KR101836135B1 - 다중위성 강수자료 합성장치 및 방법 - Google Patents

다중위성 강수자료 합성장치 및 방법 Download PDF

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류수록
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

다중위성 강수자료 합성 장치 및 방법이 개시된다. 다중위성 강수자료 합성 장치는 적어도 하나 이상의 기상레이더 및 저궤도위성과 정지궤도 위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성 장치로서, 기상레이더, 저궤도위성 및 정지궤도위성으로부터 강수자료를 수집하는 강수자료 수집부, 기상레이더 강수자료를 이용하여 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 정지궤도 강수자료 보정부, 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료와 기상 레이더 강수자료를 강수자료 수집부로부터 추출하고, 기상레이더 강수자료를 이용하여 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 보정하고, 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 합성하는 저궤도위성 강수자료 합성부 및 보정된 정지궤도위성 강수자료와 합성된 저궤도위성 강수자료를 결합하는 강수자료 결합부를 포함한다. 따라서, 여러 개의 저궤도위성의 강수자료를 보정 및 합성하고, 정지궤도위성의 강수자료를 기상레이더 강수자료를 이용하여 보정하고, 이들을 결합함으로써 보다 정확하고 관측공백이 없는 강수추정 시스템을 구축할 수 있다.

Description

다중위성 강수자료 합성장치 및 방법{The apparatus and method for integrating rainfall data of multi-satelite}
본 발명은 다중위성 강수자료 합성장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다중위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성장치 및 방법에 관한 것이다.
강수자료를 얻는 기기로서, 우량계, 기상 레이더, 정지궤도위성, 저궤도위성을 고려해볼 수 있다.
먼저, 우량계(rain gauge)는 기상예보, 기상통계, 수자원통계, 홍수 예보와 경보, 유수지 운영 등을 위해 강우량을 관측하는 가장 범용적인 기기로서, 정량적으로 강수량을 정확하게 측정할 수 있다. 그러나, 우량계의 경우 해당 지역에서의 강수량 정보만을 제공하며, 북한 지역이나 해상의 강수량 파악에는 한계가 따른다.
한편, 기상 레이더를 이용하여 강수자료를 얻는 방법은 10분 간격의 영상을 제공하기 때문에 급격하게 발달하는 호유를 모니터링하는데 많이 이용되고 있다. 이러한 기상 레이더는 전자기파를 발사하여 기상학적 목표물에 반사 또는 산란되어 오는 전파신호의 크기를 계산하는 장비로서, 넓은 영역(유효관측반경:240km)을 매우 빠르게(10분) 감시할 수 있기 때문에 넓은 영역의 강수량을 산출하는 가장 효율적인 원격탐사장비 중 하나이다. 기상 레이더는 강수량을 직접 측정하는 것이 아니라 전자기파를 발사하여 대기중에 존재하는 목표물에서 산란 또는 반사되어 오는 신호의 크기로 강수량을 정량적으로 산출한다. 목표물에 산란되어 오는 신호(반사도)는 기상레이더에서 발사되는 펄스 볼륨 내에 존재하는 물방울의 크기분포와 관련있으며, 지상에 떨어지는 강수량도 물방울의 크기분포의 함수이므로 레이더 반사도와 지상 강수량과의 Z-R관계식(Z=aRb)을 이용하면 레디어 반사도로부터 지상 강수량을 추정해낼 수 있다. 반사도와 강수량은 강수입자 직경분포의 함수로써 반사도를 이용하여 강수량을 구하는 관계식에서 반사도 인자 Z 는 강수입자 직경의 6승에 그리고 강수량은 강수입자 직경의 3승에 각각 비례하게 된다. 우적계(disdrometer) 는 지상으로 떨어지는 강수입자의 크기분포를 관측하기 때문에 이 자료를 이용하여 계산된 반사도 및 강수량은 기준값이라고 할 수 있다. 그리고 기상레이더를 이용하여 강수량을 산출하거나 레이더 반사도를 보정할 때에는 전체 고도각의 관측자료를 보간법(interpolation)으로 계산하여 특정 높이(고도)의 반사도 값을 추출한 CAPPI(Constant Altitude Plan Position Indicator) 자료 또는 최저 고도각 관측자료를 이용한다. 그러나 레이더 자료를 이용한 강수 추정 알고리즘의 경우 기상청이 구축한 레이더 망에 의해 강수량을 산출하므로 공간적 범위가 제한되어 해상이나 북한 지역 등 레이더망이 구축되지 않은 지역의 강수자료를 얻을 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 보다 넓은 범위에서의 강수자료를 얻기 위해 정지궤도위성, 저궤도위성 등 위성을 이용한 방법을 고려해볼 수 있다.
먼저, 정지궤도 위성은 전구(full disk)영역이나 동아시아 등 가장 넓은 범위의 강수자료를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 다만, 정지궤도위성에 탐재된 적외센서를 이용한 강우강도산출의 경우 구름 정상의 밝기온도(운정온도)가 낮을수록 강한 강우강도를 갖는다는 가정을 전제로 강우강도를 산출하기 때문에 온도와 지표 강우강도와의 물리적 관련성이 낮을 경우 강우강도 산출값의 정확도가 매우 떨어진다는 단점이 있다.
반면에, 저궤도위성의 경우 탑재된 마이크로파 센서를 이용하여 수적에서의 방출과 빙정의 산란정보를 밝기온도 형태로 관측하므로 정지궤도 위성보다 상대적으로 정확한 강우강도 산출이 가능하다. 그러나, 이러한 저궤도 위성은 특성상 90분 주기로 지구를 공전하기 때문에 연속적 관측이 어렵고 긴 파장으로 인한 공간해상도가 낮다는 단점이 있다. 이러한 문제점은 가능하면 여러 종류의 저궤도위성의 강수자료를 합성함으로써 어느정도 보완이 가능하지만 여전히 전구영역의 구름을 관측할 수 없어 관측공백이 발생할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
등록특허공보 제1524948호
본 발명의 일 측면은 상술한 문제점을 해결하기 위해 기상레이더, 저궤도위성, 정지궤도위성의 강수자료를 보정 및 합성하여 전구영역에서의 강수추정 시스템을 구축할 수 있는 다중위성 강수자료 합성 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 다중위성 강수자료 합성 장치는 적어도 하나 이상의 기상레이더 및 저궤도위성과 정지궤도 위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성 장치로서, 상기 기상레이더, 저궤도위성 및 정지궤도위성으로부터 강수자료를 수집하는 강수자료 수집부, 상기 기상레이더 강수자료를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 정지궤도위성 강수자료 보정부, 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료와 상기 기상레이더 강수자료를 상기 강수자료 수집부로부터 추출하고, 상기 기상레이더 강수자료를 이용하여 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 보정하고, 상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 합성하는 저궤도위성 강수자료 합성부 및 상기 보정된 정지궤도위성 강수자료와 상기 합성된 저궤도위성 강수자료를 결합하여 강수 합성장을 생성하는 강수자료 결합부를 포함한다.
한편, 정지궤도 강수자료 보정부는, 상기 기상레이더 강수자료와 상기 정지궤도위성 강수자료의 시공간과 해상도를 상호 일치시키는 전처리 과정을 수행하는 전처리부 및 상기 전처리된 기상레이더 강수자료와 정지궤도위성 강수자료를 기초로 분위 정규화 기법(quantile normalization) 을 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 보정부를 포함할 수 있다.
또한, 기상 레이더 강수자료는 AWS(Automatic weather station) 로 보정된 지상 레이더 강수자료로서 RAR(Radar-AWS Raiinrate) 강수자료일 수 있다.
또한, 전처리부는 상기 RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀을 추출하고, 상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시킬 수 있다.
또한, RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시키는 것은, 아래 수학식에 따라 상기 정지궤도 위성 강수자료의 픽셀을 중심으로 ±0.01° 내의 RAR 강수값의 평균값을 산출하여 상기 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하는 것일 수 있다.
P(a,b)=mean(P({(a´,b´)|a-a´|＜0.01&|b-b´|＜0.01})
여기서, P는 픽셀값을 나타내고, (a,b)는 정지궤도 위성의 위/경도를 나타내며, (a´, b´) 는 RAR 의 위/경도를 나타낸다.
또한, 보정부는 동시간대의 RAR 강수자료와 정지궤도 위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고, 상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고, 상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시킬 수 있다.
