Curve Number 및 Convolution Neural Network를 이용한 유출모형의 적용성 평가

송철민,이광현,Song, Chul Min,Lee, Kwang Hyun 응용생태공학회 2020 Ecology and resilient infrastructure Vol.7 No.2

Despite the various artificial neural networks that have been developed, most of the discharge models in previous studies have been developed using deep neural networks. This study aimed to develop a discharge model using a convolution neural network (CNN), which was used to solve classification problems. Furthermore, the applicability of CNN was evaluated. The photographs (pictures or images) for input data to CNN could not clearly show the characteristics of the study area as well as precipitation. Hence, the model employed in this study had to use numerical images. To solve the problem, the CN of NRCS was used to generate images as input data for the model. The generated images showed a good possibility of applicability as input data. Moreover, a new application of CN, which had been used only for discharge prediction, was proposed in this study. As a result of CNN training, the model was trained and generalized stably. Comparison between the actual and predicted values had an R² of 0.79, which was relatively high. The model showed good performance in terms of the Pearson correlation coefficient (0.84), the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) (0.63), and the root mean square error (24.54 ㎥/s). 본 연구는 유출모형 연구를 위해 주로 사용되었던 DNN에서 벗어나, 다양한 신경망을 이용하여 유출모형을 개발하고 모형의 적합성을 나타내고자 하였다. 이를 위해 분류문제에만 사용되었던 CNN을 활용하였는데, 본 모형의 입력자료로 일반적으로 CNN에서 사용하는 사진을 이용할 수 없으며, 연구의 특성상 유역조건 및 강우 등의 영향이 반영된 수치적(numerical) 이미지(image)를 사용해야 하는 난해점이 있다. 이를 해결하고자 NRCS의 CN을 사용하여 이미지를 생성했으며, CNN 모형의 입력자료로 충분히 활용 가능함을 나타냈다. 이에 더하여, 유출 추정을 위해서만 사용되어왔던 CN의 새로운 용도를 제시할 수 있었다. 모형의 학습 및 검정 결과, 전반적으로 안정적으로 모형의 학습 및 일반화가 이루어졌으며, 관측값과 산정값간의 관계를 나타내는 R²는 0.79로 비교적 높은 값이 나타났다. 또한, 모형의 평가결과는 Pearson 상관계수, NSE, 및 RMSE 등이 각각 0.84, 0.65 및 24.54 ㎥/s으로 나타나, 전반적으로 양호한 모형의 산정성능을 보인것으로 나타났다.

하천변 양배추 밭에서의 영양물질의 거동

송철민,김진수,장훈,Song, Chul-Min,Kim, Jin-Soo,Jang, Hoon 한국농공학회 2010 한국농공학회논문집 Vol.52 No.3

This study was conducted to investigate the dynamics of nutrients such as total nitrogen (TN), nitrate nitrogen ($NO_3$-N) total phosphorous (TP), and phosphate phosphorous ($PO_4$-P) in outflow from a cabbage farmland in a mixed land-use watershed. The TN concentrations in groundwater showed twice peaks in late July 2006 and late March 2007 (3.8, 4.7 mg/L, respectively), when it rained shortly after fertilizer application, indicating that nitrogen leaching is greatly influenced by fertilization and rainfall. The mean concentrations of TN and $NO_3$-N in surface water were not significantly higher than those in groundwater, while the mean concentrations of TP and $PO_4$-P in surface water were significantly (p < 0.05) were higher than those in groundwater. The TN concentrations in groundwater were generally higher than those in surface water during fertilization and early growing season due to the effect of fertilization, but vice versa in the other periods. In contrast, the TP concentrations in groundwater were always lower than those in surface water due to the sorption of particulate phosphorous by soil. The ratio of TN load in baseflow to that in total TN load (39 %) was much greater than the TP ratio (7 %), suggesting that baseflow contribute to nitrogen export. Therefore, proper fertilization management should be taken to reduce nitrogen load through baseflow.

