[논문]수치표고모델, 3차원 카메라이미지자료 및 복사모델을 이용한 Sky Line과 Skyview Factor에 따른 강릉원주대학교 복사관측소 관측환경 분석

지준범; 조일성; 김부요; 이규태; 장정필

doi:10.14191/atmos.2019.29.1.061

수치표고모델, 3차원 카메라이미지자료 및 복사모델을 이용한 Sky Line과 Skyview Factor에 따른 강릉원주대학교 복사관측소 관측환경 분석
Analysis of Observation Environment with Sky Line and Skyview Factor using Digital Elevation Model (DEM), 3-Dimensional Camera Image and Radiative Transfer Model at Radiation Site, Gangneung-Wonju National University 원문보기

대기 = Atmosphere, v.29 no.1, 2019년, pp.61 - 74

지준범 (강릉원주대학교 복사-위성연구소) , 조일성 (강릉원주대학교 복사-위성연구소) , 김부요 (강릉원주대학교 복사-위성연구소) , 이규태 (강릉원주대학교 복사-위성연구소) , 장정필 (강릉원주대학교 대기환경과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To investigate the observational environment, sky line and skyview factor (SVF) are calculated using a digital elevation model (DEM; 10 m spatial resolution) and 3 dimensional (3D) sky image at radiation site, Gangneung-Wonju National University (GWNU). Solar radiation is calculated using GWNU solar radiation model with and without the sky line and the SVF retrieved from the 3D sky image and DEM. When compared with the maximum sky line elevation from Skyview, the result from 3D camera is higher by $3^{\circ}$ and that from DEM is lower by $7^{\circ}$. The SVF calculated from 3D camera, DEM and Skyview is 0.991, 0.998, and 0.993, respectively. When the solar path is analyzed using astronomical solar map with time, the sky line by 3D camera shield the direct solar radiation up to $14^{\circ}$ with solar altitude at winter solstice. The solar radiation is calculated with minutely, and monthly and annual accumulated using the GWNU model. During the summer and winter solstice, the GWNU radiation site is shielded from direct solar radiation by the west mountain 40 and 60 minutes before sunset, respectively. The monthly difference between plane and real surface is up to $29.18M\;m^{-2}$ with 3D camera in November, while that with DEM is $4.87M\;m^{-2}$ in January. The difference in the annual accumulated solar radiation is $208.50M\;m^{-2}$ (2.65%) and $47.96M\;m^{-2}$ (0.63%) with direct solar radiation and $30.93M\;m^{-2}$ (0.58%) and $3.84M\;m^{-2}$ (0.07%) with global solar radiation, respectively.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Geolocation of Gangneung-Wonju National University(GWNU) radiation site.
그림 Fig. 2. Geological altitude (a) and landuse (b) for Gangneung region. Black dot represents GWNU radiation site.
표 Table 1. Specification of sky camera.
그림 Fig. 3. Skyview factor using 10 m resolution DEM.
그림 Fig. 4. Sky line (a) and sky line elevation (b) from DEM with 10 m resolution at GWNU radiation site.
그림 Fig. 5. Whole sky images and these sky lines from 3D camera and Skyview at GWNU radiation site.
그림 Fig. 6. Same as Fig. 4 except for from 3D camera and Skyview.
그림 Fig. 7. Sky line elevations and these differences with azimuth. Sky line elevations are retrieved from 3D camera, DEM and Skyview. In the upper panel, the values in legend are represented skyview factors. Difference of sky line elevation between Skyview and 3D camera and DEM, respectively.
그림 Fig. 8. Relationship of sky line elevation between Skyview and 3D camera and DEM, respectively. The line represents linear regression line.
그림 Fig. 9. Solar map at GWNU radiation site. Thick red and blue line represent the sky line elevations retrieval from 3D camera and DEM, respectively.
그림 Fig. 10. Solar radiation with and without topographic shading using GWNU solar radiation model on GWNU radiation site for June 22 (Red) and December 22 (Blue). With and without topographic shading calculated using 3D camera (SVF = 0.991), DEM (SVF = 0.998) and plane surface (SVF = 1.000).
그림 Fig. 11. Direct, diffuse and global solar radiation with and without topographic shading using GWNU solar radiation model on GWNU radiation site for 1700 LST and 1800 LST around year.
그림 Fig. 12. Difference (%) of solar radiation (Direct and Global) between plane surface (P) and topo effect (T; 3D Camera and DEM). The difference of solar radiation were calculated using (P-T)/P.
표 Table 2. Summary of solar radiation (unit: MJ m^-2) with and without topographic shading. SVF means skyview factor.

