2000년대 기후변화를 반영한 봄철 산불발생확률모형 개발

원명수 ( Myoungsoo Won ),윤석희 ( Sukhee Yoon ),장근창 ( Keunchang Jang ) 한국농림기상학회 2016 한국농림기상학회지 Vol.18 No.4

본 연구는 기후변화에 따른 1990년대와 2000년대 봄철에 발생하는 산불의 공간적 분포가 크게 변화됨에 따라 현재 진행되고 있는 기후변화에 대응하기 위한 산불발생확률모형의 변화를 비교하고, 2000년대 이후의 산불발생확률모형을 적용함으로써 우리나라에서의 기후 변화로 인한 산불발생 변화 예측을 현실적으로 반영하기 위해 수행하였다. 본 연구에서는 전국 특정지역의 일일 산불발생위험도 예측하기 위하여 산불발생과 관련이 있는 기상요소로 규명된 습도, 기온, 풍속 등 기상정보를 이용하여 기후변화를 반영한 2000년대의 전국 9개 권역의 봄철 기상요소에 의한 일일 산불발생위험지수(daily weather index, DWI)를 개발하였다. 첫 번째로 구체적인 개발방법은 전국 9개 광역지역별로 산불발생에 영향을 주는 기상요소를 규명하여 지역별로 산불발생의 유무를 종속변수(dependent variable)로 두고 산불발생 관련 기상요소들을 독립변수(independent variable)로 하여 로지스틱 회귀모형(logistic regression model)을 적용하여 산불발생확률을 추정하였다. 1970년대 이후 우리나라의 봄철 건조계절의 평균 기후장 분석 결과, 영남지역에서 기온은 상승하고 습도와 강수량의 감소폭이 큰 것으로 나타났다. 반면 강원지역은 모든 기상요소에서 변화폭이 비교적 낮아 산불발생 환경 측면에서 다른 지역보다 안정적인 것으로 사료된다. 향후 권역별 기후변화 특성과 산불발생 경향을 비교함으로써 산불발생에 영향을 미치는 권역별 주요 기후인자를 선별을 수 있을 것으로 판단된다. 1990년대와 비교하여 2000년대의 산불의 패턴은 남북으로 분할되던 경향이 광역 대도시를 중심으로 인근 지역으로 확대되면서 백두대간을 중심으로 동서로 분할되는 경향을 보였다. 이러한 결과를 토대로 2000년대 봄철 기상에 의한 산불발생확률모형 개발을 수행하였다. 각 권역별 산불발생과 관련되는 기상요소로 경상남·북도, 전라남도 4개 권역은 최고기온, 상대습도, 실효습도, 평균풍속, 경기도와 충청남도 2개 권역은 최고기온, 상대습도, 평균풍속, 충청북도는 최고기온, 상대습도, 실효습도, 전라북도는 최고기온과 상대습도, 마지막으로 제주도는 최고기온과 평균풍속에서 95% 이상의 신뢰도에서 유의성이 있는 것으로 나타났다. 제주도를 제외한 모든 권역에서 99%의 신뢰수준에서 통계적으로 유의한 것으로 나타났으며, 표본내 예측력은 68.7∼80.7%로 나타나 모형의 적합도는 매우 높은 것으로 나타났다. 개발된 모형은 현재 운영중인 산림청국립산림과학원의 국가산불위험예보시스템에 반영하여 기후변화에 따른 2000년대의 산불발생위험을 정확히 예측하여 산불예방은 물론 진화자원의 효율적인 배치를 통해 시간과 인적·경제적 비용을 절감하고 산불피해를 최소화 할 수 있는 선택과 집중의 산불정책에 일조할 수 있을 것으로 기대한다. This study was conducted to develop a forest fire occurrence model using meteorological characteristics for practical forecasting of forest fire danger rate by reflecting the climate change for the time period of 2000yrs. Forest fire in South Korea is highly influenced by humidity, wind speed, temperature, and precipitation. To effectively forecast forest fire occurrence, we developed a forest fire danger rating model using weather factors associated with forest fire in 2000yrs. Forest fire occurrence patterns were investigated statistically to develop a forest fire danger rating index using times series weather data sets collected from 76 meteorological observation centers. The data sets were used for 11 years from 2000 to 2010. Development of the national forest fire occurrence probability model used a logistic regression analysis with forest fire occurrence data and meteorological variables. Nine probability models for individual nine provinces including Jeju Island have been developed. The results of the statistical analysis show that the logistic models (p<0.05) strongly depends on the effective and relative humidity, temperature, wind speed, and rainfall. The results of verification showed that the probability of randomly selected fires ranges from 0.687 to 0.981, which represent a relatively high accuracy of the developed model. These findings may be beneficial to the policy makers in South Korea for the prevention of forest fires.

