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무인카메라 기반 산악지역 식물계절 및 적설 탐지 기술 개발
장근창,김재철,천정화,장석일,안치현,김봉철 한국농림기상학회 2022 한국농림기상학회지 Vol.24 No.4
Plant phenology including flowering, leaf unfolding, and leaf coloring in a forest is important to understand the forest ecosystem. Temperature rise due to recent climate change, however, can lead to plant phenology change as well as snowfall in winter season. Therefore, accurate monitoring of forest environment changes such as plant phenology and snow cover is essential to understand the climate change effect on forest management. These changes can monitor using a digital camera system. This paper introduces the detection methods for plant phenology and snow cover at the mountain region using an unmanned camera system that is a way to monitor the change of forest environment. In this study, the Automatic Mountain Meteorology Stations (AMOS) operated by Korea Forest Service (KFS) were selected as the testbed sites in order to systematize the plant phenology and snow cover detection in complex mountain areas. Multi-directional Internet Protocol (IP) camera system that is a kind of unmanned camera was installed at AMOS located in Seoul, Pyeongchang, Geochang, and Uljin. To detect the forest plant phenology and snow cover, the Red-Green-Blue (RGB) analysis based on the IP camera imagery was developed. The results produced by using image analysis captured from IP camera showed good performance in comparison with in-situ data. This result indicates that the utilization technique of IP camera system can capture the forest environment effectively and can be applied to various forest fields such as secure safety, forest ecosystem and disaster management, forestry, etc. 본 연구를 통해 설계된 테스트베드 지역의 식물계절 관측과 적설 탐지는 반복 이미지 학습 및 정량적 RGB 분석을 통해 정확도 높은 산림 식물계절 및 적설관측 기반을 마련하였다. 무인카메라 기반 식물계절 및 적설 탐지 기술 개발은 복잡한 산악지형이라는 특수한 환경에서 다양한 고도의 환경 데이터를 실시간 수집하는 체계를 구축함으로써 산림환경 연구를 위한 기초 데이터를 수집하는 계기가 되었다. 첨단기술을 활용한 주요 산악지역의 식물계절 변화 탐지 연구는 산림청에서 제공하는 개화 및 개엽 예측 정보의 검증과 산림휴양쾌적지수 고도화 등에 활용 가능하며, 향후 농림위성의 NDVI 등 영상 이미지의 검⋅보정용 자료로써 활용 가치가 매우 높다. 무인카메라 활용 기술은 산림 식물계절 및 적설 탐지뿐만 아니라 산림재해 감시 및 산림관리 등 다양한 산림분야에서도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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장근창,민성현,김인혜,천정화,원명수 한국농림기상학회 2022 한국농림기상학회지 Vol.24 No.4
Mountain meteorology in South Korea that is covered mountains with complex terrain is important for understanding and managing the forest disaster and forest ecosystems. In particular, recent changes in dryness and/or rainfall intensity due to climate change may cause an increase in the possibility of forest disasters. Therefore, accurate monitoring of mountain meteorology is needed for efficient forest management. Korea Forest Service (KFS) is establishing the Automatic Mountain Meteorology Observation Stations (AMOS) in the mountain regions since 2012. 464 AMOSs are observing various meteorological variables such as air temperature, relative humidity, wind speed and direction, precipitation, soil temperature, and air pressure for every minute, which is conducted the quality control (QC) to retain data reliability. QC process includes the physical limit test, step test, internal consistency test, persistence test, climate range test, and median filter test. All of AMOS observations are open to use, which can be found from the Korean Mountain Meteorology Information System (KoMIS, http://mtweather.nifos.go.kr/) of the National Institute of Forest Science and the Public Data Portal (https://public.go.kr/). AMOS observations with guaranteed quality can be used in various forest fields including the public safety, forest recreation, forest leisure activities, etc., and can contribute to the advancement of forest science and technology. In this paper, a series of processes are introduced to collect and use the AMOS dataset in the mountain region in South Korea. 