KR20140108747A

KR20140108747A - 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템 및 환경 교란 분석 방법

Info

Publication number: KR20140108747A
Application number: KR1020130020776A
Authority: KR
Inventors: 전태수; 김흥수; 하춘뢰; 지창우; 유약단; 김보문
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-15

Abstract

본 발명은 환경 교란 감지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로
카메라를 통해 확보된 동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 실시간으로 측정 및 수집하고 이를 전달하는 현장 감지 수단; 상기 현장 감지 수단으로부터 전달받은 데이터를 분석하여 데이터베이스를 구축하고, 상기 데이터베이스를 기준으로 경보단계를 판단하는 분석 수단; 및 상기 분석 수단이 분석하고 판단한 데이터를 실시간으로 수요자에 송신하는 배포 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동물의 실시간 움직임을 통한 환경 교란 감지 시스템에 관한 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 동물의 실시간 움직임을 통한 환경 교란 감지 시스템은, 실시간으로 동물의 행동을 감지할 수 있어 동물의 이상행동에 대한 즉각적인 예/경보가 가능하고, 분석에 별다른 기구 및 추가적인 경비가 발생하지 않아 경제적이며, 분석된 데이터를 모바일 등을 통해 실시간으로 확인이 가능하여 원거리 모니터링이 가능한 효과가 있다.

Description

동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템 및 환경 교란 분석 방법{Environmental disturbance monitoring system of real-time information through monitoring of animal behavior and surrounding environment, and environmental disturbance analysis method}

본 발명은 환경 교란 감지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생태계 현장에서 동물의 상시적인 행동을 모니터링하고, 행동 반응 자료를 수리적 분석을 통해 객관적인 교란 및 환경 건강성을 판별하고 판별한 자료를 실시간으로 제공하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템 및 환경 교란 분석 방법에 관한 것이다.

본 발명은 환경 분야에서 사용되는 환경 교란 측정 및 예보/경보를 위한 환경 교란 감지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자연적(질병, 먼지, 온도 변이 등), 인위적(오염 등) 환경 교란의 편만성으로 인해 효율적인 현장 위해성 평가가 중요하다. 특히, 환경 교란으로 인한 축산 및 수산 자원의 안정적인 생산성 증가에 장애가 발생하여 동물 행동을 통한 교란 감지가 요구되고 있다. 예를 들어 가두리 양식장 같은 집단적으로 양식하는 경우 이러한 교란에 의해 질병이 발생하여 폐사하여 막대한 손실을 야기함으로 동물의 행동을 통한 상시 조기 경보의 필요성이 대두되고 있다. 아울러 하천이나 호소에서 지표동물 행동을 통한 교란감지가 요구되고 있다.

일반적인 환경 교란에 대한 환경 모니터링 시스템(EMS; environmental monitoring system)은 각종 센서(sensor) 및 분석 장비의 데이터를 이용하며, 주로 이화학적 요인(예: BOD, Ph, 수온 등)과, 큰 규모의 생물조사(예: 군집분석)가 진행되고 있다.

그러나 이화학적 요인으로 인한 주변 환경의 상태 변화를 분석하고자 할 때는 각각 다른 프로그램을 이용하여 단편적인 데이터를 분석해야 하여 종합적인 데이터를 분석하는데 상당한 불편함이 있었다.

특히, 하천이나 해양에서 수질을 측정할 때 시료를 채취하여 실험실에서 분석하거나 사람이 계측기를 직접 측정함으로써 측정오차도 크고 시간과 인원도 많이 필요한 문제점이 발생하였다. 또한 이러한 감지 방법은 실제로 갑작스런 변화나 시각적으로 인지되지 않는 변화 및 환경 모니터링 시스템의 이상에 의한 변화가 발생되어도 이를 즉각적으로 감지하지 못하므로, 작업자가 이러한 변화를 인식하지 못하여 이에 대한 즉각적인 예보 및 경보 조치를 수행할 수가 없는 등의 문제점이 발생하였다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 장시간(생활사)동안 진행되는 동물의 행동 모니터링을 통하여 환경교란을 실시간으로 현장에서 즉각적으로 감지할 수 있도록, 실시간으로 동물의 움직임 정보를 수집하여 수집된 행동정보를 수리적 분석을 통해 객관적인 교란 및 환경의 오염상태를 판단하고 이를 실시간으로 전달하는 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 환경 교란 분석 방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 일 양태로서,

동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 실시간으로 측정 및 수집하고 이를 전달하는 현장 감지 수단; 상기 현장 감지 수단으로부터 전달받은 데이터를 분석하여 위해성을 판단하는 데이터 분석 수단; 및 상기 데이터 분석 수단이 판단한 위해성 정보를 실시간으로 수요자에 송신하는 배포 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템을 제공한다.

