초록 ▼

연구개발 목표 및 내용
최종 목표
본 연구는 ‘딥러닝과 인공위성 관측기반 해무 초단기 예측 기술개발’을 목표로 함
○ 연구개발 개요
- 주간 서해안에서 발생한 해무에 대한 해무 초단기 예측
- 초단기 예측에는 15분 간격으로 2시간 예측까지 목표로 함
- 2015년 영종대교 해무 사례를 집중적 연구 계획
- 해무 사례는 하층운 및 안개에 민감한 3.7㎛로 관측한 위성영상을 바탕으로 선정함
○ 연구과제 최종목표
(1) 딥러닝 기법을 활용한 위성 관측 자료 처리 기술개발
- 딥러닝

연구개발 목표 및 내용
최종 목표
본 연구는 ‘딥러닝과 인공위성 관측기반 해무 초단기 예측 기술개발’을 목표로 함
○ 연구개발 개요
- 주간 서해안에서 발생한 해무에 대한 해무 초단기 예측
- 초단기 예측에는 15분 간격으로 2시간 예측까지 목표로 함
- 2015년 영종대교 해무 사례를 집중적 연구 계획
- 해무 사례는 하층운 및 안개에 민감한 3.7㎛로 관측한 위성영상을 바탕으로 선정함
○ 연구과제 최종목표
(1) 딥러닝 기법을 활용한 위성 관측 자료 처리 기술개발
- 딥러닝 기법 및 최적 학습법 연구
- 해무 예측에 적합한 위성 관측 밴드 특성 연구
(2) 딥러닝 기법을 활용한 해무 학습 방법 개발
- pix2pix의 변형 기법인 data2data 사용
- 선별된 위성 관측밴드(3.7㎛와 10.8㎛)를 입력 자료로 하여 예측된 가상의 데이터를 생성하는 딥러닝 모델 개발
(3) 딥러닝 해무 학습 모델 응용
- 예측된 가상의 데이터를 이용하여 최종적인 해무 영역을 예측
- 2015년 사례에 해무 예측 딥러닝 모델을 적용후 모델평가 및 통계분석

전체 내용
○ 가상의 관측자료 생성을 위한 인공지능 기법
- 비지도 학습 중 하나인 GAN (Generative Adversarial Network) 기법을 기반으로 한 연구 방법 조사
- 판별자 (Discriminator)와 생성자 (Generator)로 구성된 회귀 생성 모델
- 생성자는 판별자가 원 데이터와 가상 데이터를 구분하지 못하도록 원 데이터의 확률분포를 따라가며 output을 생성하고, 판별자는 두 데이터를 진짜와 가짜로 비교하여 분류해내는 역할을 하며 서로 적대적으로 경쟁하는 관계
- 생성자의 Latent variable에 특정 조건을 부가하는 cGAN (Conditional GAN)을 사용하는 것이 해무 예측에 적합
- 해무 탐지 알고리즘에 적용하는 데이터와 같은 데이터를 생성하기 위해 이미지에서 이미지로 변환하는 pix2pix 오픈소스에서 발전된 방법인, 픽셀별 관측 Tb값을 계산하는 Data2Data 기법을 사용
○ 사용 데이터
- 2015년 사례를 볼 수 있는 대한민국 정지궤도 위성인 천리안 위성 1호 사용
- 07:00~18:00 KST 사이에 3.7㎛ 영상에서 뚜렷한 안개 영역이 나타나는 66개의 사례를 선정
- Training : Validation 비율이 약 8:2를 만족하도록 학습데이터를 구축
- 학습 순서쌍은
입력 (input : t) → 출력 (output : t+△t)을 만족
- 전처리
(1) 데이터 사이즈
- 512*512 (서해안 중심, 육지제외)
(2) 정규화
- 하층운 및 안개를 탐지
- 일반적으로 적외채널의 밝기 온도 차이를 이용하는 방법 (Brightness Temperature Difference, BTD) 사용
- 따라서 천리안 위성 1호의 유사 채널인 3.7㎛와 10.8㎛를 이용
○ 3.7㎛와 10.8㎛ 생성
- 딥러닝 학습 실행 횟수에 따라 정확한 결과를 나타내는 구간을 분석하여 모델을 선정
(1) 이상적인 MAX(Discriminator)와 MIN(Generator)과 반대로 이뤄지는 Overfitting 구간제외
(2) 육지에 불안정적으로 노이즈가 생기는 구간 제외
(3) 높은 CC (Correlation Coefficient)와 낮은 RMSE (Root Mean Squared Error)와 Bias를 기준으로 동시에 만족하는 구간을 선정
○ 해무 영역 비교
- 정규화된 영상의 이진 분류 경계 값을 자동으로 찾는 Otsu's method를 이용
- 오츠 임계 값(3.7㎛, BTD) 두 가지를 해무 탐지 식에 적용
- 실제 관측데이터로 해무를 탐지한 영역과 예측된 데이터를 이용한 해무 영역의 픽셀 수를 계산하여 POD, PAR, CSI, HSS, PAG 실시
○ 2015년 사례를 통한 모델 검증
- 학습에 한 번도 사용되지 않은 Unseen 데이터를 학습된 예측모델에 적용
- 학습영역 전체와 차량 추돌사고 발생 지역인 영종도 부근의 데이터만 추출하여 비교

