README.md

산불 전이 확률 예측 시스템

산불 전이 확률 예측 시스템은 한반도 영역을 사전에 1km 제곱 범위 내 33만개로 격자화하고 사용자가 입력한 좌표 기반 산불 발생 지점의 기상,환경 정보를 토대로 전이 확률을 예측해 시각화하여 제공한다.

아래는 총 21개 지표에 대한 기상, 환경 정보의 데이터 수집 및 전처리 과정 및 구현 코드와 모델 학습 과정을 자세히 다룬다.

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한반도 격자화

이 스크립트는 대한민국 전역(위도 33.0° ~ 38.5°, 경도 124.5° ~ 130.5°)을 기준으로 0.01도 간격의 격자 셀로 나누고, 각 격자에 대해 위도·경도 범위 및 중심점을 계산하여 CSV 파일로 저장합니다.

이 격자 파일은 NDVI, FFMC, DMC, 기상 데이터 등 다양한 공간 데이터를 격자 단위로 정렬할 때 활용됩니다.

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🧾 출력 데이터

korea_grids_0.01deg.csv

• 총 약 330,000개의 격자 셀 포함
• 열 설명:

컬럼명	설명
grid_id	격자 고유 ID (0부터 시작하는 번호)
lat_min	격자의 최소 위도
lat_max	격자의 최대 위도
lon_min	격자의 최소 경도
lon_max	격자의 최대 경도
center_lat	격자 중심 위도
center_lon	격자 중심 경도

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⚙ 실행 방식

python generate_korea_grids.py

또는 Jupyter Notebook에서 셀 단위로 실행 가능합니다.

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🧠 처리 로직 요약

1. 대한민국 범위 설정:
   • 위도: 33.0° ~ 38.5°
   • 경도: 124.5° ~ 130.5°
2. 해상도 설정:
   • res = 0.01 (약 1.1km 해상도)
3. 2중 루프를 통해 위도·경도 블록 생성:
   • 각 셀의 위/경도 범위 계산
   • 중심점 계산
   • 고유 ID 부여
4. 모든 격자 정보를 리스트로 저장 후 pandas DataFrame으로 변환
5. 최종 CSV로 저장

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🛠 필요 패키지

• pandas

설치:

pip install pandas

SPEI 데이터 수집

SPEI 데이터를 아래 플랫폼에서 수집하였습니다. Global SPEI database

📁 사용하는 데이터가 1km 격자 기반으로 한반도 지역 분석이고, 목적이 단기/중기 가뭄 모니터링 또는 위험 예측이기에 SPEI-06 로 결정하였고 .nc 형태의 파일을 로컬에 다운로드하였습니다.

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SPEI_data.m - SPEI 최근 6개월 평균 계산

이 스크립트는 SPEI 6개월 지수(SPEI06) 데이터를 기반으로 한반도 전역 격자에 대해 최근 6개월 평균값을 계산하여 CSV로 저장합니다. 계산 중간에 끊겨도 체크포인트 기능을 통해 이어서 실행이 가능합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_0.01deg.csv	한반도 격자 정보 (grid_id, 위·경도 범위 포함)
spei06.nc	SPEI NetCDF 파일 (변수: lon, lat, time, spei)

⚙️ 실행 흐름

1. 격자 및 NetCDF 데이터 불러오기

• 기준이 되는 한반도 격자(grid_id, lat_min, lat_max, lon_min, lon_max)를 불러옵니다.
• SPEI06 NetCDF 파일로부터 위도, 경도, 시간, SPEI 값을 읽어옵니다.

2. 최근 6개월 인덱스 선택

• 전체 시간 중에서 가장 최근 6개 시점의 인덱스를 선택합니다.
• 이 6개 시점의 평균값을 계산하여 저장하게 됩니다.

3. 체크포인트 확인 및 이어서 실행

• checkpoint.mat 파일이 존재하는 경우, 이전 계산 중단 위치(start_idx)부터 이어서 계산합니다.
• 존재하지 않으면 처음부터 시작합니다.

4. 격자별 평균 SPEI 계산

• 각 격자 중심 좌표에 가장 가까운 NetCDF 좌표 인덱스를 찾아 SPEI 값을 추출합니다.
• 최근 6개월의 평균값을 계산하여 저장합니다.
• 결측값(>1e30)은 NaN으로 처리합니다.

5. 주기적 중간 저장

• 5,000개 격자마다 계산 결과를 checkpoint.mat에 저장합니다.
• 강제 종료나 오류 발생 시 이어서 재시작 가능하도록 합니다.

6. 최종 결과 저장

• 모든 격자에 대한 평균값 계산이 완료되면 결과를 korea_spei06_recent_avg_all.csv로 저장합니다.

7. 체크포인트 파일 삭제

• 모든 계산이 완료되면 checkpoint.mat는 삭제되어 초기화됩니다.

💾 출력 파일

파일명	설명
korea_spei06_recent_avg_all.csv	각 격자별 최근 6개월 SPEI 평균값 (grid_id, spei_recent_avg)
checkpoint.mat	중간 계산 상태 저장 파일 (자동 생성 및 최종 삭제됨)

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SPEI_data_2.m - 격자-SPEI 병합

이 스크립트는 한반도 전역의 격자 정보와 최근 6개월간 SPEI 평균값을 grid_id 기준으로 병합하여 통합된 CSV 파일로 저장합니다. 병합 방식은 Left Join에 해당하며, 격자 정보는 모두 유지됩니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_0.01deg.csv	한반도 기준 격자 정보 (grid_id, 위·경도 경계 포함)
korea_spei06_recent_avg_all.csv	각 격자별 최근 6개월 SPEI 평균값 (grid_id, spei_recent_avg)

⚙️ 실행 흐름

1. 파일 불러오기

• 기준 격자 정보와, 해당 격자에 대한 최근 6개월 SPEI 평균값을 각각 불러옵니다.

2. grid_id 기준 병합

• 두 테이블을 grid_id를 기준으로 병합합니다.
• 병합 방식은 Left Join으로, 기준 격자에 포함된 모든 grid_id는 유지되며, 해당하는 SPEI 값이 있을 경우에만 병합됩니다.
• 격자는 그대로 유지되며, SPEI 값이 없는 경우는 NaN으로 표시됩니다.

3. 결과 확인 및 저장

• 병합이 완료되면 상위 6개 행(head)을 출력하여 미리보기를 제공합니다.
• 최종 결과는 korea_grids_with_spei.csv 파일로 저장됩니다.

💾 출력 파일

파일명	설명
korea_grids_with_spei.csv	격자 정보에 최근 6개월 평균 SPEI 값이 병합된 최종 결과 파일

📁 출력 파일 구조 (korea_grids_with_spei.csv)

grid_id	lat_min	lat_max	lon_min	lon_max	center_lat	center_lon	spei_recent_avg
0	...	...	...	...	…	…	NaN
1	...	...	...	...	…	…	-0.231
...	...	...	...	...	…	…	...

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SPEI_data_3.m - SPEI 평균값 지도 시각화

이 스크립트는 korea_grids_with_spei.csv 파일을 기반으로, 최근 6개월간의 SPEI 평균값을 한반도 지도 위에 색상 격자 형태로 시각화합니다. 시각화는 geoscatter를 사용해 각 격자의 중심 좌표를 기준으로 색상 점으로 표시됩니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_with_spei.csv	격자별 위·경도 경계 및 최근 6개월 SPEI 평균값 포함 파일

✅ 시각화 그래프

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지형 데이터 수집

지형 분석도 (지형 경사도)  데이터를 아래 플랫폼에서 수집하였습니다. 환경 빅데이터 플랫폼- 데이터 검색

📁 다양한 데이터 형식 중 GEOTIFF Slope_All.tif데이터 파일을 사용하였습니다.

→ 아래는 지형 데이터 파일을 시각화한 사진

먼저 파이썬으로 대용량 GeoTIFFSlope_All.tif데이터 파일에서 한 줄씩 위도/경도 변환을 수행하여 메모리 문제 없이 lat_grid와 lon_grid를 만드는 작업을 수행하였습니다.

