KR101291980B1 - 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법 - Google Patents

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박홍목
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Abstract

본 발명은 기상레이더 반사도 자료의 품질인자들 각각에 대한 오차를 정량화하여 개별품질지수화하고, 이를 이용해 통합품질지수를 산출할 수 있는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 관한 것이다.

Description

기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법{Method for making total quality index for radar reflectivity measurement}
본 발명은 관측자료에 대한 품질관리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기상레이더 반사도 자료의 품질인자(quality factor)들 각각에 대한 오차를 정량화하여 개별품질지수화하고, 이를 이용해 통합품질지수를 산출할 수 있는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 관한 것이다.
기상레이더는 넓은 영역에 대해 높은 시, 공간 분해능의 관측자료를 제공하는 원격탐사 장비로, 기상학, 수문학, 항공기상 등의 다양한 영역에서 활용성이 매우 높다. 특히, 기상레이더 관측변수들 중 반사도 자료는 기상레이더 초창기부터 산출된 가장 기본적인 관측변수로 정량적 강우추정에서부터 실황예측까지 활용분야가 가장 넓다.
그러나, 레이더 반사도는 레이더 시스템 오차, 지형에코, 비정상전파(Anomalous Propagation, AP)에코, 빔 차폐, 강수입자에 의한 감쇠, 젖은 레이돔에 의한 감쇠, 강수입자의 유전율 변화, 반사도 연직 구조의 변화, 우적크기분포(Drop Size Distribution, DSD)의 시, 공간 변동, 거리에 따른 빔 폭의 증가로 인한 비균질한 빔채움(beam filling)효과, 전파간섭 등의 영향을 받는다.
레이더 자료의 품질과 관련된 기존 연구들은 품질인자(예를 들어, 지형에코, AP, 차폐, 시선속도 접힘 등)에 대한 특성산출보다 품질관리에 초점을 두고 있다. 이러한 품질관리과정은 관측변수(반사도, 시선속도) 보다는 개별 품질인자를 탐지하고 보정 혹은 제거하는 기법개발에 집중하고 있다.
예를 들면, 반사도 자료는 지형에코, AP, 차폐, 감쇠 등의 다양한 품질인자들에 의해 복합적으로 오염된다. 그러나 개발된 대부분의 반사도 품질관리 기법들은 반사도와 관련된 품질인자들에 대한 통합적인 고려보다는 개별 품질인자를 기준으로 개별적으로 개발되었다.
따라서, 레이더 자료의 활용성을 증대시키기 위해서는 관측변수 중심의 통합품질관리 기법을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 레이더 관측변수 중 레이더 반사도 자료의 품질에 영향을 미치는 품질인자들 중 주요 품질인자로 4가지를 선택하고, 4가지 품질인자에 대한 품질지수를 각각 생성하고, 생성된 4가지 품질지수를 이용해 통합품질지수를 생성할 수 있는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 여기서, 4가지 품질인자로는 지형에코 및 AP로 인한 오염, 빔 차폐에 의한 오차, 감쇠에 의한 오차, 샘플링 수에 따른 오차를 포함한다.
상술한 목적을 이루기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 관측된 레이더 반사도 자료에 대한 지형에코 및 비정상전파에코, 빔 차폐, 감쇠 및 샘플링 수 각각에 의한 오차를 정량화하여 퍼지품질지수, 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수를 각각 산출하는 개별품질지수 산출단계; 및 산출된 개별품질지수 중 빔 차폐품질지수 및 감쇠품질지수가 설정된 임계치 이상인 경우, 산출된 개별품질지수에 가중치를 곱한 후 합산하여 통합품질지수를 산출하는 통합품질지수 산출단계;를 포함하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 포함한다.
본 발명에 따르면, 레이더 반사도 자료에 영향을 미치는 각 품질인자를 정량화하고 지수화하여 개별품질지수를 생성하고, 생성된 개별품질지수 간 상호의존성 및 가중치를 고려하여 통합품질지수를 생성함으로써, 레이더 반사도의 활용 목적(예를 들어, 강우량 추정, 실황예보, 자료동화 등)에 부합하는 반사도 자료를 선택할 수 있어 그 활용성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 빔 차폐품질지수 산출 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 감쇠품질지수 산출 과정을 설명하기 위한 강우감쇠 개념도이다.
도 4는 도 1에 도시된 샘플링오차 품질지수 산출 과정을 설명하기 위한 표준편차 함수 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 구체적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 퍼지품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 빔 차폐품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이다.
도 8은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 감쇠품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이다.
도 9는 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 샘플링오차품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이다.
