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다종 위성자료와 인공지능 기법을 이용한 한반도 주변 해역의 고해상도 해수면온도 자료 생산
Generation of Daily High-resolution Sea Surface Temperature for the Seas around the Korean Peninsula Using Multi-satellite Data and Artificial Intelligence 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.38 no.5 pt.2, 2022년, pp.707 - 723  

정시훈 (울산과학기술원 도시환경공학과) ,  추민기 (울산과학기술원 도시환경공학과) ,  임정호 (울산과학기술원 도시환경공학부) ,  조동진 (울산과학기술원 도시환경공학과)

초록
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위성기반 해수면온도는 광역 모니터링이 가능한 장점이 있지만, 다양한 환경적 그리고 기계적 이유로 인한 시공간적 자료공백이 발생한다. 자료공백으로 인한 활용성의 한계가 있으므로, 공백이 없는 자료 생산이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 한반도 주변 해역에 대해 극궤도와 정지궤도 위성에서 생산되는 해수면온도 자료를 두 단계의 기계학습을 통해 융합하여 4 km의 공간해상도를 가지는 일별 해수면온도 합성장을 만들었다. 첫번째 복원 단계에서는 Data INterpolate Convolutional AutoEncoder (DINCAE) 모델을 이용하여 다종 위성기반 해수면온도 자료를 합성하여 복원하였고, 두번째 보정 단계에서는 복원된 해수면온도 자료를 현장관측자료에 맞춰 Light Gradient Boosting Machine (LGBM) 모델로 학습시켜 최종적인 일별 해수면온도 합성장을 만들었다. 개발된 모델의 검증을 위해 복원 단계에서 무작위 50일의 자료 중 일부분을 제거하여 복원한 뒤 제거된 영역에 대해 검증하였으며, 보정 단계에서는 Leave One Year Out Cross Validation (LOYOCV) 기법을 이용하여 현장자료와의 정확도를 검증하였다. DINCAE 모델의 해수면온도 복원 결과는 상당히 높은 정확도(R2=0.98, bias=0.27℃, RMSE=0.97℃, MAE=0.73℃)를 보였다. 두번째 단계의 LGBM 보정 모델의 정확도 개선은 표층 뜰개 부이와 계류형 부이 현장자료와의 비교에서 모두 상당한 향상(RMSE=∆0.21-0.29℃, rRMSE=∆0.91-1.65%, MAE=∆0.17-0.24℃)을 보여주었다. 특히, 모든 현장 자료를 이용한 보정 모델의 표층 뜰개 부이와의 정확도는 동일한 현장 자료가 동화된 기존 해수면온도 합성장보다 나은 정확도를 보였다. 또한 LGBM 보정 모델은 랜덤포레스트(random forest)를 사용한 선행연구에서 보고된 과적합의 문제를 상당부분 해결하였다. 보정된 해수면온도는 기존의 초고해상도 해수면온도 합성장들과 유사한 수준으로 수온 전선과 와동 등의 중규모 해양현상을 뚜렷하게 모의하였다. 본 연구는 다종위성 자료와 기계학습 기법을 사용해 시공간적 공백 없는 고해상도 해수면온도 합성장 제작 방법을 제시하였다는 점에서 가치가 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Although satellite-based sea surface temperature (SST) is advantageous for monitoring large areas, spatiotemporal data gaps frequently occur due to various environmental or mechanical causes. Thus, it is crucial to fill in the gaps to maximize its usability. In this study, daily SST composite fields...

주제어

표/그림 (12)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 앞서 검증한 iQUAM과 기상청의 현장 관측 자료들은 기존 해수면온도 합성장 자료 생산에 활용되었지만, 국립해양조사원의 부이 자료는 사용되지 않았다. 그러므로, 본 연구지역에 대해 개발된 모델을 국립해양조사원의 현장 관측 자료에 대해 검증을 수행하였다(Table 6). 복원된 해수면온도자료의 정확도(RMSE=1.
  • 본 연구에서는 두 단계로 나누어 다종위성자료와 기계학습 기법을 이용하여 일별 해수면온도 합성장을 만들었다(Fig. 2.
  • ). 첫 단계는 DINCAE를 사용하여 다종위성자료로부터 자료공백이 있는 해수면온도를 시공간적으로 복원하는 것이고, 이어 두 번째 단계는 LGBM을 이용하여 복원된 해수면온도를 현장관측 자료에 맞춰 보정하는 것이다. 위성기반 아피층 해수면온도를 현장 관측 부이 자료에 맞춘 보정이므로, 보정된 해수면온도는 현장 자료 관측 수심에 맞춰진 표층 해수면온도 합성장이다.

대상 데이터

  • 기상청(관측 수심: 0.2–0.4 m)과 iQUAM(관측 수심: 0.2 m) 부이에 비해 국립해양조사원(관측 수심: 3 m) 부이는 상대적으로 깊은 수심에서 온도를 측정한다
  • 첫번째 단계의 DINCAE 모델의 복원 성능을 평가하기 위해 입력자료의 일정 부분을 임의로 제거한 뒤 이를 검증자료로 사용하였다. 우선 2012년 1월 1일부터 50일간의 자료에서 구름 마스크 부분을 추출하였다. 추출한 50개의 구름 마스크를 연구기간 중 랜덤하게 50일의 자료에 적용하여 유효한 해수면온도 값이 있는 부분을 제거한 뒤, 이를 DINCAE 모델의 복원 정확도 평가에 사용하였다.
  • 첫번째 단계의 DINCAE 모델의 복원 성능을 평가하기 위해 입력자료의 일정 부분을 임의로 제거한 뒤 이를 검증자료로 사용하였다. 우선 2012년 1월 1일부터 50일간의 자료에서 구름 마스크 부분을 추출하였다.

데이터처리

  • 위성기반 아피층 해수면온도를 현장 관측 부이 자료에 맞춘 보정이므로, 보정된 해수면온도는 현장 자료 관측 수심에 맞춰진 표층 해수면온도 합성장이다. 개발된 해수면온도 합성장 자료를 국립해양조사원(KHOA) 현장관측 자료로 정확도를 평가하였고, 현존하는 고해상도 해수면온도 합성장인MUR SST, OSTIA 자료와 공간분포를 비교하였다.

이론/모형

  • 추출한 50개의 구름 마스크를 연구기간 중 랜덤하게 50일의 자료에 적용하여 유효한 해수면온도 값이 있는 부분을 제거한 뒤, 이를 DINCAE 모델의 복원 정확도 평가에 사용하였다. 두번째 단계에서 보정 모델인 LGBM의 성능을 검증하기 위해 시간적 교차검증 방법인 Leave-One-Year-Out-Cross-Validation (LOYOCV)을 사용하였다. LOYOCV는 전체 연구기간 중 특정 해의 자료를 제외하고 나머지 해의 자료로 학습하여 제외된 일년 자료를 검증하는 교차 방법이다.
  • 우선 2012년 1월 1일부터 50일간의 자료에서 구름 마스크 부분을 추출하였다. 추출한 50개의 구름 마스크를 연구기간 중 랜덤하게 50일의 자료에 적용하여 유효한 해수면온도 값이 있는 부분을 제거한 뒤, 이를 DINCAE 모델의 복원 정확도 평가에 사용하였다. 두번째 단계에서 보정 모델인 LGBM의 성능을 검증하기 위해 시간적 교차검증 방법인 Leave-One-Year-Out-Cross-Validation (LOYOCV)을 사용하였다.
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