[논문]4차산업혁명에서 드론을 활용한 기상기술 개발 연구

정지효; 이승호; 신승숙; 황성은; 이영태; 김정윤; 김승범

doi:10.5392/jkca.2019.19.11.012

4차산업혁명에서 드론을 활용한 기상기술 개발 연구
Research on the Meteorological Technology Development using Drones in the Fourth Industrial Revolution 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.19 no.11, 2019년, pp.12 - 21

정지효 (국립기상과학원 관측예보연구과) , 이승호 (국립기상과학원 관측예보연구과) , 신승숙 (국립기상과학원 관측예보연구과) , 황성은 (국립기상과학원 관측예보연구과) , 이영태 (국립기상과학원 관측예보연구과) , 김정윤 (국립기상과학원 관측예보연구과) , 김승범 (국립기상과학원 관측예보연구과)

초록
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4차산업혁명시대에 드론은 새로운 기술과 접목할 수 있는 유연한 기기로 자리매김하였다. 드론은 처음에 군사용 무인 항공기로 개발되었으며, 지금은 다양한 분야(건설, 물류·운송, 소방·안전, 환경·기상, 농업, 뉴스·미디어, 등)에 활용되고 있다. 환경 기상 관측 부분에서 대기경계층은 지표면에 가까워 기상현상이 가장 활발히 일어나는 대기층으로 인간 활동에 밀접한 영향을 준다. 이러한 대기 경계층의 연구 수행을 위하여 하층 대기에 대한 정밀 관측이 필요하며, 이에 따른 관측 기술의 확보가 필수적이다. 기상 분야에서의 드론은 항공기, 라디오존데 등 기존 장비에 비하여 비교적 저렴한 유지비용으로 기상관측에 활용이 가능하며, 다양한 센서와 함께 활용할 경우, 대기경계층 및 국지 기상연구에 폭넓게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 국립기상과학원에서 보유중인 드론에 복합기상센서 및 라디오존데 센서를 탑재후 연직 기상관측(온도, 습도) 실험을 수행함으로써 드론을 활용한 기상관측의 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the era of the Fourth Industrial Revolution, drones have become a flexible device that can be integrated with new technologies. The drones were originally developed as military unmanned aircraft and are now being used in various fields. In the environment and weather observation area, the atmospheric boundary layer is near the surface where the atmosphere is the most active in the meteorological phenomenon and has a close influence on human activities. In order to carry out the study of these atmospheric boundary layers, it is necessary to observe precisely the lower atmosphere and secure the observation technology. The drones in the meteorological field can be used for meteorological observations at a relatively low maintenance cost compared to existing equipment. When used in conjunction with various sensors, the drones can be widely used in atmospheric boundary layer and local meteorological studies. In this study, the possibility of meteorological observations using drones was confirmed by conducting vertical meteorological (temperature and humidity) observation experiments equipped with a combined meteorological sensor and a radio sonde on drones owned by NIMS.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 기상센서 탑재한 드론 관측 지점, (a)종합기상탑 비교관측 장소, (b)안개관측 장소
표 표 1. 기상관측용 드론 활용 현황
그림 그림 2. (a) 종합기상탑 비교관측 활용 드론 모습과 (b) 안개관측 활용 드론 모습(빨간원: 드론에 탑재된 기상센서)
표 표 2. 드론을 활용한 기상관측 요약
그림 그림 3. 2018년 보성종합기상탑과 드론 탑재한 센서에서 관측한 온도, 습도 풍향, 풍속의 산포도
그림 그림 4. 2018년 11월 30일 풍향, 풍속에 대한 1초, 10초 관측자료(빨간색: 드론 탑재한 센서자료, 파란색: 종합기상탑자료)
표 표 3. 2018년 보성종합기상탑과 드론 탑재한 센서에서 관측한 풍향, 풍속의 평균 제곱근 편차(RMSD)값과 평균 편향(Bias) 결과 요약
그림 그림 5. 2018년 10월 25일 안개 내부의 온도·습도 프로파일과 안개 상부 고도
그림 그림 6. 2018년 11월 27일 안개 내부의 온도·습도 프로파일과 안개 상부 고도

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 배경 하에 국내에서는 회전익 무인항공기에 기상센서를 탑재하여 측정한 사례가 많지 않아, 본 연구는 무인항공기에 복합기상센서 및 라디오존데 센서를 탑재하여 대기경계층을 측정할 수 있는 기상관측용 드론의 활용 가능성을 제시하고 대기경계층의 관측자료 서비스를 제공하고자 한다.