또한, 정지궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 것은, 아래 수학식에 따라 상기 RAR 강수자료의 누적 밀도 함수에 역함수를 취하여 상기 정지궤도위성 강수자료의 강수값을 보정하는 것일 수 있다.
y=R-1(G(x))
여기서 x 는 보정전 정지궤도위성 강수자료의 강수값이고, y는 보정후 정지궤도위성 강수자료의 강수값이고, R 은 RAR 강수자료의 CDF 이고, G 는 정지궤도 위성 강수자료의 CDF 이다.
또한, 저궤도위성 강수자료 합성부는, 상기 저궤도위성 강수자료를 합성하기 위한 합성 영역과 시간을 선택하고 상기 선택된 합성 영역과 시간을 포함하는 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 상기 강수자료 수집부로부터 추출하는 저궤도위성 강수자료 추출부, 상기 추출된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를, 상기 정지궤도위성 강수자료 및 RAR 강수자료와 시공간을 상호 일치시키는 전처리를 수행하는 저궤도위성 강수자료 전처리부 및 상기 전처리된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료를 기초로 분위 정규화 기법(quantile normalization) 을 이용하여 상기 저궤도위성 강수자료를 보정하는 저궤도위성 강수자료 보정부를 포함할 수 있다.
또한, 저궤도위성 강수자료 전처리부는 상기 추출된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에서 상기 정지궤도위성 강수자료와 가장 가까운 시간대의 저궤도위성 강수자료를 추출하고, 상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도에 가장 가까운 저궤도위성 강수자료의 강수값으로 상기 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값을 저장할 수 있다.
또한, 저궤도위성 강수자료 전처리부는 상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도와 상기 저궤도위성 강수자료의 위/경도의 차이값의 합이 미리 설정된 문턱값보다 작도록 상기 저궤도위성 강수자료의 강수값을 추출하고 이를 상기 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값으로 저장할 수 있다.
또한, 저궤도위성 강수자료 보정부는 상기 RAR 강수자료와 상기 저궤도위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고, 상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료와 저궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고, 상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 저궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시킬 수 있다.
또한, 저궤도위성 강수자료 합성부는 상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 소정의 가중치를 적용후 합성하여 제 1 합성장을 생성하는 가중치 합성부, 상기 제 1 합성장의 기준시간으로부터 소정시간 앞/뒤의 저궤도위성 강수자료를 추출하고 상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 기초로 상기 기준시간의 예측장을 생성하는 모핑 및 내삽부 및 상기 제 1 합성장과 상기 예측장을 결합하여 제 2 합성장을 생성하는 합성장 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 가중치 합성부는, 상기 보정된 저궤도위성 강수자료의 강수값을 기초로 정확도를 산출하고, 상기 산출된 정확도를 기초로 아래 수학식에 따라 i 번째 저궤도위성의 가중치 ui=vi/W 를 산출할 수 있다.
Figure 112017002940119-pat00001
여기서,vi 는 비정규화된 가중치이며, W는 vi를 정규화시키기 위한 비정규화된 가중치 vi의 합이다. Rs 는 상기 저궤도위성 강수값과 RAR 강수값의 차의 표준편차에 RAR 강수값의 평균으로 나눈 상대표준편차값이고, ETS(equitable treat score) 는 아래 수학식에 의해 정의된다.
ETS=
Figure 112017002940119-pat00002
, w=
Figure 112017002940119-pat00003
여기서, a 는 기준 강수값이 미리 설정된 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, b 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이며, c 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, d 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이다.
또한, 가중치 합성부는, 상기 산출된 가중치를 아래 수학식에 따라 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 적용하여 상기 제 1 합성장을 생성할 수 있다.
Figure 112017002940119-pat00004
여기서, P 는 제 1 합성장이고, P0, P1 은 보정된 저궤도위성 강수자료이고,
Figure 112017002940119-pat00005
,
Figure 112017002940119-pat00006
은 가중치값이다.
또한, 모핑 및 내삽부는, 상기 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고, 상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 상기 IR 이동벡터를 이용하여 전방/후방으로 이동시킨 예측장을 생성하고, 상기 생성된 예측장 각각에 소정의 가중치를 적용후 결합하여 모핑된 예측장을 생성할 수 있다.
또한, 모핑 및 내삽부는, 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료를 추출 및 정규화하고, 미리 저장된 단일 상수벡터 또는 이동벡터를 초기 IR 이동벡터로 설정하고, 상기 초기 IR 이동벡터를 기초로 상기 정규화된 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료 사이의 차이와 상기 IR 이동벡터의 평활값으로 비용함수를 산출하고, 상기 비용함수를 최소화하여 IR 이동벡터를 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 다중위성 강수자료 합성방법은 적어도 하나 이상의 기상 레이더 및 저궤도위성과 정지궤도 위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성방법으로서, 상기 강수자료를 합성하기 위한 합성영역과 시간을 선택하고 상기 선택된 합성영역과 시간을 포함하는 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료, 기상레이더 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 추출하고, 상기 추출된 저궤도위성 강수자료, 상기 정지궤도위성 강수자료 및 기상레이더 강수자료의 시공간 및 해상도를 상호 일치시키는 전처리를 수행하고, 상기 전처리된 기상레이더 강수자료를 이용하여 상기 전처리된 저궤도위성 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 보정하고, 상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 상호 합성하여 저궤도위성 합성장을 생성하고, 상기 보정된 정지궤도위성 강수자료와 상기 저궤도위성 합성장과 결합한다.
한편, 기상레이더 강수자료는 AWS(Automatic weather station) 로 보정된 지상 레이더 강수자료로서 RAR(Radar-AWS Raiinrate) 강수자료일 수 있다.
또한, 전처리를 수행하는 것은, 상기 RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 상기 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀을 추출하고, 상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시킴으로써 상기 RAR 강수자료와 상기 정지궤도위성 강수자료의 시공간 및 해상도를 일치시키고, 상기 저궤도위성 강수자료에서 상기 정지궤도위성 강수자료와 가장 가까운 시간대의 저궤도위성 강수자료를 추출하고, 상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도에 가장 가까운 저궤도위성 강수자료의 강수값을 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하여 상기 저궤도위성 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 시공간 및 해상도를 일치시키는 것일 수 있다.
또한, RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시키는 것은, 아래 수학식에 따라 상기 정지궤도 위성 강수자료의 픽셀을 중심으로 ±0.01° 내의 RAR 강수값의 평균값을 산출하여 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하는 것일 수 있다.
P(a,b)=mean(P({(a´,b´)|a-a´|＜0.01&|b-b´|＜0.01})
여기서, P는 픽셀값을 나타내고, (a,b)는 정지궤도위성 강수자료의 위/경도를 나타내며, (a´, b´) 는 RAR 강수자료의 위/경도를 나타낸다.
또한, 저궤도위성 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 시공간 및 해상도를 일치시키는 것은, 상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도와 상기 저궤도위성 강수자료의 위/경도의 차이값의 합이 미리 설정된 문턱값보다 작도록 상기 저궤도위성 강수자료의 강수값을 추출하고 이를 상기 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값으로 저장할 수 있다.
또한, 전처리된 저궤도위성 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 것은, 상기 RAR 강수자료, 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고, 상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료, 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고, 상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시킬 수 있다.
또한, 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 것은, 아래 수학식에 따라 상기 RAR 강수자료의 누적 밀도 함수에 역함수를 취하여 상기 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 강수값을 보정하는 것일 수 있다.
y=R-1(G(x))
여기서 x 는 보정전 정지궤도위성 강수자료 또는 저궤도위성 강수자료의 강수값이고, y는 보정후 정지궤도위성 강수자료 또는 저궤도위성 강수자료의 강수값이고, R 은 RAR 강수자료의 CDF 이고, G 는 정지궤도위성 강수자료 또는 저궤도위성 강수자료의 CDF 이다.
또한, 저궤도위성 합성장을 생성하는 것은, 상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 소정의 가중치를 적용후 합성하여 제 1 합성장을 생성하고, 상기 제 1 합성장의 기준시간으로부터 소정시간 앞/뒤의 저궤도위성 강수자료를 추출하고 상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 기초로 상기 기준시간의 예측장을 생성하고, 상기 제 1 합성장과 상기 예측장을 결합하여 제 2 합성장을 생성하고 상기 제 2 합성장을 상기 저궤도위성 합성장으로 저장하는 것일 수 있다.
또한, 보정된 저궤도위성 강수자료의 강수값을 기초로 정확도를 산출하고, 상기 산출된 정확도를 기초로 아래 수학식에 따라 상기 소정의 가중치로서, i번째 저궤도위성의 가중치인 ui=vi/W를 산출하는 것을 더 포함할 수 있다.
