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자료기반 학습 알고리즘을 이용한 지하수위 변동 예측 모델의 국가지하수관측망 자료 적용에 대한 비교 평가 연구
Application of groundwater-level prediction models using data-based learning algorithms to National Groundwater Monitoring Network data 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.23 no.2, 2013년, pp.137 - 147  

윤희성 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  김용철 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  하규철 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  김규범 (K-water연구원 수변지하수연구단)

초록
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지하수자원의 효율적인 관리를 위해 강우에 대한 지하수위 변화를 예측하는 것은 중요한 문제이다. 본 연구에서는 자료기반 학습 알고리즘인 인공신경망과 지지벡터기계를 이용하여 시계열 예측 모델을 만들고 이를 국가지하수관측망 중 가산, 신광, 청성 관측소 지하수위 변화 예측에 적용하였다. 모델의 입력 성분 구성 방법에 따라 네 가지 모형을 설정하고 각 관측소 및 모델 별 예측 결과를 비교 평가하였다. 강우 입력 모형의 경우 지하수위 감쇠 및 기저 변화 예측을 위해 큰 규모의 입력 성분 구성이 필요하지만 강우 및 지하수위 입력 모형은 보다 작은 규모의 입력 성분으로 효과적으로 지하수위 변화를 예측하는 것으로 나타났다. 강우 및 지하수위 입력 모형의 활용성 증대를 위해 고안된 반복 예측 모형의 경우 관측값과 예측값 사이에 0.75~0.95의 상관계수를 보여 적용 가능성이 큰 것으로 판단된다. 전체적으로 강우-지하수위 교차상관계수가 낮은 신광 관측소의 예측 오차가 크게 나타났고 ANN 모델에 비해 SVM의 예측력이 다소 높은 것으로 조사되었다. 또한 반복 예측 모형의 모델 파라미터 선정 과정에서 보정 단계 오차에 대한 예측 단계 오차의 비의 분포를 조사한 결과 SVM의 경우가 더 작게 나타나 SVM이 본 연구 자료에 대해 보다 안정적이고 효율적인 모델임을 평가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For the effective management of groundwater resources, it is necessary to predict groundwater level fluctuations in response to rainfall events. In the present study, time series models using artificial neural networks (ANNs) and support vector machines (SVMs) have been developed and applied to grou...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 ANN 및 SVM 기반 P3G3 모형을 활용하여 반복 예측 모형을 만들고 지하수위 변화 예측에 대한 적용성을 평가하였다. 반복 예측 모형은 다음과 같이 표현될 수 있다.
  • 반복 예측 모형의 경우 실제 관측 자료 학습을 통해 결정된 모델 파라미터들을 그대로 사용하기 때문에 이로 인해 발생할 수 있는 모델 파라미터의 불확실성을 평가하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 이를 위해 모델 파라미터 탐색에 이용된 각 파라미터 군에 대해 보정 단계 오차(ECAL)에 대한 반복 예측 단계 오차(ERPR)의 비율을 계산하고 비교 평가 하였다. ERPR/ECAL 비율이 크고 분포 범위가 넓다는 것은 반복 예측에 활용되는데 부적합한 모델이 학습될 가능성이 높음을 의미한다.
  • 본 연구에서는 인공지능 기반 학습 알고리즘 중 ANN과 SVM을 이용한 시계열 모델의 국가지하수관측망 지하수위 변화 예측에 대한 적용성을 비교 평가하였다. ANN 모델 구성을 위한 자료 학습 방법으로 역전파 알고리즘을 이용하였고 SVM에는 순차적 최소규모 최적화 알고리즘을 적용하였으며 시행착오법을 통해 모델 파라미터를 결정하였다.
  • 시계열 모델의 설정에 있어 입력 시계열의 구성 방법에 대해 시행착오법, 통계적 접근 방법, 최적화 기법 연계 등 다양한 접근방법이 있지만 본 연구의 목적은 국가지하수관측망 지하수위 자료 예측에 대한 ANN과 SVM 모델의 적용성을 평가하는 것이므로 다음과 같이네 가지 입력 구조를 가지는 모형들을 설정하고 각 경우에 대한 두 모델의 적합성을 비교하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 논문에서 수행한, 자료기반 학습 알고리즘인 인공신경망과 지지벡터기계를 이용하여 시계열 예측 모델을 만들고 이를 국가지하수관측망 중 가산, 신광, 청성 관측소 지하수위 변화 예측에 적용한 결과는 어떠한가? 모델의 입력 성분 구성 방법에 따라 네 가지 모형을 설정하고 각 관측소 및 모델 별 예측 결과를 비교 평가하였다. 강우 입력 모형의 경우 지하수위 감쇠 및 기저 변화 예측을 위해 큰 규모의 입력 성분 구성이 필요하지만 강우 및 지하수위 입력 모형은 보다 작은 규모의 입력 성분으로 효과적으로 지하수위 변화를 예측하는 것으로 나타났다. 강우 및 지하수위 입력 모형의 활용성 증대를 위해 고안된 반복 예측 모형의 경우 관측값과 예측값 사이에 0.75~0.95의 상관계수를 보여 적용 가능성이 큰 것으로 판단된다. 전체적으로 강우-지하수위 교차상관계수가 낮은 신광 관측소의 예측 오차가 크게 나타났고 ANN 모델에 비해 SVM의 예측력이 다소 높은 것으로 조사되었다. 또한 반복 예측 모형의 모델 파라미터 선정 과정에서 보정 단계 오차에 대한 예측 단계 오차의 비의 분포를 조사한 결과 SVM의 경우가 더 작게 나타나 SVM이 본 연구 자료에 대해 보다 안정적이고 효율적인 모델임을 평가하였다.
물리 모델링 기법이란 무엇인가? 지하수자원의 효율적인 관리를 위해 지하수위 변화를 정확히 예측하는 것이 중요하며 이에 대한 다양한 각도의 연구가 진행되어 왔다. 대표적인 접근 방법인 물리 모델링 기법은 대상 영역에 대한 물리적인 개념을 바탕으로 수학적인 지배방정식을 세우고 이를 해석적 혹은 수치적 풀이를 통해 지하수위 변화를 예측 한다(Rai and Singh, 1995; Knotters and Bierkens, 2000; Srivastava et al., 2002; Park and Parker, 2008).
지하수자원의 체계적인 관리의 중요성이 대두되고 있는 배경은 무엇인가? 최근 지하수 이용량이 꾸준히 증가하고 기후변화가 수자원에 미치는 영향에 대한 관심이 고조되면서 지하수자원의 지속가능하고 안정적인 활용을 위한 체계적인 관리의 중요성이 대두되고 있다. 지하수자원의 효율적인 관리를 위해 지하수위 변화를 정확히 예측하는 것이 중요하며 이에 대한 다양한 각도의 연구가 진행되어 왔다.
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참고문헌 (23)

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  23. Zealand, C. M., Burn, D. H., and Simonovic, S. P., 1999, Short-term streamflow forecasting using artificial neural networks, Journal of Hydrology, 214, 32-48. 

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