-제10장- Remote sensing of vegetation. 4조 장범규 김화선 허지양 백세익 이승우

개요 목적 식생의 특징 식물의 생물리적인 특성과 관련된 기본적인 개념과 식물의 특성 관련 정보를 추출하기 위한 원격탐사 자료의 활용 과정을 소개 식생의 특징 식물은 지구 육지 표면의 70% 정도를 점유 생태계의 가장 중요한 구성 인자 한 지역의 기후, 토양, 지질, 지리적 특성 밝히는데 중요한 역할

1.광합성의 원리 그림과 같은 과정을 통해 식물에 투사된 태양에너지는 물 분자를 산소와 수소로 나뉨 식물의 내외부적 구조와 전자기에너지와의 상호 접촉은 결국 원격탐사 센서에 의하여 기록 되는 잎과 수관의 분광 특성에 직접적인 영향을 미치게 됨.

2. 식물의 분광 특성 건강한 녹엽은 태양으로부터 직접 전달되거나 또는 하늘의 산란광으로부터 간접적으로 입사되는 복사에너지를 차단 흡수 입사된 전자기파에너지는 엽내의 색소, 수분, 그리고 분자간의 공극과 상호 반응을 하게 됨 잎의 반사도에 영향을 주는 주요인자 잎의 색소, 내부구조, 수분함량 등이 잎의 반사 및 투과에영향을 미치는 인자들임이 밝혀짐 0.35~2.6마이크로미터 파장영역에서 잎의 반사특성과 함께 반사에 영향을 미치는 주요 인자를 보여줌.

<fig.10-1> 0.4~2.6 마이크로미터 파장영역에서 건강한 녹색 식물의 분광반사특성, 잎의 반사에 영향을 미치는 중요한 인자는 울타리조직에 있는 여러 색소들, 갯솜조직 내부에서 발생하는 적외선 영역의 산란과 식물 내부의 수분함량 등이 있다. 주로 엽록소의 흡수는 가시광선의 영역인 0.43~0.45 마이크로미터와 0.65~0.66마이크로미터 영역에서 발생하고 수분흡수는 0.97, 1.19, 1.45 및 1.94, 2.7 마이크로미터 부근에서 발생.

-울타리조직의 색소와 가시광의 반응- 건강한 잎은 양분을 만들기 위하여 이산화탄소, 수분, 복사에너지의 세 요소가 있어야 함. 대기 중의 이산화탄소와 뿌리 및 줄기로부터 공급되는 수분은 광합성에서 가장 기본적인 재료이며 태양광은 광합성에 필요한 에너지를 공급하는 역할 광합성은 잎 내부에서 양분을 생성해내는 두 종류의 세포조직-울타리조직과 갯섬 조직에서 일어남 회엽- 울타리조직 앞의 상표피 종엽- 울타리조직의 세포들이 잎에 투사되는 빛의 방향을 향하여 배열

-울타리조직의 색소와 가시광의 반응- 식물의 엽층 또는 수관의 엽록소 흡수 특성을 감지할 수 있는 원격탐사는 식물지리학 분야에서 중요한 아주 기본적인 식물의 생물리적 변수들을 얻을 수 있음 최근에는 광합성 활용복사에너지의 흡수 및 반사특성을 측정하기 위하여 아주 적합한 센서로서 높은 분광해상도를 가진 영상분광계를 활용

-울타리조직의 색소와 가시광의 반응- <fig10-3.> a) 엽록소 a, b의 파장별 습수 특성: 잎 내부의 엽록소 a, b는 입사하는 청색과 적색 영영의 광에너지 대부분을 흡수한다. b)-카로틴의 파장별 흡수 특성: 청색을 주로 흡수, 잎 내부부의 다른 색소들은 주로 녹색을 흡수하는 사이코에리드린을 함유하고 있고 사이코시아닌은 주로 녹색과 적색을 흡수한다.>