또한 바람직하게는, 상기 동물은 수중 동물인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 현장 감지 수단은 전원을 공급하는 전원공급장치; 및 데이터를 분석하고 송/수신하는 현장컴퓨터;를 포함하는 본체부와, 상기 본체부의 하단에 위치되되, 내부에 동물이 위치되는 관찰케이스; 상기 관찰케이스의 일측부에 구비되어 내부를 조명하는 조명램프; 상기 동물의 움직임을 촬영하는 카메라; 및 상기 관찰케이스의 일측부에 구비되되, 온도변이, 강우량, 풍속, 파도, pH, 염분, BOD 중의 적어도 하나 이상을 계측하여 주변환경정보를 실시간으로 측정하는 환경측정 센서;를 포함하는 측정부 및 상기 본체부와 측정부를 연결하는 연결부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 현장 감지 수단을 수중에 설치 시 상기 본체부의 하단에 부력장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 측정 및 수집하는 수집단계; 상기 측정 및 수집된 데이터를 데이터 컴퓨터에 전송하는 전송단계; 상기 전송된 데이터를 분석하고 위해성을 판단하는 분석단계; 및 상기 분석된 데이터를 수요자에게 실시간으로 송신하는 배포단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 실시간 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 분석 방법을 제공한다.

또한 바람직하게는, 상기 행동정보에 관한 데이터는 초당 4 내지 10회 단위로 위치를 추적한 영상데이터인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템은 짧은 시간에 연속적으로 동물의 행동을 감지할 수 있어 동물의 이상행동에 대한 즉각적인 예/경보뿐만 아니라, 장시간(생활사)동안 동물의 행동 모니터링을 진행함으로써 환경교란을 실시간으로 현장에서 감지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 분석에 별다른 장비 및 시약, 기구 등이 요구되지 않으며, 설치 후 현장을 상시 조사가 가능하여 추가적인 경비가 들지 않아 경제적이며, 환경을 훼손하지 않아 친생태적인 효과가 있다.

또한, 수집 및 분석된 데이터를 인터넷 및 모바일 등을 이용하여 실시간으로 확인이 가능하여 조사자가 현장을 방문하지 않고 원거리 모니터링이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환경 교란 감지 시스템의 구성에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단의 사진을 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단에 대한 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단의 해안에서의 적용 상태를 나타내는 사진 및 그로부터 실시간으로 전송받는 데이터 수신사진을 나타낸 것이다.
도 5a 내지 5b는 본 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단의 조파에 따른 유동성 실험에 관한 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단을 통해 얻어진 이미지를 위치좌표로 변환하는 이미지-위치좌표 변환 프로그램을 나타낸 것이다.
도 7은 자기 조직화지도의 모식도(Self-Organizing Map : SOM)를 나타낸 것이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 약제(포름알데히드 10ppm) 교란에 따른 제브라 물고기의 행동 유형 궤적, SOM을 이용한 약제처리 전후 행동 유형 분석 및 SOM을 이용한 8가지 모수의 유형화를 나타낸 것이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 실시예에 따른 약제(구리1.0mg/L) 교란에 따른 제브라 물고기의 행동 유형 궤적, SOM을 이용한 약제 처리 전후 행동 유형 분석을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 순서교환 엔트로피를 이용하여 약제(구리 1.0ppm)처리 전후 송사리 행동을 비교한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 프렉탈 차원 값을 이용하여 약제(디아지논 0.2 mg/L)처리 전후 송사리의 행동을 비교한 것이다.
도12는 본 발명의 실시예에 따른 온도, 약제 투여 전 후 송사리의 행동을 다양도 지수(Shannon index, Renyi index, Simpson's index)를 이용하여 비교한 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템의 구성에 대한 모식도를 나타낸 것으로, 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명은 동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 실시간으로 측정 및 수집하고 이를 전달하는 현장 감지 수단; 상기 현장 감지 수단으로부터 전달받은 데이터를 분석하여 위해성을 판단하는 데이터 분석 수단; 및 상기 데이터 분석 수단이 판단한 위해성 정보를 실시간으로 수요자에 송신하는 배포 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템에 관한 것이다.

