KR101943760B1 - 도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템과 이를 이용하는 바람응용정보 추출 장치 - Google Patents
도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템과 이를 이용하는 바람응용정보 추출 장치 Download PDFInfo
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Abstract
도시지역 대기환경개선을 위한 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템과 이를 이용하는 바람응용정보 추출 장치가 개시된다. 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템은, 외부 또는 내부 데이터베이스로부터 도시표면자료를 획득하는 도시지표자료 획득부; 건물규모 해상도의 바람 응용정보를 추출하기 위해 중규모기상모델과 큰에디모사모델을 접합하여 지역의 기상장을 소정 사이즈의 대상지역에 배치하는 배치부; 지형의 고도와 건물배치와 형태특성에 따라 주변 대기흐름의 영향을 포함한 수평 및 연직 바람성분을 분석하고 이러한 분석을 통해 대기의 환기와 정체에 대한 상세정보를 산출하는 대기흐름 자료 산출부; 미리 준비되거나 미리 설정되거나 실시간 획득한는 배출원별 배출량 자료에 기초하여 입자상물질(PM10) 농도를 기준으로 산정하고 이를 토대로 각 지역별 오염물질 배출량을 적용하는 오염물질 배출량 적용부; 도시지표자료 획득부에 의해 획득한 도시지표 모수를 적용한 후 도시지표면모델을 적용하는 도시지표면모델 적용부; 및 실제 바람관측자료를 이용하여 식생이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우를 검증수치로 비교하여 계산하는 식생캐노피모델 적용부를 포함한다.
Description
본 발명의 실시예는 도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템과 이를 이용하는 바람응용정보 추출 장치에 관한 것이다.
대기 경계층은 지면 마찰력 영향에 가장 민감한 대기층이며 지표에 의한 역학적 혼합이 지배적인 접지경계층은 연직 바람분포가 대수법칙을 따르며 경계층 하부 약 10% 정도에 분포하는 것으로 알려져 있다(Oke, 1997). 도시 캐노피 모수 (Urban Canopy Parameter, UCP)가 도시 지표에 의한 에너지 수지 변화, 지면 마찰, 난류운동에너지 추가 생성 등을 설명하고 도시열섬 및 대기오염물질 확산 연구에 다양하게 응용되고 있다(Vukovich, 1971; Barlag and Kuttler, 1991; Bottema, 1996; Gal and Sumeghy, 2007).
수치모델의 해상도가 증가할수록 특정 지역 및 도시에 적합한 UCP 설명 필요성이 높아지고 있으나 도시의 구조 및 지표면의 복잡성은 동일한 분류체계 내에서도 큰 차이를 보이고 있기 때문에 특정 도시의 복잡성이 고려된 UCP가 필요하다.
최근 지표면 근처의 접지기층 풍속, 풍향, 운동량, 난류 강도 등의 대기 흐름과 관련 있는 도시지역 지표면 모수들을 목록화한 도시지표면모델을 적용하는 기술에 대한 연구가 수행되고 있고, 디지털화된 3차원 건물과 식생 자료들 및 고해상도 영상들이 가용해지면서 도시 전체와 같은 광범위한 영역을 대상으로 지표의 형태 및 특성 모수화 연구가 효과적으로 수행될 수 있게 되었다(Ratti and Richens, 1999; Priestnall and Duncan, 2000; Saatchi et al., 2001; Burian et al., 2004; Ratti et al., 2006; Steiniger et al., 2008; Ng et al., 2011;).
