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한국지구과학회> 한국지구과학회지> Landsat 영상 및 인공 신경망 기법을 활용한 춘천 소양호 면적 및 가뭄 모니터링

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Landsat 영상 및 인공 신경망 기법을 활용한 춘천 소양호 면적 및 가뭄 모니터링

Monitoring of Lake area Change and Drought using Landsat Images and the Artificial Neural Network Method in Lake Soyang, Chuncheon, Korea

엄진아 ( Jinah Eom ) , 박성재 ( Sungjae Park ) , 고보균 ( Bokyun Ko ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee )
  • : 한국지구과학회
  • : 한국지구과학회지 41권2호
  • : 연속간행물
  • : 2020년 04월
  • : 129-136(8pages)

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목차

서 론
연구 지역
연구 방법
연구 결과
결 론
사 사
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가뭄은 일반적으로 장기간에 걸쳐 물 공급이 부족하여 나타나는 환경 재앙 중 하나로 대부분 넓은 지역에 걸쳐 나타난다. 원격탐사 자료는 이러한 넓은 지역에서 나타나는 가뭄 모니터링에 적합한 방법이다. 따라서 이 연구에서는 강원도 소양호 지역의 Landsat 위성 영상 자료를 활용하여 약 30년(1985-2015) 동안의 소양호 면적을 산출하고 이를 가뭄 패턴과 분석하였다. 특히 ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망을 활용하여 Landsat 영상을 분류하여 소양호 면적을 산출하였다. 또한 가뭄 패턴을 분석하기 위하여 산출된 호수 면적과 소양호 지역의 강수량을 활용한 표준 강수지수(Standardized Precipitation Index: SPI)와의 상관관계를 분석하였다. 영상 분류 연구 결과, ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망 방법 중에서 호수 면적 산출의 최적의 방법은 인공신경망 방법임을 알 수 있었다. 또한, 인공신경망 방법을 적용하여 산출한 호수 면적과 SPI와의 상관관계 분석 결과 R2 값이 0.52를 가진다. 즉, SPI 지수가 낮을 때 호수 면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉 호수 면적 변화를 통하여 소양호 지역의 가뭄 상태 감지 및 모니터링이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이 연구는 향후 지역 가뭄 모니터링 프로그램 개발 등에 사용이 가능할 것이다.
Drought is an environmental disaster typically defined as an unusual deficiency of water supply over an extended period. Satellite remote sensing provides an alternative approach to monitoring drought over large areas. In this study, we monitored drought patterns over about 30 years (1985-2015), using satellite imagery of Lake Soyang, Gangwondo, South Korea. Landsat images were classified using ISODATA, maximum likelihood analysis, and an artificial neural network to derive the lake area. In addition, the relationship between areas of Lake Soyang and the Standardized Precipitation Index (SPI) was analyzed. The results showed that the artificial neural network was a better method for determining the area of the lake. Based on the relationship between the SPI value and changes in area, the R2 value was 0.52. This means that the area of the lake varied depending on SPI value. This study was able to detect and monitor drought conditions in the Lake Soyang area. The results of this study are used in the development of a regional drought monitoring program.

UCI(KEPA)

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  • : KCI등재
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1고해상도 재분석자료와 관측소 1시간 평균 지상 온도 비교

저자 : 송형규 ( Hyunggyu Song ) , 윤대옥 ( Daeok Youn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 95-110 (16 pages)

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본 연구에서는 고해상도 ERA5 재분석자료 중 우리나라 지상 온도 자료의 신뢰성을 검증할 목적으로 종관기상 관측소(ASOS) 관측자료와 비교를 수행하였다. 새롭게 생산되어 배포 중인 ERA5 재분석자료는 높은 시·공간적 해상도를 가져 여러 분야에 활용성이 매우 높다. 자료의 분석 기간은 ASOS 61개 관측소가 1999년 이후로 결측률이 매우 낮으며 시간평균 자료를 제공한다는 점을 고려하여 1999-2018년 기간으로 설정하였다. ERA5 격자 자료는 격자 내 90-m 수치표고모델(DEM) 분포로부터 내륙, 해안, 산악 지역에 해당하는 지형학적인 특성에 따라 분류하여 ASOS 지점 자료와 비교되었다. 분석 기간 전체에 대한 평균 지상 온도는 ASOS와 ERA5 모두 공간 분포의 패턴과 값은 큰 차이없이 유사하였다. ASOS와 ERA5의 산점도 비교를 통해 전체 기간, 특히 여름, 겨울 기간에 대해 계절 변동성을 가진다는 특성을 확인할 수 있었으며, 이는 달별 두 자료 사이의 매시간 차이 확률밀도함수(PDF)의 시계열을 통해서도 확인되었다. 두 자료 사이의 차이를 통계지수인 NMB, RMSE를 계산하여 정량화시켰을 때, 각 값에서 지역적인 특성을 보였으나 모든 지수에서 큰 차이가 없다고 판단할 수 있었으며, 상관성을 보기 위해 R과 IOA를 통해 구한 값은 모두 0.99에 근접하였다. 특히 일평균 산출에 있어 1-시간-평균 값 24개를 이용한 일평균의 경우가 최고와 최저온도의 평균을 이용하는 일평균에 비해 오차가 작게 나타났고, 두 자료 사이의 상관성도 높게 나타남을 확인하였다. 두 자료의 차이가 나타나는 원인으로 ERA5 격자 내 지형 효과가 가장 클 것으로 판단하여 수치표고모델을 활용하여 각 지역별 PDF를 이용해 첨도 및 왜도를 구하고, 이를 온도 차이 파워 스펙트럼의 1년 주기 변동 크기와 비교하였다. 그 결과, 양의 상관성을 가졌음을 확인하였다. 이는 지형 효과가 두 자료 차이의 원인이라고 설명하는 결과이다.