도 10은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 통합품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 그리고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 2는 도 1에 도시된 빔 차폐품질지수 산출 과정을 설명하기 위한 예시도로, 2a는 가우시안 레이더 빔 패턴을 나타낸 그래프, 2b는 표준대기의 굴절률에 따른 레이더 빔의 진행과 빔 차폐를 나타낸 예시도, 2c는 차폐 모의에 따른 개략적인 차폐 개념도이며, 도 3은 도 1에 도시된 감쇠품질지수 산출 과정을 설명하기 위한 강우감쇠 개념도이며, 도 4는 도 1에 도시된 샘플링오차품질지수 산출 과정을 설명하기 위한 표준편차 함수 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 통합품질지수 생성 방법은 크게 두 부분으로 이루어지는데, 기상레이더 반사도 자료에 영향을 미치는 4가지 품질인자에 대한 품질지수를 각각 생성하는 개별품질지수 산출 과정(S100)과, 산출된 개별품지지수들을 통합하여 통합품질지수를 산출하는 통합품질지수 산출 과정(S200)을 포함한다. 여기서, 4가지 품질인자로는 지형에코 및 비정상전파(AP)에코로 인한 오차, 빔 차폐(예를 들어, 지형차폐)에 의한 오차, 감쇠(예를 들어, 강우감쇠)에 의한 오차, 샘플링 수에 따른 오차를 포함할 수 있다.
먼저, 개별품질지수 산출 과정(S100)은, 레이더 반사도의 품질인자들 중 지형에코와 비정상전파(AP)에코, 지형차폐, 강우감쇠 및 샘플링 수와 관련된 오차를 정량화하여 개별 지수화하는 것으로, 지형에코 및 비정상전파에코와 관련된 오차를 정량화하는 퍼지품질지수 산출 과정(S110) 및 지형차폐와 관련된 오차를 정량화하는 빔 차폐품질지수 산출 과정, 강우감쇠와 관련된 오차를 정량화하는 감쇠품질지수 산출 과정 및 샘플링수와 관련된 오차를 정량화하는 샘플링오차품질지수 산출 과정(S120)으로 이루어진다. 여기서, 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수 각각의 산출 과정(S120)은 S110 단계에서 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계값 이상일 경우에 수행될 수 있다. 즉, 산출된 퍼지품질지수가 임계값 미만인 경우는 그 영역이 지형에코 및 비정상전파에코에 해당하므로 다른 품질지수를 산출할 필요 없이 해당 영역의 반사도 값을 제거한다. 또한, 산출된 퍼지품질지수가 임계값 미만인 경우, 해당 영역에 대한 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수가 지형에코 및 비정상전파에코에 의해 비정상적인 값으로 산출되어 통합품질지수 산출시 오류가 발생하게 된다. 따라서, 산출된 퍼지품질지수가 임계값 이상인 경우에 한해 다른 품질지수를 산출하여 통합품질지수를 산출하도록 한다.
구체적으로 각 품질지수 산출 과정에 대해 설명하면, 퍼지품질지수(Fuzzy logic quality index. QFZ) 산출 과정(S110)은, 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘을 통해 퍼지품질지수를 산출한다. 여기서, 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘에 따르면 지형에코 및 비기상에코를 탐지하여 제거할 뿐만 아니라 각 격자점의 지형에코 및 비기상 에코의 오염 가능성을 제공할 수 있다.
참고로, 반사도 자료에 대한 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘은 공지된 기술로, 레이더 반사도 자료로부터 특성변수들을 추출하고, 추출한 특성변수들의 표준편차를 도출한 후 도출한 표준편차를 이용해 소속함수 및 가중치를 구한다. 그런 다음, 특성변수들 각각의 소속함수(membership function) 및 가중치를 이용해 총 소속값(total membership value, MVtotal)을 아래 수학식 1을 통해 구한다.
Figure 112012106058120-pat00001
여기서, MVtotal은 총 소속값을, MV는 특성변수의 소속값을, W는 특성변수의 가중치를 각각 나타낸다.
구한 총 소속값(MVtotal)은 0.0 ~ 1.0 범위의 값을 가지며, 레이더의 각 격자점이 지형에코와 비정상전파(AP)에코에 의해 오염되었을 가능성을 나타낸다. 다시 말해, 총 소속값(MVtotal)이 0.0이면 완전한 기상에코일 확률이 100% 이며, 총 소속값이 1.0이면 지형에코와 비정상전파(AP)에코일 확률이 100%임을 의미한다.
따라서, 퍼지품질지수(QFZ)는 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘을 통해 산출된 총 소속값에 의해 결정되며, 하기 수학식 2에 의해 산출된다.
