KR20190124625A - 인공위성 센서와 지상관측망을 이용한 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템, 분석장치, 및 분석방법 - Google Patents

인공위성 센서와 지상관측망을 이용한 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템, 분석장치, 및 분석방법 Download PDF

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Abstract

입자상 물질의 연직 분포 분석시스템이 제공된다. 상기 분석시스템은, 인공위성에 탑재된 수동형 센서로부터 소정 관심 영역에 대한 입자상 물질의 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 지상 관측 센서로부터 상기 관심 영역에 대한 지상 입자 소산계수를 수신하는 데이터 수신부와; 상기 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 상기 지상 입자 소산계수로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수를 계산하고, 상기 지상 입자 소산 계수 및 척도 고도 상수를 이용하여 상기 관심 영역에서의 상기 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링하는 연직 분포 모델링부와; 및 라이다 관측망으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 연직 분포를 비교하여 모델링된 상기 연직 분포의 신뢰성을 검증하는 신뢰성 검사부를 포함한다.

Description

인공위성 센서와 지상관측망을 이용한 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템, 분석장치, 및 분석방법{METHOD, APPARATUS, AND SYSTEM FOR ANALYZING VERTICAL DISTRIBUTION OF PARTICLE MATERIAL USING SATELLITE SENSOR AND SURFACE WEATHER OBSERVATION}
본 발명은 입자상 물질의 입체 분포 분석시스템, 분석장치, 및 분석방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 인공위성 센서와 지상관측망을 이용한 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템, 분석장치, 및 분석방법에 대한 것이다.
대기중의 입자상 물질은 미세먼지나 스모그를 포함하며, 기존의 입자상 물질의 측정 방법은 주로 지상의 관측 지점에서 필터를 이용하여 포집하고, 이를 물리화학적으로 분석하는 방법과 관측 기기 주변의 공기에서 포함된 입자의 수를 광학적으로 계측하는 방법이 주로 사용되고 있다.
그러나, 기존의 방법에 의하면, 지점 관측에 의한 관측 결과의 대표성 유무가 불확실한 점, 관측 기기 유지 보수 및 관측 지점 운영의 제약이 수반되고, 자료 처리를 위한 데이터의 전, 후처리가 필요한 것과 같은 제약이 존재한다. 또한, 이러한 제약에 따라 관측 결과에 대한 오차 발생 및 관리 비용의 증가 문제가 발생하다. 그리고 지점 관측 결과는 해당 관측 지점 근처를 대표하는 제한적인 결과값만 제공하기 때문에 입체적인 관측 결과를 제공할 수 없는 단점이 존재한다.
한편, 인공위성 관측방법의 경우, 수동형 센서를 탑재한 인공위성은 입자상 물질의 수평적인 분포 정보만 제공함으로써 입체적인 분포정보 획득에 한계가 있다. 또한, 능동형 센서를 탑재한 인공위성은 대기중의 입자상 물질의 연직분포 정보를 제공하지만 관측영역이 매우 제한적이며, 기기 유지보수가 불가능에 가깝다는 한계가 존재한다.
따라서, 보다 경제적이고 효율적으로 원격 탐측과 지상 관측을 동시에 사용하여 입체적인 관측을 수행하고, 보다 상세한 관측 정보를 산출하여 사용자 편의에 초점을 맞춘 정보를 제공할 수 있는 기술이 필요하다.