농림위성 활용을 위한 산불 피해지 분류 딥러닝 알고리즘 평가

차성은,원명수,장근창,김경민,김원국,백승일,임중빈,Cha, Sungeun,Won, Myoungsoo,Jang, Keunchang,Kim, Kyoungmin,Kim, Wonkook,Baek, Seungil,Lim, Joongbin 대한원격탐사학회 2022 大韓遠隔探査學會誌 Vol.38 No.6

Recently, forest fires have frequently occurred due to climate change, leading to human and property damage every year. The forest fire monitoring technique using remote sensing can obtain quick and large-scale information of fire-damaged areas. In this study, the Gangneung and Donghae forest fires that occurred in March 2022 were analyzed using the spectral band of Sentinel-2, the normalized difference vegetation index (NDVI), and the normalized difference water index (NDWI) to classify the affected areas of forest fires. The U-net based convolutional neural networks (CNNs) model was simulated for the fire-damaged areas. The accuracy of forest fire classification in Donghae and Gangneung classification was high at 97.3% (f₁=0.486, IoU=0.946). The same model used in Donghae and Gangneung was applied to Uljin and Samcheok areas to get rid of the possibility of overfitting often happen in machine learning. As a result, the portion of overlap with the forest fire damage area reported by the National Institute of Forest Science (NIFoS) was 74.4%, confirming a high level of accuracy even considering the uncertainty of the model. This study suggests that it is possible to quantitatively evaluate the classification of forest fire-damaged area using a spectral band and indices similar to that of the Compact Advanced Satellite 500 (CAS500-4) in the Sentinel-2.

최적의 산악기상관측망 적정위치 선정 연구 - 호남·제주 권역을 대상으로

윤석희 ( Sukhee Yoon ),원명수 ( Myoungsoo Won ),장근창 ( Keunchang Jang ) 한국농림기상학회 2016 한국농림기상학회지 Vol.18 No.4

본 연구는 매년 발생하고 있는 산불, 산사태 등의 산림재해방지를 위해 호남과 제주의 산악지역을 대상으로 최적의 산악기상관측망 입지를 선정하는 연구를 수행하였다. 먼저 적정위치 선정을 위해 고려해야 하는 항목들을 공간자료화한 후 공간 분석을 통해서 후보지를 선정하고 현장 조사를 통해 정량적 평가를 수행함으로써 최종적인 적정위치를 선정하였다. 공간자료는 과거 10년간의 산불발생 정보와 과거 7년간의 산사태위험등급 정보, 산림청의 국사경계도, 국유지의 임도와 등산로 그리고 기상청의 자동기상관측소(AWS)와 산림청의 산악기상관측소 위치정보, 30m 해상도의 수치표고모델(DEM)을 사용하였다. 공간분석은 산불과 산사태의 1-2등급의 위험지에 대한 추출 및 중첩 분석, 산림청 국유지 내에 100m 버퍼를 준 임도와 등산로의 접근성 분석, 기상관측소의 2.5km 버퍼를 준 중복성 분석, 산악기상관측 입지환경 조성을 위한 고도 200m 이상의 지형특성 분석을 통해 종합적인 중첩분석을 수행하였다. 공간분석 결과, 총 159개의 중첩 폴리곤이 추출되었고 구글어스 등을 활용하여 능선과 정상부에 총 64개의 적정위치 후보지를 선정하였다. 선정된 후보지는 기상관측환경, 접근성, 통신 및 전력공급 환경, 기상관측소의 중복성에 대한 정량적인 현장 평가를 통해서 총점이 70점 이상인 지점을 `적합`으로 판정하여 고득점 순으로 산악기상관측망의 적정위치 26개소를 선정하였다. 따라서 적정위치 선정 기법에 의해 구축된 산악기상관측망의 기상정보는 향후 산불, 산사태 등과 같은 산림재해위험 예측력의 향상과 산림 복잡 지형에 대한 미기상 연구에 활용이 가능할 것으로 판단된다. Automatic Mountain Meteorology Observation System (AMOS) is an important ingredient for several climatological and forest disaster prediction studies. In this study, we select the optimal sites for AMOS in the mountain areas of Honam and Jeju in order to prevent forest disasters such as forest fires and landslides. So, this study used spatial dataset such as national forest map, forest roads, hiking trails and 30m DEM(Digital Elevation Model) as well as forest risk map(forest fire and landslide), national AWS information to extract optimal site selection of AMOS. Technical methods for optimal site selection of the AMOS was the firstly used multifractal model, IDW interpolation, spatial redundancy for 2.5km AWS buffering analysis, and 200m buffering analysis by using ArcGIS. Secondly, optimal sites selected by spatial analysis were estimated site accessibility, observatory environment of solar power and wireless communication through field survey. The threshold score for the final selection of the sites have to be higher than 70 points in the field assessment. In the result, a total of 159 polygons in national forest map were extracted by the spatial analysis and a total of 64 secondary candidate sites were selected for the ridge and the top of the area using Google Earth. Finally, a total of 26 optimal sites were selected by quantitative assessment based on field survey. Our selection criteria will serve for the establishment of the AMOS network for the best observations of weather conditions in the national forests. The effective observation network may enhance the mountain weather observations, which leads to accurate prediction of forest disasters.