Figure 112012106058120-pat00002
따라서 수학식 2에 따르면, 퍼지품질지수(QFZ)가 1.0이면 지형에코 및 비정상전파(AP)에코에 오염되지 않은 기상에코임을 의미한다. 즉, 퍼지품질지수(QFZ)가 1.0에 가까울수록 기상에코일 확률이 높음을 의미한다.
한편, 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수를 각각 산출하는 과정은, 퍼지품질지수 산출 과정(S110)에서 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치와 비교하여 임계치 이상일 경우에 진행된다.
먼저, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 빔 차폐품질지수(Beam Blockage index, QBK) 산출 과정(S120)은, 차폐 모의 결과를 이용하여 빔 차폐품질지수(QBK)를 산출한다.
이를 위해, 본 실시예에서는, 차폐 모의를 위해 "Consultative Group on INternational Agricultural Research-Consortium for Spatial Information(CGIAR-CSI)의 수평분해능 3"의 수치고도모형자료(digital elevation model, DEM)를 사용하였으며, 실제에 가까운 레이더 빔의 진행을 모의하기 위해 기상레이더의 실제 빔 패턴(beam pattern)과 가장 가까운 가우시안 형태(gaussian shape)로 에너지를 집중시켜 레이더파를 송수신하는 빔 패턴(e.g. Bellon et al., 2006)을 가정하였으며, 하기 수학식 3을 이용하여 가우시안 빔 패턴을 계산할 수 있다.
Figure 112012106058120-pat00003
여기서, g(θ)는 빔 중심으로부터의 각거리(θ)에 따른 레이더 송수신 신호의 강도, g0는 빔 중심에서의 레이더 신호의 강도, θ는 레이더 빔 폭(°), σ는 가우시안 분포의 표준편차로 θ/2.354이다.
수학식 3에 따르면, 가우시안 빔 패턴은 도 2a에 도시된 바와 같이, 빔의 중심에 레이더파의 에너지가 집중되고 빔 중심으로부터 멀어질수록 가우시안 형태로 급격하게 에너지가 줄어드는 형태를 띤다.
또한, 본 실시예에서는, 대기 중 빔의 진행(propagation)은 표준대기(Standard Atmosphere)에서의 레이더 빔 진행(Doviak and Zrinc, 1993, Kucera et al., 2004; Jung et al., 2007)을 가정하였으며 레이더로부터 거리에 따른 빔의 고도(h)는 하기 수학식 4와 같이 계산된다.
Figure 112012106058120-pat00004
여기서, kea는 표준대기에서의 전자기파의 굴절률을 고려한 지구유효반경(km)으로 8494.678km를 사용하였으며, r은 레이더 빔의 시선방향에 따른 거리(km), θe는 레이더의 관측고도각(°), hradar는 레이더 안테나의 고도(km)를 각각 나타낸다.
수학식 4에 의해 구해진 레이더 빔의 고도를 이용해 표준대기의 굴절율에 따른 레이더 빔의 진행과 빔 차폐를 도 2b와 같이 구할 수 있으며, 도 2b에 도시된 바와 같이, 검은색 영역은 수치고도모형의 지형자료이며 회색영역은 빔폭을 고려한 레이더 빔의 진행을 나타낸 것으로, X로 표시된 부분은 지형에 의한 차폐가 발생하지 않으나, Y로 표시된 부분은 지형에 의해 일부 빔 차폐가 발생하고 있음을 알 수 있다.
이에, 도 2c의 개략적인 차폐 개념도를 참고하여 빔 차폐품질지수(QBK) 산출 과정을 설명하면, 모의된 빔 차폐 정도(Fshield)는 지형에 의해 차폐되는 정도에 따라 A, B, C와 같이 산출되며, A는 빔 차폐가 발생되지 않은 영역을, B는 일부 빔 차폐가 발생된 영역을, C는 완전하게 빔 차폐가 발생된 영역을 나타낸다. 즉, 레이더 빔 폭에 대한 차폐된 영역의 백분율 값은 0.0 내지 1.0 범위를 가진다.
이러한 빔 차폐 정도(Fshield)가 0.0의 값이면 0% 차폐이며, 1.0의 값이면 100% 완전 차폐를 의미한다.
따라서, 빔 차폐품질지수(QBK)는 도 2와 같이 차폐 모의 결과를 통해 산출된 빔 차폐 정도(Fshield)에 의해 결정되며, 하기 수학식 5를 통해 산출된다.
Figure 112012106058120-pat00005
즉, 빔 차폐품질지수(QBK)가 0.0이면 100% 완전차폐를, 1.0이면 0% 차폐를 의미한다.
