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문제 정의
- 이는 방대한 자료에 의한 용량의 한계와 확장성 및 활용성이 현저히 떨어지는 단점이 있으므로 일반적인 GIS 응용 분야에서는 다양한 축척비를 갖는 벡터 자료형을 주로 사용한다. 따라서 본 논문에서는 벡터 자료형을 갖는 다양한 GIS 플랫폼을 고려하여 레이더 자료의 고정밀 정합을 위해 벡터 GIS 자료를 기반으로 시뮬레이션을 수행한다. 레이더 데이터의 고정밀 GIS 정합을 위해 관측반경 40 km의 KICT 레이더로부터 획득된 관측자료를 사용하였으며, 이때 관측 자료의 거리해상도는 60 × 60 m이다.
- 본 논문에서는 이러한 기법의 유용성을 바탕으로 레이더 자료 표출 기술을 향상시키고, 다양한 GIS 플랫폼과 포맷에 효율적으로 적용할 수 있는 레이더 자료의 사용자 친화적인 실감 GIS 정합 기법을 제안하고자 한다. 제안된 기법을 활용하여 현재 국내에 도입되고 있는 고해상도 레이더 및 향후 구축될 계획에 있는 소형레이더 네트워크로부터 생성되는 레이더자료의 효과적인 분석을 수행할 수 있다.
- 본 연구에서 제안하는 레이더자료의 고정밀 실감 GIS 정합 기법은 급변하는 국내외 기후조건 및 기상 현상들 중에서 재난과 관련된 주요 돌발성, 국지성 호우, 폭설의 피해를 잘 예측하고 경보하기 위해 빠르고 직관적인 레이더 자료 분석을 수행하는 것을 목적으로 한다. 또한 향후레이더 자료의 매쉬업 서비스를 위해 다양한 소프트웨어, 하드웨어 및 GIS 플랫폼에 적용 가능한 영상 및 벡터 형태의 자료를 시뮬레이션하고 그 결과를 분석한다.
- 본 연구에서는 레이더의 다양한 응용 및 보다 정확한 기상, 수문 해석을 위해 레이더 자료를 멀티미디어자료로써 재가공하여 매쉬업 서비스에 활용하는 기법을 제안하였다. 또한, 레이더 자료의 보다 효과적인 분석과 해석을 통해 기상현상이 발생 중인 정확한 위치와 실황 및 예보를 돕기 위한 정밀 GIS 정합 기법을 소개하였다.
제안 방법
- 차폐지도 생성을 위해 2014년 4월 중 맑은 기상에서 KICT 레이더로부터 4회에 걸쳐 지상클러터 필터를 역으로 적용하여 0～20˚ 사이에서 45개의 각도로 스캔한 관측자료를 수집하였다. 그 후, 고도별 차폐분석을 위해 수집된 자료 들을 평균하여 0～3 km 고도에서 100 m의 수직해상도를 갖는 2차원 CAPPI 영상 #을 각각 생성하였다. Fig.
- 본 연구에서는 레이더의 다양한 응용 및 보다 정확한 기상, 수문 해석을 위해 레이더 자료를 멀티미디어자료로써 재가공하여 매쉬업 서비스에 활용하는 기법을 제안하였다. 또한, 레이더 자료의 보다 효과적인 분석과 해석을 통해 기상현상이 발생 중인 정확한 위치와 실황 및 예보를 돕기 위한 정밀 GIS 정합 기법을 소개하였다. 본 연구에서 제안한 기법은 기상레이더로부터 관측된 다양한 레이더 변수들을 이용하여 2차원의 영상 및 벡터 그래픽 자료, 또는 3차원 볼륨 자료 등의 다양한 고해상도 멀티미디어 자료로 변환하여 3차원 GIS 플랫폼상에서 정확한 좌표위치와 고도에 표현하는 방법이다.
- 다음 단계로서 가공된 레이더 데이터는 영상, 벡터좌표 및 3차원 매쉬(mesh) 등과 같은 1차 원시 멀티미디어 포맷으로 생성되며, 이 때 멀티미디어 포맷 외에 정확한 레이더 데이터 해석을 위한 정밀 수치자료들로써 각각의 게이트(gate) 변수들을 메타데이터 포맷으로 저장하여 멀티미디어 형태의 레이더 자료에 대한 부가자료로 사용할 수 있다. 마지막으로 레이더 자료의 사용 목적 및 해석 방법에 따라 멀티미디어 자료와 메타 데이터를 활용하여 다양한 GIS 플랫폼 및 S/W 환경에서 적용될 수 있는 레이더 자료로 2차 가공함으로써 제안한 레이더 데이터의 고정밀 GIS 정합을 수행한다.