한국공개특허공보 제1020050046124호 한국등록특허공보 제10-1609740호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인공위성에 탑재된 수동형 센서와 지상 관측 수단을 이용하여 입자상 물질의 입체적인 분포 상태를 분석할 수 있는 시스템, 분석 장치, 및 분석방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 사용자가 원하는 지역과 시간에서 입자상 물질의 연직 분포 자료를 제공할 수 있는 분석 시스템, 분석장치, 및 분석방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 입자상 물질의 연직 공간 분포 데이터를 검증하고 가시화 할 수 있는 분석 시스템, 분석장치, 및 분석방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템이 제공된다. 상기 분석시스템은, 인공위성에 탑재된 수동형 센서로부터 소정 관심 영역에 대한 입자상 물질의 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 지상 관측 센서로부터 상기 관심 영역에 대한 지상 입자 소산계수를 수신하는 데이터 수신부와; 상기 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 상기 지상 입자 소산계수로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수를 계산하고, 상기 지상 입자 소산 계수 및 척도 고도 상수를 이용하여 상기 관심 영역에서의 상기 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링하는 연직 분포 모델링부와; 및 라이다 관측망으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 연직 분포를 비교하여 모델링된 상기 연직 분포의 신뢰성을 검증하는 신뢰성 검사부를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입자상 물질의 연직 분포 분석 방법이 제공된다. 상기 분석방법은, 인공위성에 탑재된 수동형 센서로부터 소정 관심 영역에 대한 입자상 물질의 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 지상 관측 센서로부터 상기 관심 영역에 대한 지상 입자 소산계수를 수신하는 단계와; 상기 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 상기 지상 입자 소산계수로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수를 계산하는 단계와; 상기 지상 입자 소산 계수 및 척도 고도 상수를 이용하여 상기 관심 영역에서의 상기 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링하는 단계와; 및 라이다 관측망으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 연직 분포를 비교하여 모델링된 상기 연직 분포의 신뢰성을 검증하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인공위성에 탑재된 수동형 센서와 지상 관측 수단을 이용하여 입자상 물질의 입체적인 분포 상태를 분석할 수 있는 시스템, 분석장치, 및 분석방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사용자가 원하는 지역과 시간에서 입자상 물질의 연직 분포 자료를 제공할 수 있는 분석 시스템, 분석장치, 및 분석방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입자상 물질의 연직 공간 분포 데이터를 검증하고 가시화 할 수 있는 분석 시스템, 분석장치, 및 분석방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질의 연직 분포 분석 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예예 따라 인공위성의 센서로부터 수신된 고도별 입자 소산 계수의 적분값의 분포도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연직 분포 모델링을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시각화된 경도 별 연직 분포를 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시각화된 위도 별 연직 분포를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연직 분포도를 격자형으로 시각화한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질에 대한 연직 분포도를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연직 분포의 신뢰성 검증을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 소산 계수의 차이값에 대한 편차와 평균 제곱근 오차를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 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 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연직 분포 분석시스템은 인공위성과 지상의 관측망으로부터 독립적으로 획득한 관측 자료를 수집하고, 수집한 자료로부터 대기 중의 입자상 물질에 대한 정량적인 입체 분포 정보를 도출하고, 이러한 입체 분포 정보를 가시화하고, 입체 분포정보를 검증할 수 있다. 이를 위하여 연직 분포 분석 시스템은 데이터 수신부(100), 유효성 검사부(200), 연직 분포 모델링부(300) 및 신뢰성 검사부(400)로 구성될 수 있다. 이러한 연직 분포 분석시스템은 데이터를 수신하고, 데이터에 기초하여 소정의 연산 및 그 결과를 그래픽화 할 수 있는 컴퓨터 시스템으로 구성될 수 있고, 사용자의 선택을 수신할\하고 연직분포를 사용자에게 보여줄 수 있는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 이러한, 연직 분포 분석시스템은 사용자가 쉽게 휴대하고 분석 결과를 어디서든 확인할 수 있는 휴대용 단말기일 수 있고, 전화기, 태블릿 PC 등으로 구현될 수 있다.
데이터 수신부(100)는 인공위성(A)과 지상 관측 센서(B)로부터 센싱된 데이터를 수신하고 이를 저장하는 역할을 수행한다.
본 발명에서는 인공위성(A)에 탑재된 수동형 센서에서 관측된 소정의 관심 영역에 대한 입자상의 물질에 대한 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)이 수신된다. 인공위성(A)에서 수신되는 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)에 대한 정보는 관심 영역에 대한 위도, 경도 및 관측 시간에 대한 정보와 함께 수신된다.
상술된 바와 같이, 인공위성을 활용하여 대기 상태 및 입자상 물질의 분포를 관측하는 경우, 두 가지 센서가 사용될 수 있다. 수동형 센서는 입자상 물질의 수평적인 분포를 관측할 수 있고, 능동형 센서를 통하여는 입자상 물질의 수직적인 분포, 즉 연직 분포를 관측할 수 있다. 본 발명에 따른 분석 시스템은 고가의 능동형 센서 대신 수동형 센서로부터 수평적인 분포를 나타내는 정보를 수신하여 입자상 물질의 연직 분포를 도출하며, 이를 통하여 경제적이면서도 효율적인 입자상 물질에 대한 관측을 수행한다. 인공위성(A)으로부터 수신되는 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)에 대한 정보는 실시간으로 데이터 수신부(100)로 수신되며, 이는 지상 관측 센서(B)에서 관측되는 정보와 동기화되어 저장될 수 있다.