제안 방법

전라남도 보성 표준기상관측소에서 2018년에 11월부터 12월까지 드론을 활용한 복합기상센서를 탑재하여 측정한 관측자료(온도, 습도, 풍향, 풍속)와 종합기상탑의 관측자료를 비교 분석하였다. 10월, 11월에는 전라남도 화순지역에서 발생한 복사 안개 사례에 대한 특징을 분석하였다.
안개관측을 위하여 기상관측용 드론(Inspire 2, DJI, China)에 라디오존데(RS92-SGP, Vaisala, Finland)를 부착하여 드론과 존데의 GPS 신호가 안정화된 후 드론을 일정한 상승 속도(∼ 1 m/s)로 300 m 고도까지 연직 비양하여 관측하였다. 각 실험에서 안개 내부의 온도, 습도를 관측하여 연직 프로파일 분석하였다.
종합기상탑과 기상관측용 드론의 비교 관측 기간은 2018년 11월 7일, 11월 9일, 11월 19일, 11월 29일, 11월 30일, 12월 12일까지이며, 강수나 강한 바람(지상 10 m/s)등 드론비양이 불가능한 기상 조건을 제외하고 총 15회 관측 수행하였다[표 2]. 비교 관측수행을 위해 보성표준기상관측소의 종합기상탑의 20 m 관측 고도에서 수평거리로 약 2 m 떨어진 지점에서 약 20분간 정지 비양하였다.
소형 무인항공기를 이용한 대기계측은 1961년대로 거슬러 올라가며, 최초의 문서화 된 비행은 1970년[9] 에 이루어졌으며, 3,048 m까지 비행하여 온도, 습도, 기압, 풍속, 비행장치의 수직속도를 계측하였다[표 1]. 2000년도 초반에 기상자료를 바탕으로 무인항공기 활용 연구가 진행되었다[12-15].
안개관측은 2018년 10월 25일과 11월 27일 이틀에 걸쳐 총 17회 관측 수행하였다[표 2]. 안개관측을 위하여 기상관측용 드론(Inspire 2, DJI, China)에 라디오존데(RS92-SGP, Vaisala, Finland)를 부착하여 드론과 존데의 GPS 신호가 안정화된 후 드론을 일정한 상승 속도(∼ 1 m/s)로 300 m 고도까지 연직 비양하여 관측하였다.
안개관측을 위하여 기상관측용 드론(Inspire 2, DJI, China)에 라디오존데(RS92-SGP, Vaisala, Finland)를 부착하여 드론과 존데의 GPS 신호가 안정화된 후 드론을 일정한 상승 속도(∼ 1 m/s)로 300 m 고도까지 연직 비양하여 관측하였다.
전라남도 보성 표준기상관측소에서 2018년에 11월부터 12월까지 드론을 활용한 복합기상센서를 탑재하여 측정한 관측자료(온도, 습도, 풍향, 풍속)와 종합기상탑의 관측자료를 비교 분석하였다. 10월, 11월에는 전라남도 화순지역에서 발생한 복사 안개 사례에 대한 특징을 분석하였다.
종합기상탑과 기상관측용 드론의 비교 관측 기간은 2018년 11월 7일, 11월 9일, 11월 19일, 11월 29일, 11월 30일, 12월 12일까지이며, 강수나 강한 바람(지상 10 m/s)등 드론비양이 불가능한 기상 조건을 제외하고 총 15회 관측 수행하였다[표 2]. 비교 관측수행을 위해 보성표준기상관측소의 종합기상탑의 20 m 관측 고도에서 수평거리로 약 2 m 떨어진 지점에서 약 20분간 정지 비양하였다.
하부 대기경계층내의 기상현상 관측자료 확보를 위한 드론을 활용하기 위하여 우선적으로 드론에 탑재된 관측 센서의 관측자료 신뢰도 검증이 필요하며, 따라서 기상 연직관측하는 종합기상탑의 관측값과 비교하였다. [그림 1]은 드론을 활용한 관측지점의 지형을 보여주고 있다.