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

, 2017). 그러나 본 연구는 일사량 관측자료에 대한 분석을 포함하지 않고 GWNU 복사관측소 관측환경에 따른 복사량의 차폐 영향만을 분석하기 위해 이상적인 상태를 가정하였다. 즉, 연중 변화가 있는 기온(288.
1 km]로 제한하였다. 따라서 관측지점에서 45 km 이상 떨어진 지형은 관측소의 관측에는 영향을 미치지 않는 것으로 가정하였다. Figure 2 영역의 지형고도자료를 이용하여 산출된 SVF는 Fig.
, 2010). 이 모델에서 대기는 단일기층 을 가정하였고 다층복사모델(Chou and Suarez, 1999) 을 이용하여 보정하였다(Jee et al., 2011). GWNU 복사모델은 에어로졸 광학두께, 기온, 기압, 고도, 태양 천정각, 총 오존량, 지표면 알베도, 가강수량 그리고 운량 등을 입력자료로 이용한다(Jee et al.

제안 방법

2.2.3절의 방법을 적용하여 복사관측소의 일사량을 계산하였다. 3.
3절의 방법을 적용하여 복사관측소의 일사량을 계산하였다. 3.2절의 지형 차폐를 고려하고 2.3절의 단층 태양복사모델을 이용하여 요소별 태양 복사량을 분단위로 계산하였다. Figure 10은 낮의 길이가 가장 긴 하지(6월 22일)와 가장 짧은 동지(12월 22일)의 결과를 표출한 것이다.
3차원 카메라와 DEM 자료를 이용하여 GWNU 복사관측소의 관측환경을 분석하였다. 먼저 복사관측소의 환경분석을 위하여 지형고도와 3차원 이미지자료를 이용하여 sky line과 sky line 고도각을 산출하여 분석하였다.
이미지자료는 실제 이미지이기 때문에 주변의 차폐를 사진으로 확인 가능하였다. DEM과 3차원 카메라에서 산출된 sky line 고도각은 Skyview를이용하여 비교 검증하였다. Skyview는 비교적 정확도 높은 3차원 전천 카메라이며 운량 산출과 전천이미지 분석을 목적으로 개발되었다.
먼저 복사관측소의 환경분석을 위하여 지형고도와 3차원 이미지자료를 이용하여 sky line과 sky line 고도각을 산출하여 분석하였다. DEM자료를 이용하여 관측소의 sky line 과 sky line 고도각 및 SVF를 산출하였다. 그리고 3차원 카메라와 Skyview를 이용하여 관측소에서 촬영한 이미지를 이용하여 sky line과 sky line 고도각을 산출하였다.
본 연구에서는 관측소 주변 지형과 인공구조물에 의한 영향을 분석하기 위하여 강릉원주대학교 복사관 측소 주변의 수치표고모델과 하늘이미지자료를 이용 하였다. 관측소 주변 지형고도와 하늘이미지자료를 이용하여 주변 지형과 인공구조물에 의한 일사의 차폐를 계산하였고 sky line과 SVF를 분석하여 일사관측 소의 관측환경을 설명하고자 하였다. 지형고도자료를 이용하여 sky line과 SVF를 산출하였고 단층 태양복사모델을 이용하여 계산된 일사량과 중첩하여 월별, 시간별 태양에너지의 변화를 분석하였고 DEM 자료와 하늘이미지자료의 활용을 논하였다.
관측환경 분석을 위하여 강릉원주대학교 복사관측소(이하 GWNU 복사관측소)의 위치를 기준으로 분석 하였다. GWNU 복사관측소는 기상관측장비를 포함하여 다양한 일사(직달, 전천, 산란), 적외복사 그리고 에어로솔 관측장비들이 설치되어 있다.