- 또한, 레이더 자료의 보다 효과적인 분석과 해석을 통해 기상현상이 발생 중인 정확한 위치와 실황 및 예보를 돕기 위한 정밀 GIS 정합 기법을 소개하였다. 본 연구에서 제안한 기법은 기상레이더로부터 관측된 다양한 레이더 변수들을 이용하여 2차원의 영상 및 벡터 그래픽 자료, 또는 3차원 볼륨 자료 등의 다양한 고해상도 멀티미디어 자료로 변환하여 3차원 GIS 플랫폼상에서 정확한 좌표위치와 고도에 표현하는 방법이다. 다양한 강수 시나리오에 대한 실험 결과, 제안한 방법을 통해 3차원 GIS 플랫폼과 융합된 고해상도 레이더 자료를 이용함으로써 정확한 레이더 차폐영역 분석, 강수의 이동경로 파악, 강수량 추정에 따른 홍수위험도 분석 등에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
- (2013)의 기법은 저고도에서 일어나는 국지성, 기습성 기상변화를 관측하고 효과적으로 대응하기 위해, CASA-ERC (engineering research center for collaborative adaptive sensing of atmosphere)에서 운영하는 X-밴드 레이더 네트워크로부터 획득되는 100 × 100 m 해상도의 반사도 및 시선속도 격자자료들에 대해 지역별 분산처리를 거쳐 GIS 데이터와 결합하는 방법으로 레이더 데이터를 시각화하는 기법을 개발 및 적용 하였다. 이 기법에서는 분산 처리된 각 영역별 2차원 레이더 영상을 합성하여 반경 70 km 범위를 갖는 고해상도 영상 데이터를 GIS와 정합하여 시각화하는 방법과, 합성된 영상을 벡터(vector) 변환함으로써 벡터 좌표계를 갖는 GIS 평면에서 정합하여 시각화하는 방법을 구현하였다. 이를 통해, 고해상도 레이더 영상과 GIS의 정밀 정합을 통해 지리적 환경을 배경으로 전체적인 레이더 강수 특성뿐 아니라 지역적, 국부적 레이더 강수를 분석하는 데 용이함을 알 수 있었다.
- 또한, 강수로 인한 재해 발생의 가능성이 있는 지역에서 기상의 정밀관측 및 예측 정확성 향상을 위해 빠르고 직관적인 레이더 자료 분석을 수행할 수 있다. 제안하는 기법은 레이더로부터 획득되는 강우정보를 활용하여 높은 시공간해상도와 정확성을 갖는 강수 해석, 예측 및 재해 경보를 서비스하기 위해 레이더 강우 정보들을 고정밀 GIS와 정확히 정합하여 표출하는 방법을 제안한다.
- 레이더가 갖는 각 주파수 대역의 특성들에 따라 주파수 대역이 높을수록 전파의 파장이 짧아지므로 보다 미세한 강수 입자를 관측할 수 있는 반면, 거리와 강수입자에 의한 신호감쇄로 인해 관측 유효반경이 짧아지는 특징이 있다. 한편, 레이더 시스템에서 사용되는 편파에 따라 수평파만을 이용하는 단일편파 레이더의 경우, 반사되는 레이더 펄스의 크기와 위상에 대해 각각 I, Q로 표현되는 시계열 데이터를 처리 하여 반사도(reflectivity, Z), 도플러 시선속도(doppler velocity, V) 및 스펙트럼 폭(spectrum width, W) 등의 변수를 획득함으로써 기상관측을 수행한다. 반면, 수직 및 수평 편파를 동시에 이용하는 이중편파 레이더는 두 편파로부터 각각 획득되는 I, Q 데이터들로부터 다양한 관계식을 정립함으로써 단일편파 레이더에서 얻어지는 레이더 변수들 외에 차등반사도(differential reflectivity, Z DR ), 차등위상차(differential phase, ΦDP), 교차상관계수(cross correlation coefficient, ρhv ), 비차등위상차(specific differential phase, KDP) 등과 같은 이중편파 변수를 확보할 수 있다(Bringi and Chadrasekar, 2001).
