[논문]4차산업혁명의 드론을 활용한 기상기술 개발 연구

정지효; 이승호; 신승숙; 김정윤; 김승범

문제 정의

본 연구에서는 국립기상과학원에서 보유 중인 복합기상센서 및 라디오존데 센서를 탑재한 기상관측용 드론을 활용하여 연직 기상관측 실험을 수행함으로써 드론을 활용한 기상관측의 가능성을 확인하였다.

제안 방법

본 연구는 대기경계층 연구에 드론을 활용하기 위하여 드론에 기상관측용 센서를 탑재하여 종합기상탑과 기상 관측용 드론과 비교 관측 수행하였고, 대기경계층내의 국지현상인 안개 관측을 위해 드론을 활용하여 관측 수행하였다.
종합기상탑과 기상관측용 드론의 비교 관측을 위해보성표준기상관측소의 종합기상탑의 20 m 관측고도에서 수평거리로 약 2 m 떨어진 지점에서 약 20분간 정지 비양하여 관측하였다. 사용된 기상관측용 드론(Matrice 600 Pro, DJI)은 6개의 프로펠러가 있는 헥사콥터(HexaCopter)형으로 강한 바람에도 비교적 안정적인 비행이 가능한 형태로 제작되었고, 관측 센서로는 통합센서 (WXT530, Vaisala)을 사용하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속을 관측하였다. 관측 기간은 2018년 11월부터 12월까지이며, 강수나 강한 바람(지상 10 m s^-1)등 드론비양이 불가능한 기상 조건을 제외하고 총 15회 관측 수행하였다.
안개 관측은 전남 화순군 청풍면의 지석천 주변의 공터에서 진행되었다. 실험에 사용된 기상관측용 드론 (Inspire 2, DJI)에 라디오존데(RS92-SGP, Vaisalsa)를 부착하여 드론과 존데의 GPS 신호가 안정화된 후 드론을 일정한 상승 속도(약 1 m s^-1)로 300 m 고도까지 연직비양하여 관측하였다. 안개 관측은 2018년 10월 25일과 11월 27일 이틀에 걸쳐 총 17회 관측 수행하였으며, 각 실험에서 안개 내부의 온도 습도의 프로파일을 관측 분석하였다.
실험에 사용된 기상관측용 드론 (Inspire 2, DJI)에 라디오존데(RS92-SGP, Vaisalsa)를 부착하여 드론과 존데의 GPS 신호가 안정화된 후 드론을 일정한 상승 속도(약 1 m s^-1)로 300 m 고도까지 연직비양하여 관측하였다. 안개 관측은 2018년 10월 25일과 11월 27일 이틀에 걸쳐 총 17회 관측 수행하였으며, 각 실험에서 안개 내부의 온도 습도의 프로파일을 관측 분석하였다.
종합기상탑과 기상관측용 드론의 비교 관측을 위해보성표준기상관측소의 종합기상탑의 20 m 관측고도에서 수평거리로 약 2 m 떨어진 지점에서 약 20분간 정지 비양하여 관측하였다. 사용된 기상관측용 드론(Matrice 600 Pro, DJI)은 6개의 프로펠러가 있는 헥사콥터(HexaCopter)형으로 강한 바람에도 비교적 안정적인 비행이 가능한 형태로 제작되었고, 관측 센서로는 통합센서 (WXT530, Vaisala)을 사용하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속을 관측하였다.

대상 데이터

사용된 기상관측용 드론(Matrice 600 Pro, DJI)은 6개의 프로펠러가 있는 헥사콥터(HexaCopter)형으로 강한 바람에도 비교적 안정적인 비행이 가능한 형태로 제작되었고, 관측 센서로는 통합센서 (WXT530, Vaisala)을 사용하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속을 관측하였다. 관측 기간은 2018년 11월부터 12월까지이며, 강수나 강한 바람(지상 10 m s^-1)등 드론비양이 불가능한 기상 조건을 제외하고 총 15회 관측 수행하였다. 각 실험에서 드론에 탑재한 통합센서의 온도, 습도, 풍향, 풍속값과 종합기상탑의 관측값과 비교함으로써, 드론을 활용한 관측자료의 평균 편향(Bias)과 평균 제곱근 편차(RMSD)값을 분석하였다.
안개 관측은 전남 화순군 청풍면의 지석천 주변의 공터에서 진행되었다. 실험에 사용된 기상관측용 드론 (Inspire 2, DJI)에 라디오존데(RS92-SGP, Vaisalsa)를 부착하여 드론과 존데의 GPS 신호가 안정화된 후 드론을 일정한 상승 속도(약 1 m s^-1)로 300 m 고도까지 연직비양하여 관측하였다.

데이터처리

관측 기간은 2018년 11월부터 12월까지이며, 강수나 강한 바람(지상 10 m s^-1)등 드론비양이 불가능한 기상 조건을 제외하고 총 15회 관측 수행하였다. 각 실험에서 드론에 탑재한 통합센서의 온도, 습도, 풍향, 풍속값과 종합기상탑의 관측값과 비교함으로써, 드론을 활용한 관측자료의 평균 편향(Bias)과 평균 제곱근 편차(RMSD)값을 분석하였다.

성능/효과

또한 풍향값의 차이도 바람이 아주 약한 경우를 (1 m s-1 이하)를 제외하면 상관관계가 0.94로 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 결과로 나타내었다.
그림 1은 드론에서 관측된 온도, 습도, 풍향, 풍속값과 종합기상탑에서 관측한 자료값을 산포도로 나타낸 그림이다. 비교 값들의 Bias를 살펴보면, 드론 관측자료가 종합기상탑 자료보다 온도는 0.37 ℃, 습도는 1.66%로 낮게 나타났으며, RMSD는 온도는 0.43 ℃, 습도는 2.29% 로 나타났다. 2017년에 종합센서를 탑재하여 종합기상탑 관측자료와 비교한 실험에서 센서 관측자료의 평균 Bias 는 온도 0.
온·습도 프로파일에서는 지표에서부터 안개 TOP까지의 안개 층에서는 고도가 상승함에 따라 온도는 약간 하강하고 습도는 약간 상승하지만, 반면 안개 TOP 고도부터는 온도는 급격히 상승하고, 습도는 급격히 낮아지는 역전층을 확인하였다.
풍향, 풍속은 드론의 프로펠러로 인해 발생되는 기류의 영향으로 정확도가 떨어질 것이라는 예상과는 달리, 드론에 탑재된 센서에서 관측된 풍속값의 평균 Bias는 0.96 m s-1로 나타났으며 RMSD는 1.14 m s-1로 나타나, 기상청의 풍속의 현지 검정 기준이 풍속 10 m s-1 미만에서 ±1 m s-1인 것을 고려하면 양호한 결과를 보였다.

후속연구

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 국지기상현상 연구와 미세물리현상에 대한 연구, 대기 오염물질 감시 등과 같은 다양한 기상분야에서의 활용이 가능하겠다.
본 실험을 통하여 통합센서 탑재 드론의 온도·습도 및 풍향·풍속에 대한 관측 가능성을 확인하였으며, 기체와 센서의 통합으로 제작되면 용이한 결과를 만들어 낼 것이다.

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