이는 한반도 영역의 33만개의 대용량 격자 데이터를 다루기 위해 해당 과정을 진행하였습니다.

따라서 각 위도, 경도 격자 정보에 대하여 "lat_grid.npy", "lon_grid.npy" 이름으로 저장하였습니다.

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slope_data_2.m - Slope Extraction by Grid

👩🏼

앞서 파이썬으로 수집한 각 위도, 경도 격자 정보 "lat_grid.npy", "lon_grid.npy" 파일을 MATLAB에서 사용하기 위해 .mat 파일로 합쳐 저장해두었습니다.

그리고 해당 파일을 불러와 slope 값을 기반으로 각 격자마다 평균 경사도(mean slope)를 계산하는 작업을 진행했습니다.

다만 데이터 수집 시간을 줄이기 위해서 지형 데이터가 일반적으로 해양 영역이 NoData로 처리하는 것을 파악해 육지에 해당하는 격자만 데이터를 수집하고자 하였습니다.

앞서 수집했던 SPEI 데이터의 특성을 사용하여 지형 데이터를 추출하고자 하였고 해당 특성은 이와 같습니다.

• SPEI 데이터(korea_spei06_recent_avg_all.csv)는 육지 격자만 유효값, 바다는 NaN
• 따라서 slope_by_grid 계산 시:
  • 해당 격자의 SPEI가 NaN이면 → 경사도도 NaN 처리 후 skip

따라서 이 코드는 한반도 1km 격자 기반의 평균 지형 경사도(mean_slope)를 계산하여 각 격자별로 저장하는 MATLAB 스크립트입니다. 특히 육지 격자만 대상으로 처리하며, 장시간 연산에 대비해 체크포인트 기능과 주기적 저장 기능을 포함합니다.

📁 데이터 구성

입력 파일

파일명	설명
latlon_grids.mat	전체 지역의 위도(lat) / 경도(lon) 매트릭스
Slope_All.tif	전체 경사도 지형 데이터 (GeoTIFF 형식)
korea_grids_0.01deg.csv	한반도 격자 정보 (위/경도 경계 포함)
korea_spei06_recent_avg_all.csv	SPEI 기반 육지 여부 판단용 데이터 (spei_recent_avg 사용)

⚙️ 실행 흐름

1. 데이터 불러오기

• 위도/경도 그리드 및 GeoTIFF 형식의 경사도 데이터(Z)를 불러옵니다.
• 전체 격자 정보와 육지 마스크로 사용할 SPEI 데이터를 로드합니다.

2. 육지 격자 필터링

• spei_recent_avg 값이 NaN이 아닌 경우를 육지로 간주하여 is_land 벡터 생성
• 이를 기준으로 grid_id를 필터링하여 육지 격자만 선별합니다.

3. 설정값 정의

• saveStep: 주기적으로 중간 결과를 저장할 간격 (기본 5,000개 단위)
• checkpoint.mat: 중간 상태 저장 파일 (이전 중단 지점부터 이어서 실행 가능)
• 결과 저장용 meanSlope 배열 초기화

4. 체크포인트 불러오기 (재실행 지원)

• 이전에 중단된 계산이 있다면 checkpoint.mat에서 상태를 불러와 이어서 실행합니다.
• 없으면 새로 시작합니다.

5. 평균 경사도 계산 (Main Loop)

• 각 육지 격자에 대해:
  • 격자의 위/경도 범위 내에 포함되는 경사도 값을 추출
  • NaN을 제외한 값들의 평균을 meanSlope[i]에 저장
• 100개 단위로 진행률을 출력하고, saveStep 단위로 중간 결과를 CSV 파일로 저장합니다.
• checkpoint.mat도 함께 저장하여 중단 시 이어서 실행 가능

6. 최종 결과 저장 및 마무리

• 전체 결과를 slope_by_grid.csv로 저장
• 중간 상태 파일 checkpoint.mat는 최종 완료 후 삭제됩니다.

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💾 출력 결과

파일명	설명
slope_by_grid.csv	전체 육지 격자에 대한 평균 경사도 결과
slope_partial_XXXX.csv	중간 저장된 경사도 결과 (XXXX는 index 수)
checkpoint.mat	계산 중단 시 재실행을 위한 체크포인트 (최종 저장 후 삭제됨)

✅ 최종 데이터 구조

grid_id	lat_min	lat_max	lon_min	lon_max	mean_slope
1	33.00	33.01	126.00	126.01	4.21
...	...	...	...	...	...

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slope_data_3.m - Grid-Slope Merge Script

이 스크립트는 한반도 0.01° 간격의 격자 정보(korea_grids_0.01deg.csv)에 각 격자의 평균 경사도(mean_slope)를 병합하여 새로운 파일(korea_grids_with_slope.csv)로 저장합니다.

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📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_0.01deg.csv	전체 기준 격자 정보 (위도, 경도 경계 포함)
slope_by_grid.csv	격자별 평균 경사도 (grid_id, mean_slope)

⚙️ 실행 흐름

1. 두 파일 불러오기

• 기준이 되는 격자 정보와, 해당 격자에 대한 평균 경사도 값을 저장한 두 개의 CSV 파일을 불러옵니다.

2. grid_id를 기준으로 병합

• 두 파일을 grid_id 기준으로 병합합니다.
• 모든 기준 격자 정보는 유지되며, 경사도 값이 존재하는 경우 해당 값이 병합되어 포함됩니다.
• 경사도 정보가 존재하지 않는 격자의 경우, mean_slope 값은 NaN으로 표시됩니다.

3. 병합 결과 저장

• 병합된 결과는 korea_grids_with_slope.csv 파일로 저장되며, 각 격자의 위·경도 경계와 평균 경사도 값이 함께 포함됩니다.

💾 출력 파일

파일명	설명
korea_grids_with_slope.csv	기준 격자 정보에 평균 경사도가 병합된 최종 결과 파일

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slope_data_4.m - 평균 경사도 시각화 스크립트

이 스크립트는 korea_grids_with_slope.csv 파일을 기반으로 한반도 육지 격자별 평균 지형 경사도를 색상 단계별로 시각화하는 MATLAB 코드입니다.

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📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_with_slope.csv	기준 격자 정보 + 평균 경사도(mean_slope)가 포함된 병합 파일

✅ 시각화 그래프

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SMAP 데이터 수집

SMAP 데이터는 아래 플랫폼에서 수집했습니다. Earthdata Login

📁 해당 플랫폼에서 전체 SMAP .h5 파일을 직접 다운로드하고 해당 파일에서 한반도 영역만 MATLAB에서 부분 추출하였습니다.

NASA의 SMAP L3 SPL3SMP 데이터는 기본적으로 육지(land surface)의 토양 수분만 포함하고 해양(바다) 영역은 NaN (결측값) 으로 표시하기 때문에 지형 데이터 수집 과정에서 진행했던 것처럼 spei 데이터의 특성(데이터가 육지에서만 적용)을 활용해 육지 격자만 수집하였습니다.

다만 SMAP 데이터 일부에 아래와 같은 문제가 있었습니다.