Figure 112017002940119-pat00007
Figure 112017002940119-pat00008
여기서, vi 는 비정규화된 가중치이며, W는 vi를 정규화시키기 위한 비정규화된 가중치 vi의 합이다. Rs 는 상기 저궤도위성 강수값과 RAR 강수값의 차의 표준편차에 RAR 강수값의 평균으로 나눈 상대표준편차값이고, ETS(equitable treat score) 는 아래 수학식에 의해 정의된다.
ETS=
Figure 112017002940119-pat00009
, w=
Figure 112017002940119-pat00010
여기서, a 는 기준 강수값이 미리 설정된 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, b 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이며, c 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, d 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이다.
또한, 제 1 합성장을 생성하는 것은, 상기 산출된 가중치를 아래 수학식에 따라 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 적용하여 생성하는 것일 수 있다.
Figure 112017002940119-pat00011
여기서, P 는 제 1 합성장이고, P0, P1 은 보정된 저궤도위성 강수자료이고,
Figure 112017002940119-pat00012
,
Figure 112017002940119-pat00013
은 가중치값이다.
또한, 예측장을 생성하는 것은, 상기 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고, 상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 상기 IR 이동벡터를 이용하여 전방/후방으로 이동한 예측장을 생성하고, 상기 생성된 예측장 각각에 소정의 가중치를 적용후 결합하여 모핑된 예측장을 생성하는 것일 수 있다.
또한, IR 이동벡터를 산출하는 것은, 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료를 추출 및 정규화하고, 미리 저장된 단일 상수벡터 또는 이동벡터를 초기 IR 이동벡터로 설정하고, 상기 초기 IR 이동벡터를 기초로 상기 정규화된 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료 사이의 차이와 상기 IR 이동벡터의 평활값으로 비용함수를 산출하고, 상기 비용함수를 최소화하여 상기 IR 이동벡터를 산출하는 것일 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 여러 개의 저궤도위성의 강수자료를 보정 및 합성하고, 정지궤도위성의 강수자료를 기상레이더 강수자료를 이용하여 보정하고, 이들을 결합함으로써 보다 정확하고 관측공백이 없는 강수추정 시스템을 구축할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 방법을 도시한 도면이다.
도 3 은 도 2 에 도시된 다중위성 강수자료 합성 방법에서 정지궤도위성 강수자료를 처리하는 과정을 상세히 도시한 도면이다.
도 4 는 전처리 전후의 정지궤도위성 강수자료 및 RAR 강수자료의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5 는 정지궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료의 CDF 그래프이다.
도 6 은 보정전후의 정지궤도위성 강수자료의 모습의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7 은 도 2 에 도시된 다중위성 강수자료 합성 방법에서 저궤도위성 강수자료를 처리하는 과정을 상세히 도시한 도면이다.
도 8 은 전처리전후의 저궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9 는 저궤도위성 강수자료의 합성장 모습의 일 예를 도시한 도면이다.
도 10 은 저궤도위성 강수자료의 예측장 모습을 생성하는 과정의 일 예를 도시한 도면이다.
도 11 은 보정된 정지궤도위성 강수자료와 저궤도위성 강수자료의 합성장을 결합하는 모습의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 시스템을 도시한 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 시스템은 기상레이더 시스템(10), 저궤도위성 시스템(20), 정지궤도위성 시스템(30) 및 다중위성강수자료 합성장치(100)를 포함한다.
본 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 시스템은 여러 저궤도위성 시스템에서 만들어진 강수자료를 기상레이더 강수자료를 이용하여 보정 및 합성하여 합성장을 생성하고, 이를 정지궤도위성 시스템에서 만들어진 강수자료와 결합한다. 따라서, 보다 정확한 저궤도위성 및 기상레이더 강수자료에 전구(full disk)영역의 정지궤도위성 강수자료를 결합함으로써 관측공백을 채울수 있다.
본 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성장치(100)는 Early 모드와 Late 모드로 동작할 수 있다. 구체적으로, Early 모드는 초단기 강수자료 지원을 목적으로 하여 동아시아 영역(GK-2A 관측영역, 공간해상도 2㎞×2㎞)와 전구영역(0.1°×0.1°)에서 매 5~10분마다 업데이트되는 강수 합성장을 생성하는 모드이다. 이러한 Early 모드의 산출물이 출력될 때까지의 수행시간은 약 10 분이며, 산출물은 강수 합성장으로서 이를 통해 강수강도의 산출이 가능하다. 이로써 예보관들에게 정량적인 강수 합성장을 빠른 시간내에 전달할 수 있다. 한편, Early 모드의 다중위성 강수자료 합성장치는 한반도 주변은 기상레이더 시스템으로부터의 강수자료를 기반으로 고정밀 강수 합성장을 생성하고, 후속하는 저궤도위성 시스템으로부터의 강수자료 및 정지궤도위성 시스템으로부터의 강수자료를 기반으로 동아시아 및 전구영역을 커버하는 강수 합성장을 생성한다. 또한, 가용한 저궤도위성 시스템으로부터의 강수자료는 자료 수신의 한계로 수행시간 내에 최신자료를 수신하는 것이 어렵기 때문에 과거 자료를 이용하여 전방(forward) 이류를 통해 예측장을 생성하고 이를 최종적 산출물인 강수 합성장 생성에 이용한다.
반면에, Late 모드의 다중위성 강수자료 합성장치는 Early 모드와 다르게 저궤도위성 시스템으로부터의 최신 강수자료가 수신될 때까지 대기하여 최신 강수자료를 반영한 강수 합성장을 생성한다. 따라서, Late 모드의 다중위성 강수자료 합성장치는 Early 모드와 시/공간 해상도는 같지만 저궤도위성 시스템으로부터의 강수자료의 수신 지연 및 처리할 저궤도위성 시스템으로부터의 강수자료가 증가하므로 업데이트 주기 및 수행시간이 30 분 정도 걸린다.
상술한 Early 모드와 Late 모드에 따른 다중위성 강수자료 합성장치의 구체적인 사양은 아래 [표 1] 과 같다.
항목 사양
영역 동아시아/FD(Full Disk)
공간해상도 2㎞/0.1°×0.1°
업데이트주기 Early 모드:10분, Late 모드:30분
산출자료 강수강도(㎜/h)
수행시간 Early 모드:5~10분 미만,
Late 모드: 30분 미만
입력자료 Early 모드: 저궤도위성 예측장, 정지궤도위성 강수자료, 보정된 기상레이더 강수자료
Late 모드: 저궤도위성 예측장+관측장, 정지궤도위성 강수자료, 보정된 기상레이더 강수자료
상술한 바와 같은 다중위성 강수자료를 합성하기 위해, 다중위성 강수자료 합성장치(100)는 강수자료 수집부(110), 정지궤도위성 강수자료 보정부(120), 저궤도위성 강수자료 합성부(130) 및 강수자료 결합부(140)를 포함한다.
강수자료 수집부(110)는 각종 기기에서 관측된 강수자료를 수집한다. 본 실시예의 강수자료 수집부(110)는 기상레이더 시스템(10), 저궤도위성 시스템(20) 및 정지궤도위성 시스템(30)으로부터의 강수자료를 수집한다. 보다 구체적으로, 강수자료 수집부(110)는 정지궤도위성 시스템(30)으로부터 강수 합성장의 배경으로 사용될 정지궤도위성 강수자료를 수집한다. 또한, 강수자료 수집부(110)는 여러 저궤도위성 시스템(20)의 마이크로파 센서로부터 산출된 저궤도위성 강수자료를 수집한다. 한편, 저궤도위성은 자료처리 단계에 따라 3가지의 자료를 산출하는데, 레이더 반사도나 밝기온도(brightness temperature) 와 같은 스와스(satelite?s data swath) 관측값인 레벨1(L1) 자료와 레벨1(L1) 자료에 물리적 의미를 갖도록 가공을 거친 레벨2(L2) 를 포함한다. 본 실시예에 따른 강수자료 수집부(110)는 이러한 저궤도위성 시스템(20)으로부터의 레벨2(L2) 자료를 수집한다. 본 실시예에 적용될 수 있는 저궤도위성 시스템, 센서, 수집자료는 아래 [표 2] 와 같다.
저궤도위성 기기 수집자료 마이크로파센서
GPM Core Observatory DPR/GPM 2ADPR/2AGPROFGMI -/Microwave Imager
GCOM-W1 AMSR2 2AGPROFAMSR2 Microwave Imager
DMSP-F16/F17/F18/F19 SSMIS 2AGPRORSSMIS Microwave Imager/Sounder
NOAA-18/19, MetOp-A/B MHS 2AGPROFMHS Microwave Sounder
NPP ATMS 2AGPROFATMS Microwave Sounder
또한, 강수자료 수집부(110)는 기상레이더 시스템(10)으로부터 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 보정과 정확도 평가에 사용될 기상레이더 강수자료를 수집할 수 있다. 본 실시예의 기상레이더 강수자료는 AWS(Automatic weather station) 로 보정된 지상 레이더 강수자료로서 RAR(Radar-AWS Raiinrate) 강수자료일 수 있다.