한편, 감쇠품질지수(QAT) 산출 과정(S120)은, 강수 입자에 의한 레이더 파의 감쇠를 정량화하는 것에 의해 감쇠품질지수(QAT)를 산출한다.
이를 위해, 본 실시예에서는, 기체와 레이돔에 의한 감쇠는 고려하지 않으며, 2011년 3월부터 9월까지 부산에서 관측한 DSD자료로부터 산출된 C, S 밴드에 대한 반사도-감쇠(Z-A) 관계식을 이용하며(Park and Lee, 2010), C, S 밴드에 대한 반사도-감쇠(Z-A) 관계식은 하기 수학식 6과 같다.
Figure 112012106058120-pat00006
Figure 112012106058120-pat00007
여기서, AS, AC는 각각 S 밴드 및 C 밴드의 감쇠를 나타내며, Z는 반사도 인자[mm6 m-3]이다.
즉, 도 3을 참조하면, 각 레이더 격자점의 반사도 자료에 수학식 6을 적용하여 각 격자점 마다 차폐된 반사도(A)를 산출한다.
이때, 감쇠는 레이더 빔의 진행방향에 따른 경로(시선방향)를 따라 누적되므로 각 격자점에서 실제 감쇠된 반사도는 레이더에서부터 해당 격자점까지의 레이더 시선방향의 경로를 따라 누적된 A값(Atotal)으로 주어지며, 레이더에서부터 해당 격자점까지의 Atotal값을 더해줌으로써 해당 격자점의 원래 반사도 값으로 복원할 수 있다. 여기서, 감쇠는 송신과 수신시 모두에서 발생하므로, 각 레이더 빔에서의 총 감쇠(Atotal)는 하기 수학식 7에 의해 산출된다.
Figure 112012106058120-pat00008
여기서, A는 S 또는 C 밴드 각각의 감쇠를, r은 경로에 따른 거리를 각각 나타낸다.
이때, 레이더 빔의 경로에 따라 누적된 감쇠는 레이더 반사도 자료의 품질의 영향을 많이 받으므로 고성능의 지형에코 및 비정상전파(AP)에코 제거 알고리즘이 선행되어야 한다. 따라서, 본 발명에서는, 퍼지 알고리즘에서 지형에코나 비정상전파(AP)에코로 간주된 영역에 대해서는 감쇠 산출 과정을 적용하지 않는다.
따라서, 감쇠품질지수(QAT)는 레이더 빔의 경로에 따라 계산된 총 감쇠(Atotal)를 이용하여 하기 수학식 8에 의해 산출된다.
Figure 112012106058120-pat00009
수학식 8에 따르면, 총 감쇠가 0dB이면 감쇠품질지수는 1.0이 되며 총 감쇠가 증가함에 따라 감쇠품질지수는 0.0에 가까워짐을 알 수 있다.
한편, 샘플링오차품질지수(Sampling Error index, QSE) 산출 과정(S120)은, 제한된 샘플링으로 인한 오차를 지수화하는 과정으로, 본 실시예에서는, 샘플링수에 따른 관측오차의 변동성 분석 결과(Kwon et al., 2012)를 이용하여 샘플링오차품질지수를 산출한다.
구체적으로, 도 4를 참조하면, 각 관측변수의 평균에 대한 변동 분포를 샘플링수에 따라 표준편차로 나타낸 결과, 샘플링수가 증가할수록 불확실성이 감소함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 최소자승법을 이용하여 지수함수 형태의 샘플링-표준편차의 관계식을 하기 수학식 9와 같이 산출한다.
Figure 112012106058120-pat00010
최종적으로 샘플링오차품질지수는, 산출된 샘플링수-표준편차 관계식을 이용하여 수학식 10에 의해 산출된다.
Figure 112012106058120-pat00011
이와 같이, 퍼지품질지수, 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수를 포함하는 개별품질지수들은 모두 0.0 내지 1.0의 동일한 범위의 값을 갖도록 지수화된다. 하지만, 개별품질지수 각각의 특성은 동일하지 않은데, 예를 들면, 퍼지품질지수는 각 레이더 격자점이 지형에코와 AP에 오염되었을 가능성을 나타내는 지수로 정성적이며, 레이더 반사도의 시간 변동성으로 인해 매 볼륨관측마다 다시 계산해야 한다. 또 다른 예를 들면, 샘플링오차품질지수는 레이더 반사도의 시, 공간 변동성과 무관하게 오직 샘플링수에 의한 불확실성을 나타내는 지수로 정량적이며, 샘플링수가 동일하면 모든 격자점에서 그 값이 동일하다. 따라서, 본 발명에서는, 개별품질지수들의 특성에 따라 분류할 필요가 있다.