본 발명은 실제 기상장, 중규모의 대기오염물질 수송량, 도시지표면 구성에 따른 지표가열, 식생의 영향 등을 산정하여 보행자 높이에서의 대기의 흐름, 열 환경특성, 오염물질확산 등의 대기환경을 예측·평가하고 그 결과를 검증 및 활용하는 기술을 제공하여, 도시지역의 대기환경개선, 열 환경개선, 대기오염대응정책에 활용하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템과 이를 이용하는 바람응용정보 추출 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템은, 도시지역 대기환경개선을 위한 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템으로서, 외부 또는 내부 데이터베이스로부터 도시표면자료를 획득하는 도시지표자료 획득부; 건물규모 해상도의 바람 응용정보를 추출하기 위해 중규모기상모델과 큰에디모사모델을 접합하여 지역의 기상장을 소정 사이즈의 대상지역에 배치하는 배치부; 지형의 고도와 건물배치와 형태특성에 따라 주변 대기흐름의 영향을 포함한 수평 및 연직 바람성분을 분석하고 이러한 분석을 통해 대기의 환기와 정체에 대한 상세정보를 산출하는 대기흐름 자료 산출부; 미리 준비되거나 미리 설정되거나 실시간 획득한 배출원별 배출량 자료에 기초하여 입자상물질(PM10) 농도를 기준으로 산정하고 이를 토대로 각 지역별 오염물질 배출량을 적용하는 오염물질 배출량 적용부; 상기 도시지표자료 획득부에 의해 획득한 도시지표 모수를 적용하고 도시지표면모델을 적용하는 도시지표면모델 적용부; 및 실제 바람관측자료를 이용하여 식생이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우를 검증수치로 비교하여 계산하는 식생캐노피모델 적용부를 포함한다.
일실시예에서, 상기 대기흐름 자료 산출부는 대상지역의 열적 효과들을 고려한 대기흐름 정보를 산출할 수 있다.
일실시예에서, 상기 도시지표면모델의 모수 자료는 토지피복 종별과 건물 재질특성에 따라 다르게 나타나며, 상기 모수 자료는 열전도도, 열방출율, 열용량, 반사도를 포함하고 낮 동안의 태양복사 지표 흡수와 방출을 결정하는데 이용될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 바람응용정보 추출 장치는, 전술한 도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템을 이용하는 바람응용정보 추출 장치로서, 상기 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템에서 획득한 진단 및 예측 정보에 기초하여 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역, 시간대별 열적 특성, 또는 이들의 조합에 대한 자료를 산출하는 자료산출부; 및 상기 자료산출부에서 산출된 자료에 기초하여 가로수 식재 및 공원조성의 대기흐름 및 열환경 개선을 위한 제1 활동요소, 차량 통행과 대기오염물질 배출량 감소를 포함한 대기오염완화를 위한 제2 활동요소 중 적어도 어느 하나의 적용효과 또는 적용결과를 분석하는 적용분석부를 포함한다.
일실시예에서, 바람응용정보 추출장치는, 상기 자료산출부에서 산출된 자료를 검증하는 검증부를 더 포함하며, 상기 검증부는 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역 및 시간대별 열적 특성을 각각 검증하는 제1 내지 제4 검증 모듈들을 구비할 수 있다.
전술한 본 발명의 도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템과 이를 활용하는 바람응용정보 추출 장치를 이용하면, 태양복사량과 지표구성물질 재질에 따른 특성(열용량, 반사도, 방출율, 전도도)등을 고려하여 실제적인 지표온도 예측이 가능하며, 지표온도의 영향이 반영된 도시대기흐름에 대한 수m 해상도의 정보화가 가능하다. 또한, 산출된 정보를 바탕으로 도시 열환경 정책 등이 도시대기흐름에 미치는 영향과 효과 분석에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 중규모 모델과 큰에디모사 모델의 접합 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 도시오염물질모의 적용 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 열화상카메라와 접촉식 온도계를 이용한 지표면온도와 건물표면온도 일변화예측 검증 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 식생캐노피모델 적용 유무에 따른 검증 결과를 보여주는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 대기오염물질 농도분포 모의 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 도시지표구성물질변화에 따른 기온 및 대기흐름 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바람응용정보 추출 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 중규모 모델과 큰에디모사 모델의 접합 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 도시오염물질모의 적용 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 열화상카메라와 접촉식 온도계를 이용한 지표면온도와 건물표면온도 일변화예측 검증 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 식생캐노피모델 적용 유무에 따른 검증 결과를 보여주는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 대기오염물질 농도분포 모의 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 도시지표구성물질변화에 따른 기온 및 대기흐름 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바람응용정보 추출 장치에 대한 블록도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상세 기류 진단 및 예측 정보 산출 시스템(이하, 간략히 '정보 산출 시스템'이라 한다)에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 정보 산출 시스템(100)은, 도시지표자료 획득부(110), 배치부(120), 대기흐름 자료 산출부(130), 오염물질 배출량 적용부(140), 도시지표면모델 적용부(150) 및 식생캐노피모델 적용부(160)를 포함하며, 이러한 구성부들과 이들의 결합에 의해 도시지역 대기환경 개선을 위한 상세 기류 진단 및 예측 정보를 산출한다.