👩🏼

원인

1. 위성 수신 품질 문제
   • 강수, 눈, 구름, RFI, 지형 등으로 품질 저하 시 NaN 발생
   • retrieval_qual_flag가 나쁠 경우 NaN
   • 해안 근처 픽셀도 품질 불안정
2. SMAP 픽셀 중심과 격자 중심 거리 문제
   • SMAP 해상도는 약 36km
   • 1km 격자 중 일부는 가까운 SMAP 픽셀이 없어 매핑 실패

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✅ 최종 처리 방식

• SPEI 값 기준으로 바다/육지 격자 구분
• 육지 격자만 SMAP 수분값 수집
• NaN인 육지 격자는 보간(interpolation) 적용

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SMAP_data_4.m - SMAP 토양 수분 격자 매핑 및 보간

이 스크립트는 **SMAP 데이터(HDF5 포맷)**를 한반도 0.01도 격자에 매핑하여, 육지 격자에 수분값을 할당하고, 결측값에 대해 최근접 보간을 수행한 후 최종 파일로 저장하는 작업을 수행합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_0.01deg.csv	전체 한반도 격자 정보 (grid_id, 위·경도 경계 포함)
korea_spei06_recent_avg_all.csv	육지 여부 판단을 위한 SPEI 평균값 (NaN 여부로 육지 판단)
SMAP_L3_SM_P_20250630_R19240_001.h5	SMAP 토양 수분 데이터 (.h5 형식)

⚙️ 실행 흐름

1. 데이터 불러오기

• 전체 격자 정보(grid_id, lat_min, lat_max, lon_min, lon_max)와 육지 여부 판단용 SPEI 데이터를 불러옵니다.
• 육지 격자만 추출하기 위해 SPEI 값이 NaN이 아닌 격자를 필터링합니다.
• SMAP HDF5 파일에서 위도, 경도, 수분값 데이터를 불러옵니다.

2. SMAP 한반도 영역 필터링

• 위도 3339도, 경도 124132도 범위로 한반도 영역만 선택합니다.
• 선택된 영역의 위·경도 및 수분값(soil_moisture)을 별도로 저장합니다.

3. SMAP 수분값 격자 매핑

• 각 육지 격자 중심 좌표에 대해 가장 가까운 SMAP 포인트를 찾아 수분값을 할당합니다.
• 이때 유클리드 거리 제곱을 기준으로 최근접 점을 선택합니다.

4. 최근접 보간기 생성

• 수분값이 없는 육지 격자에 대해서는 scatteredInterpolant 객체를 사용하여 최근접 보간법으로 대체값을 생성할 준비를 합니다.
• 보간 대상은 육지 격자 중심 좌표 기준으로 설정합니다.

5. 전체 격자에 최종 수분값 생성

• 전체 격자(육지 + 바다)에 대해:
  • 육지인 경우: 수분값이 있으면 그대로 사용, 없으면 보간값 사용
  • 바다인 경우: NaN 유지

6. 결과 저장

• 최종 수분값(smap_20250630_filled)을 grids 테이블에 추가한 뒤, smap_20250630_all_grids_with_interpolated_land.csv로 저장합니다.

💾 출력 파일

파일명	설명
smap_20250630_all_grids_with_interpolated_land.csv	전체 격자에 대해 보간 포함 최종 SMAP 수분값 추가된 결과 파일 (smap_20250630_filled)

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SMAP_data_5.m - SMAP 토양 수분 시각화

이 스크립트는 smap_20250630_all_grids_with_interpolated_land.csv 파일을 사용하여, 육지 격자의 수분값을 한반도 지도 위에 색상 점 형태로 시각화합니다. 보간 포함 수분값(smap_20250630_filled)을 바탕으로, 지리적 공간 해석을 위한 시각적 자료를 생성합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
smap_20250630_all_grids_with_interpolated_land.csv	전체 격자에 대해 보간 포함 SMAP 수분값이 포함된 결과 파일 (center_lat, center_lon, smap_20250630_filled)

✅ 시각화 그래프

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기상 데이터

기상 데이터는 아래 플랫폼에서 수집하였습니다. ERA5 hourly data on single levels from 1940 to present

📁 위의 링크에서2025년 6월 26일 하루치의 시간대별(0:00 ~ 24:00) 기상 지표 5개를 NetCDF 데이터 파일로 수동 다운로드하였습니다.

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weather_data_3.py - ERA5 기반 기상 변수 격자 추출

(2025년 6월 30일 기준)

이 스크립트는 ECMWF ERA5 재분석 데이터를 활용하여, **한반도 0.01도 격자 중심 좌표 기준으로 주요 기상 요소(기온, 습도, 바람, 강수량)**를 추출하여 저장합니다. 각 격자마다 가장 가까운 ERA5 지점의 값을 선택하며, 하루치 데이터를 평균 또는 누적 방식으로 계산합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_0.01deg.csv	격자 중심 좌표 및 grid_id 포함한 기준 격자 정보
data_stream-oper_stepType-instant.nc	ERA5 순간값 데이터 (기온, 이슬점, 바람 등)
data_stream-oper_stepType-accum.nc	ERA5 누적값 데이터 (강수량)

⚙️ 실행 흐름

1. 격자 정보 불러오기

• 기준 격자 CSV에서 각 셀의 중심 위도(center_lat) 및 경도(center_lon)와 grid_id를 읽어옵니다.

2. ERA5 NetCDF 파일 불러오기

• instant.nc 파일에서 기온(t2m), 이슬점(d2m), 10m 바람(u10, v10)을 불러옵니다.
• accum.nc 파일에서 누적 강수량(tp)을 불러옵니다.
• 단위 변환:
  • 기온: K → °C
  • 강수량: m → mm

3. 파생 변수 계산

• 풍속(wind_speed)과 풍향(wind_deg)을 계산합니다.
• 기온과 이슬점 온도를 활용해 상대습도(rh)를 계산합니다 (Tetens 공식 기반).

4. 시간 평균 및 누적

• 하루치 데이터를 시간 축(valid_time) 기준으로 평균(mean) 또는 합계(sum)로 집계합니다.
  • 예: 기온, 풍속, 습도 → 평균값
  • 강수량 → 누적값

5. 최근접 좌표 추출

• 각 격자 중심 좌표에 대해 ERA5 데이터의 최근접 격자값을 추출합니다.
• 변수별로 extract_nearest() 함수로 최근접 latitude, longitude의 값을 가져옵니다.

6. 결과 저장

• 각 격자에 대해 추출된 기상 요소를 하나의 테이블로 정리합니다.
• weather_by_grid_20250630.csv 파일로 저장합니다.

💾 출력 파일

파일명	설명
weather_by_grid_20250630.csv	각 grid_id에 대해 추출된 5개 기상 변수 포함 (temp_C, humidity, wind_speed, wind_deg, precip_mm)

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weather_data_3.m - ERA5 기상 변수 시각화

이 스크립트는 weather_by_grid_20250624.csv의 ERA5 기반 기상 요소를 한반도 육지 격자 중심 좌표에 매핑하여 지도 위에 시각화합니다. 5가지 변수(기온, 상대습도, 풍속, 풍향, 강수량)에 대해 **색상 점 시각화(scatter map)**를 제공합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
korea_grids_0.01deg.csv	격자 중심 좌표 및 grid_id 포함 기준 격자 정보
weather_by_grid_20250624.csv	각 격자의 ERA5 기반 기상 변수 (기온, 습도, 바람, 강수량 등)

✅ 시각화 그래프

1️⃣ 기온 2️⃣ 습도 3️⃣ 풍속 4️⃣ 풍향 5️⃣ 강수량

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NDVI 데이터

본 스크립트는 250m 해상도의 NDVI GeoTIFF 이미지(NDVI_LATEST_250m_fixed.tif)를 기반으로, korea_grids_0.01deg.csv 파일에 정의된 각 격자 영역 내의 유효 NDVI 픽셀값 평균을 계산하여 저장합니다.

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🧾 입력 데이터

1. 격자 정의 파일 (korea_grids_0.01deg.csv)

• 각 행은 하나의 격자 정보를 포함
• 필수 열:
  • grid_id, lat_min, lat_max, lon_min, lon_max

2. NDVI GeoTIFF 이미지 (NDVI_LATEST_250m_fixed.tif)

• 250m 해상도의 NDVI 이미지
• NDVI 값은 일반적으로 -1.0 ~ 1.0 범위이나, 이 스크립트는 0보다 큰 값만 유효로 간주

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⚙ 실행 방식

python ndvi_grid_avg.py

(위 코드를 .py 파일로 저장한 경우)

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🔍 주요 처리 과정

1. pandas를 이용해 격자 정보 CSV를 읽어옴
2. rasterio를 통해 NDVI GeoTIFF 이미지 열기
3. 각 격자 셀에 대해:
   • 격자 영역의 위도/경도 좌표를 픽셀 인덱스로 변환
   • 해당 영역에서 NDVI 값을 추출
   • NDVI 값 중 0보다 큰 값만 유효값으로 간주하여 평균 계산
4. 결과를 NDVI_processed_average.csv 파일로 저장

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💾 출력 데이터

NDVI_processed_average.csv

• 기존 격자 정의 정보에 NDVI 평균 열이 추가됨

• 예시:

  grid_id,lat_min,lat_max,lon_min,lon_max,NDVI
  10001,36.94,36.95,128.44,128.45,0.4821
  10002,36.95,36.96,128.44,128.45,0.3712
  ...
  

