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머신러닝과 샘플링을 이용한 강원도 지역 산불발생예측모형 개발
Development of a Gangwon Province Forest Fire Prediction Model using Machine Learning and Sampling 원문보기

The journal of Bigdata = 한국빅데이터학회지, v.3 no.2, 2018년, pp.71 - 78  

채경재 (인하대학교 통계학과) ,  이유리 (인하대학교 통계학과) ,  조용주 (인하대학교 통계학과) ,  박지현 (인하대학교 통계학과)

초록
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본 연구는 산불 발생 예측 모형의 정확도를 높이기 위해 머신러닝 기법을 적용한 연구이다. 산불 피해면적이 가장 큰 강원도를 중심으로 2003년부터 2016년까지 총 14년의 산불 자료를 이용하였다. 기상자료의 오차를 줄이기 위해 강원도를 9개의 구역으로 나누어 각 구역 관측소의 기상자료를 이용하였다. 9개의 구역으로 나누어 각 구역의 산불 예측 모형을 만들게 되면 산불이 발생한 날(majority)과 산불이 발생하지 않은 날(minority)의 비율 차이가 큰 불균형 문제가 발생한다. 불균형 문제에서는 모델의 성능이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 여러 샘플링 방법을 적용하였다. 또한 모델의 정확도를 높이기 위해 캐나다 산불 기상 지수(FWI)의 5가지 지수를 파생변수로 사용하였다. 모델링 방법은 통계적 방법인 로지스틱 회귀분석 방법과 머신러닝 방법인 random forest와 xgboost 방법을 사용하였다. 각 구역의 최종모델의 선택기준을 정확도, 민감도, 특이도를 고려하여 정했으며, 9개 구역의 예측 결과는 산불이 발생한 104건 중 80건의 발생 예측에 성공하였으며 산불이 발생하지 않은 9758건 중 7426건의 발생하지 않음을 예측했다. 전체의 정확도는 76.1%였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The study is based on machine learning techniques to increase the accuracy of the forest fire predictive model. It used 14 years of data from 2003 to 2016 in Gang-won-do where forest fire were the most frequent. To reduce weather data errors, Gang-won-do was divided into nine areas and weather data ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기상 관측소만 해도 전국 96개소의 종관기상관측장비(ASOS)와 494개소의 방재기상관측장비(AWS)가 있다. 본 연구에서는 최대한의 데이터 사용과 머신러닝 기법을 활용하여 산불의 예측 모형을 개발하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
FWI 시스템에서 사용하는 5가지의 지수는? (Van Wagner, 1987) FWI 시스템에서는 5가지의 지수를 사용하는데 평균 기온, 평균 습도, 평균풍속, 강수량을 이용하여 계산한다. 미세 연료 지수(Fine Fuel Moisture Code, FFMC), 부식층지수(Duff moisture code, DMC), 가뭄지수(Drought code, DC)를 1차적으로 계산한 후 이들의 조합으로 ISI(Initial Spread Idex), BUI(Build Up Index)지수를 구한다. 기상 데이터를 활용하여 Natural Resources Canada에서 제공하는 코드를 이용하여 5가지의 지수를 구하고 변수로 사용하였다.
캐나다 산불 기상지수란? 캐나다 산불 기상지수(Forest fire Weather Index, FWI)는 현재 캐나다에서 사용하고 있는 캐나다 산불위험 평가 시스템(Canadian Forest Fire Danger Rating System, CFFDRS)의 구성 요소로 캐나다 전 지역에서 현재 산불예방 및 진화 등에 활용되고 있다.(Van Wagner, 1987) FWI 시스템에서는 5가지의 지수를 사용하는데 평균 기온, 평균 습도, 평균풍속, 강수량을 이용하여 계산한다.
정확도, 민감도, 특이도에 대한 설명은? 정확도(Accuracy)는 전체 중 예측에 성공한 비율이다. 민감도(Sensitivity)는 실제 발생한 산불을 산불이 발생한다고 예측하는 비율이다. 특이도(Specificity)는 실제 발생하지 않은 산불을 발생하지 않는다고 예측하는 비율이다. 3가지의 값이 모두 높은 모델이 좋은 예측 모형이라고 할 수 있다.
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참고문헌 (8)

  1. 박흥석, 이시영, 채희문, 이우균 (2009) 현캐나다 산불 기상지수를 이용한 산불 발생 확률모형 개발, 한국방재학회논문집, 제9권, 제3, pp. 95-100. 

  2. 이병두, 유계선, 김선용, 김경하 (2012) 로지스틱 회귀모형을 이용한 산불발생확률모형 개발, 한국임학회지, Vol. 101, No. 1, pp. 1-6. 

  3. Amiro, B.D., Logan, K.A., Wotton, B.M., Flaniga n, M.D., Todd, J.B., Stocks, B.J. and Martell, D.L. (2004) Fire Weather index system components for large fires in the Canadian boreal forest. Intern ational Journal of Wildland Fire, Vol 13, pp. 391-400. 

  4. Breiman, L. (2001) Random Forests. Machine Learning, Vol. 45, No. 1, pp. 5-32. 

  5. Chawla, N. V., Bowyer, K. W., Hall, L. O., & Kegelmeyer, W. P.(2002). SMOTE: synth-etic minority over-sampling technique. 

  6. Freund, Y. and Schapire, R. (1996), Experim-ents with a new boosting algorithm, Machine Learning : Proceedings of the Thirteenth International Conference, San Francisco, USA, 148-156. 

  7. Gareth J, Daniela W, Trevor H, Robert T (2015), "An Introduction to Statistical Learning withAppli cations in R", Springer, NewYork. 

  8. XGBoost (2016) https://xgboost.readthedocs-.io/en/latest/ 

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