초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
● 최종 목표
조밀한 강수량 자료 확보를 위한, CCTV영상 속 강우 분리기술 및 빗방울 크기 분포 추정기술을 통한 강수량 산출기술 개발
● 1단계
○ 목표
■ 기존 기술 보완사항 도출 및 개선방안 설계, DB 구축(2022.05 – 2022.07)
- 기존 영상 기반 강우량 산정기술 보완사항 도출
- CCTV 및 강우 관측자료 수집
- 강수량 관측방법 및 장비 조사
- 강우입자분포 및 강우특성 조사
- 머신러닝 기반 강우입자분포 추정기술 조사
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□ 연구개발 목표 및 내용
● 최종 목표
조밀한 강수량 자료 확보를 위한, CCTV영상 속 강우 분리기술 및 빗방울 크기 분포 추정기술을 통한 강수량 산출기술 개발
● 1단계
○ 목표
■ 기존 기술 보완사항 도출 및 개선방안 설계, DB 구축(2022.05 – 2022.07)
- 기존 영상 기반 강우량 산정기술 보완사항 도출
- CCTV 및 강우 관측자료 수집
- 강수량 관측방법 및 장비 조사
- 강우입자분포 및 강우특성 조사
- 머신러닝 기반 강우입자분포 추정기술 조사
■ 강우입자분포 및 강우량 추정기술 개발(2022.07 – 2023.01)
- 주·야간 및 강우 유형별 강우분리 기술 개선
- 관측자료 전처리 및 강우입자분포 모형 매개변수 시계열 자료 산출
- 강우강도 및 누적 강우량별 강우입자분포 비교 검증
- 머신러닝을 통한 강우입자분포 모형 매개변수 학습 및 강우입자분포 추정
- 주·야간 및 강우 유형별 강우입자분포 추정기술 개선
■ 고도화 및 최적화 전략 수립(2023.01 – 2023.02)
- 다수의 알고리즘 통합화 및 최적화
■ 현업 활용방안 제시(2023.03 – 2023.04)
- 강우량 산정기술의 적합성 및 활용성 검토
○ 내용
■ 기존 기술 보완사항 도출 및 개선방안 설계, DB 구축
- 장기 CCTV 및 기상 관측자료 확보 및 24시간 적용 가능한 강우량 산출기술 개발을 위한 선행연구 조사를 수행한다. 주·야간별 강우 분리 기술 최적화를 위한 주·야간 CCTV영상 사전 조사를 수행하고, 강우세기 차이에 따른 강우량 오차를 줄이기 위해 강우유형 및 강우강도별 강우입자 분포 특성에 대한 선행연구 조사가 이뤄진다. 조사 결과는 CCTV영상 기반 강우량 자료 오차 보정의 참고값으로 사용된다. 또한, 머신러닝을 활용한 강우입자분포 모형의 매개변수 산출 관련 조사를 수행함으로써 강수량 산출 효율성 향상을 검토한다.
■ 강우입자분포 및 강우량 추정기술 개발
- 기존 개발된 강우입자분포 기반의 강우량 산출 기술 개선을 통한 정확도 향상을 수행한다. 24시간 적용 가능한 강우 이미지 자료 추출 기술 개발 및 다양한 배경을 고려한 영상 추출 기술 개발을 통해 해당 기술의 범용성 및 활용성을 증대시킨다. 강우영상 분리 기술력 향상은 강우입자분포 정확도 향상에 기여 할 수 있다. 강우량 산정 시, 강우유형별 미세물리학적 발달특성 차이로 인해 나타나는 강우량 변화를 고려하기 위해 강우유형 및 강우 강도 차이에 따른 CCTV영상 기반 강우입자분포와 우적계 자료를 통해 얻은 강우입자분포 비교 분석을 수행함으로써 강우량 산정 정확도 향상을 도모한다. 머신러닝을 통한 강우입자분포 모형의 매개변수 산출과정을 통해 모형기반의 강우량 추정 결과의 정확도를 검증하고, 강우량 산출속도 향상 및 강우입자분포 자료를 활용한 활용성을 증대시킨다.
■ 고도화 및 최적화 전략 수립
- 24시간 관측 가능한 강우입자분포 산출 기반의 강수량 산정 기술에 대한 검증 및 고도화 단계로서, 각 연구팀에서 개발한 강우량 추정 알고리즘 통합 및 최적화를 통해 산출 효율성을 높이고, 다양한 유형의 강우사례에 대한 정량적 검증 및 개선을 통해 개발된 기술의 범용성을 확보한다.
■ 현업 활용방안 제시
- 개발된 CCTV영상 기반의 강우량 산정 기술에 대한 활용 가능성을 검토하고 활용방안을 제시한다. 실제 지상 강우 관측자료와의 비교 및 검증 결과를 토대로 기존 강우 관측자료와의 융합 가능성을 검토한다. 머신러닝 기반의 강우입자분포 모형 최적화 결과를 토대로 강우의 미세물리적 접근에 대한 활용 가능성을 검토한다. 최종적으로 개발된 기술에 대한 후속 연구 실현 가능성 검토 및 실행 방안 수립을 통해 본 연구의 최종 목표를 달성한다.