대상 데이터
- 레이더 데이터의 고정밀 GIS 정합을 위해 관측반경 40 km의 KICT 레이더로부터 획득된 관측자료를 사용하였으며, 이때 관측 자료의 거리해상도는 60 × 60 m이다.
- 레이더 데이터의 고정밀 GIS 정합을 위해 관측반경 40 km의 KICT 레이더로부터 획득된 관측자료를 사용하였으며, 이때 관측 자료의 거리해상도는 60 × 60 m이다. 정밀 GIS 정합을 위한 GIS S/W플랫폼으로 일반적으로 널리 사용되는 구글어스(Google, 2014)를 사용하였으며, 이러한 플랫폼에 레이더 데이터를 정합하기 위해 획득된 레이더 자료를 2차원 영상, 2차원 벡터데이터 및 3차원 데이터로 가공한 후 KML (Wernecke, 2008) 자료구조로 생성하였다. Fig.
- 4와 같이 생성하였다. 차폐지도 생성을 위해 2014년 4월 중 맑은 기상에서 KICT 레이더로부터 4회에 걸쳐 지상클러터 필터를 역으로 적용하여 0～20˚ 사이에서 45개의 각도로 스캔한 관측자료를 수집하였다. 그 후, 고도별 차폐분석을 위해 수집된 자료 들을 평균하여 0～3 km 고도에서 100 m의 수직해상도를 갖는 2차원 CAPPI 영상 #을 각각 생성하였다.
성능/효과
- 앞서 보였던 Figs. 3～7의 결과를 활용함으로써, 향후 스마트폰, 테블릿 PC 및 웨어러블 디바이스(wearable device) 등을 이용한 기상정보의 개인화 서비스를 가능케 할 수 있으며, 각 장비의 GPS (global positioning system)을 활용한 정밀한 GIS 기반 기상정보의 증강현실화를 구축할 수 있다. Fig.
- Fig. 3에서와 같이 고해상도 레이더 자료는 일반적인 레이더 자료 표출 방법에 비해, 제안한 GIS 정합 표출 방법이 지역 및 고도에 따른 강우강도와 강우의 공간분포 등을 파악하는데 있어 시각적으로 용이함을 알 수 있다. 본 연구에서 제안한 정밀 GIS 정합에 의한 또 다른 레이더자료의 평면영상 표현 예로써 레이더반경 지면클러터(ground clutter)에 의한 차폐지도를 Fig.
- Fig. 4와 같이 제안한 레이더 데이터의 GIS 정합 기법을 이용함으로써 고도정보가 포함된 정밀 GIS 상에서 지면 클러터에 의한 레이더 차폐지역에 대해 정확히 분석할 수 있음을 확인하였다. 이 자료를 활용함으로써 레이더 자료의 지면클러터에 의한 감쇄보정 및 강수의 과소추정 문제 등을 분석하는데 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 제안한 기법은 기상레이더로부터 관측된 다양한 레이더 변수들을 이용하여 2차원의 영상 및 벡터 그래픽 자료, 또는 3차원 볼륨 자료 등의 다양한 고해상도 멀티미디어 자료로 변환하여 3차원 GIS 플랫폼상에서 정확한 좌표위치와 고도에 표현하는 방법이다. 다양한 강수 시나리오에 대한 실험 결과, 제안한 방법을 통해 3차원 GIS 플랫폼과 융합된 고해상도 레이더 자료를 이용함으로써 정확한 레이더 차폐영역 분석, 강수의 이동경로 파악, 강수량 추정에 따른 홍수위험도 분석 등에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 제안된 레이더 자료 표출 기법은 매쉬업 서비스를 통해 스마트폰, 태블릿 PC, 텔레매틱스 등의 개인용 단말기에서부터 항공 선박 등의 대형 장비들에 이용이 가능할 것이며, 아울러 개개의 GPS 정보를 이용 하여 위치기반 개인형 기상경보 서비스가 가능할 것으로 기대한다.
- 이 때, GIS 상에서의 정확한 레이더 위치를 표현하기 위해 좌표이동(translation) 변환이 수행된다. 또한 3차원 벡터 자료 플랫폼에서는 RR 및 RV 자료들에 대해 고도 정보 h를 추가함으로써 보다 사실적인 정합이 가능하다. 이 때, CAPPI 자료로 생성된 각 고도별 레이더 영상 #는 3차원 벡터 공간상에서 평면 영상으로 투영되며, 벡터 변형된 레이더 영상 #에 대해서는 벡터공간 상에서 볼륨 또는 평면의 형태로 투영된다.