DEM자료를 이용하여 관측소의 sky line 과 sky line 고도각 및 SVF를 산출하였다. 그리고 3차원 카메라와 Skyview를 이용하여 관측소에서 촬영한 이미지를 이용하여 sky line과 sky line 고도각을 산출하였다. 이미지자료는 실제 이미지이기 때문에 주변의 차폐를 사진으로 확인 가능하였다.
3차원 카메라와 DEM 자료를 이용하여 GWNU 복사관측소의 관측환경을 분석하였다. 먼저 복사관측소의 환경분석을 위하여 지형고도와 3차원 이미지자료를 이용하여 sky line과 sky line 고도각을 산출하여 분석하였다. DEM자료를 이용하여 관측소의 sky line 과 sky line 고도각 및 SVF를 산출하였다.
3차원 카메라와 Skyview 장비를 이용하여 이미지를 얻기 위해서는 중심화소가 정확히 천정방향을 향하고 지리적인 방위가 동서남북(4방위)을 정확히 지향하도록 설치 및 관측되어야 한다. 본 연구에 사용된 장비는 나침반과 GPS를 이용해 방위를 확인 후설치되었다.
따라서 계산하고자 하는 격자를 중심으로 영향을 미칠 수있는 주변 지형들을 조사하여 태양의 방위각과 태양의 천정각에 따라 재계산하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 영역내의 최고 지형고도를 기준으로 영향반 경을 정하여 반복 수행하였다. 즉 최고 지형고도인 대관령 주변(약 1.
산출된 지형의 차폐효과를 단층 태양복사모델에 적용하여 일사량을 계산 및 분석하였다. GWNU 복사관 측소는 주변지형에 의한 일사량 차폐는 적었으나 동남쪽의 낮은 sky line이 있어 일부 월에서 일출시 차폐가 발생되며 남서 또는 서쪽의 지형은 연중 태양경 로에 위치하기 때문에 일몰시 차폐가 발생한다.
세 번째 과정에서는 두 번째 과정을 통하여 분류된 이미지를 이용하여 고도각 0 o (또는 천정각이 90 o ) 선을 적용하고 하늘/지형 경계면의 방위각과 고도각을 산출한다. 여기서 고도각과 방위각의 산출은 식(4)와 (5)를 이용한다.
수치표고모델을 이용하여 GWNU 복사관측소에서 주변지형고도를 분석하여 방위별 최대 태양고도각(지형의 최대 그림자각)을 산출한다(Jee et al., 2017). 그리고 이들을 방위각으로 적분하여 SVF (V)을 식(1)을이용하여 산출하였다.
그러나 3차원 카메라의 FOV는 220 o 이며 도법 변환식을 제공하지 않기 때문에 Skyview와의 비교를 통하여 계산하였다. 즉 3차원 카메라 이미지에서 180 o 가 되는 경계선을 설정하여 도법 변환식을 산출하였고 이를 이용하여 격자를 설정하였다.
그러나 본 연구는 일사량 관측자료에 대한 분석을 포함하지 않고 GWNU 복사관측소 관측환경에 따른 복사량의 차폐 영향만을 분석하기 위해 이상적인 상태를 가정하였다. 즉, 연중 변화가 있는 기온(288.15 K), 기압(1010 hPa), 에어로졸 광학두께(0.1), 총 오존량(0.35 cm-atm), 가강수량 (0.25 cm-atm) 그리고 구름(30%)은 단일값으로 입력하여 태양복사량을 산출하고 분석하였다.
관측소 주변 지형고도와 하늘이미지자료를 이용하여 주변 지형과 인공구조물에 의한 일사의 차폐를 계산하였고 sky line과 SVF를 분석하여 일사관측 소의 관측환경을 설명하고자 하였다. 지형고도자료를 이용하여 sky line과 SVF를 산출하였고 단층 태양복사모델을 이용하여 계산된 일사량과 중첩하여 월별, 시간별 태양에너지의 변화를 분석하였고 DEM 자료와 하늘이미지자료의 활용을 논하였다.