정지궤도위성 강수자료 보정부(120)는 합성영역과 시간이 선택되면 해당 영역과 시간을 포함하는 정지궤도위성 강수자료를 강수자료 수집부(110)로부터 수집하고, 기상레이더 강수자료를 이용하여 정지궤도위성 강수자료를 보정한다. 이를 위해, 정지궤도위성 강수자료 보정부(120)는 기상레이더 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 시공간과 해상도를 상호 일치시키는 전처리 과정을 수행하는 전처리부(121)와, 전처리된 기상레이더 강수자료와 정지궤도위성 강수자료를 기초로 분위 정규화 기법(quantile normalization) 을 이용하여 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 보정부(122)를 포함한다. 한편, 본 실시예의 보정부(122)는 기상레이더 강수자료로서 RAR 강수자료를 사용한다.
구체적으로, 전처리부(121)는 RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀을 추출하고, 상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시킨다. 이때, 전처리부(121)는 아래 [수학식 1] 에 따라 정지궤도위성 강수자료의 픽셀을 중심으로 ±0.01° 내의 RAR 강수값의 평균값을 산출하여 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하여 RAR 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 공간을 일치시킬 수 있다.
[수학식 1]
P(a,b)=mean(P({(a´,b´)|a-a´|＜0.01&|b-b´|＜0.01})
여기서, P는 픽셀값을 나타내고, (a,b)는 정지궤도 위성의 위/경도를 나타내며, (a´, b´) 는 RAR 의 위/경도를 나타낸다.
보정부(122)는 시공간 및 해상도가 상호 일치된 정지궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료를 이용하여 정지궤도위성 강수자료를 보정한다. 이러한 강수자료의 보정은‘quantile-quantile matching’ 이라는 Miler (Miler, 1972)와 Krajewski 와 Smith (Krajewski and Smith) 가 제시한 방법과 유사한 방법인 Quantile normalization(Probability Matching)’을 이용할 수 있다. 이 방법은 서로 다른 분포의 확률밀도함수를 동일하게 만들기 위한 표준화 기법으로 두 개 이상의 센서에서 관측되는 강수자료를 일치시키기 위한 방법이다.
구체적으로, 보정부(122)는 동시간대의 RAR 강수자료와 정지궤도 위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고, 상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고, 상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시킨다. 보정부(122)는 아래 [수학식 2] 에 따라 RAR 강수자료의 누적 밀도 함수에 역함수를 취하여 정지궤도위성 강수자료의 강수값을 보정한다.
[수학식 2]
y=R-1(G(x))
여기서 x 는 보정전 정지궤도위성 강수자료의 강수값이고, y는 보정후 정지궤도위성 강수자료의 강수값이고, R 은 RAR 강수자료의 CDF 이고, G 는 정지궤도 위성 강수자료의 CDF 이다.
저궤도위성 강수자료 합성부(130)는 여러 개의 저궤도위성 강수자료와 기상레이더 강수자료를 강수자료 수집부(110)로부터 추출하고, 기상레이더 강수자료를 이용하여 복수개의 저궤도위성 강수자료를 보정하고, 보정된 저궤도위성 강수자료를 상호 합성하여 저궤도위성의 강수합성장을 생성한다.
이러한 저궤도위성 강수자료 합성부(130)는 저궤도위성 강수자료 추출부(131), 저궤도위성 강수자료 전처리부(132), 저궤도위성 강수자료 보정부(133), 가중치 합성부(134), 모핑 및 내삽부(135) 및 합성장 생성부(136)를 포함한다. 한편, 저궤도위성 강수자료 합성부(130)도 저궤도위성 강수자료 보정시 사용할 기상레이더 강수자료로서 RAR 강수자료를 이용한다.
저궤도위성 강수자료 추출부(131)는 정지궤도위성 강수자료와의 합성 영역과 합성시간을 로딩하고, 해당 합성 영역과 합성시간을 포함하는 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 강수자료 수집부(110)로부터 추출한다. 여기서 합성 영역은 동아시아 또는 전구영역일 수 있다. 또한, 저궤도위성 강수자료 추출부(131)는 저궤도위성 강수자료 합성시 선택되는 시간 반경으로서 최대 90분까지 합성시간 반경을 선택받을 수 있다. 저궤도위성 강수자료 추출부(131)는 선택된 합성시간의 날짜를 읽고 해당날짜 폴더를 강수자료 수집부(110)에서 모두 읽어들인다. 이를 통해 다수의 저궤도위성의 해당날짜 폴더에 해당시각을 포함하는 파일의 존재 여부를 확인한다. 또한, 저궤도위성 강수자료 추출부(131)는 해당날짜 및 시각을 포함하는 파일이 미리 설정된 개수 이상의 자료를 포함하고 있는지 여부와 미리 설정된 개수 이상의 픽셀의 수를 갖는지 여부를 확인하여, 임계치 이상의 자료 및 픽셀수를 갖는 강수자료만을 저궤도위성 강수 합성장 생성의 대상으로서 추출하고, 이를 저궤도위성 강수자료 전처리부(132)에 전송한다.
이렇게 추출된 저궤도위성 강수자료는 서로 다른 해상도 및 정확도를 가지므로 상호 합성하기 전에 시/공간을 일치시키는 전처리 과정이 필요하다. 이를 위해 저궤도위성 강수자료 전처리부(132)는 정지궤도위성 강수자료와 시/공간 및 해상도가 일치된 RAR 강수자료를 기준으로 각 저궤도위성 강수자료를 시/공간 및 해상도를 일치시킨다.
구체적으로, 저궤도위성 강수자료 전처리부(132)는 추출된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를, 정지궤도위성 강수자료 및 RAR 강수자료와 시공간을 상호 일치시키는 전처리를 수행한다. 저궤도위성 강수자료 전처리부(132)는 저궤도위성 강수자료 추출부(131)에서 추출된 저궤도위성 강수자료에서 정지궤도위성 강수자료와 가장 가까운 시간대의 저궤도위성 강수자료를 추출하고, 정지궤도위성 강수자료의 위/경도에 가장 가까운 저궤도위성 강수자료의 강수값으로 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값을 저장한다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 정지궤도위성 강수자료의 전처리부(121)는 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값을 RAR 강수자료의 강수값의 평균값으로 저장하였다. 그러나, 저궤도위성 강수자료의 특성상 위/경도가 약0.05~0.5° 로 RAR 보다 공간해상도가 훨씬 낮기 때문에 저궤도위성 강수자료 전처리부(132)는 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값을 가장 가까운 위/경도 상의 저궤도위성 강수자료의 강수값으로 저장한다. 이때, 저궤도위성 강수자료 전처리부(132)는 정지궤도위성 강수자료의 위/경도와 저궤도위성 강수자료의 위/경도의 차이값의 합이 미리 설정된 문턱값 미만이 되도록 저궤도위성 강수자료의 강수값을 추출한다.
저궤도위성 강수자료 보정부(133)는 전처리된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료를 기초로 분위 정규화 기법(quantile normalization) 을 이용하여 상기 저궤도위성 강수자료를 보정한다. 보정기법은 상술한 정지궤도위성 강수자료의 보정방법과 동일하므로 생략한다.
가중치 합성부(134)는 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 소정의 가중치를 각각 적용후 합성하여 저궤도위성의 제 1 합성장을 생성한다.
이를 위해, 먼저, 가중치 합성부(134)는 보정된 저궤도위성 강수자료의 강수값을 기초로 정확도를 산출한다. 여기서 정확도는 보정전후의 저궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료를 이용하여 산출된다. 다만, RAR 강수자료와 비교하기 위한 저궤도위성 강수자료의 기준시간은 모두 제각각이며, 각 마이크로파 센서에 따른 사례수도 정확하게 일치하지 않는다. 따라서 이러한 저궤도위성 강수자료의 정확도는 카테고리 정확도 분석 방법과 상대표준편차(Relative standard deviation) 값을 이용하여 산출된다.