상기 현장 감지 수단(100)은 환경 교란 데이터를 확보하는 수단으로 데이터를 추출하고자 하는 현장에 설치된다. 상기 현장 감지 수단(100)으로 측정되는 데이터는 동물의 행동정보 또는 주변환경정보로 나뉠 수 있다. 상기 행동정보는 동물의 상시적인 움직임을 연속적으로 촬영하고 이를 디지털화하여 기록한 것이고, 상기 주변환경정보는 상기 현장 감지 수단(100)이 설치된 현장에 대한 이화학적인 데이터 및 현장 이미지 등을 기록한 것이다.

이하, 도 2 내지 3을 참조하여 상기 현장 감지 수단(100)의 구성을 설명하였다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단의 사진을 나타낸 것이며, 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단에 대한 모식도를 나타낸 것이다.

도 2 내지 3에서 보는 바와 같이, 상기 현장 감지 수단(100)은 크게 본체부와 측정부 및 상기 본체부와 측정부를 연결하는 연결부로 구성되어 있다.

보다 상세하게, 본 발명의 상기 현장 감지 수단의 본체부는 전체 전원을 공급하는 전원공급장치(1); 및 데이터를 분석하고 송/수신하는 현장컴퓨터(3)을 포함하여 구성된다. 그 외에도 도난방지용 경보램프 및 GPS추적장치(2)가 필요에 의해 더 포함되어 이루어 질 수 있다.

여기서, 상기 전원공급장치(1)는 태양에너지를 전기에너지로 전환하여 공급하기 위해 복수개의 태양전지셀로 이루어지고, 상기 전기에너지를 저장하기 위한 축전지와 연결되어 있다.

그리고 상기 현장컴퓨터(3) 상기 현장 감지 수단(100)으로 측정된 동물의 행동정보 및 주변환경정보를 상기 데이터 분석 수단(200)의 데이터 컴퓨터로 전달하는 역할을 한다. 여기서 상기 현장컴퓨터(3)는 에너지 소모를 최소화하기 위하여 초소형 컴퓨터(예: 아티고(ARTiGO) A1100, VIA 또는 소형 산업용 컴퓨터)를 사용함이 바람직하다. 컴퓨터의 OS는 Microsoft window7 이며 영상처리를 위한 소프트웨어로는 Logitech Webcam Software 1.x 과 물고기 행동 추적 프로그램(본 발명자 개발: 프로그램 등록번호 2000-01-12-3407)으로 구성된다.

상기 경보램프 및 GPS추적장치(2)는 데이터의 과도한 이상치나, 현장 컴퓨터에서 데이터 컴퓨터로 데이터를 전송 할 때 발생하는 오류, 도난 등으로 인해 기존의 설치된 위치를 벗어난 경우 등의 비정상적인 자료가 인식 될 경우, 이를 상기 현장컴퓨터(3)로 감지하고, 상기 데이터 분석 수단(200)의 데이터 컴퓨터에서 인식하여 수요자에게 알려 줌과 동시에 경보램프에 점멸신호를 출력하여 육상에서도 이상여부가 확인이 가능하다.

그리고 상기 본체부의 하측으로 상기 측정부가 형성된다. 상기 측정부는 동물의 행동정보 및 주변환경정보를 수집하는 역할을 하는 것으로 그 구성은 관찰케이스(8), 조명램프(7), 카메라(9) 및 환경측정 센서(10)가 포함되어 있다.

상기 관찰케이스(8)는 측정하고자 하는 동물을 구속하는 케이스로, 그 내부에 하나 또는 복수 마리의 동물이 위치된다. 상기 관찰케이스(8)의 일측에 동물의 움직임을 촬영하기 위한 카메라(9)가 구비된다. 상기 카메라(9)는 1초당 4회 내지 10회 단위로 동물의 위치를 추적한 영상데이터를 얻어 동물의 행동정보를 구축할 수 있으며, 필요에 따라 복수개로 설치될 수 있다.

