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광학 흐름(Optical-flow)기법을 활용한 레이더 영상기반 벡터 산출에 관한 연구
모선진,구지영,류근혁,박진우 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
기상레이더는 전자기파를 대기 중에 방사하여 강수입자에 반사되어 되돌아오는 전자기파 신호의 강도와 수신 시간을 통해 강수의 위치와 강도를 관측하는 장비로 세밀한 시·공간 해상도를 가지고 있어 위험기상 감시에 매우 중요한 역할을 하고 있다. 더욱이 기상레이더 영상은 시각적인 측면에서 가시성이 높아 다양한 활용이 가능하다. 즉 기상레이더 원시자료뿐 아니라 영상의 변화 특성만으로도 기상현상의 흐름을 파악할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 영상처리기법이 기상연구 분야에서도 점차 확대되고 있고 기상레이더 영상과 같이 높은 해상도를 가지는 영상자료의 경우 영상처리기법이라는 새로운 접근을 통해 유용한 정보 생산을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 일정 시간 간격으로 산출되는 기상레이더 영상자료를 기반으로 하여 시간차에 의한 기상레이더 영상의 변화추이를 영상처리기법중 하나인 광학흐름(Optical Flow) 방법을 통해 기상현상 흐름을 벡터로 산출하였다. 광학흐름기법을 기상학적 측면에서 좀 더 유용하게 적용하기 위하여 기상현상 규모에 적합한 벡터분석 해상도, 기상레이더 영상이 존재하지 않는 영역에서의 벡터보간, 특정 기상현상의 흐름과 대기 전체 흐름 구분을 위한 평균흐름 벡터 제거 등을 통해 태풍과 같은 관심 기상현상의 특성을 도출하였다. 또한, 지형적 특성으로 발생하는 국지 흐름을 고려하기 위하여 평균흐름 벡터 제거 과정에서 국소면적 이동평균 흐름 산출 기법을 적용하여 정확도 향상을 도모하였다. 본 연구를 통해 기상레이더의 원시자료 활용뿐 아니라 영상자료 고유의 특성 활용이라는 기상레이더 활용 영역 확대와 영상처리기법의 향후 기상학분야에서의 활발한 활용을 기대해 본다.
영상처리기법을 활용한 기상레이더 영상기반 광학흐름 벡터 산출에 관한 연구
모선진(Sunjin Mo),구지영(Ji-Young Gu),류근혁(Geun-Hyeok Ryu) 한국정보통신학회 2021 한국정보통신학회 종합학술대회 논문집 Vol.25 No.1
기상레이더 영상은 시각적인 측면에서 가시성이 높아 다양한 활용이 가능하다. 즉 기상레이더 원시자료 뿐 아니라 영상의 변화 특성만으로도 기상 현상의 흐름을 파악할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 영상처리기법이 기상 연구 분야에서도 점차 확대되고 있고 기상레이더 영상과 같이 높은 해상도를 가지는 영상자료의 경우 영상처리기법이라는 새로운 접근을 통해 유용한 정보 생산을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 영상처리기법 중 하나인 광학 흐름(Optical Flow) 기법으로 일정 시간 간격에 따른 기상레이더 이미지의 변화에서 기상 현상 흐름을 벡터로 산출하였다. 기상 현상 규모에 적합한 벡터 분석해상도, 기상레이더 영상이 존재하지 않는 영역의 벡터보간, 특정 기상 현상의 흐름과 대기 전체 흐름구분을 위한 상대 흐름 벡터 제거 등을 통해 분석하고자 하는 기상 현상의 특성을 도출하였다. 본 연구를 통해 기상레이더의 원시 자료 활용 뿐 아니라 영상자료 고유의 특성 활용이라는 기상레이더 활용 영역 확대와 영상처리기법의 향후 기상학 분야에서의 활발한 활용을 기대해 본다. Weather radar images can be used in a variety of ways because of their high visibility in terms of visuals. In other words it has the advantage of being able to grasp the flow of weather phenomena using not only the raw data of the weather radar, but also the change characteristics between consecutive images. In particular image processing techniques are gradually expanding in the field of meteorological research, and in the case of image data having high resolution such as weather radar images it is expected to produce useful information through a new approach called image processing techniques. In this study the weather phenomena flow was calculated as a vector from the change of the weather radar image according to time interval with the optical flow method, one of the image processing techniques. The characteristics of the weather phenomena to be analyzed were derived through vector analysis resolution suitable for the scale of weather, vector interpolation in regions where no radar echo exists, and the removal of relative flow vectors to distinguish the flow of specific weather and the entire atmosphere. Through this study, it is expected that not only the use of raw data of weather radar, but also the widening of the application area of weather radar, such as the use of unique characteristics of image data, and the active use of image processing techniques in the field of meteorology in the future.
다중고도각(HSR) 기법을 활용한 소형기상레이더 강수 합성장 산출
박진우,모선진,구지영,류근혁 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
소형기상레이더 관측망(3개소, 수리산, 덕적도, 망일산)은 해발고도 500m 이하에 설치하여 저층 강수 현상을 관측하는데 효과적이다. 현재 소형기상레이더는 품질관리 및 준-연직분포 산출 등을 통해 수도권 영역의 강수 관련 기상 정보를 생산하고 있다. 수도권에 소형기상레이더 관측망이 구성된 후, 각 레이더의 PPI0 정보를 이용하여 에코 강도가 강한 영역을 우선 합성하는 2차원 강수 합성장을 산출하고 있다. 본 연구는 소형기상레이더 관측망 자료 2차원 합성 시 비기상에코는 제거하고 강수 에코로 판단된 가장 낮은 고도각을 사용하는 다중고도각(Hybrid Surface Rainfall, HSR) 합성 기법을 적용하여 수도권 영역에서 시공간 고해상도(1분, 150m) 강수 합성장을 생산할 수 있게 되었다. HSR 기반 2차원 강수 합성 기법을 적용하기 위해 우선 개별레이더 마다 지형에 의한 빔 차폐 영향을 최소로 받는 고도각을 산출하고, 기상·비기상에코 분류를 위한 품질관리가 수행되었으며, 강수 합성장 처리 단계에서는 선행 처리한 볼륨 자료를 이용하여 가장 낮은 고도에서 관측한 강수 에코를 우선 합성하여 수도권 저층 대기에 분포하고 있는 강수 정보를 산출하였다. 여름철(강우), 겨울철(강설)의 강수사례에 소형기상레이더 HSR 강수 합성장을 산출한 결과, 기존 PPI0 기반 2차원 강수 합성장에서 지형에 의한 빔차폐 및 비강수에코로 판단되어 산출하지 못한 영역의 강수 정보를 표출할 수 있었으며, 수도권 영역에서 가장 낮은 고도로 강수에코가 분포하고 있는 실황을 판단할 수 있었다. 향후에는 개별레이더의 HSR자료 사용 시 감쇠보정 등의 추가 품질관리 단계를 적용하여 2차원 강수 합성장 산출 시 정확성을 높일 계획이다.