다음으로, 통합품질지수 산출 과정(S200)은, 시간 변동성, 공간 변동성 및 정량적 특성에 따라 개별품질지수를 분류하고, 분류된 개별품질지수의 특성에 따라 통합품질지수를 산출하는 것으로 이루어진다.
먼저, 개별품질지수를 분류하는 과정에 따르면, 개별품질지수들을 크게 시간 변동성, 공간 변동성 및 정량적 특성에 따라 분류할 수 있다. 그리고, 시간 변동성은 정적지수(static index)와 동적지수(dynamic index)로 구분할 수 있으며, 정적지수는 레이더 반사도의 시간 변동성과 무관하여 매 볼륨관측마다 계산할 필요가 없는 품질지수이고, 동적지수는 시간에 따라 변하므로 매 볼륨관측마다 산출해야 하는 품질지수이다. 예를 들면, 정적지수로는 샘플링오차품질지수, 빔 차폐품질지수가 있으며, 동적지수로는 감쇠품질지수, 퍼지품질지수가 해당한다. 그리고, 공간 변동성은 전역지수(global index)와 지역지수(local index)로 구분할 수 있으며, 전역지수는 전체 영역에 대해 동일하게 적용되는 품질지수이고, 지역지수는 각 격자점별로 각각 산출해야 하는 품질지수이다. 예를 들면, 전역지수로는 샘플링오차품질지수가 있으며, 지역지수로는 차폐품질지수, 감쇠품질지수, 퍼지품질지수가 해당한다. 그리고, 정량적 특성에 따르면 정성적 지수(qualitative index)와 정량적 지수(quantitative index)로 구분할 수 있으며, 정성적 지수는 가능성이나 기회와 같은 정성적인 특성을 나타내는 품질지수이고 정량적 지수는 불확실도, 오차 등과 같이 정량적 값으로부터 유도되는 품질지수이다. 예를 들면, 정성적 지수로는 퍼지품질지수가 있으며, 정량적 지수로는 차폐품질지수, 감쇠품질지수, 샘플링오차품질지수가 해당된다.
이와 같이 개별품질지수를 그 특성에 따라 분류하면 표 1과 같다.
정적 동적
전역 지역 전역 지역
정량적 샘플링수 빔차폐 - 감쇠
정성적 - - - 퍼지품질지수
그런 다음, 개별품질지수들을 통합하여 통합품질지수(Unified index, QUF)를 생성한다. 이때, 퍼지품질지수는 통합품질지수 산출시 문턱값으로 사용되며, 통합품질지수는 하기 수학식 11에 의해 산출된다.
Figure 112012106058120-pat00012
여기서, (
Figure 112012106058120-pat00013
)는 구면좌표계상의 임의의 지점을, qi는 각 품질지수를,
Figure 112012106058120-pat00014
는 각 품질지수의 해당 임계치를, wi는 각 품질지수별 사전 결정된 가중치를, n은 개별품질지수의 개수를 각각 나타낸다. 이때, 품질지수, 품질지수 임계치 및 가중치는 모두 0.0 내지 1.0 사이의 값을 가진다.
수학식 11에 따르면, 통합품질지수(QUF)는 구면좌표계상에서 각 지점(
Figure 112012106058120-pat00015
)에 대한 각 품질지수(qi)가 해당 임계치(
Figure 112012106058120-pat00016
)이상이면 각 품질지수별 사전 결정된 가중치를 곱한 후 모두 합산하는 것에 의해 산출된다.
도 5는 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법을 구체적으로 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명에 따른 통합품질지수 생성 방법은, 퍼지품질지수를 먼저 산출하고, 특정 문턱값 이상의 퍼지품질지수를 가진 격자점에 대해서만 감쇠품질지수, 빔 차폐품질지수, 샘플링오차품질지수를 산출한다.
이때, 임계치 이하의 퍼지품질지수를 가지는 격자점은 지형에코나 비정상전파에코에 의해 오염된 영역으로 유효한 레이더 자료로써 사용하지 않으므로, 계산상의 효율성을 위해 감쇠품질지수, 빔 차폐품질지수 및 샘플링오차품질지수를 계산하지 않는다. 이를 위해, 임계치 이하의 퍼지품질지수를 가지는 격자점의 감쇠품질지수, 빔 차폐품질지수 및 샘플링오차품질지수를 0.0으로 설정하여 통합품질지수 또한 0.0으로 계산한다.
