보기 상세보기
S. Venkataraman, W. Benger, A. Long, B. Jeong, and L. Renambot, "Visualizing Hurricane Katrina-Large Data Management, Rendering and Display Challenges," GRAPHITE of the ACM, ISBN 1-59593-564-9, pp. 209-212, 2006.
김진아, 박진아, 박광순, 권재일, "웹 서비스 기반 GIS 연동 폭풍 해일 시각화 시스템 개발," 한국정보과학회, 제14권 제9호, pp. 841-849, 2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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