대상 데이터

설치된 관측기기는 한국기상산업 기술원의 검정을 획득하였으며, 온도계(5628 PRT, Fluke, USA), 습도계(HMP155, Vaisala, Finland) 그리고 2D 초음파 풍향·풍속계(2D-UA, Thies, Germany)가 설치되어 있다[30].
안개관측 실험에 활용된 회전익 멀티콥터 드론은 DJI 사의 INSPIRE2이며, 460 K/V 브러쉬리스 모터와 네개의 프로펠러로 비행하는 쿼드콥터(Quad-Copter)형으로 매우 빠른 기동성과 장애물 감지 및 회피와 같은 첨단 기능을 갖춘 드론이다[그림 2(b)]. 본체는 마그네슘 알루미늄 합금 몸체와 카본 골격으로 제작되어 매우 가볍고 견고하다.
드론은 말 그대로 원격으로 조종하는 무인항공기로 처음에는 군사적 목적으로 개발된 것이 시초라 할 수 있다 [1]. 이후에 드론은 방목지[2-4]와 농작물 조사[5-7]에 활용되었으며, 나아가 북극해[8]와 대기[9] 자료수집에 사용되었다. 또한 소형화되고 수월하게 운용할 수 있는 드론들이 개발되어 레저 스포츠뿐만 아니라, 물품 택배 배송, 재난현장 수색, 소방현장 촬영, 농약 살포, 항공촬영 등 다양하게 활용되고 있다.
[그림 1]은 드론을 활용한 관측지점의 지형을 보여주고 있다. 종합기상탑 비교 관측 장소는 보성 표준기상관측소로 주변이 산으로 둘러싸인 남해안의 평지에 위치해 있다[31]. 종합기상탑[그림 1(a)] 주변으로 1.

데이터처리

각 실험에서 드론에 탑재한 통합센서의 온도, 습도, 풍향, 풍속값과 종합기상탑의 관측값과 비교함으로써, 드론을 활용한 관측자료의 평균 제곱근 편차(RMSD)값과 평균 편향(Bias)을 분석하였다. 종합기상탑의 관측 값을 기준값으로 드론에 탑재한 통합센서 측정값의 정확도를 보기위한 측도로 평균 제곱근 편차값을 확인하였으며, 드론에 탑재한 통합센서 측정값이 종합기상탑의 관측값과 얼마나 차이가 있는가를 보기 위해 평균 편향을 확인하였다.
각 실험에서 드론에 탑재한 통합센서의 온도, 습도, 풍향, 풍속값과 종합기상탑의 관측값과 비교함으로써, 드론을 활용한 관측자료의 평균 제곱근 편차(RMSD)값과 평균 편향(Bias)을 분석하였다. 종합기상탑의 관측 값을 기준값으로 드론에 탑재한 통합센서 측정값의 정확도를 보기위한 측도로 평균 제곱근 편차값을 확인하였으며, 드론에 탑재한 통합센서 측정값이 종합기상탑의 관측값과 얼마나 차이가 있는가를 보기 위해 평균 편향을 확인하였다. 평균 제곱근 편차값과 평균 편향의 차이가 작을수록 관측 결과값이 우수하다고 할 수 있다.

