[논문 리뷰] SkyCam: A Dataset of Sky Images and their Irradiance values

Evangelos Ntavelis, Jan Remund외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 06.

Remote Sensing in Agriculture참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

SkyCam은 스위스의 지형적 다양성이 뚜렷한 세 곳에서 1년간 수집한 천공 이미지와 해당하는 일광 조사 측정치로 구성된 대규모 고주기 데이터셋이다. 이 데이터셋은 카메라 기반 고정밀 HDR 이미지 입력과 정밀한 파이란오미터 읽기 값을 활용해 지역별 일조량을 예측하는 딥러닝 모델을 가능하게 하며, 태양광 발전 시스템을 위한 정확한 단기 예측을 지원한다.

ABSTRACT

Recent advances in Computer Vision and Deep Learning have enabled astonishing results in a variety of fields and applications. Motivated by this success, the SkyCam Dataset aims to enable image-based Deep Learning solutions for short-term, precise prediction of solar radiation on a local level. For the span of a year, three different cameras in three topographically different locations in Switzerland are acquiring images of the sky every 10 seconds. Thirteen high resolution images with different exposure times are captured and used to create an additional HDR image. The images are paired with highly precise irradiance values gathered from a high-accuracy pyranometer.

연구 동기 및 목표

• 지역 수준에서 정밀한 단기 일조량 예측을 위한 저비용 카메라 기반 솔루션 개발.
• 에너지 수확 예측 향상으로 독립형 태양광 시스템 최적화 지원.
• 딥러닝 모델이 천공 이미지를 활용해 정확한 태양 복사량 예측을 수행할 수 있도록 지원.
• 계절적 및 지형적 변동을 포괄하는 다양한 고주기 데이터셋 제공.
• 개선된 일조량 예측을 통해 하이브리드 PV디젤 시스템에서 화석 연료 발전기 의존도 감소.

제안 방법

• 세 곳의 스위스 현장에서 산업용 CMOS 카메라가 10초 간격으로 노출 시간을 다르게 하여 총 13장의 천공 이미지를 촬영.
• 13개 노출에서 후처리를 통해 고다이내믹 레인지(HDR) 이미지를 생성하여 동적 범위를 향상시키고 구름 및 천공 세부 정보를 유지.
• 각 현장에서 180도 시야각을 가진 고정밀 Hukseflux SR30 파이란오미터가 수평 전체 일조량(GHI)을 W/m² 단위로 측정.
• 2018년 동안 아침부터 저녁까지 연속으로 데이터를 수집하여 다양한 기상 및 지형 조건을 반영.
• 모든 이미지 및 일조량 데이터는 타임스탬프가 동기화된 PNG 및 XML 형식으로 저장.
• 총 약 16TB의 데이터를 포함하며, 카메라당 157만 개의 타임스탬프가 포함되어 있음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 노출 천공 이미지로 훈련된 딥러닝 모델은 실시간으로 지역별 일조량을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 지형적 차이(예: 줄라, 스위스 플레인, 프리알프스)는 천공의 외관과 일조량 값 간의 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 노출 이미지 대비 다중 노출 이미지의 HDR 처리가 일조량 예측 정확도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 저비용 카메라 기반 시스템이 기존의 파이란오미터 전용 방법과 동등한 일조량 예측 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 일시적인 가림 요소(예: 새, 이물질)는 이미지 기반 일조량 예측 모델의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SkyCam 데이터셋은 카메라당 157만 개의 타임스탬프를 포함하며, 각 타임스탬프당 13장의 이미지와 1장의 HDR 이미지가 포함되어 있으며, 1년간 매 10초 간격으로 수집됨.
• 교정된 Hukseflux SR30 파이란오미터를 통해 고정밀 측정된 일조량 값이 제공되어 모델 훈련을 위한 정확한 기준 데이터를 확보.
• 다양한 현장 간 일조량의 상당한 변동성을 기록하였으며, 같은 날에 지역 기상 조건으로 인해 최대 수백 W/m²의 차이가 관측됨.
• HDR 이미지는 타임스탬프당 13개의 노출에서 생성되었으며, 해상도는 600×600 픽셀로, 구름 및 천공 특징 추출을 위한 동적 범위 향상에 기여.
• 일시적인 데이터 누락 및 가림 요소(예: 새)가 존재하더라도 원본 및 처리된 데이터가 유지되어 사용자 기반의 데이터 정제 및 강건한 모델 훈련을 가능하게 함.
• 이 데이터셋은 https://github.com/vglsd/SkyCam 에 공개되어 있어 태양 일조량 예측 분야의 재현 가능한 연구를 지원함.