밭 지하수와 하천 저층수(底層水)에서의 영양물질 거동

송철민 ( Chul Min Song ),김진수 ( Jin Soo Kim ),장훈 ( Hoon Jang ) 한국농공학회 2008 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2008 No.-

The purpose of this study was to investigate characteristics of nutrients behavior focusing on upland groundwater and near-bed flow in a rural watershed. The ratio of TN load during dry days to that during annual TN load was much greater than TP ratio, indicating that a lot of nitrogen is exported during dry days. TN concentration in upland groundwater were higher than in surface water during mid-February to late August due to effort of fertilization. TP concentration in near-bed flow was minimum value in late August due to resuspension of phosphorus associated with bed sediment. TP concentration in near-bed flow steadily increased to maximum in late February due to sustainable sediment following rainy season. The result indicated that resuspension of bed sediment as well as soil erosion cause high phosphorus export during rainy days. Therefore, appropriate application of nitrogen fertilizer and maintenance of vegetative cover during rainy season, and riparian buffer zones are needed to abate non-point source pollution.

농촌유역의 소하천에서의 지표수와 지하수의 오염물질 농도 비교

송철민 ( Song Chul Min ),김진수 ( Kim Jin Soo ),오광영 ( Oh Kwang Young ),권성일 ( Kwon Sung Ill ) 한국농공학회 2006 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2006 No.-

Pollutants were investigated for surface water, bottom sediment and groundwater in a rural watershed from April to August of 2006. The concentrations of TN and NO₃-N in ground water were higher than in surface water due to fertilization on cabbage upland neighboring a river. But the concentrations TP and PO₄-P in groundwater were lower than in surface water. The concentrations of TP and PO₄-P in surface water was lower than those in bottom sediment. But, TP concentration in the bottom sediment was highest in early June.

정향피 추출물의 혈관 이완효과 및 작용기전에 대한 연구

송철민(Chul Min Song),신선호(Sun Ho Shin),정현애(Hyun Ae Jung),이준경(Jun Kyoung Lee),조려화(Li Hua Cao),강대길(Dae Gill Kang),이호섭(Ho Sub Lee) 한의병리학회 2006 동의생리병리학회지 Vol.20 No.5

농업지역에서의 BOD 및 TP 부하량 예측을 위한 수문학적 이미지와 Convolution Neural Network의 적용성 평가

송철민 ( Chul Min Song ),김진수 ( Jin Soo Kim ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

본 연구는 오염부하량 예측을 위해 1차원 입력자료를 사용한 기존의 ANN (Artificial Neural Network) 모형에서 벗어나, 주로 분류문제 해결에 사용되어 왔던 2차원 입력자료를 사용하는 CNN (Convolution Neural Network) 모형을 이용하여 오염부하량 예측에 적용하고 모형의 성능을 평가하였다. CNN 모형의 개발을 위해서는 유역조건이나 수문학적 조건과 같은 오염부하량의 영향인자가 반영된 수치적 이미지가 요구되는데, 선행연구에서 CNN 모형의 입력자료로 사용되어 왔던 일반적인 사진자료는 오염부하량 영향인자의 특성을 나타내지 못해 사용할 수 없다. 이를 위해, 본 연구에서는 수문학적 이미지(hydrological image)를 CNN 모형의 입력자료로 활용하였다. 수문학적 이미지는 토지이용, 토양도 및 강우 현상을 반영할 수 있는 이미지로, SCS-CN 방법론을 적용한 수치적 이미지이며, 임의의 유역에 대해 2차원 공간에서 무차원의 수문학적 속성을 갖는 grid의 집합으로 정의할 수 있다. 이를 활용하여 본 연구에서는 전반적으로 안정적인 CNN 모형의 학습결과와 일반화를 이끌어낼 수 있었다. 실측값과 예측값 간의 관계를 나타내는 R2는 BOD 부하량 모형이 0.88, TP 부하량 모형이 0.75으로 나타났으며, 모형의 성능을 판단하기 위한 기준으로 Pearson 상관계수, NSE 및 RMSE를 등을 검토한 결과, BOD 부하량 모형은 0.94, 0.83 및 1,240.95kg/day로, TP 부하량 모형은 0.87, 0.79 및 80.48kg/day로 보여, 전반적으로 CNN 모형의 성능이 우수한 것으로 나타났다. 본 연구의 방법론을 통해 오염부하량 예측 분야에 CNN 모형의 사용가능성이 충분한 것으로 판단하였으며, 향후 원격탐사 또는 미계측 유역에서의 오염부하량추정 등의 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 생각된다.