- 이 기법에서는 분산 처리된 각 영역별 2차원 레이더 영상을 합성하여 반경 70 km 범위를 갖는 고해상도 영상 데이터를 GIS와 정합하여 시각화하는 방법과, 합성된 영상을 벡터(vector) 변환함으로써 벡터 좌표계를 갖는 GIS 평면에서 정합하여 시각화하는 방법을 구현하였다. 이를 통해, 고해상도 레이더 영상과 GIS의 정밀 정합을 통해 지리적 환경을 배경으로 전체적인 레이더 강수 특성뿐 아니라 지역적, 국부적 레이더 강수를 분석하는 데 용이함을 알 수 있었다.
- 본 논문에서는 이러한 기법의 유용성을 바탕으로 레이더 자료 표출 기술을 향상시키고, 다양한 GIS 플랫폼과 포맷에 효율적으로 적용할 수 있는 레이더 자료의 사용자 친화적인 실감 GIS 정합 기법을 제안하고자 한다. 제안된 기법을 활용하여 현재 국내에 도입되고 있는 고해상도 레이더 및 향후 구축될 계획에 있는 소형레이더 네트워크로부터 생성되는 레이더자료의 효과적인 분석을 수행할 수 있다. 또한, 강수로 인한 재해 발생의 가능성이 있는 지역에서 기상의 정밀관측 및 예측 정확성 향상을 위해 빠르고 직관적인 레이더 자료 분석을 수행할 수 있다.
후속연구
- 7(d) 및 Fig. 7(e)과 같이 특정 지상 시점에서의 3차원 강수정보 관측을 통해, 돌발홍수, 산사태와 같은 재해가 예측되는 지역을 실시간 정밀 감시함으로써 보다 빠르고 정확한 재해 예방 및 경보를 도모할 수 있을 것으로 기대한다.
- 6(c)로 나타낸 것이다. Fig. 6과 같이 정밀 3차원 GIS 상에서 정확한 CAPPI 자료를 정합함으로써, 레이더 관측 반경 내의 전 지역에서 대기수상체의 구분이 용이할 것으로 기대할 수 있다.
- 국부적, 돌발적 기상현상이 날로 증가하는 상황에서 고해상도 레이더 자료를 효과적이고 정밀하게 해석하고 기상, 기후, 수문정보의 예·경보와 환경 및 수문학적 응용 등을 위해서는 보다 다양한 분석 플랫폼에 적합한 레이더 자료의 가공이 요구된다.
- 본 연구에서 제안하는 레이더자료의 고정밀 실감 GIS 정합 기법은 급변하는 국내외 기후조건 및 기상 현상들 중에서 재난과 관련된 주요 돌발성, 국지성 호우, 폭설의 피해를 잘 예측하고 경보하기 위해 빠르고 직관적인 레이더 자료 분석을 수행하는 것을 목적으로 한다. 또한 향후레이더 자료의 매쉬업 서비스를 위해 다양한 소프트웨어, 하드웨어 및 GIS 플랫폼에 적용 가능한 영상 및 벡터 형태의 자료를 시뮬레이션하고 그 결과를 분석한다. Fig.
- 제안된 레이더 자료 표출 기법은 매쉬업 서비스를 통해 스마트폰, 태블릿 PC, 텔레매틱스 등의 개인용 단말기에서부터 항공 선박 등의 대형 장비들에 이용이 가능할 것이며, 아울러 개개의 GPS 정보를 이용 하여 위치기반 개인형 기상경보 서비스가 가능할 것으로 기대한다. 또한, GIS를 통한 직관적인 자료 표출에 의해 레이더 관련 비전문가들 역시 레이더로부터 관측되는 기상 현상을 쉽게 파악할 수 있게 함으로써 보다 능동적이 고, 효과적으로 피해를 예방할 수 있을 것이다. 향후, 보다 진보된 연구와 고해상도 기상데이터 분석을 통해 증강현실 수준의 기상 서비스를 제공함으로써 재난현장의 실시간 3차원 실감 시뮬레이션 및 예측을 통해, 기상 현상에 의한 재난 피해를 최소화할 수 있을 것으로 기대한다.