고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)은 인공위성(A)이 관측하는 파장 별 복사량(I(λ))을 통하여 관측될 수 있다. 파장 별 복사량(I(λ))은 가시 광선 영역에서 지구 대기권으로 입사하는 태양 복사 에너지(I0(λ))가 대기 에어로솔(aerosol), 즉 입자상 물질에 의하여 소산되는 복사량을 의미하여, 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)과 파장 별 복사량(I(λ))의 관계는 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
수학식 1에서 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)는 입자상 물질에 대한 에어로솔 광학 두께(Aerosol Optical Thickness; AOT), 즉 연직 대기 중에 분포하는 입자상 물질에 의한 광 소산량(또는 감쇄량)을 의미할 수 있으며, 이는 고도별 입자 소산 계수(σExt)를 전체 대기에 대하여 적분한 값으로서 수학식 2과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예예 따라 인공위성의 센서로부터 수신된 고도별 입자 소산 계수의 적분값의 분포도이다. 도 2는 천리안 인공위성으로 관측된 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)의 분포도이며, τ를 나타내는 색깔 및 그 채도에 따라 입자상 물질의 수평적인 분포 정도를 시인할 수 있다.
지상 관측 센서(B)는 관심 영역 내의 지상의 임의 복수 지점에 위치한 시정 거리 관측망으로 구현될 수 있고, 이러한 지점에서 관측을 수행할 수 있는 드론 등으로 구현될 수 있다. 지상 관측 센서(B)가 드론으로 구현될 경우, 관심 영역의 공중의 3 차원 공간 상의 지점 및 비행 경로가 정해지며, 결정된 비행 경로에 따라 환경 정보가 관측될 수 있다.
이러한 지상 관측 센서(B)는 예를 들어 드론의 경우, 지표에서 대류권계면(약 10km) 이하의 대류권 내까지 위치할 수 있으며, 관측 고도를 측정할 수 있는 높이에 설치되어 지상 관측 센서(B)로 활용될 수 있다.
지상 관측 센서(B)에서 관측되는 정보는 대기 중에 존재하는 입자상 물질에 대한 광학 특성값 및 농도 정보가 포함될 수 있으며, 이는 사용자가 요구하는 사항 및 사용하고자 하는 관측 기기 및 센서의 특징에 따라 달라질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 지상 관측 센서(B)는 고도(z)가 0, 즉 관측 지점이 지표에서의 입산 소산계수(σExt(0))일 수 있고, 이러한 정보는 지표에서 시정거리 관측 결과를 입자 소산 계수로 환산(시정거리=3.912/소산 계수)하거나 또는 소산 계수를 직접 관측한 결과를 사용하는 것이 가능하다.
이 때 지상 관측 센서(B)는 실시간 무선 통신을 통하여 관측 데이터 수신부(100)로 관측 데이터를 전송할 수 있고, 지상 관측 센서(B)에서 관측되는 대기에 대한 정보는 데이터 수신부(100)로 관측 지점의 위치, 즉 위도 및 경도와 시간 별로 수신되어 저장될 수 있다.
본 실시예에서는 인공위성(A)의 수동형 센서와 지상 관측 센서(B)는 분석 시스템에 포함되지 않았지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 두 개의 센서는 분석 시스템의 구성요소로 포함될 수 있다. 또한, 후술될 라이다 관측망(C) 역시 분석 시스템의 구성요소로 포함될 수도 있다.
유효성 검사부(200)는 인공위성(A)과 지상 관측 센서(B)에서 측정된 기기에서 제공되는 입자상 물질에 대한 관측 자료의 유효성 검사를 수행한다. 이를 위하여 유효성 검사부(200)는 각 관측 자료가 해당 시간에서 실제 자료로 존재하는지 여부 및 관측된 정보가 관측 센서의 관측 범위 내의 측정될 수 있는 자료인지 여부를 확인할 수 있다. 또한, 유효성 검사부(200)는 복수의 관측 센서에 대하여 개별적으로 관측 데이터의 유효성을 검증할 수 있고, 이는 실시간으로 사용자에게 피드백 될 수 있다. 유효성 검사부(200)에 의하여 유효성이 확인된 관측 데이터 만이 연직 분포 모델링부(300)로 전달되어 모델링에 사용될 수 있다.
연직 분포 모델링부(300)는 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 지상 입자 소산계수로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수를 계산하고, 지상 입자 소산 계수 및 척도 고도 상수를 이용하여 관심 영역에서의 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연직 분포 모델링을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 3을 참고하여 본 실시예에 따른 연직 분포 모델링 과정을 정리하면 다음과 같다.