도시지표자료 획득부(110), 배치부(120) 및 대기흐름 자료 산출부(130)의 조합은 데이터베이스화부(110a)로 지칭될 수 있다. 이 경우, 데이터베이스화부(110a)는 지리정보시스템 자료를 활용하여 도시지역의 지형, 건물, 도로, 식생 등의 토지피복의 형태와 특성을 데이터베이스(database, DB)로 구축하여 관리할 수 있다.
도시지표자료 획득부(110)는 지리 정보 체계(geographic information system, GIS) 자료를 이용한 도시표면자료를 획득할 수 있다. 도시지표자료 획득부(110)는 본 실시예에 따른 정보 산출 시스템을 위해 준비된 도시표면자료에서 원하는 정보를 획득할 수 있다. 도시표면자료는 지형의 고도 정보를 나타내는 'DEM', 건물높이 정보를 나타내는 'DBM', 토지피복의 종별을 분류하는 'LU', 식생의 높이 정보를 나타내는 'VEM', 식생지역 중 식생의 밀도 정보를 나타내는 'LA_DEN' 등을 포함할 수 있다.
도시지표자료 획득부(110)는 정보 산출 시스템(100)에 포함된 데이터베이스나 저장장치에서 도시표면자료를 획득할 수 있다. 또한, 도시지표자료 획득부(110)는 정보 산출 시스템(100)의 통신장치를 통해 연결되는 네트워크 상의 데이터베이스 시스템, 서버 장치 혹은 클라이언트 장치로부터 도시표면자료를 획득할 수 있다. 이러한 도시표면자료는 미리 정해진 일정, 시간, 조건, 설정 등에 따라 외부 장치에서 도시지표자료 획득부(110)로 전달되거나 도시지표자료 획득부(110)에서 외부 장치에 접근하여 직접 획득할 수 있다.
배치부(120)는 중규모기상모델과 큰에디모사모델을 접합하고 건물규모 해상도의 바람 응용정보 즉, 도시환기정보, 바람정체정보, 도시강풍정보 등을 추출하기 위해 접합된 영역에 대응하는 지역의 기상장을 소정 사이즈의 대상지역 내에 배치할 수 있다.
대기흐름 자료 산출부(130)는 지형의 고도와 건물배치와 형태특성에 따라 주변 대기흐름의 영향을 포함한 수평 및 연직 바람성분을 분석하고 이러한 분석을 통해 대기의 환기와 정체에 대한 상세정보를 산출할 수 있다. 또한, 대기흐름 자료 산출부(130)는 대상지역의 열적 효과들을 고려한 대기흐름 정보를 산출할 수 있다. 대기흐름 자료는 오염물질 확산과 농도 분포 분석의 기초자료로 활용될 수 있다.
오염물질 배출량 적용부(140)는 미리 준비되거나 미리 설정되거나 실시간 제공되는 배출원별 배출량 자료 등에 기초하여 입자상물질(PM10) 농도 등을 기준으로 산정하고 이를 토대로 각 지역별 예를 들어 공업지역, 교통지역, 주거지역 등에 대한 배출량을 적용시킬 수 있다.