우리나라의 산림은 지형적으로 복잡한 특성을 가지고 있기 때문에 효율적인 산림관리를 위해서는 산림지역에 특화된 기상관측이 중요하다. 특히, 최근 기후변화에 따른 건조와 집중호우 등 이상기상 현상으로 산림재해가 발생할 수 있기 때문에, 이를 효과적으로 예방하고 관리하기 위한 대책 마련이 필요하다. 이를 위해 산림청에서는 산악지역에 대한 기상 자료를 수집하기 위해 2012년부터 산악기상관측망 구축을 시작했고, 현재 464개소의 산악기상관측망을 운영하고 있다. 산악기상관측망에서는 기온, 상대습도, 풍향과 풍속, 강수량, 지면온도, 대기압 등 7개 기상요소를 관측한다. 기상 자료는 1분 간격의 실시간 자료를 수집하며, 자료의 신뢰도 확보를 위한 품질관리 시스템을 운영하고 있다. 산악기상관측 자료의 품질관리는 물리한계검사, 단계검사, 내적 일치성검사, 지속성검사, 기후범위검사, 중앙값 필터검사 등 6가지 품질검사를 수행한다. 고품질 산악기상정보는 공동활용을 위해 산악기상정보시스템과 공공데이터 포털을 통해 자료를 공개하고 있다. 산악지역에 특화된 산악기상정보는 산림관리 및 산림재해 방지뿐만 아니라 국민 생활안전과 산림휴양⋅레저 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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산악기상관측정보를 이용한 위성정보 기반의 전천후 기온 자료의 평가 - 강원권역을 중심으로
장근창 ( Keunchang Jang ),원명수 ( Myoungsoo Won ),윤석희 ( Sukhee Yoon ) 한국농림기상학회 2017 한국농림기상학회지 Vol.19 No.1
지표면 기온(T<sub>air</sub> surface air temperature)은 기상 및 기후학 분야에서 대표적인 기상인자일 뿐만 아니라 육상생태계 기능을 조절하는 주요 환경조건 인자이다. MODIS와 같은 인공위성정보 활용 기술은 지표면 기온을 연속적으로 모니터링 할 수 있는 기회를 제공한다. 하지만 복잡 산악지역에서의 관측 정확도의 한계와 구름 등에 의한 자료 결측은 연속적인 모니터링을 제한한다. 이 연구에서는 위성정보를 기반으로 복잡 산악지역에서인 강원도 지역을 대상으로 전천후 기온정보를 생산하여 산악기상관측자료를 이용하여 평가하였다. 산악지역에 대한 정확도 개선을 위해 Aqua MODIS 기온정보(MYD07_L2)에 대기기온감률 방법을 적용한 결과, 기존보다 약 4% RMSE 개선효과(ME의 경우 95%)가 나타났다. 전천후 기온정보 산출을 위해 MYD07_L2 기온정보와 GCOM-W1 AMSR2 37 GHz 밝기온도 자료간의 픽셀 기반의 회귀모형 방법을 적용하였다. 산악기상관측 자료와 비교한 결과 전반적으로 좋은 일치도를 보였으나(r=0.80, RMSE=7.9K), 겨울철에 다소 과소모의의 경향을 나타냈다. 그럼에도 불구하고 전체 자료 중 결측되었던 61.4%의 자료(n=2,657)를 복원하여 복잡 산악지역에 대해 위성정보 기반의 전천후 기온정보 생산이 가능함을 확인하였다. 향후 이 연구에서 사용한 간단하고 효과적인 회귀모형 방법은 과거 및 최신 위성정보를 활용을 통한 시공간적인 확장이 가능할 것으로 사료된다. Surface air temperature (T<sub>air</sub>) is a key variable for the meteorology and climatology, and is a fundamental factor of the terrestrial ecosystem functions. Satellite remote sensing from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) provides an opportunity to monitor the T<sub>air.</sub> However, the several problems such as frequent cloud cover and mountainous region can result in substantial retrieval error and signal loss in MODIS T<sub>air</sub>. In this study, satellite-based T<sub>air</sub> was estimated under both clear and cloudy sky conditions in Gangwon Province using Aqua MODIS07 temperature profile product (MYD07_L2) and GCOM-W1 Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) brightness temperature (T<sub>b</sub>) at 37 GHz frequency, and was compared with the measurements from the Automated Mountain Meteorology Stations (AMOS). The application of ambient temperature lapse rate was performed to improve the retrieval accuracy in mountainous region, which showed the improvement of estimation accuracy approximately 4% of RMSE. A simple pixel-wise regression method combining synergetic information from MYD07_L2 T<sub>air</sub> and AMSR2 T<sub>b</sub> was applied to estimate surface T<sub>air</sub> for all sky conditions. The T<sub>air </sub>retrievals showed favorable agreement in comparison with AMOS data (r=0.80, RMSE=7.9K), though the underestimation was appeared in winter season. Substantial T<sub>air</sub> retrievals were estimated 61.4% (n=2,657) for cloudy sky conditions. The results presented in this study indicate that the satellite remote sensing can produce the surface T<sub>air</sub> at the complex mountainous region for all sky conditions.