그리고, 임계치 이상의 퍼지품질지수를 가지는 격자점에 대해서만 감쇠품질지수, 빔 차폐품질지수 및 샘플링오차품질지수를 산출한다. 산출된 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수 중 하나라도 각각의 임계치를 초과하지 않는 격자점은 유효하지 않은 것으로 판단하여 해당 통합품질지수를 0.0으로 설정한다. 이는 감쇠와 차폐간의 상호결합성으로 인하여 잘못된 지수값을 계산하는 것을 방지하기 위함이다. 예를 들면, 차폐가 심하게 발생하여 반사도가 실제값보다 매우 낮아진 격자점의 반사도를 이용하여 감쇠를 계산하면 실제보다 낮은 감쇠값이 계산되며 감쇠품질지수는 실제보다 높은 값으로 나타나게 된다. 또한, 연산의 최적화 측면에서도 차폐가 심하게 발생하여 사용가치가 없어진 반사도 격자점에 대해 감쇠품질지수를 산출할 필요가 없기 때문이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 통합품질지수 생성 과정을 구체적으로 설명하면, 먼저, 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘을 통해 퍼지품질지수를 산출한다(S500). 이때, 퍼지품질지수는 수학식 2에 의해 산출된다. 즉, 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘을 이용하여 지형에코 및 비정상전파에코(AP) 영역을 제거한다. 이를 위해, 각 지점에 대해 산출된 퍼지품질지수를 사전에 설정된 임계치와 비교를 수행하고, 임계치 미만인 경우, 해당 지점을 지형에코 및 비정상전파에코(AP) 영역으로 판단하여 제거할 수 있다.
그런 다음, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치와 비교를 수행한다(S510). 비교결과(S510), 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상이면(Y), 각 개별품질지수를 산출한다(S520, S530, S540).
먼저, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상일 경우, 우적계로 산출한 반사도-감쇠 관계식으로 감쇠를 산출하고 레이더 빔 경로를 따라 누적한 후 0.0 내지 1.0 사이의 값으로 품질지수화하여 감쇠품질지수를 산출하고(S520), 산출된 감쇠품질지수를 사전에 설정된 임계치와 비교를 수행한다(S550). 이때, 감쇠품질지수는 수학식 8에 의해 산출된다.
비교결과(S550), 산출된 감쇠품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상이면(Y), 통합품질지수 산출 단계(S590)로 진행한다. 한편, 비교결과(S550), 산출된 감쇠품질지수가 사전에 설정된 임계치 미만이면(N), 통합품질지수가 0.0인 것으로 판단하고, 본 산출 과정을 종료한다.
다음으로, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상일 경우, 연직지향 관측을 통해 산출한 샘플링-표준편차 관계식(수학식 9 참조)을 이용하여 샘플링에 따른 오차를 산출한 후 0.0 내지 1.0 사이의 값으로 지수화하여 샘플링오차품질지수를 산출하고(S530), 이후 통합품질지수 산출 단계로 진행한다(S590). 이때, 샘플링오차품질지수는 수학식 10에 의해 산출된다.
또한, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상일 경우, 수치고도모형(Digital Elevation model)을 이용하여 빔 차폐를 모의(simulation)하고 차폐율에 따라 0.0 내지 1.0 사이의 값으로 품질지수화하여 빔 차폐품질지수를 산출하고(S540), 산출된 빔 차폐품질지수를 사전에 설정된 임계치와 비교를 수행한다(S560). 이때, 빔 차폐품질지수는 수학식 5에 의해 산출된다. 여기서, 빔 차폐품질지수는 1에 가까울수록 차폐가 없이 품질이 좋음을 의미한다.
비교결과(S560), 산출된 빔 차폐품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상이면(Y), 통합품질지수 산출 단계(S590)로 진행한다. 한편, 비교결과(S560), 산출된 빔 차폐품질지수가 사전에 설정된 임계치 미만이면(N), 통합품질지수가 0.0인 것으로 판단하고, 본 산출 과정을 종료한다.
최종적으로, 산출된 퍼지품질지수가 임계치 이상인 경우, 각 개별품질지수를 산출하는데, 산출된 각 개별품질지수, 예를 들어, 빔 차폐품질지수 및 감쇠품질지수가 사전에 설정된 해당 임계치 이상일 때 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수를 통합하여 통합품질지수를 산출한다(S590). 이때, 통합품질지수는 수학식 11에 의해 산출된다.
한편, 비교결과(S510), 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 미만이면(N), 다른 개별품질지수, 즉, 감쇠품질지수, 빔 차폐품질지수 및 샘플링오차품질지수가 0.0인 것으로 판단하고(S600), 통합품질지수 산출 단계(S590)로 진행한다. 이때, 통합품질지수도 0.0으로 계산된다.