연구개발성과
○ 해당 과제 주요 연구 내용
- 딥러닝 기술을 바탕으로 위성 관측 자료를 입력 자료로 이용하여, 1시간, 2시간 등 초단기 해무를 예측하는 딥러닝 모델 개발
- 15분부터 2시간 후까지 예측할 시 3.7㎛ 데이터는 실제 관측데이터와 CC 0.97~0.90, 10.8㎛ 데이터는 0.97~0.94로 높은 유사성을 가짐
- 공간적 편차를 통해 구름이 많이 끼어있는 상태에서는 비교적 낮은 성능을 보임을 확인
- 실제 해무 영역과 예측된 해무 영역을 비교한 결과, POD가 0.98~0.87의 높은 정확도를 보이며 1시간 전까지는 90% 확률로 예측이 가능
- 2015년 영종대교 사례의 경우 구름과 해빙이 섞인 사례임에도 불구하고 POD가 0.84~0.60이며 1시간 전에 66.59% 확률로 예측이 가능
○ 연구성과
- 국내 논문: 0건 게재
- SCI 논문: 1건 게재
- 국내 특허출원:3건
- 국내 특허등록:3건
- 인력양성: 박사 0명, 학사 1명

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 현장 적용 방안(계획)
- 안정적인 해무 예측 통계 값 확보 후 현업화 연구 수행
○ 실용화 ․ 제품화
- 지속적인 검증 및 연구 수행으로 기존보다 향상된 결과를 산출할 경우, 본 연구 결과를 재가공하여 기상산업에 활용하는 실용화 및 제품화가 바람직함
○ 신산업 창출 (중·장기적인 후속 연구의 필요성)
- 해무 예보 정보를 산출할 수 있는 본 연구에 대한 방법을 SW화 및 시스템화하여, 실제로 해상 교통이나 선박의 운항을 위한 서비스 기술로 개선하고, 상품화하여, 신산업 창출에 기여
○ 성과 활용 분야의 예
- 해양교통: 선박의 안전한 운행을 위한 해상 교통 주의 정보 자료로 활용
- 해양 기상: 기존의 모델 기반의 예측을 보완하는 해무 예측 정보로 활용
- 연안 재해: 관측 및 예측 자료가 부족한 연안 지역에서, 해무로 인한 재해 경감에 기여
○ 기술적 측면
- 기상 현상에 대한 초단기 예보에 딥러닝 기술을 도입
- 기존 물리적 기반의 수치 모델 예측 공백을 보완하는 역할
- 인공위성과 딥러닝을 결합한 최신 과학기술의 활용을 통한 기상예보 방법 확대에 기여
- 독창적 기술로 국가 과학기술 이미지 제고
- 해무 예측 분야 전문 인력 양성
○ 경제적·산업적 측면
- 본 연구를 통해 제대로 된 주의 정보를 제공함으로써 해무로 인한 인명 및 경제적 손실 경감에 기여
- 신 기상 상품 개발 및 상품화로 경제적 기여 가능
- 해무 발생 빈도가 높은 국가에 상품화된 패키지로 제공되는 수출 효과도 기대 가능

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 9
• 제1장. 연구개발 과제의 개요 ... 11
• 제1절 연구개발의 목적 ... 11
• 제2절 연구개발의 배경 ... 11
• 제3절 연구개발의 필요성 ... 12
• 제4절 연구개발의 범위 ... 15
• 제2장. 연구 수행 내용 ... 16
• 제1절 연구 방법 조사 ... 16
• 제2절 Data2Data 학습방법 ... 20
• 제3절 연구 결과: 가상의 예측 적외 영상 생성 ... 25
• 제4절 오츠 경곗값을 이용한 해무 영역 비교 ... 43
• 제5절 2015년 사례를 통한 모델 검증 ... 45
• 제3장. 연구개발 과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 52
• 제1절 요약 및 수행 결과 ... 52
• 제2절 목표 달성 정도 ... 53
• 제4장. 연구개발 성과의 관리 및 활용 계획 ... 56
• 제1절 연구 개발 성과의 활용 방안 ... 56
• 제2절 기대효과 ... 56
• 제3절 향후 개선 사항 ... 57
• 제5장. 전문가평가의견서 ... 58
• 참고문헌 ... 59
• 끝페이지 ... 61