또한, 상기 관찰케이스(8)의 다른측부에는 환경측정 센서(10)가 구비된다. 상기 환경측정 센서(10)는 온도변이, 강우량, 풍속, 파도, pH, 염분, BOD 중의 적어도 하나 이상을 계측하는 센서 중 하나 이상을 포함하여 주변환경정보를 실시간으로 측정한다. 상기 카메라(9) 및 환경측정 센서(10)로부터 실시간으로 측정된 동물의 행동정보 및 주변환경정보는 연결부(11)를 통해서 상기 현장컴퓨터(3)로 전달된다.

여기서, 상기 실시간 환경 교란 감지 시스템은 육상 동물뿐만 아니라 수중 동물의 행동정보 및 주변환경정보를 측정할 수 있다.

수중 동물의 데이터를 수집하기 위하여 상기 현장 감지 수단(100)을 수중에 설치 시, 상기 본체부의 하단에 부력장치(5)가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 상기 데이터 분석 수단(200)은 상기 현장 감지 수단(100)으로 확보된 동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 전달받고, 이를 구비된 데이터 컴퓨터를 이용하여 수리적 분석을 수행함으로써 객관적인 교란 상태, 위해성을 판단하여 위해성 정보를 형성하는 역할을 한다. 상기 위해성 정보는 기존에 측정된 동물의 행동정보 및 주변환경정보를 기준으로 정상, 관심, 주의, 위험 등 경보 단계 등으로 나뉘어 설정되고, 측정된 데이터가 각각의 경보 단계와 같은 행동 양상 및 환경 분석 치수로 판단될 경우, 그에 해당하는 경보 단계로 위해성 정보가 분류된다.

상기 배포 수단은(300) 상기 분석 수단(200)에서 분석된 위해성 정보 및 영상정보를 실시간으로 온라인 및 모바일 등으로 전송하는 네트워크 체제이다. 정보를 전달 받고자 하는 수요자가 인터넷이 가능한 모바일 기기, 태블릿 피시 등을 이용하여 동물이 위치된 현장 상태 및 분석된 위해성 정보를 상시에 확인함으로써, 현장 확인 시간이 줄어들 뿐 만 아니라, 현장 위해성에 대한 즉각적인 처리를 이룰 수 있다.

다음으로 본 발명에 따른 동물행동 및 주변환경정보의 실시간 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 분석 방법에 대하여 설명하였다.

동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 측정 및 수집하는 수집단계; 상기 측정 및 수집된 데이터를 데이터 컴퓨터에 전송하는 전송단계; 상기 전송된 데이터를 분석하고 위해성을 판단하는 분석단계; 및 상기 분석된 데이터를 수요자에게 실시간으로 송신하는 배포단계;를 거친다.

보다 상세하게 설명하면, 상기 수집단계는 모니터링 하고자 하는 현장에 설치된 카메라를 통해 동물의 행동정보를 수집한다.

여기서, 상기 수집단계의 행동정보는 초당 4 내지 10회 수준으로 동물의 위치를 추적하여 수집하는 것을 특징으로 하며, 상기 행동정보는 속도데이터(mm/s)(관측기간 동안의 이동 거리 평균), 가속도데이터(mm/s²)(관측기간 동안의 가속도), 각속도데이터(rad/s)(관측기간 동안 회전한 거리), 각가속도데이터(rad/s²)(각속도의 가속도), 정지시간데이터(s)(관측기간 동안 정지시간), 정지횟수데이터(관측기간 동안 정지한 횟수), 이동거리데이터(m)(일정시간 동안 움직인 전체 거리), 곡률반경데이터(rad/㎜)(일정시간 동안 회전한 각(절대값)의 합을 움직인 총 길이로 나눔)등으로 되는 모수 데이터인 것이 바람직하다.

그리고 상기 주변환경정보는 온도변이, 강우량, 풍속, 파도, pH, 염분, BOD 중의 적어도 하나 이상인 것일 수 있고, 그 외의 현장 이미지, 영상 등을 더 포함할 수 있다.