도시지표면모델 적용부(150)는 도시지표 모수를 적용한 후 도시지표면모델을 적용할 수 있다. 도시지표면모델의 모수 자료는 토지피복 종별과 건물 재질특성에 따라 다르게 나타난다. 모수 자료는 열전도도, 열방출율, 열용량, 반사도 등으로 구성되며 낮 동안의 태양복사 지표 흡수와 방출을 결정한다. 도시지표면모델 적용부(150)를 적용하면, 본 실시예의 정보 산출 시스템은 태양복사 지표 흡수와 방출에 의해 영향을 받는 지표온도, 기온, 대기흐름 변화를 고려하여 그리고 지표구성에 따른 태양열 흡수 및 방출 차이를 고려하여 지표온도, 대기흐름, 기온 또는 이들의 조합에 대한 상세 분석을 수행할 수 있다. 또한, 상세 분석에서는 수분 간격의 상세 온도 변화 패턴 분석을 통해 각 격자 지점의 가열과 냉각이 대기흐름과 기온에 미치는 영향을 산출할 수 있다.
식생캐노피모델 적용부(160)는 실제 바람관측자료를 이용하여 식생이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우를 검증수치로 비교하여 계산할 수 있다.
정보 산출 시스템(100)은 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다. 또한, 정보 산출 시스템(100)은 프로세서와 메모리를 구비할 수 있다. 이 경우, 전술한 구성부들(110 내지 130) 중 적어도 하나 이상은 메모리에 저장되고 프로세서에 의해 수행되어 해당 기능을 수행하도록 구현될 수 있다.
또한, 정보 산출 시스템(100)의 적어도 하나의 구성부는 소프트웨어적인 구성으로 컴퓨터에서 처리 가능한 프로그램으로 제작 가능하다. 즉, 본 실시예의 정보 산출 시스템(100)에 포함되는 구성부는 소프트웨어 또는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 FPGA(field programmable gate array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 하드웨어 구성요소로 구현될 수 있다.
또한, 정보 산출 시스템(100)의 적어도 하나의 구성부는, 상술한 소프트웨어 또는 하드웨어로 한정되지는 않고, 적어도 하나의 구성부는 중앙처리장치나 프로세서에 의해 어드레싱 가능한 적어도 하나의 저장 매체에 저장되도록 구현될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 중규모기상모델의 기상장을 큰에디모사모델(PALM)에 초기·경계 조건으로 입력하는 시공간 선형보간-접합법을 통해 건물규모 해상도의 바람장과 바람응용정보를 산출하는 체계를 제공할 수 있다. 즉, 먼저 지리정보시스템자료를 활용하여 도시지역의 지형, 건물, 도로, 식생 등의 토지피복의 형태와 특성을 데이터베이스화하고, 다음 도시지역 내 대기오염물질 배출원과 배출량을 산정하는 체계를 구축하여 적용하고, 다음 도시지표면모델을 적용하고, 마지막으로 식생캐노피모델 적용할 수 있다.
또한, 바람응용정보의 산출을 위해, 보행자 고도의 바람길, 대기환기도, 오염물질 정체지역, 시간대별 열적 특성에 대한 정보를 산출할 수 있다. 그리고, 산출된 자료를 검증하는 단계를 추가할 수 있다. 아울러, 산출 결과로부터 가로수 식재 및 공원조성 등의 대기흐름 및 열환경 개선을 위한 활동요소와, 차량 통행, 대기오염물질 배출량 감소 등의 대기오염완화를 위한 활동요소를 적용하여 그 효과를 분석하고 결과를 도출할 수 있다.
이하에서는 특정 실시예를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 중규모 모델과 큰에디모사 모델의 접합 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 도시오염물질모의 적용 모듈을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 열화상카메라와 접촉식 온도계를 이용한 지표면온도와 건물표면온도 일변화예측 검증 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 식생캐노피모델 적용 유무에 따른 검증 결과를 보여주는 예시도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 대기오염물질 농도분포 모의 과정을 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 정보 산출 시스템에 채용할 수 있는, 도시지표구성물질변화에 따른 기온 및 대기흐름 변화를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, GIS 자료를 이용하여 도시표면자료를 구축할 수 있다.