지류총량관리를 위한 HSPF 모형의 적용성 분석

송철민(Chul Min Song),김정수(Jung Soo Kim),이민성(Min Sung Lee),김서준(Seo Jun Kim),신형섭(Hyung Seob Shin) 응용생태공학회 2022 Ecology and resilient infrastructure Vol.9 No.1

우리나라에서 시행중인 수질오염총량관리제도는 수계 내 모든 유역을 단위유역으로 구분하고 단일 공통 오염물질과 유량조건을 고려하여 본류 중심으로 관리하고 있다. 이러한 수질오염총량관리제도는 지역 및 단위유역의 특성 변화를 반영하지 못하며 관리수계 내 목표수질을 유지한다고 하더라도 각 단위유역에서의 수질변화 여건에 따라서 지류에서 발생되는 오염물질의 부하량 변화를 직접적으로 반영하기 어려운 실정이다. 이를 개선하기 위해서 오염도가 높은 지류의 총량관리를 위한 지류총량제도의 추가 도입이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 지류에서의 수질변화 양상이 본류에 미치는 영향을 분석하기 위해서 팔당수계 내 3개의 주요 중권역인 남한강 하류, 경안천, 북한강 유역을 대상으로 53개의 소유역으로 구축하여 유역유출모형인 HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) 모형을 적용하였다. 모의결과 BOD는 0.17 mg/L – 4.30 mg/L의 범위로 전반적으로 지류에서 높게 생성되어 하류 유역으로 갈수록 낮아졌다. T-P는 0.02 mg/L – 0.22 mg/L의 범위로 도시화 및 축산업 등의 영향이 큰 유역은 높게 나타나고 북한강 유역은 전반적으로 낮게 나타났다. 또한, 각 단위 유역별로 배출되는 오염부하량 변화에 따른 수질 변화를 분석하기 위해 오염원 저감 시나리오를 선정하였다. 시나리오별 모의결과 BOD와 T-P의 저감률은 북한강 하류유역과 경안천 중·하류 유역에서 크게 나타났다. 이는 각 소유역별 수질 개선의 노력에 따른 수질 저감의 혜택은 각 본류 하천의 중·하류에서 가장 크게 받는 것으로 나타났으며 지류총량관리를 위한 기초자료가 될 수 있다고 판단된다. The total maximum daily load (TMDL) implemented in Korea mainly manages the mainstream considering a single common pollutant and river discharge, and the river system is divided into unit watersheds. Changes in the water quality of managed rivers owing to the water quality management in tributaries and unit watersheds are not considered when implementing the TMDL. In addition, it is difficult to consider the difference in the load of pollutants generated in the tributary depending on the conditions of the water quality change in each unit watershed, even if the target water quality was maintained in the managed water system. Therefore, it is necessary to introduce the total maximum load management at tributaries to manage the pollution load of tributaries with a high degree of pollution. In this study, the HSPF model, a watershed runoff model, was applied to the target areas consisting of 53 sub-watersheds to analyze the effect of water quality changes the in tributaries on the mainstream. Sub-watersheds were selected from the three major areas of the Paldang water system, including the drainage basins of the downstream of the South Han-River, Gyeongan stream, and North Han-River. As a result, BOD ranged from 0.17 mg/L to 4.30 mg/L, and was generally high in tributaries and decreased in the downstream watershed. TP ranged from 0.02 mg/L – 0.22 mg/L, and the watersheds that had a large impact on urbanization and livestock industry were high, and the North Han-River basin was generally low. In addition, a pollution source reduction scenario was selected to analyze the change in water quality by the amount of pollution load discharged at each unit watershed. The reduction rate of BOD and TP according to the scenario changes was simulated higher in the watershed of the downstream of the North Han-River and downstream and midstream of the Gyeongan stream. It was found that the benefits of water quality reduction from each sub-watershed efforts to improve water quality are greatest in the middle and downstream of each main stream, and it is judged that it can be served as basic data for the management of total tributaries.

