비디오를 이용한 연안 파랑 주기 추정을 위한 물리 가이드 기반 시공간 학습

연안의 파랑 매개변수(Wave parameters)는 연안 공학, 해안선 보호, 해양 재해 평가, 그리고 기후 회복력을 위한 연안 관리 측면에서 매우 중요합니다. 부표(buoys)나 레이더 플랫폼과 같은 전통적인 모니터링 시스템은 정확한 모니터링을 제공하지만, 설치 및 유지 관리 비용이 높고 공간적 범위가 제한적일 수 있습니다. 비디오를 이용한 수동적 해양 모니터링은 딥러닝 (deep learning)을 활용하여 달성되어 왔으나, 많은 방법론이 물리적으로 해석 가능하지 않거나, 실행 가능성이 낮으며, 해양학적으로 검증되지 않았습니다. 본 연구에서는 수동적 연안 비디오 스트림으로부터 연안 파랑 주기(wave peak periods)를 직접 추정하기 위한 물리 가이드 기반 딥 시공간 학습 프레임워크(Physics-Guided Deep Spatiotemporal Learning Framework)를 제안합니다. 이 프레임워크는 자동화된 시간 분산 기반 관심 영역(region-of-interest) 탐지, 다단계 Sim-to-Real 전이 학습(transfer learning), 그리고 물리 정보 기반 정규화(physics-informed regularization)를 결합하여 예측 정확도와 물리적 일관성을 향상시킵니다. 합성 데이터 사전 학습(synthetic pretraining), 실버 라벨 적응(silver-label adaptation), 전문가 미세 조정(expert fine-tuning)과 함께 트랜스포머 기반(transformer-based) 및 순환 컨볼루션(recurrent-convolutional) 구조와 같은 다양한 시공간 아키텍처를 평가했습니다. 결과에 따르면, 트랜스포머 기반 아키텍처는 순간 예측의 정확도 측면에서 우수한 성능을 보인 반면, 경량 순환 컨볼루션 아키텍처는 더 높은 시간적 안정성과 운영 해양학적 기술(operational oceanographic skill)을 달성했습니다. 절제 연구(Ablation studies)를 통해서도 추세 추종 일관성(trend-following consistency) 및 물리적으로 불가능한 예측 측면에서 물리 가이드 정규화의 이점이 입증되었습니다. 설명 가능성 감사(Explainability auditing) 또한 유체역학적으로 활발한 서프 존(surf-zone) 영역에 주의를 집중시키는 데 도움을 주었으며, 물리적으로 유도된 파랑 전파 행동과 양호한 일치성을 보여주었습니다. 전반적으로, 제안된 프레임워크는 비용 효율적이고 운영이 가능한 장기 연안 파랑 모니터링을 위한 물리 가이드 기반 비디오 기반 딥러닝 시스템의 가능성을 보여줍니다.