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_air 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_air) 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_air. However, the several problems such as frequent cloud cover and mountainous region can result in substantial retrieval error and signal loss in MODIS T_air. In this study, satellite-based T_air 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_b) 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_air and AMSR2 T_b was applied to estimate surface T_air for all sky conditions. The T_airretrievals showed favorable agreement in comparison with AMOS data (r=0.80, RMSE=7.9K), though the underestimation was appeared in winter season. Substantial T_air 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_air at the complex mountainous region for all sky conditions.

음영기복 알고리즘을 활용한 한반도 촬영 위성영상에서의 지형그림자 탐지

김형규,임중빈,김경민,원명수,김태정,Hyeong-Gyu Kim,Joongbin Lim,Kyoung-Min Kim,Myoungsoo Won,Taejung Kim 대한원격탐사학회 2023 大韓遠隔探査學會誌 Vol.39 No.5

In recent years, the number of users has been increasing with the rapid development of earth observation satellites. In response, the Committee on Earth Observation Satellites (CEOS) has been striving to provide user-friendly satellite images by introducing the concept of Analysis Ready Data (ARD) and defining its requirements as CEOS ARD for Land (CARD4L). In ARD, a mask called an Unusable Data Mask (UDM), identifying unnecessary pixels for land analysis, should be provided with a satellite image. UDMs include clouds, cloud shadows, terrain shadows, etc. Terrain shadows are generated in mountainous terrain with large terrain relief, and these areas cause errors in analysis due to their low radiation intensity. previous research on terrain shadow detection focused on detecting terrain shadow pixels to correct terrain shadows. However, this should be replaced by the terrain correction method. Therefore, there is a need to expand the purpose of terrain shadow detection. In this study, to utilize CAS500-4 for forest and agriculture analysis, we extended the scope of the terrain shadow detection to shaded areas. This paper aims to analyze the potential for terrain shadow detection to make a terrain shadow mask for South and North Korea. To detect terrain shadows, we used a Hill-shade algorithm that utilizes the position of the sun and a surface's derivatives, such as slope and aspect. Using RapidEye images with a spatial resolution of 5 meters and Sentinel-2 images with a spatial resolution of 10 meters over the Korean Peninsula, the optimal threshold for shadow determination was confirmed by comparing them with the ground truth. The optimal threshold was used to perform terrain shadow detection, and the results were analyzed. As a qualitative result, it was confirmed that the shape was similar to the ground truth as a whole. In addition, it was confirmed that most of the F1 scores were between 0.8 and 0.94 for all images tested. Based on the results of this study, it was confirmed that automatic terrain shadow detection was well performed throughout the Korean Peninsula.