구체적으로, 카테고리 정확도 분석방법은 아래 [표 3] 의 강우강도 카테고리 정확도 검사 강우 유무 분할표를 이용하며, POD(Probability of Detection), FAR(False Alarm Rate), CSI(Critical success index), ETS(equitable treat score)등을 구할 수 있다. POD, FAR, CSI, ETS 는 아래 [수학식 3] 으로 정의된다.
e≥r0 e＜r0
O≥r0 a(hits) c(false alarms)
O＜r0 b(misses) d(correct negative)
여기서, a 는 기준 강수값(e)이 미리 설정된 문턱값(r0)보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값(O)이 문턱값(r0)보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, b 는 기준 강수값(e)이 문턱값(r0)보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값(O)이 문턱값(r0)보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이며, c 는 기준 강수값(e)이 문턱값(r0)보다 작고 저궤도위성 강수값(O)이 문턱값(r0)보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, d 는 기준 강수값(e)이 문턱값(r0)보다 작고 저궤도위성 강수값(O)이 문턱값(r0)보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이다.
[수학식 3]
POD=
Figure 112017002940119-pat00014
; FAR=
Figure 112017002940119-pat00015
; CSI=
Figure 112017002940119-pat00016
; ETS=
Figure 112017002940119-pat00017
여기서, w=
Figure 112017002940119-pat00018
이다.
또한, 상대표준편차(Rs)는 산출된 강우값(강우강도)와 기준값인 RAR의 강우값의 차의 표준편차에 RAR 강우값의 평균을 나눈 값으로서 아래 [수학식 4]와 같이 정의된다.
[수학식 4]
Rs=stdv(O-RAR)/mean(RAR)
가중치 합성부(134)는 복수의 저궤도위성 강수자료 융합시 상호간 중첩영역의 가중치를 결정하기 위해 저궤도위성 강수자료에 대해 산출된 정확도를 이용한다. 본 실시예의 가중치 합성부(134)는 카테고리 정확도 분석방법 중 모든 변수를 포함하는 ETS 값과 중첩 영역의 표준편차값을 보여주는 상대표준편차값을 기준으로 가중치를 계산할 수 있다. i번째 저궤도위성의 가중치 값 Ui=vi/W 의 산정방법은 아래 [수학식 5] 에 따르며, 산출된 가중치값의 합은 1 이다.
[수학식 5]
Figure 112017002940119-pat00019
여기서, vi 는 비정규화된 가중치이며, W는 vi를 정규화시키기 위한 비정규화된 가중치 vi의 합이다. Rs 는 상술한 상대표준편차값이고, ETS(equitable treat score) 는 상술한 카테고리 정확도 분석방법에서 산출된 값이다.
상술한 방법과 같이 산출된 가중치 값의 예는 아래 [표 4] 와 같다.
위성 기기 마이크로파센서 가중치(wi) 합성순서
GPM
Core Observatory		 DPR - 0.2112 12
GPM Microwave Imager 0.0825 8
GCOM-W1 AMSR2 0.0957 9
DMSP-F16 SSMIS Microwave Imager/Sounder 0.0423 2
DMSP-F17 0.0409 1
DMSP-F18 0.0606 4
DMSP-F19 0.0701 7
NOAA-18 MHS Microwave Sounder 0.0634 6
NOAA-19 0.0588 3
MetOp-A 0.1084 11
MetOp-B 0.1036 10
NPP ATMS 0.0626 5
가중치 합성부(134)는 가중치가 계산되면, 저궤도위성 합성순서에 입각하여 현재 합성할 위성의 강수자료 값을 읽으면서 이전에 합성된 강수자료에 빈 공간은 채우고 중첩된 영역은 가중치를 이용하여 결합한다. 구체적으로, 가중치 합성부(134)는 산출된 가중치를 아래 [수학식 6] 에 따라 저궤도위성 강수자료에 적용하여 제 1 합성장을 생성한다.
[수학식 6]
Figure 112017002940119-pat00020
여기서, P 는 제 1 합성장이고, P0, P1 은 보정후의 저궤도위성 강수자료이고,
Figure 112017002940119-pat00021
, 는 이전단계의 누적 가중치값이고,
Figure 112017002940119-pat00022
은 현재 중첩될 강수자료에 적용될 가중치값이며,
Figure 112017002940119-pat00023
와
Figure 112017002940119-pat00024
의 합은 1 이 되도록 정규화한다. 예컨대, 총 4 개의 저궤도위성이 있을 경우, 각 위성의 강수자료에 적용될 가중치를 u1=0.1, u2=0.2, u3=0.3, u4=0.4이고 강수자료를 Pi(i=1,...4)라고 하자. 합성순서를 고려하여 한 픽셀에서 P1와 P3가 처음 중첩되고 마지막으로 P4가 중첩되어 합성이 이루어질 때, P1와 P3가 중첩되는 픽셀은 P=(1/4)P1+(3/4)P3 로 저장된다. 다음 단계에 이 픽셀이 P4 와 중첩될 경우 제 1 합성장의 강수값은
Figure 112017002940119-pat00025
로 계산되는데, w0는 누적 가중치로 w0=(0.1+0.3), w1은 4번째 위성의 가중치 w1=0.4, 이를 정규화한 값
Figure 112017002940119-pat00026
와
Figure 112017002940119-pat00027
은 모두 4/8이다. 즉, 최종적인 제 1 합성장 생성공식은 아래 [수학식 7] 과 같다.
[수학식 7]
Figure 112017002940119-pat00028
모핑 및 내삽부(135)는 저궤도위성 강수자료의 관측공백영역을 채우기 위해 예측기법을 이용하여 저궤도위성 강수자료의 예측장을 생성한다. 모핑 및 내삽부(135)는 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고, 이를 적용하여 반라그랑지안 후방이류기법으로 적어도 하나 이상의 예측장을 생성하고, 이들을 조합하여 빈공간이 존재하지 않는 모핑된 예측장을 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 모핑 및 내삽부(135)는 제 1 합성장의 기준시간으로부터 소정시간 앞/뒤의 저궤도위성 강수자료를 추출하고 추출된 저궤도위성 강수자료를 기초로 기준시간의 예측장을 생성한다. 모핑 및 내삽부(135)는 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고, 추출된 저궤도위성 강수자료를 상기 IR 이동벡터를 이용하여 전방/후방으로 이동시킨 예측장을 생성하고, 생성된 예측장 각각에 소정의 가중치를 적용후 결합하여 모핑된 예측장을 생성한다.
한편, 모핑 및 내삽부(135)는 변분법을 이용한 에코추적(Variational Echo Tracking, VET) 을 이용하여 IR 이동벡터를 산출한다. 구체적으로, 모핑 및 내삽부(135)는 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료를 강수자료 수집부(110)로부터 추출 및 정규화하고, 미리 저장된 단일 상수벡터 또는 이동벡터를 초기 IR 이동벡터로 설정하고, 초기 IR 이동벡터를 기초로 정규화된 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료 사이의 차이와 IR 이동벡터의 평활값으로 비용함수를 산출하고, 비용함수를 최소화하여 IR 이동벡터를 산출한다.
합성장 생성부(136)는 최종적으로 저궤도위성 강수자료의 합성장을 생성한다. 구체적으로, 합성장 생성부는 가중치 합성부(134)에서 생성된 제 1 합성장과 모핑 및 내삽부(135)에서 생성된 예측장을 결합하여 제 2 합성장을 생성하여 이를 저궤도위성 합성장으로 저장한다.
강수자료 결합부(140)는 정지궤도위성 강수자료 보정부(120)로부터 보정된 정지궤도위성 강수자료와 저궤도위성 강수자료 합성부(130)로부터 합성된 저궤도위성 합성장과 결합하여 강수 합성장을 생성한다. 즉, 강수자료 결합부(140)는 보정된 정지궤도위성 강수자료와 저궤도위성 강수자료 합성부의 합성장 생성부로부터의 제 2 합성장을 결합하여 빈공간없이 전구영역 또는 동아시아영역을 커버하는 강수 합성장을 생성할 수 있다. 이때, 정지궤도위성 강수자료는 공백을 채워주는 역할을 하고, 저궤도위성 강수자료와의 중첩영역은 보다 정확한 강수값을 제공하는 저궤도위성 강수자료값으로 대체함으로써 정확하되 빈공간없는 강수자료 합성이 가능하다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 방법을 도시한 도면이다.