2복잡한 도심에서의 유입된 미세먼지 잔류 가능성 예보 연구

저자 : 박성주 ( Sung Ju Park ) , 서유진 ( You Jin Seo ) , 김동욱 ( Dong Wook Kim ) , 최현정 ( Hyun Jeong Choi )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 111-128 (18 pages)

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본 연구에서는 복잡한 도심의 구조로 인한 미세먼지 농도의 강화 가능성에 대하여 데이터 마이닝 기술과 군집분석을 이용해 조사하였다. 데이터 마이닝 분석에서 미세먼지 농도와 서울지역 도시용도 데이터 사이에는 유의한 상관관계를 보이지 않았다. 그러나 전국 공공데이터를 기반으로 한 군집분석에서는 건물의 높이(층수)에서 특히 PM10과 강한 상관관계가 나타났다. 단일 케노피 모델(Single Canopy Model) 및 미기상 도시모델링 프로그램(ENVI-Met.4)을 사용한 모델링 분석을 실시하여 도시지역에서 모사된 대기 대류가 건물 분포 및 높이 유형의 배열에 따라 다양한 난류의 패턴을 구현함을 확인하였다. 도시 건물의 복잡한 구조는 대류활동을 제어하여 정체상태를 유도하고 지표 부근의 미세먼지 강화가능성을 초래 하였다. 따라서 도심 구조와 형태에 따른 열환경의 변화로 인한 정체 효과는 미세먼지 산정에 있어서 반드시 고려되어야 한다. 복잡한 도시지역의 미세먼지 잔류확률에 대한 정보를 제공하기 위해서는 대기정체 현상이 중요한 의미로 해석될 수 있다.

3Landsat 영상 및 인공 신경망 기법을 활용한 춘천 소양호 면적 및 가뭄 모니터링

저자 : 엄진아 ( Jinah Eom ) , 박성재 ( Sungjae Park ) , 고보균 ( Bokyun Ko ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 129-136 (8 pages)

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가뭄은 일반적으로 장기간에 걸쳐 물 공급이 부족하여 나타나는 환경 재앙 중 하나로 대부분 넓은 지역에 걸쳐 나타난다. 원격탐사 자료는 이러한 넓은 지역에서 나타나는 가뭄 모니터링에 적합한 방법이다. 따라서 이 연구에서는 강원도 소양호 지역의 Landsat 위성 영상 자료를 활용하여 약 30년(1985-2015) 동안의 소양호 면적을 산출하고 이를 가뭄 패턴과 분석하였다. 특히 ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망을 활용하여 Landsat 영상을 분류하여 소양호 면적을 산출하였다. 또한 가뭄 패턴을 분석하기 위하여 산출된 호수 면적과 소양호 지역의 강수량을 활용한 표준 강수지수(Standardized Precipitation Index: SPI)와의 상관관계를 분석하였다. 영상 분류 연구 결과, ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망 방법 중에서 호수 면적 산출의 최적의 방법은 인공신경망 방법임을 알 수 있었다. 또한, 인공신경망 방법을 적용하여 산출한 호수 면적과 SPI와의 상관관계 분석 결과 R2 값이 0.52를 가진다. 즉, SPI 지수가 낮을 때 호수 면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉 호수 면적 변화를 통하여 소양호 지역의 가뭄 상태 감지 및 모니터링이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이 연구는 향후 지역 가뭄 모니터링 프로그램 개발 등에 사용이 가능할 것이다.