우선, 입자상 물질에 대한 연직 분포 모델링이 앞서, 데이터 수신부(100)는 인공위성에 탑재된 수동형 센서로부터 소정 관심 영역에 대한 입자상 물질의 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)과 지상 관측 센서로부터 관심 영역에 대한 지상 입자 소산계수(σExt(0))를 수신할 수 있다(310).
수학식 1에서 입자상 물질의 연직 분포는 고도가 높아짐에 따라 지수적으로 감소하는 형태를 보이는 것으로 알려져 있으며(Elterman, 1970; McClatchey et al., 1972), 실제 입자 모델에서도 널리 사용되고 있으므로 (Hess et al., 1998), 수학식 2의 입자 소산 계수(σExt)는 고도에 대한 지수 함수로서 아래 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
지상 입자 소산 계수(σExt(0))가 수신되면, 연직 분포 모델링부(300)는 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)과 지상 입자 소산 계수(σExt(0))로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수(H)를 계산할 수 있다(320).
수학식 3의 지수항의 H는 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 결정하는 척도 고도(scale height)를 의미한다. 수학식 3을 수학식 2에 대입하여 적분하면 지수항이 매우 작아지므로, 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)는 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서 입자 소산 계수를 구하기 위하여 필요한 H는 지상에서 관측된 입자 소산 계수(σExt(0))와 인공위성에서 관측한 고도별 입자 소산 계수의 적분값(τ)으로부터 결정될 수 있다.
그런 후, 연직 분포 모델링부(300)는 지상 입자 소산 계수(σExt(0)) 및 계산된 척도 고도 상수(H)에 수학식 3에 적용하여 관심 영역에서의 자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링할 수 있다(330).
이 때, 연직 분포 모델링부(300)는 관심 영역의 위도, 관심 영역의 경도, 고도 및 시간에 대응하여 입자 소산 계수에 대한 연직 분포 모델링 및 모델링된 위도 별 연직 분포 및 경도 별 연직 분포를 시각화할 수 있다(340).
즉, 인공위성에서 관측된 관심 영역 내의 지상 관측망의 기기가 관측한 위치별 관측 자료로부터 동일 시간 대의 관측 자료를 지리적 위치(위도, 경도)와 시간에 따른 요소 별 관측 자료는 (위도, 경도, 시간)의 형식으로 표준화할 수 있고, 이렇게 정리된 데이터는 도 4a 및 도 4b와 같이 시각화 될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시각화된 경도 별 연직 분포를 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시각화된 위도 별 연직 분포를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 4a는 고정된 위도 범위(34N~38N)에서 경도 별로 입자상 물질이 어떻게 분포되는 지를 나타내므로, 좌우 방향, 즉 동서 방향으로 분포하는 입자상 물질의 연직 상태를 알 수 있다.
반면, 도 4b는 고정된 위도 범위(126.0E~129.6E)에서 위도 별로 입자상 물질이 어떻게 분포되는지 나타내고 있으므로, 상하 방향, 즉 남북 방향으로 분포하는 입자상 물질의 연직 상태를 알 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연직 분포도를 격자형으로 시각화한 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 5a는 도 2의 2 차원의 에어로솔 광학 두께 결과를 위도 및 경도에 따라 매핑한 것을 배경으로, 도 4a와 도 4b의 지점 별 입자상 물질의 소산 계수 연직 분포도를 한반도 상의 정확한 위치에 오버레이한 것으로, 노란색 마크는 실제 사용된 지상관측 지점을 의미한다.
노란색 마크가 선택되거나 특정 노란색 마크로 마우스가 이동하면 해당 지점에 대한 산출 결과와 관측 자료(Ⅰ)가 화면 상에 표시될 수 있다.
도 5a와 같은 격자 형태 시각화를 위하여 FORTRAN, C, 또는 인터페이스 정의 언어인 IDL(Interface Definition Language)등의 프로그래밍 언어가 이용될 수 있으며, 가시화 결과 산출물은 구글 어스에서 사용되는 KML(Keyhole Markup Language) 형식의 파일으로 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연직 분포 모델링부(300)는 사용자가 특정 관심 영역을 선택하면, 해당 관심 영역에 대한 모델링된 연직 분포를 표시할 수 있다(350).
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질에 대한 연직 분포도를 도시한 그래프로서, 도 5b에서 사용자가 관심 있는 관측 지점(노란색 마크)을 선택하면, 도 5b와 같이 연직 분포도가 크게 팝업 될 수 있다.