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🛠 필요 패키지

• pandas
• numpy
• rasterio

설치 방법:

pip install pandas numpy rasterio

✅ 시각화 그래프

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연료 수분 지수 데이터

본 스크립트는 GEOS-5 기반 NetCDF 파일로부터 **연료 수분 지수(FFMC, DMC, DC)**를 추출하여, korea_grids_0.01deg.csv 내의 각 격자 중심 좌표에 대해 최근접 위경도 값을 기반으로 지표값을 할당하고, 그 결과를 CSV 파일로 저장하는 데 목적이 있습니다.

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🧾 입력 데이터

1. 격자 정의 CSV 파일 (korea_grids_0.01deg.csv)
   • 각 행은 하나의 격자 셀을 의미
   • 필수 열: grid_id, center_lat, center_lon, lat_min, lat_max, lon_min, lon_max
2. 연료 수분 NetCDF 파일 (FWI.GEOS-5.Daily.Default.YYYYMMDD00.YYYYMMDD.nc)
   • 기상청 제공 GEOS-5 기반 FWI 제품
   • 변수:
     • GEOS-5_FFMC: Fine Fuel Moisture Code
     • GEOS-5_DMC: Duff Moisture Code
     • GEOS-5_DC: Drought Code
   • 좌표 변수:
     • lat: 위도 배열
     • lon: 경도 배열

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⚙ 실행 방식

python fuel_moisture_extraction.py

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🔍 주요 처리 과정

1. CSV 및 NetCDF 파일 로드
   • pandas와 xarray를 사용해 입력 데이터를 불러옵니다.
2. 각 격자의 중심 위경도에 대해 최근접 GEOS-5 격자 인덱스 찾기
   • np.argmin(np.abs(...)) 방식으로 격자 좌표와 가장 가까운 NetCDF 포인트를 찾습니다.
3. 해당 지점의 FFMC, DMC, DC 값을 추출
   • NaN 여부 확인 후 반올림
4. 최종 결과를 fuel_moisture_nearest.csv로 저장
   • 각 행은 격자별 결과 (FFMC, DMC, DC)

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💾 출력 결과

fuel_moisture_nearest.csv

• 열 구성:

  • grid_id, min_lat, max_lat, min_lon, max_lon, FFMC, DMC, DC

• 값 예시:

  grid_id,min_lat,max_lat,min_lon,max_lon,FFMC,DMC,DC
  10001,36.94,36.95,128.44,128.45,89.21,52.76,342.10
  

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🛠 필요 패키지

• pandas
• numpy
• xarray
• netCDF4 (간접적으로 필요할 수 있음)

설치:

pip install pandas numpy xarray netCDF4

✅ 시각화 그래프

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격자 기반 FARSITE 전이 확률 계산 스크립트 (Farsite_cal.m)

본 스크립트는 각 격자 셀을 중심으로 8방향(NW, N, NE, W, E, SW, S, SE)에 대해 풍향과 경사 방향을 고려한 전이 확률을 계산하여 .csv 파일로 저장합니다.

이는 FARSITE 확산 모델을 간소화한 확률 기반 시뮬레이션 입력값 생성에 사용됩니다.

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🧾 입력 파일

📁 input_data_land_only.csv

격자 중심점과 연료 데이터를 포함한 입력 테이블

컬럼명	설명
grid_id	격자 ID
center_lat, center_lon	격자 중심 위/경도
avg_fuelload_pertree_kg	평균 나무당 연료량 (ROS 계산용)
wind_deg	풍향 (도, 0~360°)

※ slope_dir은 코드 내에서 전역 설정됨 (135도로 고정)

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⚙ 실행 흐름

1️⃣ 입력 데이터 불러오기

• readtable로 육지 격자 데이터(input_data_land_only.csv) 불러오기

2️⃣ 격자 전이 방향 설정

• 총 8개 방향: NW, N, NE, W, E, SW, S, SE
• 각 방향의 벡터(dx, dy) 및 방위각(theta_ij) 계산

3️⃣ 전이 확률 계산

각 방향에 대해 다음을 계산:

P(d) = exp(-d_ij^2 / sigma^2) * (1 + G) * ros;
G = α * cos(θ_ij - wind_dir) + β * cos(θ_ij - slope_dir)

• d_ij: 거리 (유클리드 거리, 1 또는 √2)
• ros: Rate of Spread (연료량 기반, 예시 계산식 사용)
• G: 바람 및 경사 방향의 영향
• alpha, beta: 영향 가중치 (기본 0.5)
• 최종 P는 정규화하여 8방향 확률 합이 1이 되도록 함

4️⃣ 결과 저장

• 출력 파일: farsite_transfer_probs.csv
• 열 구성: grid_id, center_lat, center_lon, P_NW, ..., P_SE

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💾 출력 파일

farsite_transfer_probs.csv

컬럼명	설명
grid_id	격자 ID
center_lat	중심 위도
center_lon	중심 경도
P_NW ~ P_SE	8방향 전이 확률 (합계: 1.0)

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🛠 파라미터 설정

변수	설명	기본값
sigma	거리 기반 확산 감소 인자	1.0
alpha	풍향 영향 가중치	0.5
beta	경사 방향 영향 가중치	0.5
slope_dir	고정 경사 방향 (도 단위)	135

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FARSITE 전이 확률 보정 및 정규화

본 스크립트는 FARSITE 방식으로 계산된 8방향 확산 확률(P_NW ~ P_SE)을 대상으로, 방향별 평균값에 기반한 자동 가중치 보정을 수행하고 정규화된 확산 확률을 재계산하여 저장합니다.

이는 특정 방향으로의 전이 확률이 과도하거나 불균형할 경우, 전체 분포를 통계적으로 재조정하기 위한 보조적 후처리 단계입니다.

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🧾 입력 파일

📁 input_data_farsite_Nan.csv

• 격자별 원시 FARSITE 확산 확률을 포함하는 CSV
• 필수 열:
  • grid_id, center_lat, center_lon
  • P_NW, P_N, P_NE, P_W, P_E, P_SW, P_S, P_SE

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⚙ 처리 흐름

1. 방향별 평균 확산 확률 계산

mean_probs(d) = mean(P_d, 'omitnan');

• NaN 값을 제외하고 전체 방향 평균을 계산

2. 역비율 기반 가중치 계산

inv_weights = 1 ./ mean_probs;

• 평균 확률이 작을수록 가중치를 더 크게 부여 (덜 확산되는 방향 보정 목적)

3. 정규화

inv_weights = inv_weights / max(inv_weights);

• 가장 큰 가중치를 1로 맞춤 (상대적 스케일 유지)

4. 확산 확률 보정 및 정규화

• 각 셀에 대해 8방향 확산 확률에 inv_weights를 곱하고 NaN 제외 후 정규화

5. 결과 저장

writetable(corrected, 'corrected_farsite_probs.csv');

• 정규화된 확률 테이블을 저장

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💾 출력 파일

파일명	설명
corrected_farsite_probs.csv	보정된 8방향 확산 확률 테이블 (합계 = 1)

출력 열:

• grid_id, center_lat, center_lon, P_NW, ..., P_SE

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📢 자동 계산된 가중치 출력 예시

📌 자동 계산된 방향별 가중치:
  P_NW: 1.000
  P_N : 0.912
  P_NE: 0.865
  ...