4지질 연구 자료의 관리와 활용을 위한 데이터베이스 구축: 암석, 광물의 분류와 3D 모델을 중심으로

저자 : 고보균 ( Bokyun Ko ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee ) , 박성재 ( Sungjae Park ) , 이기영 ( Ki-young Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 137-146 (10 pages)

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국내에는 독자적으로 연구가 수행되어 개인적으로 보관 중인 지질 연구 자료가 다량 존재하는데, 이 자료에 대한 접근성이 떨어지기 때문에 다른 연구자들과의 공유가 용이하지 않다. 이런 자료에 대한 메타데이터를 체계적으로 구축하고 총괄적으로 관리하여 이 자료를 필요로 하는 연구자들이 효과적으로 연구를 수행할 수 있는 기회를 제공하는 것이 이 연구의 목적이다. 국내에서 연구된 약 1000여개의 지질 시료(900여개의 암석과 화석 시료, 100여개의 박편 시료)를 수집하였고, 각 시료의 고화질 사진, 분류, 시료명, 보유기관, 산지, 좌표, 특징 등에 대한 메타데이터를 구축하였다. 암석과 화석 시료 100개에 대해 추가적으로 3D 모델링을 수행하였다. 이 연구를 통해 유실되거나 방치되는 중요한 지질 자료에 대한 연구자들의 접근성이 높아지고 자료의 공유가 가능해진다. 따라서 연구자들은 반복적인 연구 자료 수집 작업으로 인한 시간과 비용의 낭비를 줄일 수 있고, 효율적인 연구를 수행하여 경쟁력을 갖춘 연구 결과를 획득할 수 있다. 또한 이미 확보된 시료에 대한 무분별한 반복 채집으로 인해 중요한, 그리고 피해에 취약한 자료가 훼손되는 것을 방지할 수 있다. 향후 전국의 대학과 연구기관에서 보관중인 다양한 암석과 박편 시료에 대한 메타데이터를 추가로 구축하면 자료의 식별 및 진전된 연구가 가능하고, 더불어 전문적인 광물학 및 암석학의 기초 지식에 대한 비교와 분석을 기대할 수 있다.

5초등학교 학생의 과학에 대한 인식론적 신념 분석

저자 : 성기석 ( Gi-seok Sung ) , 신명경 ( Myeong-kyeong Shin ) , 김은정 ( Eun-jeong Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 147-154 (8 pages)

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이 연구의 목적은 초등학교 학생들의 과학에 대한 인식론적 신념을 분석하여 그들의 과학의 목적, 과학 지식의 본성, 과학 지식의 근원, 과학에서의 실험의 역할에 대한 신념의 특징을 알아보고자 하는 것이다. 본 연구의 대상은 S시에 위치한 K 초등학교 4-6학년 학생 99명이고, 과학에 대한 인식론적 신념을 검사하기 위한 도구로 Elder(1999)가 그의 연구에서 제시한 과학에 대한 인식론적 신념을 구성하는 요소로 이루어진 검사지를 번안하여 사용하였다. 설문지 응답을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 과학의 목적에 대한 인식론적 신념을 분석한 결과, 6학년이 가장 현대적인 신념을 보유하고 있었다. 둘째, 과학 지식의 본성에 대한 신념의 경우, 4학년이 5, 6학년과 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 셋째, 과학 지식의 근원과 과학에서의 실험의 역할에 대한 신념을 통계적으로 유의미한 차이를 나타내지 않았다.

6환경교육 활성화를 위한 과학과 교육과정과 환경과 교육과정 비교

저자 : 윤진아 ( Jin-a Yoon ) , 남윤경 ( Younkyeong Nam )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 155-175 (21 pages)