즉, 도 5b는 위성 관측 결과와 각 지상 관측 지점 별 관측 자료를 동시에 화면 상에 출력하여 사용자가 원하는 지점과 시간에서의 결과 자료(위경도, 고도, 위성 AOD, 시정거리, 소산계수, 척도 고도 등)를 제공하는 사용자 인터페이스이다.
신뢰성 검사부(400)는 라이다 관측망(C)으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 연직 분포를 비교하여 모델링된 연직 분포의 신뢰성을 검증할 수 있다.
라이다 관측망(C)은 레이저를 발사하여 산란되거나 반사되는 레이저가 돌아오는 시간과 강도, 주파수의 변화, 편광 상태의 변화 등으로부터 측정 대상물의 거리와 농도, 속도, 형상 등 물리적 성질을 측정하는 장치를 의미하며, 본 실시예에 따를 경우, 모델링 신뢰성을 판단하기 위한 비교 실측 데이터를 제공하는 역할을 한다.
이러한 라이다 관측망(C)은 능동형 센서로서 대기 중 고도별 에어로솔 부하량을 직접 측정할 수 있다.
신뢰성 검사부(400)는 동일 지점에서 동일 시간 대에 관측된 두 개의 데이터를 직접 비교함으로써 모델링된 연직 분포에 대한 검증 지수를 산출할 수 있다. 연직 분포 모델링부(300)에서 인공위성(A)과 지상 관측 센서(B)를 이용하여 산출된 고도별 입자 소산 계수를 σsat(z)라고 하고, 라이다 관측망(C)을 이용하여 실측된 입자 소산 계수를 σlidar(z)라고 하면, 신뢰성 검사부(400)는 하기 수학식 5과 같이 각 고도 z에서의 소산계수 차이값에 대한 편차(bias)와 평균 제곱근 오차(RMSE)를 연산할 수 있다.
Figure pat00005
이와 같이 두 개의 데이터의 유사도 및 편차를 연산함으로써 모델링 된 연직 분포에 대한 신뢰성을 검증할 수 있고, 사용자에게 두 자료의 유사성 평가를 위한 통계적 편차와 RMSE를 사용한 결과를 제시함으로써, 연직 분포 분석 시스템에 대한 품질 수준 정보를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연직 분포의 신뢰성 검증을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 6을 참고하여 본 실시예에 따른 연직 분포 모델링 과정을 정리하면 다음과 같다.
우선, 검증에 앞서, 연직 분포 모델링부(300)에서 지상 입자 소산 계수 및 산출된 척도 고도 상수를 이용하여 관심 영역에서의 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링할 수 있다(σsat(lon, lat, z))(610).
그런 후, 라이다 관측망(C)으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수 (σlidar(lon, lat, z))를 수신할 수 있다(620).
모델링된 연직 분포의 신뢰성을 검증하기 위하여 신뢰성 검사부(400)는 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 연직 분포를 비교할 수 있다(630).
이 때, 신뢰성 검사부(400)는 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 입자 소산 계수의 차이값에 대한 편차와 평균 제곱근 오차를 검증 수치로 연산하고, 이를 도식화 할 수 있다(640).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 소산 계수의 차이값에 대한 편차와 평균 제곱근 오차를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 도 7에는 임의의 관심 지역에서 인공위성과 지상 관측 센서의 관측 자료를 통하여 산출된 입자 소산 계수의 연직분포(σsat(z))와 지상에 설치된 라이다 관측망을 통하여 획득한 입자 소산 계수(σlidar(z))가 각각 점선 및 실선으로 표시되어 있다. 고도가 낮은 영역에서는 산출된 연직 분포와 실측된 연직 분포가 매우 유사하고, 고도가 높아질수록 편차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 도시되어 있는 연직 분포에서 산출된 편차(Bias)는 0.01이고, 평균제곱근오차(root-mean-square error; RMSE) 역시 0.01로 나타나고 있다.
이와 같이, 본 발명은 임의의 지점과 시각에서 입자상 물질에 대한 입체적인 분포 정보를 제공하기 위하여, 인공위성과 지상관측망을 이용한 입자상 물질의 입체 공간 분포 자료 가시화 분석 시스템 및 검증 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 임의의 관심 대상 지역에서 인공위성을 이용하여 관측을 수행하며, 동시에 인공위성이 관측하는 영역에서 임의의 지표점에 설치한 대기 환경 관측 기기에서 동시 관측을 수행하여, 각 시간대 별 관측 정보를 수집하고 해당 관측 자료를 사용자 단말기 상에서 3차원의 입체자료로 계산한 결과를 표시하고, 이러한 3차원 입체 자료는 실측된 관측자료와 비교를 통하여 검증 될 수 있다.