• 이 값은 이후 확산 시뮬레이션에서 방향 편향 조정 근거로 활용 가능

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🛠 필요 환경

• MATLAB (R2019b 이상 권장)
• input_data_farsite_Nan.csv가 사전에 계산되어 있어야 함

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데이터 분할 test/ train

본 스크립트는 전체 격자 입력 데이터(Mapped_Land_Grid_Data.csv)에서, grid_id 기준으로 학습/테스트 세트를 나누어 FARSITE 기반 모델 학습에 사용할 수 있도록 정리합니다.

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🧾 입력 파일

파일명	설명
Mapped_Land_Grid_Data.csv	전체 입력 피처 데이터셋 (지형, 기상, NDVI 등 포함)
cfis_train_label.csv	학습에 사용될 격자의 grid_id 목록
cfis_test_label.csv	테스트에 사용될 격자의 grid_id 목록

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⚙ 실행 흐름

🔹 1. 전체 데이터 불러오기

• 입력 피처 데이터 전체 (Mapped_Land_Grid_Data.csv) 불러오기

🔹 2. 학습/테스트 grid_id 목록 불러오기

• CFIS 라벨 파일로부터 학습/테스트용 grid_id 추출

🔹 3. 순서 유지하며 인덱싱

• ismember를 이용해 grid_id 기준으로 행 번호(index)를 추출
• cfis_*_label.csv에 있는 순서 그대로 정렬됨

🔹 4. 유효하지 않은 ID 제거

• 해당 grid_id가 input_data에 없을 경우 제외

🔹 5. 추출 후 저장

• farsite_train_label.csv 및 farsite_test_label.csv로 각각 저장

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💾 출력 파일

파일명	설명
farsite_train_label.csv	학습에 사용할 입력 피처 데이터
farsite_test_label.csv	테스트에 사용할 입력 피처 데이터

각 파일은 Mapped_Land_Grid_Data.csv와 동일한 열 구조를 갖고, 필터링된 격자 정보만 포함합니다.

CFIS 기반 시뮬레이션 정답 데이터 수집

MATLAB에서 총 33만 개 격자에 대해 CFIS 기반 시뮬레이션을 100회 수행해 각 셀의 발화확률 Pignite 및 확산확률 Pspread를 계산하고 중간 자동 저장과 체크포인트 기능을 포함한 스크립트를 구현하였습니다.

✅ 전체 시뮬레이션 개요 구조

단계	설명
① 입력 불러오기	격자별 기상·지형·식생 등 지표 (input_data_set.csv)
② 발화확률 계산	각 셀의 Pignite 계산
③ 시뮬레이션 N회 반복	각 격자마다 CFIS 모델 기반 확산 진행
④ 결과 누적	셀별 번짐 횟수 누적 (spread_count)
⑤ 확산확률 계산	Pspread=번진횟수/ N
⑥ 자동 저장	1만 개 단위 저장, checkpoint 기능 포함

✅ 발화확률, 확산 확률 계산 공식

CFIS에서 발화확률(Pₐₙᵢₜₑ) 와 확산확률(Pₛₚᵣₑₐ𝒹) 은 확정된 고정 공식이 없습니다.

⚙

1. 발화 확률 Pignite : 단순화된 sigmoid 회귀식

변수	의미
NDVI	식생량 (많을수록 발화↑)
SPEI	가뭄 정도 (건조할수록 발화↑)
T	기온 (높을수록 발화↑)
SMAP	토양 수분 (많을수록 발화↓)
H	상대 습도
P	강수량

2. 확산 확률 Pspread : 방향성 없이 간단히 가중합 형태

변수	의미	정규화 기준
풍속	셀의 풍속 (m/s)	Vmax=10 (예시)
경사도	셀의 경사 (%)	Smax=45 (예시)
F	연료 인자 (0~1 범위로 정규화된 값)	직접 정규화 필요
α\alpha	스케일 조정 상수 (ex. 0.8~1.2)	전체 확산 강도 조절

→ 이에 실제 논문과 시뮬레이션 연구에서 자주 쓰이는 간단하면서도 대표적인 공식 형태을 채택해 적용했습니다.

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✅ 최종 저장되는 Pspread와 Pignite 의미

🔹 Pignite (발화 확률) → 실제 모델 학습에는 사용하지 않음

• 시뮬레이션과 무관하게 처음부터 계산된 정적인 값
• 즉, 입력 지표 기반으로 계산된 각 격자의 발화 확률
• N_SIM = 300 반복과는 무관하게 한 번만 계산되어 저장

🔹 Pspread (확산 확률)

• 시뮬레이션을 300번 반복한 후, 실제로 해당 셀이 몇 번 번졌는지에 대한 비율

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✅ 시뮬레이션 구성 코드 (MATLAB)

🗒️

파일 구성 (3개)

1. cfis_simulation.m

   → 저장된 이웃 정보 불러와 CFIS 시뮬레이션 실행

2. getNeighbors.m

   →중심 위경도 기반 2km 이내 이웃 추출 함수

3. generate_neighbors_cache.m

   → 육지 격자에 대해 이웃 계산 → 중간 저장 포함

4. NDVI_land_only.csv, input_data_set.csv

   → 입력 데이터

🛠

사용 순서

1. generate_neighbors_cache.m 실행 → neighbors_cache_land.mat 생성됨
2. cfis_land_simulation_per_cell_3.m 실행 → cfis_land_result_percell_6.csv 출력됨

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generate_neighbors_cache.m - 육지 격자 이웃 계산 및 캐싱

이 스크립트는 한반도 육지 격자에 대해 인접 격자(이웃)를 계산하고, 중간 저장 및 체크포인트 기능을 통해 대규모 처리에서도 안정적으로 재시작이 가능하도록 구성되어 있습니다. 진행률 바가 포함되어 있어 대규모 실행 시 처리 상황을 실시간으로 확인할 수 있습니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
NDVI_land_only.csv	육지로 판단된 격자 ID 목록 (grid_id)
input_data_set.csv	전체 격자 정보 (grid_id, center_lat, center_lon) 포함

⚙️ 실행 흐름

1. 육지 격자 필터링

• NDVI_land_only.csv 파일에서 육지 격자 ID만 추출
• input_data_set.csv에서 grid_id 기준으로 육지 격자만 필터링

2. 중간 캐시(체크포인트) 불러오기

• 이전 실행 시 저장된 neighbors_10000.mat, neighbors_20000.mat 등 중간 블록 파일이 존재할 경우, 해당 블록의 결과를 메모리에 불러오고 이어서 계산을 재개함

3. 이웃 계산 시작

• 각 격자에 대해 사용자 정의 함수 getNeighbors(i, lat, lon)을 호출하여 이웃 격자 리스트를 생성

  (일반적으로 거리 기반 또는 인접 위경도 기반 계산)

4. 진행률 바 표시

• 40칸의 ASCII 진행 바를 활용하여 현재 진행률(%)과 계산 중인 격자 개수를 실시간으로 출력

5. 주기적 저장

• BLOCK_SIZE = 10000 단위로 계산이 완료될 때마다 neighbors_XXXX.mat 형식으로 중간 결과 저장
• 저장된 파일에는 block_neighbors 리스트가 포함되며, 다음 실행 시 체크포인트로 활용 가능

6. 전체 결과 저장

• 전체 계산 완료 후, 전체 이웃 정보(neighbors)를 neighbors_cache_land.mat에 최종 저장

💾 출력 파일

파일명	설명
neighbors_10000.mat, neighbors_20000.mat, ...	각 블록 단위로 계산된 이웃 정보 중간 저장 파일
neighbors_cache_land.mat	전체 육지 격자에 대한 이웃 정보가 포함된 최종 캐시 파일

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getNeighbors.m

(Haversine 거리 기반 이웃 격자 탐색)

getNeighbors 함수는 특정 격자(idx)를 기준으로 반경 2km 이내에 있는 이웃 격자의 인덱스를 반환합니다. 지구 곡률을 고려한 Haversine 공식을 사용하여 위경도 기반 거리 계산을 수행합니다.