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본 연구는 우리나라 과학교육에서 통합교육의 주제로 다루어지는 환경문제와 관련하여 환경교육의 현황과 교육과정을 비교 분석하여 상호연계성과 시사점을 제공하고자 하였다. 이를 위해 2015 개정 환경과 교육과정과 2015 개정 과학과 교육과정을 분석대상으로 선정하고, 각 교과의 교육과정과 그 변천에 대한 문헌연구와 내용분석(Content Analysis)을 수행하였다. 교육과정 분석은 선행연구를 토대로 핵심역량과 교육목표를 비교하고, 과학과 및 환경과의 공통 소양 요소인 지식, 태도, 탐구, 그리고 참여와 실천의 4가지 범주를 도출하여 분석틀을 구안하고 이를 토대로 내용체계를 재구성하였다. 연구결과 핵심역량과 목표에서 환경교과는 총론기반의 지속가능한 사회참여를, 과학교과는 과학탐구능력과 과학적 소양이 강조되는 차이가 있었다. 또한 내용체계에서는 환경교과가 학습자의 관점을 중시한다면 과학교과는 과학탐구자로의 자세를 강조하였으며, 내용지식의 체계를 중요시하는 과학교과에 비해, 환경교과는 학년간 경계가 거의 없이 과학개념이 적용되는 것으로 나타나 국가 교육과정에서 교과간 내용 지식 연계성에 대한 충분한 정보를 제공할 필요성이 제기되었다. 또한 환경교과가 참여와 실천에 목적을 둔다면 과학교과는 지속가능한 과학기술개발과 개선, 과학적 흥미와 의사결정능력을 기르는데 초점을 두고 있어 체계적인 지속가능발전 교육을 위해 과학과 및 환경과 교육과정이 상호보완 될 필요가 있으며 과학과 교육과정에서 탐구활동의 주제를 더욱 다양하고 통합적인 주제로 다룰 필요가 있음을 제안하였다. 이를 통해 탐구 중심의 통합 교과서에서 보다 과학적 문제해결과 평생학습과 참여 역량을 강조하는 교과서로 바꿀 수 있는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 지속가능발전 교육을 위해 과학과 및 환경과 교육과정의 상호보완에 대한 시사점과 함께 과학교육이 환경교육의 버거운 역할을 분담할 수 있기를 기대한다.

7미래학교의 스마트 기기를 활용한 과학 수업이 과학긍정경험과 과학 학습자 정체성에 미치는 영향 탐색

저자 : 유은정 ( Eun-jeong Yu ) , 김경화 ( Kyung Hwa Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 176-193 (18 pages)

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본 연구의 목적은 미래학교 연구학교인 C 중학교의 스마트 기기를 활용한 과학 수업이 과학긍정경험과 과학 학습자 정체성에 미치는 영향을 살펴보기 위함이다. 이를 위하여 미래학교 1학년 학생들을 대상으로 입학 당시와 1학년을 마무리하는 시점에 과학긍정경험(Shin et al., 2017)을 탐색하기 위하여 대응표본 t 검증을 실시하였다. 또한 1학년과 2학년 학생들에게 과학 수업에서의 나의 이미지를 그림으로 그리고 간단히 그림에 대해 서술하도록 하여 수정·보완된 분석틀(Luehmann, 2009)에 의거하여 스마트 기기를 활용한 미래학교의 과학 수업에서 학습자 정체성을 살펴보았다. 연구 결과 스마트 기기를 활용한 과학 수업을 통해 과학관련 진로포부, 과학관련 자아개념, 과학학습 정서에서 유의미한 효과가 나타났다. 스마트 기기를 활용한 과학 수업은 주체성과 능동성의 수준을 향상시키고, 즉각적이고 충분한 피드백을 통해 궁금한 것을 해결하고, 과학의 본성에 대한 의미 있는 인식을 경험하는데 도움을 주는 것으로 나타났다. 반면, 스마트 기기를 사용하는데 미숙한 학생들은 수업 시간에 적지 않은 부담감을 느끼는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 향후 이루어질 스마트 기기를 활용한 다양한 수업 맥락을 구상하는데 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

8관찰 가능한 달의 위상에 대한 초등 예비교사의 설명 유형과 특징 분석

저자 : 신윤주 ( Yoonjoo Shin ) , 안유민 ( Yumin Ahn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 194-207 (14 pages)

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이 연구의 목적은 실제 관찰의 맥락을 강조한 달의 위상 변화 문제를 해결하는 과정에서 드러나는 초등 예비교사의 설명 유형과 그 특징을 파악하여 초등 교사 양성 프로그램에서 고려해야 할 부분에 대한 시사점을 제공하는데 있다. 이를 위해 초등 예비교사 30명이 관찰 가능한 달의 위상을 설명한 내용을 분석하였으며, 주요한 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 달의 위상 변화에 대해 현상의 관찰과 이에 대한 과학적 추론에 바탕을 두기 보다는 달의 위상별 출몰시간표를 도입하여 설명하는 경우가 많았다. 둘째, 태양이 뜨면 달이 보이지 않거나 또는 달이 떠 있다면 무조건 달을 관찰할 수 있다고 생각하는 유형의 대안 개념이 확인되었다. 셋째, 달을 관찰할 수 있는 시각과 방위에 대해서는 태양의 위치와 무관하게 관찰할 수 있다거나 남중할 때 관찰할 수 있다고 설명하는 경우도 있었다. 또한 달을 관찰하는 날짜는 음력으로 상정하여 접근하는 방식도 볼 수 있었다. 이상의 결과로부터 교육학적인 시사점을 논의하였다.

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