□ 연구개발성과
■ 강수량 산정 모델 정확도 향상을 위한 CCTV영상 자료 전처리 방법 연구
- 움직이는 사물이 포함된 CCTV영상 내에서 빗줄기 추출이 가능한 알고리즘 개발
- CCTV영상 특성을 반영한 체계적 단계의 전처리 과정 구성 및 정확도 분석
- 주간 시간대의 CCTV영상에서 활용 가능한 빗줄기 처리 알고리즘 개발
■ 강우입자분포 기반 빗줄기 길이 및 빗방울 크기 분포 추정 기술 개선
- 컨볼루션 저주파필터를 통한 다수의 잡음 제거
- 강우입자의 장/단축을 고려한 강우강도 산정
- PARSIVEL 자료 내 수농도 보정 계수 적용
■ 진천 레이더비교관측소 내 다양한 종류의 CCTV 설치 및 2DVD, 무게식 우량계 등의 새로운 지상관측자료의 활용을 통한 정확도 비교검증 작업
- CCTV 기종에 따른 강수량 산정 결과 제시
- CCTV영상 기반 강수량 산정 결과와 PARSIVEL, 2DVD, 우량계 자료와의 비교/분석 결과 제시
- 기 설치한 AWS 내 CCTV영상에 대한 Calibration 완료된 알고리즘 적용을 통한 정확도 확인 및 범용성 확보
■ CCTV영상 기반 강수량 산정 기법 현업 활용을 위한 매뉴얼 제작
- CCTV영상 기록 방식에 대한 고찰
- 이미지상의 빗줄기와 실제 빗줄기 간의 관계 파악
- CCTV영상 기반 강우 관측의 환경 및 시설 분석
- CCTV영상 기반 강우 관측 권장 절차 제시 (* 종료시점 기술성숙도 3~4단계)

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
■ 스마트시티 기상기후 융합 개발기술과의 융합을 통한 3차원 고해상도 기상자료 확보
- CCTV영상 기반의 강수량 산정 기술을 통한 기존 지상 강수 관측 네트워크의 밀집도 향상
- 도심지(스마트시티) 내 강우 관측자료를 확보하고, 디지털 트윈 기술의 적용을 통한 스마트시티 내 수요자 중심의 실시간 기상정보 제공
■ IoT 센서 기반의 관측 자료 수집을 통한 고비용의 관측 장비 설치 대체
- 저비용/고효율 다중 수문/기상 관측 센서 설치를 통한 인공지능 기반 자료 분석 및 예측
- 관측 공백 지역 해소 및 도심 지역 내 미기후를 반영한 강수자료 확보
■ 기후변화 대응을 위한 인공지능 기반 수문/기상 자료 분석 및 예측 기술 개발
- 관측/감시, 모델링/분석 및 예보/생산 분야 내 첨단 기술의 융합을 통한 다양한 수문/기상 시나리오 분석, 예측 정확도 향상 및 관측기술 선진화
■ 예측강우 기반 도시 유역 국지돌발홍수 위험 정보 생산
- 고해상도/고품질 데이터셋 기반, 도시 지역 특성에 맞는 기술 개발 및 위험 예측 선행시간의 확장
■ 실시간 수문/기상 정보를 비롯한 수요자 중심의 생활 밀착형 서비스
- GPS 기반 위치 공유 서비스를 통한 도심지 및 주변 지역 내 위험도 공개를 바탕으로 국민의 삶 증진 및 편의 제공

(출처 : 요 약 문 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 ... 4
• 요 약 문 ... 6
• 목차 ... 9
• 그림목차 ... 11
• 표목차 ... 14
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 15
• 1-1. 연구개발 목적 ... 15
• 1-2. 연구개발 필요성 ... 16
• 가. 연구개발의 배경 ... 16
• 나. 연구개발 대상의 국내 · 외 현황 ... 18
• 다. 연구개발 가능성 ... 23
• 1-3. 연구 내용 요약 ... 25
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 27
• 2-1. 연구 수행 내용 ... 27
• 가. 기존 기술 대비 기술 향상 정도 비교 · 분석 ... 27
• 나. 강수량 산정 모델 정확도 향상을 위한 CCTV영상 자료 전처리 방법 연구 ... 29
• 다. 강우입자분포 기반 빗줄기 길이 및 빗방울 크기 분포 추정 기술 개선 ... 46
• 라. 진천 레이더 비교관측소 자료 기반 강수량 산정 알고리즘 범용성 확보 ... 54
• 마. CCTV영상 기반 강수량 산정 기법 현업 활용을 위한 매뉴얼 제작 ... 64
• 2-2. 연구 결과 분석 ... 65
• 가. 기존 기술 대비 기술 향상 정도 비교 · 분석 상세 결과 ... 65
• 나. 강수량 산정 모델 정확도 향상을 위한 CCTV영상 자료 전처리 방법 연구 결과 ... 66
• 다. 강우입자분포 기반 빗줄기 길이 및 빗방울 크기 분포 추정 기술 개선 결과 ... 72
• 라. 진천 레이더비교관측소 자료 기반 강수량 산정 알고리즘 범용성 확보 결과 ... 75
• 마. CCTV영상 기반 강수량 산정 기법 현업 활용을 위한 매뉴얼 제작 결과 ... 99
• 2-3. 연구 결과 핵심 요약 ... 109
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 111
• 3-1. 연구수행 결과 ... 111
• 가. 정성적 연구개발성과 ... 111
• 나. 정량적 연구개발성과 ... 112
• 다. 세부 정량적 연구개발성과 ... 113
• 3-2. 목표 달성 수준 ... 132
• 4. 목표 미달시 원인 분석 ... 134
• 4-1. 목표 미달 원인(사유) 자체 분석 내용 ... 134
• 4-2. 연구개발 과정의 성실성 ... 135
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 137
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 138
• 6-1. 최종목표 ... 138
• 6-2. 성과관리 추진체계 ... 138
• 6-3. 연구개발성과의 활용분야 ... 139
• 6-4. 연구개발성과의 활용계획 및 방안 ... 141
• 6-5. 추가연구의 필요성 ... 143
• 6-6. 타 연구에의 응용 ... 147
• 별첨 자료 ... 151
• 끝페이지 ... 153