도 2 를 참조하면, 본 실시예에 따른 다중위성 강수자료 합성 방법은 적어도 하나 이상의 기상 레이더 및 저궤도위성과 정지궤도 위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성방법으로서, 저궤도위성 강수자료를 합성하기 위한 합성영역과 시간을 선택하고 선택된 합성영역과 시간을 포함하는 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 추출하고(200), 추출된 저궤도위성 강수자료, 상기 정지궤도위성 강수자료 및 기상레이더 강수자료의 시공간 및 해상도를 상호 일치시키는 전처리를 수행하고(300), 전처리된 기상레이더 강수자료를 이용하여 전처리된 저궤도위성 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 보정하고(400), 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 상호 합성하여 저궤도위성 합성장을 생성하고, 보정된 정지궤도위성 강수자료와 상기 저궤도위성 합성장과 결합하여 강수 합성장을 생성(500)한다. 한편, 본 실시예의 다중위성 강수자료 합성방법은 기상레이더 강수자료에 AWS(Automatic weather station) 로 보정된 지상 레이더 강수자료인 RAR(Radar-AWS Raiinrate) 강수자료를 이용할 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 11 을 참조하여, 도 2 에 도시된 단계를 상세하 설명한다.
도 3 은 도 2 에 도시된 다중위성 강수자료 합성 방법에서 정지궤도위성 강수자료를 처리하는 과정을 상세히 도시한 도면이다.
도 3 을 참조하면, 먼저 합성영역(예컨대, 동아시아 영역 또는 전구영역) 과 합성시간(기준시간) 을 선택받고(210), 합성시간을 포함하는 RAR 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 추출한다(220). 또한, 추출된 RAR 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료의 시공간과 해상도를 일치시키는 전처리 작업으로서, RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀을 추출하고, RAR 강수자료와 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 공간을 상호 일치시킨다(310,320). 구체적으로, 전처리 과정의 일 예를 도시한 도 4 를 참조한다. 도 4의 (a) 는 정지궤도위성중 하나인 일본의 히마와리 8 호의 강수자료의 일 모습이다. 도 4 의 (b) 는 가로×세로 1241×1761 크기이고, 10분 1㎞의 시/공간 해상도를 갖는 RAR 강수자료의 일 모습이다. 먼저, 도 4의 (a) 인 정지궤도위성 강수자료에서 RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 한반도 영역의 픽셀을 추출하면 도 4 의 (c)와 같다. 또한, 도 4 의 (d)와 같이, 이렇게 추출된 한반도 영역에 공간 해상도 1㎞인 RAR 강수자료를 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간일치시킨다. 이때, 정지궤도 픽셀의 ±0.01° 내의 RAR 강수값의 평균값을 산출하여 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장함으로써 공간일치를 할 수 있다.
상술한 바와 같이 각 정지궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료에 대한 전처리 작업이 완료되면(310,320), 각 강수자료의 확률밀도함수(PDF) 를 산출한다(410). 이때, 공간일치된 각 정지궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료를 0.1(㎜/h) 부터 50(㎜/h) 사이를 5000구간으로 나누어 두 자료가 동시에 0 보다 큰 값을 가지는 경우의 강수자료를 이용하여 PDF 가 산출될 수 있다.
또한, 상기 PDF 를 적분하여 각 강수자료의 CDF 를 산출한다(420). 이렇게 산출된 정지궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료의 CDF 는 도 5 와 같다. 본 실시예는 산출된 CDF 를 이용하여 정지궤도위성 강수자료를 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 보정작업을 수행한다(430). 이러한 보정작업은 도 5 에 도시된 바와 같이 RAR 강수자료(R(x))의 CDF 에 역함수를 취하여 해당 역함수에 정지궤도위성 강수자료의 CDF(G(x)) 값을 대입함으로써 수행될 수 있다. 이로써 도 6 에 도시된 바와 같이 보정전의 정지궤도위성 강수자료(도 6 의 (a)) 가 누적밀도함수에 의해 보정된 정지궤도위성 강수자료(도 6 의 (b))를 얻을 수 있다.
이렇게 보정된 정지궤도위성 강수자료는 추후 저궤도위성 강수자료와 결합하여 최종 산출물인 강수 합성장의 배경요소로 이용될 수 있다.
이하에서는, 도 7 을 참조하여 저궤도위성 강수자료를 처리하는 과정을 상세히 설명한다.
도 7 을 참조하면, 먼저 합성영역(예컨대, 동아시아 영역 또는 전구영역) 과 합성시간(기준시간) 을 선택받고(210), 합성시간을 포함하는 저궤도위성 강수자료를 추출한다(220,230,240). 저궤도위성 강수자료를 추출하는 방법은 합성시간에 해당하는 날짜의 폴더를 모두 검색하고(220), 해당 시각을 포함하는 강수자료의 존재 여부를 확인한다(230). 이때, 해당 날짜의 폴더에는 합성의 대상이 될 저궤도위성 강수자료가 미리 설정된 개수 이상을 포함하고 있어야함을 제한둘 수 있다.
또한, 강수자료가 존재하면(230), 해당 강수자료가 픽셀수가 미리 설정된 개수보다 커야 합성대상이 되는 강수자료로서 전처리과정에 입력한다(240).
합성대상의 저궤도위성 강수자료의 추출이 완료되면(220,230,240), 정지궤도위성의 위/경도를 기준으로 저궤도위성 강수자료의 공간을 일치시키는 전처리 과정을 수행한다(300). 구체적으로, 정지궤도위성 강수자료의 위/경도와 저궤도위성 강수자료의 위/경도의 차이값의 합이 미리 설정된 문턱값보다 작도록 저궤도위성 강수자료의 강수값을 추출하고 이를 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값으로 저장한다. 상술한 바와 같은 과정을 통해 전처리과정이 이루어진 저궤도위성 강수자료의 일 예는 도 8 과같다. 도 8 을 참조하면, 도 8 의 (a) 는 전처리전 저궤도위성 강수자료의 일 모습으로서 GPM GMI 센서에서 측정된 2015년 8월 20일 20:28~20:39 시간대의 한반도 강수자료 모습이다. 상술한 전처리과정에 따르면, 도 8 의 (c) 에 도시된 정지궤도위성 강수자료와 시공간이 일치된 RAR 강수자료(2015년 8월 20일 20:30) 와 비교될 수 있도록 도 8 의 (b) 와 같이 저궤도위성 강수자료의 시공간이 일치작업(문턱값 0.2, 2015년 8월 20일 20:33~20:36)이 이루어진다.
상술한 바와 같이, 합성대상의 저궤도위성 강수자료의 전처리작업이 완료되면(300), RAR 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 PDF 를 산출하고(410), 이를 이용해 CDF 를 산출(420)하며 저궤도위성 강수자료의 확률분포를 RAR 강수자료의 확률분포로 사상시키는 보정작업(430)이 이루어진다. 보정방법은 정지궤도위성 강수자료의 것과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 한편, 저궤도위성 강수자료의 시공간적 제약으로 인해 각 저궤도위성이 한반도를 지나고 강수가 존재한 케이스를 갖는 저궤도위성 강수자료만을 갖고 CDF 가 산출되도록 설정할 수 있다.
저궤도위성 강수자료의 보정이 완료되면(410,420,430), 이를 이용하여 1차적 저궤도위성 합성장을 생성한다(510). 즉, 도 9 에 도시된 바와 같은 다수의 보정된 저궤도위성 강수자료를 결합하여 저궤도위성의 제 1 합성장을 생성할 수 있다(510). 구체적으로, 보정된 저궤도위성 강수자료의 강수값과 RAR 강수값을 비교하여 정확도를 산출하고, 이를 기초로 소정의 가중치를 산출하며, 산출된 가중치를 각각의 저궤도위성 강수자료에 적용하고 이를 결합하여 제 1 합성장을 생성한다.
또한, 제 1 합성장은 모핑 및 내삽 과정(520)을 거쳐서 예측장이 생성될 수 있고, 이렇게 생성된 예측장과 제 1 합성장이 결합하여 정지궤도위성 강수자료와 결합할 제 2 합성장이 생성된다.