구축된 도시표면자료는 지형의 고도 정보를 나타내는 'DEM', 건물높이 정보를 나타내는 'DBM', 토지피복의 종별을 분류하는 'LU', 식생의 높이 정보를 나타내는 'VEM', 식생지역 중 식생의 밀도정보를 나타내는 'LA_DEN' 등을 포함할 수 있다.
다음, 도 2에 도시한 바와 같이, 중규모기상 모델과 큰에디모사 모델을 접합하고 배치 또는 네스팅(nesting)할 수 있다.
중규모기상모델의 기상장을 큰에디모사모델(PALM)에 초기·경계 조건으로 입력하는 시공간 선형보간-접합법을 사용할 수 있다. 지역별상세관측자료(AWS; Automatic Weather Station)를 이용하여 모의된 건물규모 바람장을 검증하는 체계를 구축할 수 있다. 일례로, 서울시를 대상으로 기상 시나리오별 큰에디모사모델을 이용하여 건물규모 해상도의 바람 응용정보 즉, 도시환기정보, 바람정체정보, 도시강풍정보를 추출할 수 있다.
다음, 대기흐름 자료를 산출할 수 있다.
본 과정에서는 지형의 고도와 건물배치와 형태특성에 따라 주변 대기흐름의 영향을 미치면, 수평과 연직 바람성분 분석을 통해 대기의 환기와 정체에 대한 상세정보를 분석하고 산출할 수 있으며, 앞서 설명한 열적 효과들을 고려한 흐름정보를 산출할 수 있다. 대기흐름 자료는 오염물질 확산과 농도 분포 분석의 기초자료로 활용될 수 있다.
다음, 도 3에 도시한 바와 같이, 도시 오염물질 배출량을 시계열적으로 적용할 수 있다.
도시 오염물질 배출량은 국립환경과학원 등에서 제공하는 배출원별 배출량 자료 중 입자상물질(PM10) 농도를 기준으로 산정할 수 있다. 그리고 각 지역별 예컨대 공업지역, 교통지역, 주거지역 별로 앞서 산정된 배출량을 적용시킬 수 있다. 또한, 시간적 선형보간법을 이용하여 시계열 배출량을 적용시켜 대기확산을 모의할 수 있다. 이는 연직자료 중 보행자 높이에서의 입자상물질의 농도를 분석하여 정체지역과 고농도지역 분석에 활용할 수 있다.
다음, 도시지표면모델을 적용할 수 있다.
도시 지표면 모델의 모수 자료 또는 모수 특성 자료는 토지피복 종별과 건물재질특성에 따라 다르게 나타난다. 본 실시예에서는 열전도도, 열방출율, 열용량, 반사도 등으로 구성되며 낮 동안의 태양복사 지표흡수와 방출을 결정한다. 이러한 도시지표면모델 적용은 지표온도, 기온, 대기흐름변화에 영향을 미친다. 지표 구성에 따른 태양열 흡수 및 방출의 차이는 지표온도와 기온에 영향을 미치며, 수분간격의 상세한 온도 변화 패턴 분석을 통해 각 격자지점의 가열과 냉각이 대기흐름과 기온에 미치는 영향을 상세히 분석하여 산출할 수 있다.
본 실시예에 채용가능한 도시지표면모델 입력모수를 나타내면 다음의 표 1과 같다.
상술한 도시지표면모델 적용 과정 후에 도 4에 도시한 바와 같이 도시지표면모델 적용결과를 검증할 수 있다.
검증은 열화상카메라와 접촉식 온도계를 이용하여 지표면온도(P4)와 건물표면온도(P1, P2, P3) 일변화에 대한 검증을 통해 수행될 수 있다. 관측된 표면온도 검증은 한 여름 맑은 날에 대해 수행될 수 있고, 그 경우 검증지표는 IOA(Index of Agreement), RMSE(Root Mean Square Error), NMSE(Normalized Mean Square Error), FB(Fractional BIAS), MG(Geometric Mean BIAS), VG(Geometric Variance), FAC2(Fractional Predictions within a factor of two of observations) 등의 통계적 지표로 수치화할 수 있다.