다음으로 상기 전송단계는 상기의 수집단계에서 측정 및 수집된 행동정보 및 주변환경정보를 데이터 컴퓨터로 전송하는 단계이다. 여기서, 상기 행동정보 및 주변환경정보의 필요데이터를 추출하고, 분석하고자 하는 데이터만을 전송하는 데이터 분별작업은 상기의 전송단계에서 이루어진다.

또한, 상기 데이터 분석단계는 전송받은 행동정보 및 주변환경정보를 수리적으로 분석하여 실시간 위해성 정보를 구축한다. 상기 행동정보 및 주변환경정보는 기존에 구비된 데이터베이스를 판단기준으로 하여 현재 현장상태의 경보 단계를 판단한다. 상기 경보 단계는 필요에 따라 정상, 관심, 주의, 위험 단계 등으로 설정할 수 있다.

다음으로, 상기 배포단계는 분석된 데이터 및 위해성 정보를 수요자에게 실시간으로 송신하는 단계이다. 보다 상세하게는, 상기 분석된 데이터를 수요자가 인터넷 및 모바일 등으로 실시간 확인이 가능하도록 상시 전송하여 현장의 위해성에 대한 즉각적인 대처가 가능하게 한다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 하나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 현장 교란 감지 시스템의 해안 적용 상태

도 4a 및 도 4b는 발명의 실시예에 따른 현장 감지 수단의 해안에서의 적용 상태를 나타내는 사진 및 그로부터 실시간으로 전송받는 데이터 수신사진을 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b에서 보는 바와 같이, 본 발명의 환경 감지 수단(100)을 해안 지역(부산 송정리 해안(위도 : 35°10'45.36"N , 경도 :129°12'18.93"E))에 설치하고, 그 유동성 시험을 실시하였다. 당일에는 평상시의 파고가 기록되었다(2011년 12월 8일 16시 포항 부이 기준 파고 평균 0.9m 주기 4초, 출처 기상청).

도 4a에서 현장 감지 체제의 고정프레임(4)을 양쪽 연안에 고정하여 상기 행동 감지 수단(100)의 위치를 지정하고, 조파에 따른 정보 수집이 제대로 이루어지는지의 여부를 확인하였다. 확인 결과 도 4b에서 보는 바와 같이, 일정거리 떨어진 곳에서 모바일을 통한 실시간 현장 데이터가 전송되는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2. 주기 및 파장별 조파에 따른 행동 감지 수단의 안정성 실험

도 5a는 본 발명의 실시예에 다른 조파에 따른 유동성 실험을 하기 위해 인공 조파발생기에 들어가고 있는 현장 감지 수단을 나타낸 것이고, 도 5b는 조파가 파장 30cm 주기 1초인 조건에서 현장 감지체제가 설치된 모습을 나타낸 것이다. 여기서, 안정성 기준은 행동 감지 수단(100)이 상하좌우 1m이상 흔들리지 않는 것으로 하였다. 다양한 조파조건에 따른 행동 감지 수단의 안정성 시험한 결과를 표 1로 나타내었다.

표 1에서 보는 바와 같이, 다양한 파형에 대해 상기 현장 감지 수단(100)이 전복되거나 회전이 되지 않았으며 수중에 있는 측정부는 흔들리는 폭이 초당 20cm이하로 크게 흔들리지 않고 돌거나 수직요동하지 않는 안정을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

파장 30cm(주기 2.5초)와 파장 20cm(주기 3초) 등은 실험하지 않았으나 비슷한 주기와 더 높은 파장에서 상기 행동 감지 수단의 안정성이 입증됨을 확인할 수 있었다. 따라서 해당 조건에서도 안정하다고 판단된다.

따라서, 호수에 상기 현장 감지 수단(100)을 설치할 경우 파도가 거의 없으므로 더 높은 안정성을 유지할 수 있을 것으로 판단되고, 하천에서 설치할 경우 폭풍우가 치거나 유속이 아주 높지 않는 한 지지대를 이용해 고정하면 물 흐름에 떠내려가지 않을 것으로 판단된다.

파장 주기	10cm	20cm	30cm
1초	안정	안정	안정
2.5초	-	안정	-
3초	안정	-	안정

실시예 3. 이미지-위치좌표 변환프로그램

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 현장 감지 수단을 통해 얻어진 이미지를 위치좌표로 변환하는 이미지-위치좌표 변환프로그램을 나타낸 것이다.