📥 입력 인자

인자명	설명
idx	기준이 되는 격자의 인덱스 (1부터 시작하는 정수)
center_lat	모든 격자의 중심 위도 배열 (벡터)
center_lon	모든 격자의 중심 경도 배열 (벡터)

📤 출력 값

이름	설명
neighbors	기준 격자 idx로부터 2.0km 이내에 존재하는 이웃 격자의 인덱스 배열 (자기 자신 제외)

계산 방식

• Haversine 공식을 사용해 격자 간 거리 계산 (단위: km)
• 기준 격자와 모든 다른 격자 간의 거리 계산
• 거리 d ≤ 2.0km인 격자의 인덱스를 neighbors 배열에 추가

🌐 Haversine 공식 요약

d = 2R * asin( sqrt( sin²(Δφ/2) + cos(φ₁)·cos(φ₂)·sin²(Δλ/2) ) )

기호	설명
R	지구 반지름 (6371 km)
φ	위도 (라디안)
λ	경도 (라디안)
Δφ	위도 차
Δλ	경도 차

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cfis_simulation.m - CFIS 산불 확산 시뮬레이션

(이웃 캐시 + 진행률 표시 + 중간 저장 포함)

이 스크립트는 CFIS(Cellular Fire Ignition and Spread) 모델을 기반으로, 한반도 육지 격자에 대해 산불 발생 및 확산 시뮬레이션을 N회 반복하고, 격자별 확산 확률(Pspread)을 계산하여 저장합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
input_data_set.csv	격자별 기상·환경 입력 변수 포함
NDVI_land_only.csv	육지로 판단된 격자의 ID 목록 (grid_id)
neighbors_cache_land.mat	각 육지 격자별 이웃 인덱스 리스트 캐시 파일

⚙️ 실행 흐름

1. 입력 데이터 불러오기

• 전체 격자 중 육지 격자만 필터링하여 시뮬레이션 대상 설정
• 육지 격자의 수(nGrids)를 기준으로 시뮬레이션 반복

2. 발화 확률(Pignite) 계산

• 다양한 기상·지형 변수 기반 로지스틱 회귀 형태로 계산
• 사용 변수: NDVI, spei_recent_avg, temp_C, smap_20250630_filled, humidity, precip_mm

3. 확산 확률(Pspread) 계산

• 단순 가중 평균으로 계산

  Pspread = α × (0.4 × 풍속정규화 + 0.4 × 경사정규화 + 0.2 × 연료량정규화)

4. 이웃 캐시 불러오기

• neighbors_cache_land.mat에서 각 격자별 인접 격자 리스트(neighbors{i}) 불러오기

5. 시뮬레이션 반복 (N회)

• 격자별 발화 여부 무작위 결정
• 불이 난 격자에서 이웃 격자에 Pspread(i) 확률로 전이
• burned 배열에 확산 여부 저장 → 누적 횟수 spread_count에 기록

6. 진행률 표시 및 중간 저장

• 매 시뮬레이션마다 ASCII 진행률 바 및 평균 확산률 출력
• sim % 10 == 0일 때 체크포인트 저장(cfis_land_checkpoint.mat) 및 중간 결과 CSV 저장(cfis_land_XXXX.csv)

7. 최종 결과 저장

• 전체 시뮬레이션 종료 후 cfis_land_result.csv에 저장
• 저장 항목:
  • grid_id
  • Pignite: 발화 확률
  • BurnedCount: 불이 붙은 횟수
  • SimTotal: 시뮬레이션 총 횟수
  • Pspread: BurnedCount / SimTotal (확산 확률)

💾 출력 파일

파일명	설명
cfis_land_result.csv	전체 육지 격자의 발화 및 확산 확률 결과
cfis_land_XXXX.csv	N시뮬레이션마다 저장되는 중간 결과 (10회 단위)
cfis_land_checkpoint.mat	중간 저장 체크포인트 파일 (강제 종료 대비)

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정답 데이터 분할 과정

final_data_1.m - CFIS 시뮬레이션 결과 + 위치 정보 병합

(위경도 정보 포함 최종 결과 생성)

이 스크립트는 CFIS 산불 시뮬레이션 결과(cfis_land_result_percell_6.csv)에 각 격자의 위경도 정보를 병합하여 최종적으로 공간 기반 분석에 활용 가능한 결과 파일을 생성합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
only_land_grid.csv	육지로 간주되는 격자의 grid_id 목록
cfis_land_result_percell_6.csv	CFIS 시뮬레이션 결과 (격자별 발화/확산 확률 등 포함)
input_data_set.csv	격자별 지리정보 및 전체 입력 지표 포함 원본 파일

⚙️ 실행 흐름

1. 데이터 불러오기

• 세 개의 주요 데이터 파일(land, cfis, input)을 readtable로 불러옵니다.

2. 육지 격자 필터링

• CFIS 결과에서 육지로 간주되는 격자(grid_id)만 필터링하여 cfis_land 생성

3. 위치 정보 추출

• input_data_set.csv에서 다음 위치 관련 열만 추출:
  • lat_min, lat_max, lon_min, lon_max, center_lat, center_lon

4. 병합 수행

• grid_id를 기준으로 cfis_land와 위치 정보(input_coords)를 병합
• 병합 방식은 Left Join(Type = 'left')으로, CFIS 결과 기준으로 위치 정보 매핑

5. 열 순서 정리

• 최종 결과 파일에서 grid_id 바로 다음에 위치 정보 6개 열을 배치
• 나머지 열은 기존 순서를 유지한 채 뒤에 위치시킴

6. 결과 저장

• 병합 및 열 정렬이 완료된 최종 테이블을 cfis_land_result_percell_6_with_coords.csv로 저장

💾 출력 파일

파일명	설명
cfis_land_result_percell_6_with_coords.csv	CFIS 결과 + 격자 위치 정보가 포함된 최종 분석용 파일

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final_data_2.m - CFIS 시뮬레이션 데이터 분할

(학습/테스트용 7:3 비율로 CSV 저장)

이 스크립트는 CFIS 기반 산불 확산 결과 데이터(cfis_land_result_percell_6_with_coords.csv)를 머신러닝 학습을 위한 입력으로 사용하기 위해 전처리 및 분할하는 과정을 수행합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
cfis_land_result_percell_6_with_coords.csv	각 격자의 CFIS 시뮬레이션 결과 + 위치 정보 포함된 최종 데이터

⚙️ 실행 흐름

1. 데이터 불러오기

• 전체 CFIS 결과 데이터를 readtable로 불러옵니다.

2. NaN 처리

• Pignite 열에서 NaN 값은 발화 가능성 없음으로 간주하여 0으로 대체합니다.
• Pspread 열에 존재하는 NaN의 개수를 출력하여 이상치 여부를 확인합니다.

3. 무작위 섞기 (Shuffle)

• 데이터 분할의 편향을 방지하기 위해 seed 고정 후 랜덤 셔플링을 수행합니다 (rng(42)).

4. 7:3 비율로 데이터 분할

• 전체 데이터를 70% 학습용, 30% 테스트용으로 인덱스 기반 분할합니다.

5. 결과 저장

• 학습 데이터는 cfis_train_label.csv로, 테스트 데이터는 cfis_test_label.csv로 저장합니다.
• 저장된 두 파일은 이후 머신러닝 모델 학습/검증에 사용됩니다.

💾 출력 파일

파일명	설명
cfis_train_label.csv	전체의 70%로 구성된 학습용 데이터
cfis_test_label.csv	전체의 30%로 구성된 테스트용 데이터

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Random_forest 모델 기반 학습 과정

🎯 목표:

• 입력: 7가지 지표 + FARSITE 방향성 데이터(8방향) = 총 21개 피처

• 출력: pSpread (연속값, 회귀 문제)

• 파일: farsite_train_label.csv, cfis_train_label.csv

  파일명	내용
  farsite_train_label.csv	👉 입력 피처 21개 포함 (8개 FARSITE 방향 + 13개 지표 추정)
  cfis_train_label.csv	👉 정답 값 (pSpread) 포함

• 진행률 출력

• 모델 저장

• 트리 갯수는 일단 300개로 진행하고 성능을 확인해가며 조절하였습니다.