상술한 도시지표면모델의 적용 후에 혹은, 상술한 도시지표면모델의 적용 후에 도시지표면모델 적용결과를 검증한 다음에 식생캐노피모델을 적용할 수 있다.
식생이 바람에 미치는 영향을 고려하기 위해 큰에디모사모델(PALM)에 식생높이자료(Digital Vegetation Model)을 사용하여 식생캐노피모델(One-demensional Plan Canopy 또는 Plant canopy model)을 적용할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 식생이 바람에 미치는 영향을 고려하기 위해 큰에디모사모델(PALM)에 식생캐노피모델을 연계시킬 수 있다. 이 경우, 식생높이자료(Digital Vegetation Model)과 수치표고모델(Digital Elevation Model)을 이용하여 순수 식생높이를 추출한 후 목재의 종류, 예컨대 침엽수와 활엽수를 이용하여 격자별 연직 입면적 밀도를 구성할 수 있다. 산출된 격자별 연직 입면적 밀도는 큰에디모사모델의 입력자료로 사용되며 식생효과가 고려된 바람 및 확산농도를 모의 할 수 있다.
식생캐노피모델의 적용 후에 도 5에 도시한 바와 같이 식생캐노피모델 적용결과를 검증할 수 있다.
식생캐노피모델 적용결과의 검증은 실제 바람관측자료를 이용하여 식생이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우에 대해 검증수치를 계산할 수 있다. 실제로, 도 5에 도시한 바와 같은 실제 바람관측자료를 이용하여 식생이 적용된 경우의 검증수치를 확인해 보면, 풍속의 경우, 관측 값과 근사하게 나타났으며 검증수치가 개선된 것을 알 수 있다.
식생캐노피모델 적용 유무에 따른 통계적 검증 수치를 예시하면 다음의 표 2와 같다.
도시지역 대기환경개선 위한 활용(바람응용정보 추출)
위의 계산으로, 지표특성에 따른 지표면 온도분포와 이에 따른 상세기류 정보를 산출할 수 있으며, 해당지역이 대기흐름특성과 오염물질 분포에 대한 원인을 분석할 수 있다.
같은 도시내에서, 같은 기온과 배경흐름의 조건이라도 주변의 환경이나 구조물, 지표이용 특성에 따라 대기흐름과 오염물질 분포는 다르게 나타난다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 흐름의 정체로 인한 오염물질의 고농도가 나타나는 지역(붉은색)에 대해서는 대기오염에 대한 대응방안이 필요하며, 그 대응방안의 시행으로 인한 기류변화와 대기오염 저감효과를 분석할 수 있다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 도시지역 내에서 특히 가열되는 부분과 그에 따른 기류변화를 확인할 수 있다. 이러한 기류변화의 확인을 통해 도시지역 열 환경 개선과 이를 통한 환기정책의 시행으로 도시환경에 대한 열적 및 대류적 환경 변화 등의 효과를 분석할 수 있다.
본 실시예의 분석 결과에 의하면, 도시지역의 건물지붕, 벽면, 도로의 표면온도 예측과 관측과의 일치도가 각각 0.97, 0.92, 0.91로 나타났으며, RMSE는 2.57, 2.32, 4.0℃로 높은 정확도를 나타냈다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 도시상세 바람 정보를 통해 도시지표면의 온도와 보행자고도의 바람정보를 상세화할 수 있다. 또한, 태양복사량과 지표구성물질 재질에 따른 특성 즉, 열용량, 반사도, 방출율, 전도도 등을 고려하여 실제적인 지표온도를 예측할 수 있고, 지표온도의 영향이 반영된 도시대기흐름에 대한 수m 해상도의 정보화가 가능하다. 또한, 산출된 정보를 바탕으로 도시 열환경 정책 등이 도시대기흐름에 미치는 영향과 효과 등의 분석에 활용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바람응용정보 추출 장치에 대한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 바람응용정보 추출 장치는, 자료산출부(800) 및 적용분석부(850)를 포함하여 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템에서 얻은 정보를 토대로 바람응용자료를 산출하거나 산출된 자료에 대한 적절한 적용 여부를 분석할 수 있다.