도 6에서 보는 바와 같이 관찰케이스(8) 내부에 동물을 위치시키고, 카메라(9)를 통해 동물의 행동을 이미지한 후, 상기의 이미지-위치좌표 변환프로그램을 통해 이미지를 위치좌표로 변환 할 수 있음을 확인하였다. 상기 변환프로그램의 좌측 화면에는 관찰케이스(8) 내부의 동물의 행동이 실시간으로 관찰되고, 우측 화면에는 동물의 행동을 이미지 프로세스를 통하여 좌표화된 것을 확인할 수 있었다.

좌표화된 행동정보는 자기 조직화지도에 적용하여 분석될 수 있다.

도 7은 자기 조직화지도의 모식도(Self-Organizing Map : SOM)를 나타낸 것이다. 여기서 상기 자기 조직화지도는 행동을 패턴으로 유형화 한다. 이 계산법은 사전 훈련 없이(자료에 대한 선험적인 지식 없이) 자기 조직적으로 주어진 자료의 구성요소들의 특정에 따라 자료 유형을 결정할 수 있는 특징이 있다.

상기 자기 조직화지도는 구조적으로 2개의 층(입력층: 자료를 입력받는 곳, 출력층: 계산된 자료를 보여주는 곳)으로 구성되며, 각 층은 노드(뉴런)이라는 계산단위체로 구성된다. 입력층과 출력층은 연결강도(가중치)라는 계산 값으로 연결되며, 상기 연결강도는 모든 주어진 자료에 대하여 반복적인 계산과정을 거쳐 조절되게 되는데 이 과정을 학습과정이라 한다. 따라서 학습과정은 주어진 자료를 자기 조직화지도에 반복 입력하여 입력층과 출력층 사이의 연결강도가 입력 자료의 정보 특성을 반영하도록 하는 과정이다.

여기서, 상기 이미지-위치좌표 변환 프로그램으로 분석된 행동정보의 위치좌표 데이터를 기본으로 관찰되는 동물의 이동 경로를 파악함으로써, 환경 교란에 따른 동물의 행동을 분석하여 환경 변화를 확인할 수 있게 되는 것이다.

실시예 4. 약제(포름알데히드 10ppm) 교란에 따른 제브라 물고기의 행동 유형 관찰

먼저, 제브라를 관찰케이스(8) 내부에 위치시킨 후 상기 현장 감지 수단(100)으로 상기 제브라의 행동정보를 측정하였고, 현장에 약제(포름알데히드 10ppm)를 투여한 후의 제브라의 행동정보를 측정하여 약제 투여 전후의 행동 궤적을 분석하였다(도 8a). 또한 상기 현장 감지 수단으로 수집된 행동 궤적 데이터를 SOM에 적용하여 행동 유형을 분석하였다(도 8b). 그리고 분석된 행동 유형을 기준으로 제브라의 약제 투여 전후의 행동 유형 궤적을 8가지로 유형화 하였다(도 8c).

도 8a에서 보는 바와 같이, 약제 투여 전의 제브라는 관찰케이스(8)의 넓은 영역에서 활동이 이루어진 반면, 약제 투여 후에는 상기 제브라가 수면 근처에서 수평으로 많이 움직이는 것을 관찰할 수 있었다.

또한, 도 8b에서 보는 바와 같이, 약제 투입 전에는 좌측 하단에서 행동 유형들이 그룹을 이루며, 약제 투입 후에는 상부에 행동 유형들이 그룹을 이룬다. 여기서 알파벳 C는 처리 전 움직임, T는 처리 후 움직임을 의미한다.

또한, 제브라의 약제 처리 전후 행동을 8가지 모수를 이용하여 SOM 분석한 도 8c에 도 8b를 대응시켜 보면 약체 투여 전에는 제브라의 움직임 속도가 높고, 가속도가 낮으며, 정지한 시간이 짧은 반면, 약제 투여 후에는 속도가 낮고, 가속도가 높으며 정지한 시간이 길어진 것을 확인할 수 있었다.