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model_train_Randomforest.m - Random Forest 기반 Pspread 예측 모델 학습

(21개 입력 지표 기반, 300 트리 구성)

이 스크립트는 CFIS 시뮬레이션 결과를 정답(label)으로 사용하고, FARSITE 기반의 21개 환경·기상 지표를 입력 피처로 활용하여 Random Forest 회귀 모델을 학습합니다. 학습이 완료되면 모델과 grid_id 매핑 정보를 함께 저장합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
farsite_train_label.csv	격자별 21개 입력 지표 포함 학습용 피처 데이터
cfis_train_label.csv	CFIS 기반 확산 확률(Pspread)이 포함된 정답 데이터

🔹 1. 데이터 불러오기

• 입력 피처(X_raw)와 정답 벡터(Y)를 각각의 CSV 파일에서 불러옵니다.
• cfis_train_label.csv에 Pspread 열이 존재하는지 검증하고 없으면 오류를 발생시킵니다.

🔹 2. 입력 피처 구성

• 예측 대상인 grid_id, lat_min, lat_max, center_lat 등 공간 좌표 관련 열은 제거
• 최종적으로 21개 지표만 추출하여 X로 저장
• 향후 결과 매핑을 위해 grid_id는 별도 저장

🔹 3. 모델 학습 설정

• Random Forest 회귀 모델(TreeBagger) 사용
• 트리 수는 기본 300개(nTrees = 300)
• OOB(Out-Of-Bag) 예측과 변수 중요도 측정 기능 활성화
• 병렬 연산은 비활성화(UseParallel = false)

🔹 4. 모델 학습 수행

• TreeBagger를 통해 회귀 모델 학습
• 진행 중 10개 단위로 학습 상황을 출력
• 학습 시간 측정을 위해 tic/toc 사용

🔹 5. 모델 저장

• 학습 완료 후 타임스탬프 기반의 고유 이름으로 .mat 파일로 저장
• 모델(Mdl)과 함께 grid_ids도 저장하여 추후 결과 매핑에 활용 가능

💾 출력 파일

파일명 예시	설명
random_forest_pspread_model_300trees_YYYYMMDD_HHMMSS.mat	학습된 모델과 grid_id 정보가 저장된 결과 파일

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moder_test_1.m - CFIS Pspread 예측 모델 성능 평가 및 시각화

(Random Forest 기반 모델 결과 확인 및 중요 변수 분석)

이 스크립트는 학습된 Random Forest 회귀 모델을 불러와 테스트 데이터를 예측한 후, 예측 결과를 지도에 시각화하고, RMSE/MAE 등의 정량적 지표, 그리고 변수 중요도(Feature Importance) 분석을 수행합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
random_forest_pspread_model_*.mat	학습 완료된 Random Forest 모델 (Mdl)과 grid_id 저장된 .mat 파일
farsite_test_label.csv	테스트용 입력 피처 (21개 지표 + 위치 정보 포함)
cfis_test_label.csv	테스트용 정답 확산 확률(Pspread) 벡터

⚙️ 실행 흐름

1. 모델 및 테스트 데이터 불러오기

• .mat 파일로 저장된 모델(Mdl)을 로드
• 테스트 데이터의 grid_id, 중심 위경도(center_lat, center_lon) 저장
• 학습 제외 대상(grid_id, 위치 정보 등)을 제거하고 21개 입력 피처만 추출

2. 예측 및 성능 평가

• predict() 함수로 예측 수행 → Y_pred
• 정답(Y_true)과 비교하여 성능 지표 계산:
  • RMSE (Root Mean Squared Error)
  • MAE (Mean Absolute Error)

📍모델 성능 평가 결과

[RESULT] RMSE: 0.0947
[RESULT] MAE : 0.0225

▶️ 이 수치가 의미하는 바

지표	값	해석
RMSE	0.0947	평균적으로 약 ±0.095 정도 예측 오차가 발생
MAE	0.0225	평균 절대 오차는 약 2.25% 수준의 오차를 가짐

• pSpread 값이 [0, 1] 범위의 확률 값이라는 걸 감안하면, 오차 0.0225는 2% 수준의 예측 오차
• RMSE 0.095는 모델이 꽤 안정적으로 예측하고 있다는 뜻입니다.

🔹 지도 위 시각화 (예측 vs 정답)

📊 모델 예측 결과값 시각화

📊 정답 결과값 시각화

🔹 OOB Error 그래프 출력

오차가 빠르게 줄고 수렴하면 모델이 잘 학습된 것을 의미합니다.

▶️ OOB Error 그래프 해석

🔍 그래프 특징

• 초반 0~50개 트리 사이에 급격한 감소

  → 모델이 빠르게 학습하면서 예측력을 키우고 있다는 뜻입니다.

• 이후 100개 트리 이후에는 거의 평평하게 수렴

  → 성능이 안정화되고 더 많은 트리를 추가해도 성능 향상이 미미합니다.

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✅ 결론

트리 수 300개는 충분히 안정적인 상태이고 트리 수를 더 늘려도 오차 감소 효과는 거의 없기 때문에 300개는 적절한 설정 갯수였습니다.

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👩🏼

학습시킨 Random Forest 기반 Pspread 예측 모델의 성능이 위의 평가처럼 안정적이기 때문에 학습 모델을 통한 격자별 산불 전이 예측 결과 출력 코드를 최종적으로 구현하였습니다.

model_result.m - Pspread 예측 결과 생성

(위경도 포함 예측 CSV 생성용)

이 스크립트는 학습된 Random Forest 모델을 불러와 테스트 데이터에 대해 산불 확산 확률(Pspread)을 예측하고, 각 격자의 위치 정보와 함께 결과 테이블을 구성 및 저장합니다.

📁 입력 파일

파일명	설명
farsite_test_label.csv	테스트용 입력 피처 및 격자 위치 정보 포함
cfis_test_label.csv (선택)	실제 Pspread 값 (성능 평가용 비교 가능)
random_forest_pspread_model_*.mat	학습된 Random Forest 모델(Mdl)과 grid_id 포함된 .mat 파일

⚙️ 실행 흐름

1. 테스트 데이터 불러오기

• 격자의 grid_id, 위경도(lat_min, lat_max, lon_min, lon_max, center_lat, center_lon) 정보를 포함한 전체 데이터 로드
• 예측에 사용할 21개 입력 피처만 추출하여 X_test로 구성

2. 모델 로드

• 저장된 .mat 파일에서 학습된 모델(Mdl)을 불러옵니다

  (이미 메모리에 있다면 생략 가능)

3. 예측 수행

• predict(Mdl, X_test)로 pSpread_pred 예측 수행

4. 결과 테이블 구성

• 다음 항목을 포함한 테이블을 생성:
  • grid_id, lat_min, lat_max, lon_min, lon_max
  • center_lat, center_lon
  • pSpread_pred (예측 확산 확률)

5. 결과 저장

• 타임스탬프(yyyymmdd_HHMMSS)를 포함한 파일명으로 CSV 저장

  예: predicted_pspread_with_coords_20250729_152010.csv

✅ 요약: 예측 결과 예시 테이블

grid_id	lat_min	lat_max	lon_min	lon_max	center_lat	center_lon	pSpread_pred
12345	37.1	37.2	127.3	127.4	37.15	127.35	0.783
...	...	...	...	...	...	...	…

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GradientBoostingRegressor 모델 기반 학습 과정

model_train.m -GradientBoostingRegressor 기반 Pspread 예측 모델 학습

본 MATLAB 스크립트는 train_label.csv 학습 데이터를 기반으로, Gradient Boosting Regression (LSBoost) 모델을 학습하여 산불 확산 확률(Pspread)을 예측하는 회귀 모델을 생성합니다.

학습된 모델은 .mat 파일로 저장되어, 후속 예측 또는 평가에 활용됩니다.