농림위성 산림분야 식생지수 검보정 사이트 설계

임중빈 ( Joongbin Lim ),차성은 ( Sungeun Cha ),원명수 ( Myoungsoo Won ),김준 ( Joon Kim ),박주한 ( Juhan Park ),류영렬 ( Youngryel Ryu ),이우균 ( Woo-kyun Lee ) 대한원격탐사학회 2022 大韓遠隔探査學會誌 Vol.38 No.3

우리나라 산림의 효율적인 관리와 산림 모니터링을 위해 산림청은 농림위성을 개발 중이며 2025년 발사 예정이다. 농림위성을 효율적으로 활용하기 위해 산림청 국립산림과학원은 36종의 농림위성 산림분야 활용산출물 개발을 진행 중이다. 원격탐사 기법을 활용하여 도출된 산출물들은 지상검증이 요구되며 해당 산출물들에 대한 품질 모니터링 결과를 지속적으로 보고해야 한다. 국내 최초로 산림분야 활용 위성이 개발되는 상황이라 국내에는 공식적인 산림분야 활용 산출물 검보정 사이트가 부재하다. 이에 저자들은 국제기준에 맞춰 농림위성 산림분야 활용산출물 검보정을 위한 검보정 사이트를 설계하였다. 또한 전국적으로 검보정 사이트를 설치하기 위해 적정 센서를 선택하여 해당 센서의 활용 가능성을 평가하였다. 평가 결과 지상 관측데이터와 Sentinel-2 영상과의 산림 산출물에 대한 오차가 ±5% 이내로 관측되어 해당 센서를 활용하여 전국적으로 확장이 가능함을 확인하였다. The Compact Advanced Satellite 500-4 (CAS500-4) is under development to efficiently manage and monitor forests in Korea and is scheduled to launch in 2025. The National Institute of Forest Science is developing 36 types of forestry applications to utilize the CAS500-4 efficiently. The products derived using the remote sensing method require validation with ground reference data, and the quality monitoring results for the products must be continuously reported. Due to it being the first time developing the national forestry satellite, there is no official calibration and validation site for forestry products in Korea. Accordingly, the author designed a calibration and validation site for the forestry products following international standards. In addition, to install calibration and validation sites nationwide, the authors selected appropriate sensors and evaluated the applicability of the sensors. As a result, the difference between the ground observation data and the Sentinel-2 image was observed to be within ±5%, confirming that the sensor could be used for nationwide expansion.

MODIS와 ASOS 자료를 이용한 식물계절 모델링

김근아,윤유정,강종구,최소연,박강현,천정화,장근창,원명수,이양원,Kim, Geunah,Youn, Youjeong,Kang, Jonggu,Choi, Soyeon,Park, Ganghyun,Chun, Junghwa,Jang, Keunchang,Won, Myoungsoo,Lee, Yangwon 대한원격탐사학회 2022 大韓遠隔探査學會誌 Vol.38 No.5

최근 지구 온난화로 인한 기후 변화와 관련된 문제의 심각성이 커지고 있으며 평균 기온 또한 상승하고 있다. 이로 인해 온도에 민감한 다양한 생물과 생물이 살아가는 환경에 영향을 미치고 있으며, 생태계의 변화 역시 감지되고 있다. 계절은 그 지역에 사는 생물의 종류, 분포, 생육 특성 등에 영향을 미치는 중요한 요인의 하나이다. 기후 변화 영향 평가의 지표 중 가장 대중적이고 쉽게 인식될 수 있는 식물 계절 중 개화일과 단풍나무 절정일의 모델링을 수행하였다. 모델링에 사용된 식물의 종류에는 봄을 대표하는 식물로 볼 수 있는 개나리와 벚나무, 가을을 대표하는 식물로 볼 수 있는 단풍 나무와 은행 나무를 사용하였다. 모델링을 수행할 때 사용된 기상 자료로는 기상청의 Automated Surface Observing System (ASOS) 관측소를 통해서 관측된 기온, 강수, 일사 자료를 사용하였으며, 개나리, 벚나무의 개화일과 약 -0.2, 은행나무, 단풍나무의 단풍 절정일과 약 0.3 정도의 상관 계수를 가지는 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 식생지수를 사용하여 모델링을 수행하였다. 사용된 모델로는 선형 모델인 다중 회귀 모형과, 비선형 모델인 Random Forest (RF)를 사용하여 모델을 수립하였다. 또한 각 모형으로 추정된 예측 값을 공간 내삽 기법을 이용하여 등치 선도로 2003~2020년의 식물 계절 변화 경향 성을 표현하였다. 향후에 높은 시공간 해상도를 가지는 식생지수를 사용한다면 더 높은 식물 계절 모델링의 정확도를 높일 수 있을 것으로 판단된다. Recently, the seriousness of climate change-related problems caused by global warming is growing, and the average temperature is also rising. As a result, it is affecting the environment in which various temperature-sensitive creatures and creatures live, and changes in the ecosystem are also being detected. Seasons are one of the important factors influencing the types, distribution, and growth characteristics of creatures living in the area. Among the most popular and easily recognized plant seasonal phenomena among the indicators of the climate change impact evaluation, the blooming day of flower and the peak day of autumn leaves were modeled. The types of plants used in the modeling were forsythia and cherry trees, which can be seen as representative plants of spring, and maple and ginkgo, which can be seen as representative plants of autumn. Weather data used to perform modeling were temperature, precipitation, and solar radiation observed through the ASOS Observatory of the Korea Meteorological Administration. As satellite data, MODIS NDVI was used for modeling, and it has a correlation coefficient of about -0.2 for the flowering date and 0.3 for the autumn leaves peak date. As the model used, the model was established using multiple regression models, which are linear models, and Random Forest, which are nonlinear models. In addition, the predicted values estimated by each model were expressed as isopleth maps using spatial interpolation techniques to express the trend of plant seasonal changes from 2003 to 2020. It is believed that using NDVI with high spatio-temporal resolution in the future will increase the accuracy of plant phenology modeling.

