딥러닝을 활용한 위성영상 기반의 강원도 지역의 배추와 무 수확량 예측 (Satellite-Based Cabbage and Radish Yield Prediction Using Deep Learning in Kangwon-do)

서지정보

· 발행기관 : 대한원격탐사학회
· 수록지 정보 : 대한원격탐사학회지 / 39권 / 5호 / 1031 ~ 1042페이지
· 저자명 : 박혜빈, 이예진, 박선영

초록

인공위성은 시공간적으로 연속적인 지구환경 데이터를 제공하므로 위성영상을 이용하여 효율인 작물수확량 예측이 가능하며, 딥러닝(deep learning)을 활용함으로써 더 높은 수준의 특징과 추상적인 개념 파악을기대할 수 있다. 본 연구에서는 Landsat 8 위성 영상을 활용하여 다시기 영상 데이터를 이용하여 5대 수급 관리 채소인 배추와 무의 수확량을 예측하기 위한 딥러닝 모델을 개발하였다. 2015년부터 2020년까지 배추와 무의생장시기인 6~9월 위성영상을 이용하여 강원도를 대상으로 배추와 무의 수확량 예측을 수행하였다. 본 연구에서는 수확량 모델의 입력자료로 Landsat 8 지표면 반사도 자료와 normalized difference vegetation index,enhanced vegetation index, lead area index, land surface temperature를 입력자료로 사용하였다. 본 연구에서는 기존 연구에서 개발된 모델을 기반으로 우리나라 작물과 입력데이터에 맞게 튜닝한 모델을 제안하였다. 위성영상 시계열 데이터를 이용하여 딥러닝 모델인 convolutional neural network (CNN)을 학습하여 수확량 예측을 진행하였다. Landsat 8은 16일 주기로 영상이 제공되지만 구름 등 기상의 영향으로 인해 특히 여름철에는 영상 취득에 어려움이 많다. 따라서 본 연구에서는 6~7월을 1구간, 8~9월을 2구간으로 나누어 수확량 예측을 수행하였다. 기존 머신러닝 모델과 참조 모델을 이용하여 수확량 예측을 수행하였으며, 모델링 성능을 비교했다. 제안한 모델의 경우 다른 모델과 비교했을 때, 높은 수확량 예측 성능을 나타내었다. Random forest (RF)의 경우배추에서는 제안한 모델보다 좋은 예측 성능을 나타내었다. 이는 기존 연구 결과처럼 RF가 입력데이터의 물리적인 특성을 잘 반영하여 모델링 되었기 때문인 것으로 사료된다. 연도별 교차 검증 및 조기 예측을 통해 모델의 성능과 조기 예측 가능성을 평가하였다. Leave-one-out cross validation을 통해 분석한 결과 참고 모델을 제외하고는 두 모델에서는 유사한 예측 성능을 보여주었다. 2018년 데이터의 경우 모든 모델에서 가장 낮은 성능이나타났는데, 2018년의 경우 폭염으로 인해 이는 다른 년도 데이터에서 학습되지 못해 수확량 예측에 영향을 준것으로 생각되었다. 또한, 조기 예측 가능성을 확인한 결과, 무 수확량은 어느 정도 경향성을 나타냈지만 배추의 경우 조기 예측 가능성을 확인하지 못했다. 향후 연구에서는 데이터 형태에 따라 CNN의 구조를 조정해서조기 예측 모델을 개발한다면 더 개선된 성능을 보일 것으로 생각된다. 본 연구 결과는 우리나라 밭 작물 수확량 예측을 위한 기초 연구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

영어초록

In this study, a deep learning model was developed to predict the yield of cabbage and radish,one of the five major supply and demand management vegetables, using satellite images of Landsat 8.
To predict the yield of cabbage and radish in Gangwon-do from 2015 to 2020, satellite images fromJune to September, the growing period of cabbage and radish, were used. Normalized differencevegetation index, enhanced vegetation index, lead area index, and land surface temperature wereemployed in this study as input data for the yield model. Crop yields can be effectively predicted usingsatellite images because satellites collect continuous spatiotemporal data on the global environment.
Based on the model developed previous study, a model designed for input data was proposed in thisstudy. Using time series satellite images, convolutional neural network, a deep learning model, was usedto predict crop yield. Landsat 8 provides images every 16 days, but it is difficult to acquire imagesespecially in summer due to the influence of weather such as clouds. As a result, yield prediction wasconducted by splitting June to July into one part and August to September into two. Yield predictionwas performed using a machine learning approach and reference models , and modeling performancewas compared. The model’s performance and early predictability were assessed using year-by-year crossvalidationand early prediction. The findings of this study could be applied as basic studies to predict theyield of field crops in Korea.

참고자료

· 없음