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🧾 입력 데이터

📁 train_label.csv

격자 단위의 산불 예측 학습 데이터로, 다음 열(columns)을 포함해야 합니다:

컬럼명	설명
avg_fuelload_pertree_kg	평균 나무당 연료량 (kg)
FFMC, DMC, DC	연료 수분 지수 (Fine/Duff/Drought)
NDVI	식생 지수
smap_20250630_filled	토양 수분 보간값
temp_C, humidity	기온 및 습도
wind_speed, wind_deg	풍속 및 풍향
precip_mm	강수량
mean_slope	평균 경사도
spei_recent_avg	최근 가뭄 지수 (SPEI)
P_NW ~ P_SE	8방향 확산 확률 (FARSITE 기반)
Pspread	타겟값, 셀별 확산 확률 (0~1)

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⚙ 실행 흐름

🔹 1. 데이터 전처리

• FARSITE 확산 확률 8방향(P_NW~P_SE)의 평균값을 farsite_prob으로 계산하여 입력 피처에 추가

farsite_cols = {'P_NW','P_N','P_NE','P_W','P_E','P_SW','P_S','P_SE'};
train.farsite_prob = mean(train{:, farsite_cols}, 2);

🔹 2. 입력(X), 출력(y) 정의

• X: 14개 피처
• y: Pspread

🔹 3. 모델 정의 및 학습

tree = templateTree('MaxNumSplits', 10);
model = fitrensemble(X, y, ...
    'Method', 'LSBoost', ...
    'NumLearningCycles', 300, ...
    'LearnRate', 0.1, ...
    'Learners', tree);

• Boosting 방식: LSBoost (Least Squares)
• 트리 수: 300
• 학습률: 0.1
• 트리 최대 분할 수: 10

🔹 4. 모델 저장

• 학습 완료된 모델은 gradient_boosting_pspread_model_300trees_yyyymmdd_HHMMSS.mat 형식으로 저장됩니다.

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💾 출력 파일

파일명 예시	설명
gradient_boosting_pspread_model_300trees_20250729_142205.mat	학습된 RegressionEnsemble 객체가 저장된 MATLAB .mat 파일

save(model_filename, 'model');

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🛠 필요 환경

• MATLAB R2021a 이상 권장
• Statistics and Machine Learning Toolbox 필수

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`model_predict.m -GradientBoostingRegressor 기반 모델 예측

본 스크립트는 사전 학습된 Gradient Boosting 모델을 활용해, test_label.csv에 포함된 격자별 입력 데이터에 대해 **산불 확산 확률(pSpread)**을 예측하고, 결과를 CSV로 저장합니다.

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🧾 입력 데이터

📁 test_label.csv

테스트 대상 격자 셀들의 데이터로, 다음 열이 포함되어 있어야 합니다:

컬럼명	설명
grid_id	격자 고유 ID
lat_min, lat_max	격자 위도 범위
lon_min, lon_max	격자 경도 범위
center_lat, center_lon	격자 중심점 위/경도
avg_fuelload_pertree_kg	평균 나무당 연료량 (kg)
FFMC, DMC, DC	연료 수분 지수
NDVI	식생 지수
smap_20250630_filled	보간된 토양 수분
temp_C, humidity	기온, 습도
wind_speed, wind_deg	풍속, 풍향
precip_mm	강수량
mean_slope	평균 경사도
spei_recent_avg	최근 가뭄 지수
P_NW ~ P_SE	FARSITE 확산 확률 8방향

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⚙ 실행 흐름

🔹 1. 테스트 데이터 로딩 및 전처리

• FARSITE의 8방향 확산 확률 평균을 farsite_prob으로 계산하여 입력 피처에 추가

🔹 2. 입력 피처 구성

• 학습 시와 동일한 14개 피처 추출:

  X = test{:, {
      'avg_fuelload_pertree_kg', ...
      'FFMC', 'DMC', 'DC', ...
      'NDVI', 'smap_20250630_filled', ...
      'temp_C', 'humidity', ...
      'wind_speed', 'wind_deg', ...
      'precip_mm', 'mean_slope', 'spei_recent_avg', ...
      'farsite_prob'
  }};

🔹 3. 사전 학습된 모델 불러오기

• .mat 파일에서 model 객체를 불러옴
• 예시 파일명: gradient_boosting_pspread_model_300trees_20250706_131211.mat

🔹 4. 예측 수행

• predict(model, X)를 통해 각 격자에 대한 pSpread 확산 확률 예측

🔹 5. 결과 테이블 구성

• 격자 기본 정보 + 예측 확산 확률(pSpread_pred)을 포함한 결과 테이블 생성

🔹 6. 결과 저장

• 파일명 예시: gbr_predicted_pspread_20250729_150201.csv

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💾 출력 파일

파일명 예시	설명
gbr_predicted_pspread_20250729_150201.csv	격자별 예측 확산 확률 결과 테이블

출력 열 구성:

• grid_id, lat_min, lat_max, lon_min, lon_max, center_lat, center_lon, pSpread_pred

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🛠 필요 환경

• MATLAB R2021a 이상
• Statistics and Machine Learning Toolbox
• 학습된 .mat 모델 파일 (예: gradient_boosting_pspread_mode

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**`model_evaluate.m -GradientBoostingRegressor 기반 모델 성능 평가 **

본 스크립트는 학습된 Gradient Boosting 모델의 예측 정확도를 평가하고, 시각화 및 중요도 분석을 수행합니다.

평가 지표로는 RMSE 및 MAE를 사용하며, 예측 결과와 CFIS 기반 정답을 비교합니다.

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🧾 입력 파일

1. 예측 결과 CSV (evaluation_result_*.csv)

• 예측 수행 후 저장된 결과
• 필수 열:
  • grid_id, center_lat, center_lon, pSpread_pred

2. 정답 데이터 CSV (cfis_test_label.csv)

• CFIS 기반 Ground Truth 확산 확률
• 필수 열: Pspread

3. 학습된 모델 (gradient_boosting_pspread_model_*.mat)

• fitrensemble으로 학습된 RegressionEnsemble 객체 포함

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⚙ 실행 흐름

🔹 1. 데이터 불러오기

• 예측 결과(pSpread_pred)와 실제 정답(Pspread)을 병합

🔹 2. 성능 지표 계산

• RMSE (Root Mean Squared Error)
• MAE (Mean Absolute Error)

🔹 3. 결과 테이블 구성 및 저장

• 열 추가: Pspread_true, abs_error
• 결과 저장: evaluation_result_yyyymmdd_HHMMSS.csv

🔹 4. 시각화 (지도 기반)

• 예측 확산 확률 지도
• 실제 확산 확률 지도
• 절대 오차 지도

🔹 5. 피처 중요도 분석

• predictorImportance(model) 사용
• 상위 3개 중요 피처 출력 및 바 차트 시각화

🔹 6. 학습 트리 수에 따른 Resubstitution Loss 시각화

• resubLoss(model, 'Learners', 1:t)로 학습 곡선 생성

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💾 출력 파일

파일명 예시	설명
evaluation_result_20250729_151001.csv	예측값, 정답값, 오차가 포함된 평가 결과 CSV

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📊 주요 시각화 출력

시각화 이름	설명
🔥 예측 확산 확률 지도	pSpread_pred 시각화 (jet 컬러맵, caxis [0 1])
📍 실제 확산 확률 지도	Pspread_true 시각화
🧭 예측 오차 지도	abs_error 시각화 (parula 컬러맵)
📊 피처 중요도 바 차트	Gradient Boosting 기준 변수 영향도
📉 트리 수에 따른 학습 오차 그래프	모델 수에 따른 loss 변화 시각화

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🛠 필요 환경

• MATLAB R2021a 이상
• Statistics and Machine Learning Toolbox
• 사전 학습된 .mat 모델 파일 필요

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📍모델 성능 평가 결과

📊 모델 예측 결과값 시각화

📊 정답 결과값 시각화

📊 Resubstitution Loss 그래프