실시예 5. 약제(구리1.0mg/L) 교란에 따른 송사리 물고기의 행동 유형 관찰

먼저, 송사리를 관찰케이스(8) 내부에 위치시킨 후 상기 현장 감지 수단(100)으로 상기 송사리의 행동정보를 측정하였고, 현장에 약제(구리1.0mg/L)를 투여한 후의 송사리의 행동정보를 측정하여 약제 투여 전후의 행동 궤적을 분석하였다(도 9a). 그리고 분석된 내용을 기준으로 송사리의 약제 투여 전후의 행동 궤적을 유형화 하였고, SOM에 적용하여 행동 유형을 분석하였다(도 9b).

도 9a는 송사리의 행동 궤적을 30초 동안 측정한 것이다. (ㄱ)은 약제 투여 전의 송사리의 빠르게 움직이는 행동의 궤적을 나타내며, (ㄴ)은 약제 투여 후, 상기 송사리의 섭식 행동의 궤적, (ㄷ)은 수면에서 움직이는 행동 궤적, (ㄹ)은 천천히 움직이는 유형1 궤적, (ㅁ)은 천천히 움직이는 유형2 궤적, (ㅂ)은 정지해있는 행동 궤적를 나타내고 있다.

도 9b는 약제 처리 전후 각각 행동 유형 궤적을 SOM 분석한 것이다. 도 9b에서 보는 바와 같이, 약체 투여 전에는 제브라의 움직임 속도가 높고, 정지한 시간이 짧은 반면, 약제 투여 후에는 속도가 낮고, 정지한 시간이 길어진 것이 관찰되며, 수면에 많이 머무는 행동을 확인할 수 있었다.

이와 관련하여 상기 송사리의 행동 유형 변화를 5가시 모수(속도(speed), 세로축 위치(Y-position), 정지시간(stop time), 정지횟수(stop number), 방향전환비율(turning rate), 궤적변화비율(meander))을 측정하여 약제 처리 전후 값을 표 1로 나타내었다.

표 2에서 보는 바와 같이, 약제 처리 후 상기 송사리의 속도가 줄고, 세로방향의 움직임이 줄었으며 멈춘 시간이 증가한 것을 확인할 수 있었다.

실시예 6. 순서교환 엔트로피를 이용한 약제(구리1.0mg/L) 교란에 따른 송사리 물고기의 행동 비교

먼저, 송사리를 관찰케이스(8) 내부에 위치시킨 후 상기 현장 감지 수단(100)으로 상기 송사리의 행동정보를 측정하였고, 현장에 약제(구리1.0mg/L)를 투여한 후의 송사리의 행동정보를 각각 측정하였다.(측정시간 15분) 그 후, 약제 투여 전과 후의 송사리 행동을 순서교환 엔트로피를 이용하여 비교하여 도 10에 나타내었다. 여기서 순환 엔트로피의 정의는 H(n) = -Σp(π)logp(π)이고 , p(π)는 π-순서교환의 확률이다.

도 10에서 보는 바와 같이, A 내지 M의 모든 개체에서 약제 투여한 후의 송사리의 순서교환 엔트로피가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 여기서 순서교환 엔트로피가 감소하였다는 것은 행동이 단순하게 변화하였음을 의미한다.

실시예 7. 프렉탈 차원 값을 이용한 약제(디아지논 0.2 mg/L)처리 전후 송사리 물고기의 행동 비교

먼저, 송사리를 관찰케이스(8) 내부에 위치시킨 후 상기 현장 감지 수단(100)으로 상기 송사리의 행동정보를 측정하였고, 현장에 약제(디아지논 0.2mg/L)를 투여한 후의 송사리의 행동정보를 측정하였다.(측정시간 60분간) 그 후, 약제 투여 전과 후의 송사리 행동을 프렉탈 차원 값을 이용하여 비교하여 도 11에 나타내었다.

여기서, 프렉탈 차원 값, D를 정의하기 위해서는 궤적의 화면을 정사각형으로 분할하였을 때의 정사각형 한 변의 길이를 극한으로 했을 때 정사각형 내부의 위치좌표의 개수이다. 즉,

이며, ε은 정사각형 한 변의 길이, N은 정사각형 내부의 좌표의 개수이다.