도 6은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 퍼지품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이며, (a), (d), (g)는 2012년 9월 17일 0400UTC 비슬산 레이더의 고도각 -0.5°, 0.0°, 0.5° 각각의 원본 반사도 영상을, (b), (e), (h)는 (a), (d), (g) 각각의 퍼지품질지수 영상을, (c), (f), (i)는 (b), (e), (h) 각각에 대해 퍼지로직을 이용한 품질관리 알고리즘으로 품질관리된 반사도 영상을 나타낸다. 여기서, (c), (f), (i)는 (b), (e), (h)의 각 영상에서 임계치(본 실시예에서는 임계치로 0.5 적용) 이상의 퍼지품질지수 값을 가지는 (a), (d), (g)의 격자점만을 표출한 반사도 영상이다. 이때, 임계치는 사용자의 필요성에 따라 다르게 설정할 수 있다.
도 6의 (a) 내지 (i)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 퍼지품질지수에 대한 비교 임계치를 0.5로 설정하는데, 설정된 0.5의 의미는 (a), (d), (g)의 해당 격자점이 지형에코 혹은 비정상전파(AP)에코일 가능성이 50% 임을 나타내는 것으로, 다시 말해 (a), (d), (g)의 해당 격자점이 기상에코일 가능성이 50% 임을 나타낸다. 즉, 해당 격자점의 퍼지품질지수가 임계치(0.5) 이상이면(지형에코 혹은 비정상전파에코일 가능성이 50% 이하이면), 기상에코로 간주한다는 의미이다.
따라서, (a), (d), (g)의 해당 격자점에 대한 퍼지품질지수가 임계치(0.5) 미만이면 지형에코 및 비정상전파에코로 간주하여 (a), (d), (g)의 각 영상에서 해당 격자점의 반사도를 제거하면, (c), (f), (i)와 같은 반사도 영상을 얻을 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 빔 차폐지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이며, (a), (b), (c), (d)는 2012년 9월 17일 0400UTC 비슬산 레이더의 고도각 -0.5°, 0.0°, 0.5°, 0.8° 각각에 대한 빔 차폐품질지수의 분포도를 나타낸다.
도 7의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 비슬산 레이더의 위치 정보와 관측 고도각으로 모의한 차폐 결과로부터 유도된 빔 차폐품질지수의 분포가 고도가 높을수록 1.0에 가까워짐을 알 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 감쇠품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이며, (a), (b), (c), (d)는 2012년 9월 17일 0400UTC 비슬산 레이더의 고도각 -0.5°, 0.0°, 0.5°, 0.8° 각각의 강우 레이더 반사도 자료에 대한 감쇠품질지수 영상을 나타낸다.
도 8의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 각 고도각에서 획득된 강우레이더 반사도 자료에 대한 감쇠품질지수를 수학식 6 및 수학식 8의 반사도-감쇠 관계식을 이용하여 산출하였다. 그 결과, 고도각이 증가할수록 강우에 의한 감쇠가 증가하여 감쇠품질지수가 작아짐을 알 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 샘플링오차품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도로, 2012년 9월 17일 0400UTC 비슬산 레이더의 고도각 -0.5°에 대한 샘플링오차품질지수 영상을 나타낸다. 여기서, 샘플링 개수는 전 방위각에서 64개이다.
도 9를 참조하면, 샘플링 개수가 64개인 경우 샘플링오차품질지수가 0.5 내지 0.6 사이의 값을 가짐을 알 수 있다.
도 10은 도 1에 도시된 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법에 있어서, 통합품질지수 산출 과정을 실제 사례에 적용한 예를 나타낸 예시도이며, (a), (b), (c), (d)는 2012년 9월 17일 0400UTC 비슬산 레이더의 고도각 -0.5°, 0.0°, 0.5°, 0.8° 각각에 대한 통합품질지수 영상을 나타낸다. 여기서, 각 품질지수의 가중치는 동일하게 0.33을 사용하였다.
도 10의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 고도가 증가함에 따라 통합품질지수가 1.0에 가까워지는 영역이 증가함을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들을 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

Claims (12)

  1. 관측된 레이더 반사도 자료에 대한 지형에코 및 비정상전파에코, 빔 차폐, 감쇠 및 샘플링 수 각각에 의한 오차를 정량화하여 퍼지품질지수, 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수를 각각 산출하는 개별품질지수 산출단계; 및
    산출된 개별품질지수 중 빔 차폐품질지수 및 감쇠품질지수가 설정된 임계치 이상인 경우, 산출된 개별품질지수에 가중치를 곱한 후 합산하여 통합품질지수를 산출하는 통합품질지수 산출단계;를 포함하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 수집된 레이더 반사도 자료에 퍼지논리를 적용하여 총 소속값을 산출한 후, 산출된 총 소속값을 이용하여 퍼지품질지수(QFZ)를 산출하는 단계;인 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 퍼지품질지수(QFZ)는, 수집된 레이더 반사도 자료로부터 유도된 특성변수들의 퍼지논리를 적용하여 소속함수 및 가중치를 각각 산출한 후, 각 산출된 특성변수의 소속함수 및 가중치의 총합인 총 소속값을 산출하고, 산출된 총 소속값에 따라 아래 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
    Figure 112012106058120-pat00017

    (여기서, MVtotal은 총 소속값을 나타낸다.)