대상 데이터

GWNU 복사관측소 환경분석을 위하여 수치표고자 료는 환경부에서 제공되는 10 m 해상도의 자료(Jee and Choi, 2014; Yi et al., 2017)를 이용하였다. Figure 2는 강릉지역의 지형고도와 지표이용도이며 GWNU 복사관측소(검은색 점)를 중심으로 표출하였다.
GWNU 복사관측소는 기상관측장비를 포함하여 다양한 일사(직달, 전천, 산란), 적외복사 그리고 에어로솔 관측장비들이 설치되어 있다. 관측소는 주변 지형에 의한 차폐를 최소화하기 위해 6층 건물 옥상에 구축되어 있다. GWNU 복사관측소의 위치정보 (위도: 37.
반구의 3차원 하늘이미지를 촬영하기 위하여 3차원 카메라(ZS-AC26)와 PREDE사의 Skyview (PSV-100W) 로 촬영된 이미지를 이용하였으며 이들의 제원은 Table 1과 같이 정리될 수 있다. 두 장비의 이미지자료는 실제컬러(1,678만 가지 색) 이미지로 JPEG 형식으로 저장되고 적색[Red (R), 0-255], 녹색[Green (G), 0-255], 청색[Blue (B), 0-255] 명암의 자료로 변환이 가능하다.
본 연구는 관측소의 복사환경 분석을 위하여 3차원 카메라와 DEM자료를 이용하였다. DEM자료는 구축 과정에서 산림지역의 식생 그리고 인공구조물의 존재 등을 제거하여 구축되기 때문에 오차가 존재한다.
본 연구에서는 관측소 주변 지형과 인공구조물에 의한 영향을 분석하기 위하여 강릉원주대학교 복사관 측소 주변의 수치표고모델과 하늘이미지자료를 이용 하였다. 관측소 주변 지형고도와 하늘이미지자료를 이용하여 주변 지형과 인공구조물에 의한 일사의 차폐를 계산하였고 sky line과 SVF를 분석하여 일사관측 소의 관측환경을 설명하고자 하였다.

데이터처리

Skyview의 경우 FOV (Filed of View)가 정확히 180 o이며 도법 변환식을 제공하기 때문에 격자화가 비교적 쉽다. 그러나 3차원 카메라의 FOV는 220 o 이며 도법 변환식을 제공하지 않기 때문에 Skyview와의 비교를 통하여 계산하였다. 즉 3차원 카메라 이미지에서 180 o 가 되는 경계선을 설정하여 도법 변환식을 산출하였고 이를 이용하여 격자를 설정하였다.

이론/모형

특정지점에서 태양의 위치정보와 복사량은 관측지 점의 지리적 위치(위도, 경도 및 고도)와 시간정보를 이용하여 계산이 가능하다. 따라서 지표면에 도달하는 태양 복사량을 모의하기 위하여 Gangneung-Wonju National University (GWNU) 단층 복사모델을 사용하 였다(Jee et al., 2010). 이 모델에서 대기는 단일기층 을 가정하였고 다층복사모델(Chou and Suarez, 1999) 을 이용하여 보정하였다(Jee et al.
초기에 이러한 효과를 고려하기 위한 방법으로 penand-ink 방법 등을 이용하여 지형효과를 근사적으로 계산하였다(Hsia and Wang, 1985). 또한 최근에는 지리정보시스템기반의 수치표고모델(DEM, Digital Elevation Model) 자료를 이용하여 고도(altitude), 경사각(slope) 그리고 경사면(aspect) 등을 산출하여 지형이 복사에너지에 미치는 영향을 분석하였다(Dozier and Frew, 1990; Dubayah, 1994; Rich et al.