도 11에서 보는 바와 같이, 개체 간 정도의 차이는 있지만, A 내지 J의 모든 개체에서 약제 투여한 후의 송사리의 프렉탈 차원 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 여기서 프렉탈 차원 값이 감소하였다는 것은 행동이 단순하게 변화하였음을 의미한다.

실시예 8. 온도, 약제 투여 전 후 송사리의 행동을 다양도 지수(Shannon index, Renyi index, Simpson's index)를 이용하여 비교

온도(35℃), 약제(구리 1ppm) 투여 전후 송사리의 행동을 다양도 지수(Shannon index, Renyi index, Simpson's index)를 이용하여 비교하였다.

여기서, Shannon index 및 Renyi index는 수리생물학에서는 주로 종다양성 및 균등도를 표현하는 지표로서 사용되는데, 값이 낮을수록 오염성이 높아지고, 높을수록 다양도가 증가하는 것을 의미한다. 반면에 Simpson's index는 우점도에 관한 값으로 그 값이 높을수록 오염성이 높은 현장에서 특정종의 개체수가 많음을 나타내고. 그 값이 낮을수록 개체 종의 다양도와 균등도가 증가함을 나타낸다. 따라서 Shannon index 및 Renyi index 와 Simpson's index는 반비례 관계를 가진다. 이 지수들을 물고기의 행동 궤적 데이터에 적용하여 행동 패턴의 다양성 변화를 관찰함으로써 온도 변화 또는 오염 정도에 따른 행동변화를 측정해내는 지수로 사용하였다.

도12에서 보는 바와 같이 약제 투여 후 Shannon index, Renyi index에서는 수치가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, Simpson's index에서는 약제 투여 후의 값이 증가 하였다. 이로 인해 송사리는 약제가 투여될 시 약제 투여 전에 비해 활동량이 줄어듦을 확인할 수 있었다.

1 : 전원공급장치 2 : 경보램프 및 GPS추적장치
3 : 현장컴퓨터 5 : 부력장치
7 : 조명램프 8 : 관찰케이스
9 : 카메라 10 : 환경측정 센서
11 : 연결부 100 : 현장 감지 수단
200 : 분석 수단 300 : 배포 수단

Claims

동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 실시간으로 측정 및 수집하고 이를 전달하는 현장 감지 수단;
상기 현장 감지 수단으로부터 전달받은 데이터를 분석하여 위해성을 판단하는 데이터 분석 수단; 및
상기 데이터 분석 수단이 판단한 위해성 정보를 실시간으로 수요자에 송신하는 배포 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 동물은 수중 동물인 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 실시간 모니터링을 통한 환경 교란 감지 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 현장 감지 수단은
전원을 공급하는 전원공급장치; 및 데이터를 분석하고 송/수신하는 현장컴퓨터;를 포함하는 본체부와,
상기 본체부의 하단에 위치되되, 내부에 동물이 위치되는 관찰케이스; 상기 관찰케이스의 일측부에 구비되어 내부를 조명하는 조명램프; 상기 동물의 움직임을 촬영하는 카메라; 및 상기 관찰케이스의 일측부에 구비되되, 온도변이, 강우량, 풍속, 파도, pH, 염분, BOD 중의 적어도 하나 이상을 계측하여 주변환경정보를 실시간으로 측정하는 환경측정 센서;를 포함하는 측정부 및
상기 본체부와 측정부를 연결하는 연결부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 현장 감지 수단을 수중에 설치 시 상기 본체부의 하단에 부력장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 감지 시스템.
동물의 행동정보 및 주변환경정보에 관한 데이터를 측정 및 수집하는 수집단계;
상기 측정 및 수집된 데이터를 데이터 컴퓨터에 전송하는 전송단계;
상기 전송된 데이터를 분석하고 위해성을 판단하는 분석단계; 및
상기 분석된 데이터를 수요자에게 실시간으로 송신하는 배포단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 분석 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 행동정보에 관한 데이터는 초당 4 내지 10회 단위로 위치를 추적한 영상데이터인 것을 특징으로 하는, 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 분석 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 주변환경정보에 관한 데이터는 5 내지 10초 단위로 측정한 온도변이, 강우량, 풍속, 파도, pH, 염분 및 BOD 중의 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 동물행동 및 주변환경정보의 모니터링을 통한 실시간 환경 교란 분석 방법.