본 발명에 의한 분석 시스템 및 검증 방법에 의하면, 인공위성이나 지상 관측망에 탑재된 입자상 물질 측정용 센서의 특성과 운용 방법에 따라 다양한 범위에서의 입체적인 공간 분포 정보 산출이 가능하다.
이러한 입자상 물질의 입체적인 공간분포 정보는 국지적 또는 광역 대기 오염 현상, 대기 환경 재난 사고나 기상 변화 관련 분야에 필요한 과학적 자료를 제공할 수 있는 수단이 될 수 있다. 또한, 원격 탐사 센서의 설계 또는 컴퓨터를 이용한 모델링을 통하여 획득되는 관련 자료에 대한 유효성 검사를 위한 비교 검증용 자료로 사용될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 8의 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 장치(예, 분석 시스템을 위한 장치 등) 일 수 있다.
도 8의 실시예에서, 컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110), 송수신 장치(TN120), 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법 등을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 송수신 장치(TN120)는 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 입자상 물질의 연직 분포 분석시스템에 있어서,
    인공위성에 탑재된 수동형 센서로부터 소정 관심 영역에 대한 입자상 물질의 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 지상 관측 센서로부터 상기 관심 영역에 대한 지상 입자 소산계수를 수신하는 데이터 수신부와;
    상기 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 상기 지상 입자 소산계수로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수를 계산하고, 상기 지상 입자 소산 계수 및 척도 고도 상수를 이용하여 상기 관심 영역에서의 상기 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링하는 연직 분포 모델링부와; 및
    라이다 관측망으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 연직 분포를 비교하여 모델링된 상기 연직 분포의 신뢰성을 검증하는 신뢰성 검사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    수신된 상기 파장별 복사량에 대한 정보와 상기 지상 입자 소산계수의 유효성을 검사하는 유효성 검사부를 더 포함하고,
    상기 유효성 검사부는 상기 파장별 복사량에 대한 정보와 상기 입자 소산계수가 수신된 시간에 입자상 물질이 상기 관심 영역에 존재했는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연직 분포 모델링부는 상기 관심 영역의 위도, 상기 관심 영역의 경도, 고도 및 시간에 대응하여 상기 입자 소산 계수에 대한 연직 분포 모델링을 수행하고,
    모델링된 위도 별 연직 분포 및 경도 별 연직 분포를 시각화하며,
    사용자가 특정 관심 영역을 선택하면, 해당 관심 영역에 대한 모델링된 연직 분포를 표시하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신뢰성 검사부는 상기 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 입자 소산 계수의 차이값에 대한 편차와 평균 제곱근 오차를 검증 수치로 연산하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석 시스템.
  5. 입자상 물질의 연직 분포 분석 방법에 있어서,
    인공위성에 탑재된 수동형 센서로부터 소정 관심 영역에 대한 입자상 물질의 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 지상 관측 센서로부터 상기 관심 영역에 대한 지상 입자 소산계수를 수신하는 단계와;
    상기 고도별 입자 소산 계수의 적분값과 상기 지상 입자 소산계수로부터 고도에 따른 입자상 물질의 지수적 감소 정도를 나타내는 척도 고도 상수를 계산하는 단계와;
    상기 지상 입자 소산 계수 및 척도 고도 상수를 이용하여 상기 관심 영역에서의 상기 입자상 물질의 입자 소산 계수에 대한 연직 분포를 모델링하는 단계와; 및
    라이다 관측망으로부터 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 연직 분포를 비교하여 모델링된 상기 연직 분포의 신뢰성을 검증하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연직 분포를 모델링하는 단계는,
    상기 관심 영역의 위도, 상기 관심 영역의 경도, 고도 및 시간에 대응하여 상기 입자 소산 계수에 대한 연직 분포 모델링을 수행하는 단계와;
    모델링된 위도 별 연직 분포 및 경도 별 연직 분포를 시각화하는 단계와;
    사용자가 특정 관심 영역을 선택하면, 해당 관심 영역에 대한 모델링된 연직 분포를 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연직 분포의 신뢰성을 검증하는 단계는,
    상기 관측된 입자상 물질의 입자 소산 계수와 모델링된 상기 입자 소산 계수의 차이값에 대한 편차와 평균 제곱근 오차를 검증 수치로 연산하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질의 분석방법.
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