성능/효과

[표 3]는 보성종합기상탑과 드론에 탑재한 센서에서 관측한 풍향, 풍속의 평균 제곱근 편차(RMSD)값과 평균 편향(Bias)을 보여준다. 관측횟수를 거듭할수록 관측값의 보정을 통하여, 풍향 풍속에 대한 RMSD와 Bias값이 향상되었다.
11월 27일 안개관측의 경우는 안개 상부 높이가 180 m에서 안개 소산 직전에는 55 m 까지 내려갔다. 두 경우 모두 안개 내부의 온도, 습도 프로파일에서는 지표에서부터 안개 상부까지의 안개 층에서는 고도가 상승함에 따라 온도는 약간 하강하고 습도는 약간 상승하는 반면, 안개 상부고도부터는 온도는 급격히 상승하고, 습도는 급격히 낮아지는 역전층을 확인하였다. 일출이후 안개소산 시까지 각각 3시간 17분, 3시간 36분 소요시간이 걸렸다 [36][37].
또한 풍향값의 차이도 바람이 아주 약한 경우를 (1 m/s 이하)를 제외하면 상관관계가 0.98로 높은 값을 보이며, 종합기상탑의 풍속에 따른 드론 탑재 복합센서의 풍향과 기상탑의 풍향의 차이도 약 60%의 관측값으로 현지 검정 기준인 ±5° 이내이며, 완전히 동일한 공간에서 관측된 값이 아님을 고려하면 양호한 결과를 보여준다.
[그림 3]은 드론에서 관측된 온도, 습도, 풍향, 풍속값과 종합기상탑에서 관측한 자료값을 산포도로 나타낸 그림이다. 비교 값들의 Bias를 살펴보면, 드론 관측자료가 종합기상탑 자료보다 온도는 0.36 ℃, 습도는 1.70%로 낮게 나타났으며, RMSD값의 온도는 0.43 ℃, 습도는 2.29%로 나타났다. 2017년에 종합센서를 탑재 하여 종합기상탑 관측자료와 비교한 실험에서 센서 관측자료의 평균 Bias는 온도 0.
안개관측 사례를 통하여 화순지역의 복사 안개 발생시 최대 고도는 약 150 m이며, 일출이후 1∼3시간 이내에 사라지는 특징을 확인하였다.
종합기상탑 비교관측 실험에 활용된 회전익 멀티콥터 드론은 DJI사의 MATRICE 600 PRO이며, 6개의 프로펠러가 있는 헥사콥터(Hexa-Copter)형으로 제작 되었으며, 최대 바람저항 속도가 8 m/s로 비교적 강한 바람에도 안정적인 비행이 가능하다. [그림 2(a)]는 실험에 사용된 통합센서를 탑재한 드론의 모습을 보여준다.
종합기상탑의 관측 값을 기준값으로 드론에 탑재한 통합센서 측정값의 정확도를 보기위한 측도로 평균 제곱근 편차값을 확인하였으며, 드론에 탑재한 통합센서 측정값이 종합기상탑의 관측값과 얼마나 차이가 있는가를 보기 위해 평균 편향을 확인하였다. 평균 제곱근 편차값과 평균 편향의 차이가 작을수록 관측 결과값이 우수하다고 할 수 있다.
풍향, 풍속에 대한 1초 관측자료를 10초 평균하여 비교하였을시 드론에 탑재한 복합기상센서관측값이 종합기상탑의 관측값과 아주 유사하며, 종합기상탑의 풍속이 낮은(∼1 m/s) 구간에서는(1003 LST) 풍향의 차이를 보였다[그림 4].
풍향, 풍속은 드론의 프로펠러로 인해 발생되는 기류의 영향으로 정확도가 떨어질 것이라는 예상과는 달리, 드론에 탑재된 센서에서 관측된 풍속값의 평균 Bias는 0.96 m/s로 나타났으며 RMSD는 1.14 m/s로 나타나, 기상청의 풍속의 현지 검정 기준(±1 m/s)에서 풍속 10 m/s 미만일 때 양호한 결과를 보였다.