  4. 제2항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 산출된 퍼지품질지수(QFZ)와 사전에 설정된 임계치의 비교를 수행하고, 비교결과, 산출된 퍼지품질지수(QFZ)가 상기 임계치 미만이면, 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수는 0.0으로 판단되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상인 경우, 수치고도모형을 이용하여 빔 차폐를 모의하고, 빔 차폐모의결과에 따른 차폐율에 따라 빔 차폐품질지수(QBK)를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 빔 차폐품질지수(QBK)는, 상기 빔 차폐모의결과로부터 레이더 빔 폭에 대한 차폐된 영역의 백분율 값인 모의된 빔 차폐정도(Fshield)를 구하고, 구한 모의된 빔 차폐정도(Fshield)에 따라 아래 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
    Figure 112012106058120-pat00018

    (여기서, Fshield는 빔 차폐 정도를 나타낸다.)
  7. 제5항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 산출된 빔 차폐품질지수(QBK)와 사전에 설정된 임계치의 비교를 수행하고, 비교결과, 산출된 빔 차폐품질지수(QBK)가 상기 임계치 미만일 경우, 상기 통합품질지수를 0.0으로 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상인 경우, 우적계로 산출한 우적크기분포 자료를 이용하여 강수 입자에 의한 레이더 반사도의 감쇠를 구하고, 구한 감쇠를 레이더 빔 경로에 따라 누적하여 감쇠품질지수(QAT)를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 감쇠품질지수(QAT)는, C밴드 및 S밴드에 대한 반사도-감쇠 관계식을 아래 수학식 1 및 2와 같이 산출한 후, 산출된 반사도-감쇠 관계식을 이용해 레이더 빔의 경로에 따라 송신 및 수신에서 발생하는 총 감쇠를 아래 수학식 3과 같이 산출하고, 산출된 총 감쇠에 따라 아래 수학식 4에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
    Figure 112012106058120-pat00019
    수학식 1
    Figure 112012106058120-pat00020
    수학식 2
    Figure 112012106058120-pat00021
    수학식 3
    Figure 112012106058120-pat00022
    수학식 4
    (여기서, AS, AC는 각각 S 밴드 및 C 밴드의 감쇠를, Z는 반사도 인자[mm6 m-3]를, Atotal는 각 레이더 빔에서의 총 감쇠를, A는 S 또는 C 밴드 각각의 감쇠를 나타낸다.)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 산출된 감쇠품질지수(QAT)와 사전에 설정된 임계치의 비교를 수행하고, 비교결과, 산출된 감쇠품질지수(QAT)가 상기 임계치 미만일 경우, 상기 통합품질지수를 0.0으로 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 개별품질지수 산출단계는, 산출된 퍼지품질지수가 사전에 설정된 임계치 이상인 경우, 최소자승법을 이용하여 산출된 아래 수학식을 통해 샘플링오차품질지수(QSE)를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
    Figure 112012106058120-pat00023

    (여기서, Nsample은 샘플링수를 나타낸다.)
  12. 제8항에 있어서,
    상기 통합품질지수 산출단계는, 산출된 빔 차폐품질지수 및 감쇠품질지수가 각각 사전에 설정된 해당 임계치 이상인 경우, 산출된 빔 차폐품질지수, 감쇠품질지수 및 샘플링오차품질지수 각각에 가중치를 적용하여 하기 수학식을 통해 통합품질지수가 산출되는 단계;인 것을 특징으로 하는 기상레이더 반사도 자료의 통합품질지수 생성 방법.
    Figure 112012106058120-pat00024

    (여기서, (
    Figure 112012106058120-pat00025
    )는 구면좌표계상의 임의의 지점을, qi는 각 품질지수를,
    Figure 112012106058120-pat00026
    는 각 품질지수의 해당 임계치를, wi는 각 품질지수별 사전 결정된 가중치를, n은 개별품질지수의 개수를 각각 나타낸다. 이때, 품질지수, 품질지수 임계치 및 가중치는 모두 0.0 내지 1.0 사이의 값을 가진다.)


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