한편, 도 9 에서와 같이, 저궤도위성은 400~1000㎞의 고도에서 7~8㎞/h 의 빠른 속도로 이동하며 관측하므로 특정 시간에서의 이용될 수 있는 강수자료는 제한적이다. 도 9 는 30분 반경의 저궤도위성 강수자료로 제 1 합성장을 만드는 모습인데, 이렇게 생성된 제 1 합성장은 동아시아 영역을 완전히 채우지 못한다. 따라서, 본 실시예에서는, 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고 이를 통해 전방/후방으로 이동한 예측장을 생성하고 이들을 소정의 가중치로 결합하여 모핑된 예측장을 생성하는 과정을 거친후 모핑된 예측장과 제 1 합성장을 결합하여 최종적인 저궤도위성 강수자료의 합성장을 산출한다. 도 10 은 모핑된 예측장을 생성하는 과정을 도시한 도면이다. 도 10 을 참조하면, 제 1 합성장의 기준시간이 4시일 경우, 5시의 저궤도위성 강수자료를 추출하고, 같은 시간대의 IR 이동벡터를 이용하여 전방으로 1시간 이동한 4시의 예측장(도 10의 (a)) 을 생성한다. 또한, 3시 30분의 저궤도위성 강수자료를 추출하고, 같은 시간대의 IR 이동벡터를 이용하여 후방으로 30분 이동한 4시의 예측장(도 10의 (b)) 을 생성한다. 최종적으로, 생성된 예측장들을 소정의 가중치를 통해 결합하여 모핑된 예측장(도 10 의 (c)) 을 생성한다. 이때, 소정의 가중치는 전방이나 후방으로 이동한 예측장을 생성할 때 기준시간과 멀어질수록 오차가 커지므로 시간에 따른 역가중치를 주어 융합할 수 있다. 도 10 에 따르면, 3시 30분 보다 5시가 기준시간인 4시와 멀기 때문에, 5시로부터의 예측장에 적용할 가중치값이 3시 30분으로부터의 예측장에 적용할 가중치값보다 작다. 도 10 의 (c) 의 모핑된 예측장은 아래 [수학식 8] 에 따라 생성된다.
[수학식 8]
P0400=0.67P0330+0.33P0500
상술한 바와 같이, 저궤도위성 강수자료의 제 1 합성장과 예측장이 생성되면 이 둘을 결합하여 제 2 합성장을 생성하여 이를 정지궤도위성 강수자료와 결합할 저궤도위성 합성장으로 저장한다.
또한, 도 11 에 도시된 바와 같이, 최종적으로 보정후 정지궤도위성 강수자료(도 11 의 (a))와 저궤도위성 합성장(도 11 의 (b))을 결합하여 강수 합성장(도 11 의 (c))을 생성(530)한다. 이로써, 비교적 측정값이 정확한 저궤도위성 합성장의 강수값으로 강우강도값을 제공하되, 그 빈 공간은 정지궤도위성 강수자료로 대체하여 빈공간없는 강수 합성장을 제공할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 여러 개의 저궤도위성의 강수자료를 보정 및 합성하고, 정지궤도위성의 강수자료를 기상레이더 강수자료를 이용하여 보정하고, 이들을 결합함으로써 보다 정확하고 관측공백이 없는 강수추정 시스템을 구축할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기상레이더 시스템
20: 저궤도위성 시스템
30: 정지궤도위성 시스템
100: 다중위성 강수자료 합성장치

Claims (28)

  1. 적어도 하나 이상의 기상레이더 및 저궤도위성과 정지궤도 위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성 장치로서,
    상기 기상레이더, 저궤도위성 및 정지궤도위성으로부터 강수자료를 수집하는 강수자료 수집부;
    상기 기상레이더 강수자료를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 정지궤도위성 강수자료 보정부;
    적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료와 상기 기상레이더 강수자료를 상기 강수자료 수집부로부터 추출하고, 상기 기상레이더 강수자료를 이용하여 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 보정하고, 상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 합성하는 저궤도위성 강수자료 합성부; 및
    상기 보정된 정지궤도위성 강수자료와 상기 합성된 저궤도위성 강수자료를 결합하여 강수 합성장을 생성하는 강수자료 결합부를 포함하는 다중위성 강수자료 합성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지궤도위성 강수자료 보정부는,
    상기 기상레이더 강수자료와 상기 정지궤도위성 강수자료의 시공간과 해상도를 상호 일치시키는 전처리 과정을 수행하는 전처리부; 및
    상기 전처리된 기상레이더 강수자료와 정지궤도위성 강수자료를 기초로 분위 정규화 기법(quantile normalization) 을 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 보정부를 포함하는 다중위성 강수자료 합성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기상 레이더 강수자료는 AWS(Automatic weather station) 로 보정된 지상 레이더 강수자료로서 RAR(Radar-AWS Raiinrate) 강수자료인 다중위성 강수자료 합성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전처리부는
    상기 RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀을 추출하고, 상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시키는 다중위성 강수자료 합성장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시키는 것은, 아래 수학식에 따라 상기 정지궤도 위성 강수자료의 픽셀을 중심으로 ±0.01° 내의 RAR 강수값의 평균값을 산출하여 상기 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하는 것인 다중위성 강수자료 합성장치.
    P(a,b)=mean(P({(a´,b´)|a-a´|＜0.01&|b-b´|＜0.01})
    여기서, P는 픽셀값을 나타내고, (a,b)는 정지궤도 위성의 위/경도를 나타내며, (a´, b´) 는 RAR 의 위/경도를 나타낸다.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 보정부는
    동시간대의 RAR 강수자료와 정지궤도 위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고,
    상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고,
    상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 다중위성 강수자료 합성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정지궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 것은, 아래 수학식에 따라 상기 RAR 강수자료의 누적 밀도 함수에 역함수를 취하여 상기 정지궤도위성 강수자료의 강수값을 보정하는 것인 다중위성 강수자료 합성 장치.
    y=R-1(G(x))
    여기서 x 는 보정전 정지궤도위성 강수자료의 강수값이고, y는 보정후 정지궤도위성 강수자료의 강수값이고, R 은 RAR 강수자료의 CDF 이고, G 는 정지궤도 위성 강수자료의 CDF 이다.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 강수자료 합성부는,
    상기 저궤도위성 강수자료를 합성하기 위한 합성 영역과 시간을 선택하고 상기 선택된 합성 영역과 시간을 포함하는 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 상기 강수자료 수집부로부터 추출하는 저궤도위성 강수자료 추출부;
    상기 추출된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를, 상기 정지궤도위성 강수자료 및 RAR 강수자료와 시공간을 상호 일치시키는 전처리를 수행하는 저궤도위성 강수자료 전처리부; 및
    상기 전처리된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료와 RAR 강수자료를 기초로 분위 정규화 기법(quantile normalization) 을 이용하여 상기 저궤도위성 강수자료를 보정하는 저궤도위성 강수자료 보정부를 포함하는 다중위성 강수자료 합성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 강수자료 전처리부는
    상기 추출된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에서 상기 정지궤도위성 강수자료와 가장 가까운 시간대의 저궤도위성 강수자료를 추출하고,
    상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도에 가장 가까운 저궤도위성 강수자료의 강수값으로 상기 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값을 저장하는 다중위성 강수자료 합성장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 강수자료 전처리부는
    상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도와 상기 저궤도위성 강수자료의 위/경도의 차이값의 합이 미리 설정된 문턱값보다 작도록 상기 저궤도위성 강수자료의 강수값을 추출하고 이를 상기 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값으로 저장하는 다중위성 강수자료 합성장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 강수자료 보정부는
    상기 RAR 강수자료와 상기 저궤도위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고,
    상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료와 저궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고,
    상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 저궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 다중위성 강수자료 합성 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 강수자료 합성부는
    상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 소정의 가중치를 적용후 합성하여 제 1 합성장을 생성하는 가중치 합성부;
    상기 제 1 합성장의 기준시간으로부터 소정시간 앞/뒤의 저궤도위성 강수자료를 추출하고 상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 기초로 상기 기준시간의 예측장을 생성하는 모핑 및 내삽부; 및
    상기 제 1 합성장과 상기 예측장을 결합하여 제 2 합성장을 생성하는 합성장 생성부를 더 포함하는 다중위성 강수자료 합성장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가중치 합성부는,
    상기 보정된 저궤도위성 강수자료의 강수값을 기초로 정확도를 산출하고, 상기 산출된 정확도를 기초로 아래 수학식에 따라 i 번째 저궤도위성의 가중치인 ui=vi/W 를 산출하는 다중위성 강수자료 합성장치.
    Figure 112017002940119-pat00029

    여기서, vi 는 비정규화된 가중치이며, W는 vi를 정규화시키기 위한 비정규화된 가중치 vi 의 합이다. Rs 는 상기 저궤도위성 강수값과 RAR 강수값의 차의 표준편차에 RAR 강수값의 평균으로 나눈 상대표준편차값이고, ETS(equitable treat score) 는 아래 수학식에 의해 정의된다.
    ETS=
    Figure 112017002940119-pat00030
    , w=
    Figure 112017002940119-pat00031

    여기서, a 는 기준 강수값이 미리 설정된 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, b 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이며, c 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, d 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이다.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가중치 합성부는,
    상기 산출된 가중치를 아래 수학식에 따라 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 적용하여 상기 제 1 합성장을 생성하는 다중위성 강수자료 합성장치.