성능/효과

이러한 소나무의 고도가 DEM에 적용되지 않았기 때문에 sky line이 상대적으로 낮게 나타나는 것으로 분석된다. 3차원 카메라, DEM 그리고 Skyview에서 산출된 SVF는 각각 0.991, 0.998, 0.993으로 DEM 에서 산출된 SVF가 가장 크게 나타났고 3차원 카메 라의 SVF가 가장 작게 산출되었다.
이러한 소나무의 고도가 DEM에 적용되지 않았기 때문에 sky line이 상대적으로 낮게 나타나는 것으로 분석된다. 3차원 카메라, DEM 그리고 Skyview에서 산출된 SVF는 각각 0.991, 0.998, 0.993으로 DEM 에서 산출된 SVF가 가장 크게 나타났고 3차원 카메 라의 SVF가 가장 작게 산출되었다.
84 MJ m −2 이었다. 3차원 카메라와 DEM을 이용한 지형의 차폐효과는 연누적 수평면 일사량과 비교하여 직달일사량은 2.65%와 0.63%이고 전천일사량은 0.58%와 0.07%였다. DEM 자료의 경우 정량적인 차이는 나타났으나 방향별 차폐효과와 시간별 복사량 등의 정성적인 분석은 3차원 카메라와 유사한 결과를 보였다.
주변의 차폐가 없는 격자에서는 1에 가까운 높은 값을 보이고 산악의 골짜기 등에서는 주변 지형에 의한 감소가 일어났다. 대체로 해안에서 멀어질수록 그리고 대관령에 가까워질수록 SVF는 감소하였다.
Skyview와 비교분석 결과, 3차원 카메라의 sky line 고도각 편차는 ± 3 o 이내로 유사하게 산출되었고 DEM을 이용하여 sky line 고도각 편차는 ± 7 o 로 차이가 나타났다. 방위각별로 유사한 sky line의 분포를 보였으나 DEM을 이용한 sky line 고도각은 5~7 o (Skyview의 30%) 낮게 나타났다. 3차원 카메라, DEM 그리고 Skyview에서 산출된 SVF는 각각 0.
본 연구에서는 RGB 평균값을 계산하였을 때 70 이상의 값은 하늘로 판별하였다 [(R + G + B)/3 > 70].
1700 LST의 직달일사량의 경우 3차원 카메라와 DEM에서 각각 10월 중순부터 2월 말까지와 11월 초부터 1월 중순까지 지형의 차폐가 계산되었다. 전천일사량은 직달일사량과 비교하여 그 차이가 작았으나 3차원 카메라와 DEM에 의한 차이는 뚜렷이 나타났다. 지형 차폐로 인한 일사량의 차이는 10월 중하순과 1월 중하순에서 2월말까지 뚜렷하게 나타났다.
직달일사의 경우 수평면으로 이루어진 평탄한 지형과 비교하여 하지에는 30분 일찍 차폐가 있었고 동지에는 60분 이상 빠르게 차폐가 시작되었다. 직달일사량의 차이는 수평면과 비교하여 최대 300 W m −2 이상의 차이가 나타났고 산란일사량은 SVF에 따르기 때문에 수평면을 고려하였을 때보다 최대 2 W m −2 이내의 차이를 보였다.
직달일사량의 차이는 수평면과 비교하여 최대 300 W m −2 이상의 차이가 나타났으며 산란일사량은 하늘시계요소를 따르기 때문에 수평면 고려하였을 때보다 최대 2 W m −2 이하의 차이를 보였다.

후속연구

즉, 지표이용도, 산림 분포도, 지적도 등을 활용하여 산림과 인공구조물 등의 고도를 추가 적용하여 산출해야 더욱 정확할 것으로 판단된다. 그러나 대체로 복잡한 구조의 산악이나 고도차이가 큰 지형 등의 영향은 DEM에 잘 반영되어 있기 때문에 간접적인 관측환경 조사에는 활용이 가능할 것으로 판단된다.
DEM 자료의 경우 정량적인 차이는 나타났으나 방향별 차폐효과와 시간별 복사량 등의 정성적인 분석은 3차원 카메라와 유사한 결과를 보였다. 따라서 관측소의 복사환경 분석을 위하여 3차원 카메라와 DEM 자료를 동시에 이용하여 분석한다면 신뢰성 높은 결과를 확보할 수 있을 것으로 분석된다. 또한 3.
따라서 관측소의 복사환경 분석을 위하여 3차원 카메라와 DEM 자료를 동시에 이용하여 분석한다면 신뢰성 높은 결과를 확보할 수 있을 것으로 분석된다. 또한 3.1절에서 언급하였듯이 DEM 자료의 정확도 확보 및 오차원인에 대한 개선이 이루어진다면 DEM 자료 또한 관측환경 분석에 가치 있는 자료로 활용될 수 있다.
이러한 차이는 DEM 자료의 지형고도에 지표면의 산림과 인공구조물의 고도는 포함되지 않기 때문인 것으로 분석된다. 즉, 지표이용도, 산림 분포도, 지적도 등을 활용하여 산림과 인공구조물 등의 고도를 추가 적용하여 산출해야 더욱 정확할 것으로 판단된다. 그러나 대체로 복잡한 구조의 산악이나 고도차이가 큰 지형 등의 영향은 DEM에 잘 반영되어 있기 때문에 간접적인 관측환경 조사에는 활용이 가능할 것으로 판단된다.

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Zo, I.-S., J.-B. Jee, and K.-T. Lee, 2014: Development of GWNU (Gangneung-Wonju National University) one-layer transfer model for calculation of solar radiation distribution of the Korea Peninsula. Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 50, 575-584, doi: 10.1007/s13143-014-0047-0.

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저자의 다른 논문 :

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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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