농촌 소유역에서의 지표수와 저질의 영양물질 농도 비교

송철민 ( Chul Min Song ),김진수 ( Jin Soo Kim ),오광영 ( Kwang Young Oh ),권성일 ( Sung Ill Kwon ),지앙지에 ( Jiang Jie ) 한국농공학회 2007 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2007 No.-

Nutrients were investigated for surface water, bottom sediment and ground water in a rural watershed from January 2006 to June 2007. The concentrations of TN and NO₃-N in ground water were higher than those in surface water due to fertilization on cabbage upland neighboring a river during March to August, but lower than those in surface water during September to February. However, the concentrations TP and PO₄-P in ground water were lower than those in surface water. The concentrations of TP and PO₄-P in surface water were lower than those in bottom sediment. The TP concentrations in the bottom sediment were low due to resuspension of bed sediment in early August shortly after rainy season. whereas TP were high in March 2007 due to sedimentation of erode of particle.

PlanetScope 위성영상을 이용한 FC-DenseNet 모델 기반 벼 재배지 탐지

송석호 ( Seokho Song ),최재완 ( Jae Wan Choi ),송철민 ( Chul Min Song ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

농작물의 생산량 변화는 농가의 소득뿐만 아니라 국가 식량 계획과 경제의 안정성에도 영향을 미친다. 따라서 농작물 생산량 예측은 중요한 요인이 된다. 작물은 밭작물과 논작물로 구분할 수 있는데, 우리나라의 밭작물은 소규모이고 다양한 작물을 재배하여 작물의 생산량을 쉽게 조절할 수 있다. 그러나 우리나라 대부분의 논에서 벼를 재배하기 때문에 생산량 조절에 어려움이 있다. 이를 위해 본 연구에서는 벼 생산량을 예측하기 위한 1차 단계로 벼의 재배지를 검출하고자 한다. 본 연구는 Planetscope 위성영상을 대상으로 FC-DenseNet을 활용하여 벼 재배지 면적을 검출하였다. 특히 벼의 생육환경변화를 고려하기 위해 다양한 기간에 촬영된 Planetscope 위성 이미지를 FC-DenseNet의 훈련 데이터로 사용하였다. 실험에서 FC-DenseNet은 단일시기 데이터 셋으로 훈련을 수행했을 때 낮은 F1-score를 나타냈으나 다중시기 데이터셋으로 훈련을 수행했을 때는 높은 F1-score를 보였다. 따라서 시기별로 다양하게 발현되는 벼와 유사한 생육환경의 작물 재배지를 탐지할 경우 단일시기 이미지 데이터셋 보다는 다중시기 이미지 데이터셋의 사용을 통해 높은 정확도의 탐지를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

농업용 저수지에서의 농업용수 잠재능 평가

김진수,이재용,이정범,송철민,박지성,Kim, Jin Soo,Lee, Jae Yong,Lee, Jeong Beom,Song, Chul Min,Park, Ji Sung 한국농공학회 2016 한국농공학회논문집 Vol.58 No.2

The new concept of agricultural water supply potential, which is mean annual turnover rate times unit storage capacity, was introduced for agricultural reservoirs. We investigated characteristics of mean annual turnover rate and unit storage capacity for agricultural reservoirs with storage capacity of over $1million\;m^3$. The curve of agricultural water supply potential represents change in mean annul turnover rate according to change in unit storage capacity. The mean annual turnover rate and unit storage capacity in the reservoirs with high minimum storage ratio are significantly higher than those in the reservoirs with low minimum storage ratio. Most of unstable water supply reservoirs showed low mean annual turnover rate or low unit storage capacity, indicating that mean annual turnover rate may be an index of stability degree for agricultural water use. The reservoirs with mean annual turnover rate of over 2 and unit storage capacity of over 0.8 m may be estimated as the stable water supply zone for 10 frequency dry year. The reservoirs with high agricultural water supply potential can belong to the wide range of stable water supply zone. The results suggest that relation between mean annual turnover rate and unit storage capacity may be used in evaluating stability degree for agricultural water supply in the reservoirs.