    Figure 112017002940119-pat00032

    여기서, P 는 제 1 합성장이고, P0, P1 은 보정된 저궤도위성 강수자료이고,
    Figure 112017002940119-pat00033
    ,
    Figure 112017002940119-pat00034
    은 가중치값이다.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 모핑 및 내삽부는,
    상기 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고,
    상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 상기 IR 이동벡터를 이용하여 전방/후방으로 이동시킨 예측장을 생성하고,
    상기 생성된 예측장 각각에 소정의 가중치를 적용후 결합하여 모핑된 예측장을 생성하는 다중위성 강수자료 합성장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 모핑 및 내삽부는,
    복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료를 추출 및 정규화하고,
    미리 저장된 단일 상수벡터 또는 이동벡터를 초기 IR 이동벡터로 설정하고,
    상기 초기 IR 이동벡터를 기초로 상기 정규화된 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료 사이의 차이와 상기 IR 이동벡터의 평활값으로 비용함수를 산출하고,
    상기 비용함수를 최소화하여 IR 이동벡터를 산출하는 것인 다중위성 강수자료 합성장치.
  17. 적어도 하나 이상의 기상 레이더 및 저궤도위성과 정지궤도 위성으로부터의 강수자료를 합성하는 다중위성 강수자료 합성방법으로서,
    상기 강수자료를 합성하기 위한 합성영역과 시간을 선택하고 상기 선택된 합성영역과 시간을 포함하는 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료, 기상레이더 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 추출하고,
    상기 추출된 저궤도위성 강수자료, 상기 정지궤도위성 강수자료 및 기상레이더 강수자료의 시공간 및 해상도를 상호 일치시키는 전처리를 수행하고,
    상기 전처리된 기상레이더 강수자료를 이용하여 상기 전처리된 저궤도위성 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 보정하고,
    상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료를 상호 합성하여 저궤도위성 합성장을 생성하고,
    상기 보정된 정지궤도위성 강수자료와 상기 저궤도위성 합성장과 결합하는 다중위성 강수자료 합성 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 기상레이더 강수자료는 AWS(Automatic weather station) 로 보정된 지상 레이더 강수자료로서 RAR(Radar-AWS Raiinrate) 강수자료인 다중위성 강수자료 합성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전처리를 수행하는 것은,
    상기 RAR 강수자료의 레이더 에코영역과 매칭되는 상기 정지궤도 위성 강수자료 내의 픽셀을 추출하고, 상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시킴으로써 상기 RAR 강수자료와 상기 정지궤도위성 강수자료의 시공간 및 해상도를 일치시키고,
    상기 저궤도위성 강수자료에서 상기 정지궤도위성 강수자료와 가장 가까운 시간대의 저궤도위성 강수자료를 추출하고, 상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도에 가장 가까운 저궤도위성 강수자료의 강수값을 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하여 상기 저궤도위성 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 시공간 및 해상도를 일치시키는 것인 다중위성 강수자료 합성방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 RAR 강수자료를 상기 추출된 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀과 동일하게 공간을 일치시키는 것은,
    아래 수학식에 따라 상기 정지궤도 위성 강수자료의 픽셀을 중심으로 ±0.01° 내의 RAR 강수값의 평균값을 산출하여 상기 정지궤도위성 강수자료 내의 픽셀값으로 저장하는 것인 다중위성 강수자료 합성방법.
    P(a,b)=mean(P({(a´,b´)|a-a´|＜0.01&|b-b´|＜0.01})
    여기서, P는 픽셀값을 나타내고, (a,b)는 정지궤도위성 강수자료의 위/경도를 나타내며, (a´, b´) 는 RAR 강수자료의 위/경도를 나타낸다.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 강수자료와 정지궤도위성 강수자료의 시공간 및 해상도를 일치시키는 것은,
    상기 정지궤도위성 강수자료의 위/경도와 상기 저궤도위성 강수자료의 위/경도의 차이값의 합이 미리 설정된 문턱값보다 작도록 상기 저궤도위성 강수자료의 강수값을 추출하고 이를 상기 정지궤도위성 강수자료의 픽셀값으로 저장하는 다중위성 강수자료 합성방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 전처리된 저궤도위성 강수자료 및 정지궤도위성 강수자료를 보정하는 것은,
    상기 RAR 강수자료, 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 확률밀도함수(probability density function;PDF) 를 각각 산출하고,
    상기 확률밀도함수를 적분하여 상기 RAR 강수자료, 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 누적 밀도 함수(cumulative density function;CDF)를 각각 산출하고,
    상기 산출된 누적 밀도 함수를 이용하여 상기 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 다중위성 강수자료 합성 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 확률 분포를 상기 RAR 강수자료의 확률분포에 사상시키는 것은,
    아래 수학식에 따라 상기 RAR 강수자료의 누적 밀도 함수에 역함수를 취하여 상기 정지궤도위성 강수자료 및 저궤도위성 강수자료의 강수값을 보정하는 것인 다중위성 강수자료 합성 방법.
    y=R-1(G(x))
    여기서 x 는 보정전 정지궤도위성 강수자료 또는 저궤도위성 강수자료의 강수값이고, y는 보정후 정지궤도위성 강수자료 또는 저궤도위성 강수자료의 강수값이고, R 은 RAR 강수자료의 CDF 이고, G 는 정지궤도위성 강수자료 또는 저궤도위성 강수자료의 CDF 이다.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 저궤도위성 합성장을 생성하는 것은,
    상기 보정된 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 소정의 가중치를 적용후 합성하여 제 1 합성장을 생성하고,
    상기 제 1 합성장의 기준시간으로부터 소정시간 앞/뒤의 저궤도위성 강수자료를 추출하고 상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 기초로 상기 기준시간의 예측장을 생성하고,
    상기 제 1 합성장과 상기 예측장을 결합하여 제 2 합성장을 생성하고 상기 제 2 합성장을 상기 저궤도위성 합성장으로 저장하는 것인 다중위성 강수자료 합성방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 보정된 저궤도위성 강수자료의 강수값을 기초로 정확도를 산출하고, 상기 산출된 정확도를 기초로 아래 수학식에 따라 상기 소정의 가중치로서, i 번째 저궤도위성의 가중치인 ui=vi/W를 산출하는 것을 더 포함하는 다중위성 강수자료 합성방법.
    Figure 112017002940119-pat00035

    여기서, vi는 비정규화된 가중치이며, W는 vi를 정규화시키기 위한 비정규화된 가중치 vi의 합이다. Rs 는 상기 저궤도위성 강수값과 RAR 강수값의 차의 표준편차에 RAR 강수값의 평균으로 나눈 상대표준편차값이고, ETS(equitable treat score) 는 아래 수학식에 의해 정의된다.
    ETS=
    Figure 112017002940119-pat00036
    , w=
    Figure 112017002940119-pat00037

    여기서, a 는 기준 강수값이 미리 설정된 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, b 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이며, c 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 크거나 같은 픽셀수를 카운팅한 값이고, d 는 기준 강수값이 상기 문턱값보다 작고 저궤도위성 강수값이 상기 문턱값보다 작은 픽셀수를 카운팅한 값이다.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 합성장을 생성하는 것은,
    상기 산출된 가중치를 아래 수학식에 따라 상기 적어도 하나 이상의 저궤도위성 강수자료에 적용하여 생성하는 것인 다중위성 강수자료 합성방법.
    Figure 112017002940119-pat00038

    여기서, P 는 제 1 합성장이고, P0, P1 은 보정된 저궤도위성 강수자료이고,
    Figure 112017002940119-pat00039
    ,
    Figure 112017002940119-pat00040
    은 가중치값이다.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 예측장을 생성하는 것은,
    상기 정지궤도위성 강수자료로부터 IR 이동벡터를 산출하고,
    상기 추출된 저궤도위성 강수자료를 상기 IR 이동벡터를 이용하여 전방/후방으로 이동한 예측장을 생성하고,
    상기 생성된 예측장 각각에 소정의 가중치를 적용후 결합하여 모핑된 예측장을 생성하는 것인 다중위성 강수자료 합성방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 IR 이동벡터를 산출하는 것은,
    복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료를 추출 및 정규화하고,
    미리 저장된 단일 상수벡터 또는 이동벡터를 초기 IR 이동벡터로 설정하고,
    상기 초기 IR 이동벡터를 기초로 상기 정규화된 복수개의 다른 시간대의 정지궤도위성 강수자료 사이의 차이와 상기 IR 이동벡터의 평활값으로 비용함수를 산출하고,
    상기 비용함수를 최소화하여 상기 IR 이동벡터를 산출하는 것인 다중위성 강수자료 합성방법.
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