자료산출부(800)는 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템에서 획득한 진단 및 예측 정보에 기초하여 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역, 시간대별 열적 특성, 또는 이들의 조합에 대한 자료를 산출할 수 있다. 이를 위해, 자료산출부(800)는 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역 및 시간대별 열적 특성을 각각 검증하는 제1 내지 제4 자료산출 모듈들(810, 820, 830 및 840)을 구비할 수 있다.
적용분석부(850)는 자료산출부(800)에서 산출된 자료에 기초하여 가로수 식재 및 공원조성의 대기흐름 및 열환경 개선을 위한 제1 활동요소, 차량 통행과 대기오염물질 배출량 감소를 포함한 대기오염완화를 위한 제2 활동요소 중 적어도 어느 하나의 적용효과 또는 적용결과를 분석할 수 있다. 또한, 적용분석부(850)는 분석 결과로서 제1 활용요소를 생성하는 제1 생성모듈(851)과 제2 활동요소를 생성하는 제2 생성모듈(852)을 구비할 수 있다.
또한, 바람응용정보 추출장치는, 자료산출부(800)에서 산출된 자료를 검증하는 검증부를 더 포함할 수 있다. 검증부는 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역 및 시간대별 열적 특성을 각각 검증하는 제1 내지 제4 검증 모듈들을 구비할 수 있다. 이러한 제1 내지 제4 검증 모듈들은 자료산출부(800)의 제1 내지 제4 자료산출 모듈들(810 내지 840)에 각각 일체로 결합될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 자료산출 모듈과 검증 모듈이 일체로 결합되는 경우, 자료산출부(800)는 자료산출 기능과 함께 검증 기능도 구비할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 바람응용정보 추출 장치는 자료산출부(800) 및 적용분석부(850)를 모두 포함하지 않고, 어느 하나의 구성부만을 포함하도록 구현될 수 있다. 이 경우, 자료산출부(800)를 포함하는 제1 바람응용정보 추출 장치와 적용분석부(850)를 포함하는 제2 바람응용정보 추출 장치는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 서로 연결되어 신호 및 데이터를 주고받도록 구현될 수 있다.
전술한 실시예들에 의하면, 실제 기상장, 대기오염물질 배출량, 도시지표면 구성에 따른 지표가열, 식생의 영향 등을 산정하여 도시의 연직높이별 대기의 흐름, 열 환경특성, 오염물질확산 등의 대기환경을 진단 및 예측하는 체계와 실제관측자료를 이용하여 검증 및 평가하는 체계를 개발하고 응용정보를 추출할 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템과 바람응용정보 추출장치를 구분하여 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템이 바람응용정보 추출장치를 포함하거나, 바람응용정보 추출 시스템이 상세기류 진단 및 예측정보 산출장치를 포함하여 구현되고 어느 하나의 이름으로 통칭될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
Claims (5)
- 도시지역 대기환경개선을 위한 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템으로서, 상기 상세기류 진단 및 예측정보 산출 시스템은, 컴퓨터에서 처리 가능한 프로그램을 저장하는 메모리와 상기 메모리에 연결되어 상기 프로그램을 수행하는 프로세서를 구비하고, 상기 프로그램에 포함되는 소프트웨어 모듈은,
데이터베이스나 저장장치로부터 지리 정보 체계(geographic information system, GIS) 자료를 이용하는 도시표면자료를 획득하고, 상기 도시표면자료에서 지형의 고도 정보, 건물높이 정보, 토지피복의 종별을 분류하는 정보, 식생의 높이 정보, 식생의 밀도 정보를 획득하는 도시지표자료 획득부;