서울의 강우와 강설 일수 자료에 나타난 17세기 말엽의 건조기

임규호(Gyu-Ho Lim),최은호(Eun-Ho Choi),구교상(Kyosang Koo),원명수(Myoungsoo Won) 한국기상학회 2012 대기 Vol.22 No.3

A Study on the Displacement-Load Characteristic in Geosynthetics-Reinforced Soil Slope with and without Wrapping Facing Using Numerical Analysis

Gao, YuCong(가오유총),Ri, Zhang(리장),Kwak, JiHwi(곽지휘),Won, MyoungSoo(원명수) 한국지반신소재학회 2017 한국토목섬유학회 학술발표회 Vol.2017 No.4

산림 미기상 해석을 위한 최적모델 개발

이석준 ( Sukjun Lee ),최용한 ( Yonghan Choi ),정재희 ( Jeahee Jung ),원명수 ( Myoungsoo Won ),임규호 ( Gyu Ho Lim ) 한국농림기상학회 2015 한국농림기상학회지 Vol.17 No.2

지구 온난화와 연관된 기후 변화는 악기상 현상의 발생 빈도 및 강도를 증가시킨다. 따라서 산불, 산사태 등 산림 재해의 예방 및 대응을 위한 정밀한 산림미기상 예측 시스템의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 2013년 3월 봉화와 강릉에서 발생한 산불을 WRF와, 3D-var로 모의 하였다. WRF에서 나온 Output 자료를 이용하여 MUKLIMO 모형을 기반으로 산림 미기상 해석 및 모의를 위한 예측 시스템의 구축과 최적화를 이루었다. 이를 위해 3차원 변분 자료 동화 방법을 사용하여 기상청 AWS 관측 자료를 동화하였고, WRF의 예보에 MUKLIMO 모형을 결합하여 100m의 고해상도 바람장을 산출하였다. 자료동화를 수행하지 않은 CNTL 실험에 비해 자료 동화를 수행한 KMA 혹은 KMA_KFRI실험의 모의 결과가 관측과 가까워짐을 확인하였다. MUKLIMO에서 산출된 바람장 자료를 이용하여 보다 정확한 산림 미기상 예측 시스템을 구축할 수 있었다. The extreme weather conditions become frequent and severe with global warming. To prevent and cope forest disaster like a forest fire, we need an accurate micrometeorological prediction system for mountainous regions. This study addressed the forest fires occurred at Bonghwa and Gangneung in March, 2013. We constructed and optimized the prediction system that were required to interpret and simulate the forest micrometeorology. At first, we examined WRF physical sensitivity. Subsequently, KMA AWS observation data were assimilated using three-dimensional variation data assimilation method. The effectiveness of the assimilation was examined by using AWS observations enhanced with the Forest Research Institute observations. Finally, The 100 meters spatial resolution wind data were obtained by using the MUKLIMO for the given wind vector from WRF.