- 제안된 기법을 활용하여 현재 국내에 도입되고 있는 고해상도 레이더 및 향후 구축될 계획에 있는 소형레이더 네트워크로부터 생성되는 레이더자료의 효과적인 분석을 수행할 수 있다. 또한, 강수로 인한 재해 발생의 가능성이 있는 지역에서 기상의 정밀관측 및 예측 정확성 향상을 위해 빠르고 직관적인 레이더 자료 분석을 수행할 수 있다. 제안하는 기법은 레이더로부터 획득되는 강우정보를 활용하여 높은 시공간해상도와 정확성을 갖는 강수 해석, 예측 및 재해 경보를 서비스하기 위해 레이더 강우 정보들을 고정밀 GIS와 정확히 정합하여 표출하는 방법을 제안한다.
- 이 자료를 활용함으로써 레이더 자료의 지면클러터에 의한 감쇄보정 및 강수의 과소추정 문제 등을 분석하는데 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 레이더 설치 지점에서 레이더 빔의 부분 차폐, 사이드로브(side-lobe) 등에 의한 영향을 분석하는데 용이할 것으로 기대한다.
- 4와 같이 제안한 레이더 데이터의 GIS 정합 기법을 이용함으로써 고도정보가 포함된 정밀 GIS 상에서 지면 클러터에 의한 레이더 차폐지역에 대해 정확히 분석할 수 있음을 확인하였다. 이 자료를 활용함으로써 레이더 자료의 지면클러터에 의한 감쇄보정 및 강수의 과소추정 문제 등을 분석하는데 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 레이더 설치 지점에서 레이더 빔의 부분 차폐, 사이드로브(side-lobe) 등에 의한 영향을 분석하는데 용이할 것으로 기대한다.
- 5로부터 붉은색으로 표현되는 국부적인 강한 강수에코의 생성 및 이동 과정을 정확한 GIS 좌표와 함께 정밀하게 표현할 수 있음을 보였다. 이를 통해 각 지역에 따른 레이더 강수의 이동 및 패턴 변화를 정확하고 직관적으로 관측할 수 있으며, 향후 시간변화에 따른 강수정보 변화를 추적함으로써 강수예측 및 재해경보 등에 응용할 수 있을 것이다.
- 다양한 강수 시나리오에 대한 실험 결과, 제안한 방법을 통해 3차원 GIS 플랫폼과 융합된 고해상도 레이더 자료를 이용함으로써 정확한 레이더 차폐영역 분석, 강수의 이동경로 파악, 강수량 추정에 따른 홍수위험도 분석 등에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 제안된 레이더 자료 표출 기법은 매쉬업 서비스를 통해 스마트폰, 태블릿 PC, 텔레매틱스 등의 개인용 단말기에서부터 항공 선박 등의 대형 장비들에 이용이 가능할 것이며, 아울러 개개의 GPS 정보를 이용 하여 위치기반 개인형 기상경보 서비스가 가능할 것으로 기대한다. 또한, GIS를 통한 직관적인 자료 표출에 의해 레이더 관련 비전문가들 역시 레이더로부터 관측되는 기상 현상을 쉽게 파악할 수 있게 함으로써 보다 능동적이 고, 효과적으로 피해를 예방할 수 있을 것이다.
- 국부적, 돌발적 기상현상이 날로 증가하는 상황에서 고해상도 레이더 자료를 효과적이고 정밀하게 해석하고 기상, 기후, 수문정보의 예·경보와 환경 및 수문학적 응용 등을 위해서는 보다 다양한 분석 플랫폼에 적합한 레이더 자료의 가공이 요구된다. 향후 보다 진보된 재난관리 시스템과 개인화된 매쉬업(mash-up) 서비스를 위한 멀티미디어 자료로서의 레이더 자료의 가공이 필요하다. 하지만 현재까지의 기상 관련 기관들에서는 단순히 표출된 레이더영상을 저해상도의 국토지도 윤곽을 나타내는 GIS (geographic information system) 상에 도시하여 해석하는 정도이다(HRFCO, 2014; KMA, 2014).
- 또한, GIS를 통한 직관적인 자료 표출에 의해 레이더 관련 비전문가들 역시 레이더로부터 관측되는 기상 현상을 쉽게 파악할 수 있게 함으로써 보다 능동적이 고, 효과적으로 피해를 예방할 수 있을 것이다. 향후, 보다 진보된 연구와 고해상도 기상데이터 분석을 통해 증강현실 수준의 기상 서비스를 제공함으로써 재난현장의 실시간 3차원 실감 시뮬레이션 및 예측을 통해, 기상 현상에 의한 재난 피해를 최소화할 수 있을 것으로 기대한다.
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