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Collection 5와 Collection 6 Aqua MODIS07_L2 기온과 이슬점온도 산출물간의 비교 및 지상 관측 자료와의 비교
장근창 ( Keun Chang Jang ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),홍석영 ( Suk Young Hong ) 대한원격탐사학회 2014 大韓遠隔探査學會誌 Vol.30 No.5
Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)로부터 산출된 기온과 이슬점 온도 프로파일 자료는 5 km의 공간해상도로 연속적으로 지상을 감시하고 있으며, 2012년부터 기존의 산출 알고 리즘(Collection 5, C005)을 개선한 Collection 6(C006) MODIS07_L2 대기프로파일 자료를 생산하고 있다. 이 연구에서는 두 가지 버전의 알고리즘으로 산출된 Aqua MODIS07_L2(MYD07_L2) 대기 프로파일 자료로부터 획득한 기온과 이슬점 온도에 대한 신뢰도를 평가하는 것으로, 전국 77 개소 정규기상관측지점을 대상으로 하였다. 또한 기온과 이슬점 온도를 이용하여 대기수증기압을 추정하여 미기상인자 산출에 대한 MYD07_L2의 적용 가능성을 살펴보았다. C006 기온은 지상 관측 자료와 비교에서 C005 기온의 오차 (ME = -1.89 K, RMSE = 4.06 K)보다 개선된 결과를 보였다(ME = -0.76 K, RMSE = 3.34 K). 한편, 이슬점 온도의 경우에는 C006이 C005의 오차(ME = -0.39 K, RMSE = 5.65 K)보다 크게 나타났다. MYD07_L2 산출 고도와 지상 관측지점 간에 발생할 수 있는 고도 차이를 보정하기 위해 대기기온감률 방법을 적용한 결과, 기온의 경우 C005와 C006에서 모두 개선 효과를 확인할 수 있었지만, 이슬점 온도의 경우에는 C006에서 오차가 소폭 증가하였다(1.4%). 두 가지 버전의 MYD07_L2 자료를 이용하여 대기수증기압을 추정한 결과, C006 자료를 이용하였을 때 다소 개선된 결과를 보였다. 이 연구를 통해 한국에 대한 C006 MYD07_L2 산출물 중 기온의 신뢰도가 전반적으로 개선되었음을 확인할 수 있었다. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) provides air temperature (Tair) and dew point temperature (Tdew) profiles at a spatial resolution of 5 km. New Collection 6 (C006) MODIS07_L2 atmospheric profile product has been produced since 2012. The Collection 6 algorithm has several modifications from the previous Collection 5 (C005) algorithm. This study evaluated reliabilities of two alternative datasets of surface-level Tair and Tdew derived from C005 and C006 Aqua MODIS07_L2 (MYD07_L2) products using ground measured temperatures from 77 National Weather Stations (NWS). Saturated and actual vapor pressures were calculated using MYD07_L2 Tair and Tdew. The C006 Tair showed lower mean error (ME, -0.76 K) and root mean square error (RMSE, 3.34 K) than the C005 Tair (ME = -1.89 K, RMSE = 4.06 K). In contrasts, ME and RMSE of C006 Tdew were higher than those (ME = -0.39 K, RMSE = 5.65 K) of C005 product. Application of ambient lapse rate for Tair showed appreciable improvements of estimation accuracy for both of C005 and C006, though this modification slightly increased errors in C006 Tdew. The C006 products provided better estimation of vapor pressure datasets than the C005-derived vapor pressure. Our results indicate that, except for Tdew, C006 MYD07_L2 product showed better reliability for the region of South Korea than the C005 products.
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