건물규모 해상도의 바람장과 바람 응용정보를 추출하기 위해 중규모기상모델의 기상장을 큰에디모사모델에 초기 및 경계 조건으로 입력하는 시공간 선형보간 접합법을 통해 상기 중규모기상모델과 큰에디모사모델을 접합하여 접합된 영역에 대응하는 지역의 기상장을 소정 사이즈의 대상지역에 배치하는 배치부-여기서, 상기 바람 응용정보는 도시환기정보, 바람정체정보, 도시강풍정보를 포함함-;
지형의 고도와 건물배치와 형태특성에 따라 주변 대기흐름의 영향을 포함한 수평 및 연직 바람성분을 분석하고 이러한 분석을 통해 대기의 환기와 정체에 대한 상세정보를 산출하는 대기흐름 자료 산출부-여기서, 상기 상세정보는 상기 대상지역의 열적 효과들을 고려한 대기흐름 정보를 포함하고, 상기 대기흐름 정보는 오염물질 확산과 농도 분포 분석의 기초자료이며, 상기 도시지표자료 획득부, 상기 배치부 및 상기 대기흐름 자료 산출부의 조합은 지리정보시스템 자료를 활용하여 도시지역의 지형, 건물, 도로 및 식생을 포함한 토지피복의 형태와 특성을 데이터베이스(database, DB)로 구축하여 관리하기 위한 것임-;
미리 준비되거나 미리 설정되거나 실시간 획득한 배출원별 배출량 자료에 기초하여 입자상물질(PM10) 농도를 기준으로 도시 오염물질 배출량을 산정하고 상기 도시 오염물질 배출량을 토대로 상기 대상지역의 각 지역별로 상기 도시 오염물질 배출량을 적용하는 오염물질 배출량 적용부;
상기 도시지표자료 획득부에 의해 획득한 도시지표 모수를 적용한 후 도시지표면모델을 적용하는 도시지표면모델 적용부-여기서, 상기 도시지표면모델의 모수 자료는 토지피복 종별과 건물 재질특성에 따라 다르게 나타나며, 상기 모수 자료는 열전도도, 열방출율, 열용량 및 반사도를 포함함-; 및
실제 바람관측자료를 이용하여 식생이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우를 검증수치로 비교하여 계산하는 식생캐노피모델 적용부;
를 포함하며,
상기 도시지표면모델 적용부를 통해 태양복사 지표 흡수와 방출에 의해 영향을 받는 지표온도, 기온, 대기흐름 변화를 고려하고 그리고 지표구성에 다른 태양열 흡수 및 방출 차이를 고려하여 지표온도, 대기흐름, 기온 또는 이들의 조합에 대한 상세 분석을 수행하며, 여기서 상기 상세 분석은 수분 간격의 상세 온도 변환 패턴 분석을 통해 각 격자 지점의 가열과 냉각이 대기흐름과 기온에 미치는 영향을 산출하는 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 도시지표면모델의 모수 자료는 낮 동안의 태양복사 지표 흡수와 방출을 결정하는데 이용되는, 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템. - 청구항 1 또는 3의 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템을 이용하는 바람응용정보 추출장치로서,
상기 상세기류 진단 및 예측정보 산출시스템에서 획득한 진단 및 예측 정보에 기초하여 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역, 시간대별 열적 특성, 또는 이들의 조합에 대한 자료를 산출하는 자료산출부; 및
상기 자료산출부에서 산출된 자료에 기초하여 가로수 식재 및 공원조성의 대기흐름 및 열환경 개선을 위한 제1 활동요소, 차량 통행과 대기오염물질 배출량 감소를 포함한 대기오염완화를 위한 제2 활동요소 중 적어도 어느 하나의 적용효과 또는 적용결과를 분석하는 적용분석부를 포함하는, 바람응용정보 추출장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 자료산출부에서 산출된 자료를 검증하는 검증부를 더 포함하며, 상기 검증부는 보행자 고도의 바람길, 대기 환기도, 오염물질 정체지역 및 시간대별 열적 특성을 각각 검증하는 제1 내지 제4 검증 모듈들을 구비하는, 바람응용정보 추출장치.
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