후속연구

2018 년 12월 12일 관측 사례에서는 풍향자료에 대해서 RMSD가 7.10° 까지 향상되었고, 추가적인 현장실험을 통한 관측값 보정을 통하여 회전익 드론에 탑재된 복합 기상센서 관측값의 신뢰도를 확보할 필요가 있겠다.
4차 산업혁명과 관련된 관측 기술 개발을 통하여 드론 관측의 신뢰도가 높게 될 것이며, 시간·공간의 제약이 적고 고해상도의 직접 관측자료 생산이 가능한 드론관측의 장점을 활용하여 추가적인 국지 기상현상 연구와 미세물리현상에 대한 연구, 대기 오염 물질 감시 등과 같은 다양한 기상분야에서의 활용이 가능할 것으로 기대한다.
일반적으로 안개관측은 지상관측소에서 관측한 자료를 바탕으로한 안개 특성 분석이었다면, 본 연구는 드론을 활용하여 안개 내부의 기상학적인 특징을 확인하였으며, 안개 관측용 드론을 구축하였다는데 큰 의의가 있겠다. 그러나 본 연구는 다양한 안개 중 내륙에서 발생한 복사안개에 대해서만 관측한 사례이며, 실제 위험안개로 정의되는 해무 등에 대한 관측을 수행할 필요가 있겠다.
두 지역의 관측실험을 통해 드론에 관측센서를 탑재 하여 활용할 수 있는 관측 가능성을 확인하였으며, 기체와 센서의 통합으로 제작되면 더욱 용이한 결과를 만들어 낼 것이다. 4차 산업혁명과 관련된 관측 기술 개발을 통하여 드론 관측의 신뢰도가 높게 될 것이며, 시간·공간의 제약이 적고 고해상도의 직접 관측자료 생산이 가능한 드론관측의 장점을 활용하여 추가적인 국지 기상현상 연구와 미세물리현상에 대한 연구, 대기 오염 물질 감시 등과 같은 다양한 기상분야에서의 활용이 가능할 것으로 기대한다.
종합기상탑자료와 비교관측을 통하여 드론에 탑재한 관측장비의 실외 현장검정 관측허용오차 범위 내의 온도(±0.5 ℃), 습도(±5%), 풍속(±1.0 m/s)에 대해서는 해당 되는 반면, 풍향의 관측허용 오차인 5°를 크게 벗어나 풍향자료에 대한 품질 개선이 필요하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공기란 무엇인가?	4차산업혁명시대에 드론은 새로운 기술과 접목할 수 있는 유연한 기기로 자리매김하여 더 넓은 범위로 더빠른 속도로 큰 영향을 주고 있다. 무인항공기은 조종사가 탑승하지 않고 임무를 수행할 수 있게 만든 비행 기체를 말하며, 무인 항공기의 다른 이름으로 ‘벌이 윙윙거린다’는 의미로 “drone”이라고 불리게 되었다. 드론은 말 그대로 원격으로 조종하는 무인항공기로 처음 에는 군사적 목적으로 개발된 것이 시초라 할 수 있다 [1].
	회전익 멀티콥터 드론의 본체는 무엇으로 제작되어 있는가?	안개관측 실험에 활용된 회전익 멀티콥터 드론은 DJI 사의 INSPIRE2이며, 460 K/V 브러쉬리스 모터와 네개의 프로펠러로 비행하는 쿼드콥터(Quad-Copter)형 으로 매우 빠른 기동성과 장애물 감지 및 회피와 같은 첨단 기능을 갖춘 드론이다[그림 2(b)]. 본체는 마그네슘 알루미늄 합금 몸체와 카본 골격으로 제작되어 매우 가볍고 견고하다. 장애물 감지 시스템으로 전방과 하향 비전시스템을 갖추고 있어 최대 30 m 앞의 장애물까지 감지가 가능하며, 기체 상단에 상향 적외선 센서가 장착되어 5 m 위의 장애물을 감지가 가능하다.
	드론관측의 장점은 무엇인가?	두 지역의 관측실험을 통해 드론에 관측센서를 탑재 하여 활용할 수 있는 관측 가능성을 확인하였으며, 기체와 센서의 통합으로 제작되면 더욱 용이한 결과를 만들어 낼 것이다. 4차 산업혁명과 관련된 관측 기술 개발을 통하여 드론 관측의 신뢰도가 높게 될 것이며, 시간·공간의 제약이 적고 고해상도의 직접 관측자료 생산이 가능한 드론관측의 장점을 활용하여 추가적인 국지 기상현상 연구와 미세물리현상에 대한 연구, 대기 오염 물질 감시 등과 같은 다양한 기상분야에서의 활용이 가능할 것으로 기대한다.

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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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