-갯솜조직에서 근적외선 에너지의 반응- 일반적으로 건강한 식물은 700~1200um의 근적외선 파장영역에서 반사도가 급격히 증가 <fig 10-4> 실험실 분광 측정을 통해 얻어진 Big Bluestem 잎 표면의 반사, 투과, 흡수 특성: 반사와 투과 곡선은 가시광과 근적외선 파장영역에서는 서로 대칭이다. 식물 내부의 청, 적 엽록소는 가시광 파장영역에서 입사하는 에너지의 대부분을 흡수한다. AVIRIS와 같은 이미징 스텍트로미터는 센서가 10마이크로미터 간격의 채널을 포함하고 있어 식물의 흡수, 투과, 반사 특성이 조금만 변해도 이를 감지할 수 있다.>

-식물의 엽층에서 높은 근적외선 반사를 보이는 주요 원인 - -식물의 엽층에서 높은 근적외선 반사를 보이는 주요 원인 - 건강한 상태의 녹색식물은 근적외선 영역에서 높은 반사율(40~60%)과 투과율(40~60%)을 가지고 있으며 비교적 낮은 흡수율(5~10%)을 보임 엽가중반사 잎에 투과된 근적외선 에너지의 40~60%를 이미 잎 내부의 갯섬조직에서 반사되고 나머지 45~50%의 에너지는 잎을 투과하여 그 아래 위치한 잎들에 의하여 다시 반사되는 현상 건강한 식물의 엽층이 잘 발달되어 있을수록 이론적으로 반사되는 근적외선에너지는 증가

<fig10-6> a)적색과 근적외선 영역의 반사공간에서 모든 화소값의 분포 <fig10-6> a)적색과 근적외선 영역의 반사공간에서 모든 화소값의 분포. 생체량과 작물의 수관울폐도가 증가할수록 근적외선 영역에서의 반사는 높아지고 적색영역에서는 낮아진다. 이러한 변화에 따라 화소들의 분광 위치는 토양선상에 수직 방향으로 이동한다. b)생육기간 동안 적색과 근적외선 영역에서의 단일 작물 화소의 이동을 볼 수 있다. 작물의 출현 이 후 화소는 토양선상에서 벗어나고 결국 수관울폐도가 최고에 달하게 되고 추수 이후에는 다시 토양선상에서 위치하게 되나 토양은 건조한 상태에 있게 됨>

-식물의 엽층에서 높은 근적외선 반사를 보이는 주요 원인 - -식물의 엽층에서 높은 근적외선 반사를 보이는 주요 원인 - 영상에서 건조토양과 습윤토양은 토양선의 양 끝 방향에 위치 습윤토양은 적색이나 근적외선 에서 모두 낮은 반사도를 보이는 반면에 건조토양은 적색이나 근적외선에서 모두 비교적 높은 반사도 가시광과 근적외선 영역에서 반사특성을 산술적으로 이용하는 기법들은 결과적으로 가시광이나 근적외선을 별도로 기용할때보다 생체량과 더욱 밀접한 관계를 보여줌

-갯솜조직 내 수분과 중적외선 에너지의 반응- -갯솜조직 내 수분과 중적외선 에너지의 반응- 식물이 생장하기 위해서는 물이 필요하며 잎은 뿌리에서 흡수된 물을 줄기를 통해 공급 물은 대부분 잎의 갯솜조직에 존재 대기중의 물방울은 근적외선과 중적외선에 걸쳐 다섯 곳의 주요 흡수파장대를 형성 (0.97 , 1.19,  1.45,  1.94 , 2.7㎛) 단, 엽층의 수분함량은 1.3-2.5㎛ 구간의 중적외선 파장대 형성 엽내의 세포 공극에 있는 수분 함량이 감소하면 입사된 중적외선은 세포벽 사이에서 보다 많은 산란을 일으키게 되어 반사량이 증가

-갯솜조직 내 수분과 중적외선 에너지의 반응- -갯솜조직 내 수분과 중적외선 에너지의 반응- 증발산은 중요한 기능을 가지고 있는데 가열된 수증기를 배출함으로서 엽내의 온도를 낮게 유지하고 뿌리에서 잎까지 물과 용해물질을 지속적으로 공급 식물의 증발산과 밀접한 관련이 있는 엽층의 수분함량에 대한 모니터링은 식생이나 작물의 생육상태와 관련된 중요한 정보 제공  열적외선 및 수동 마이크로파 원격탐사는 식물의 증발산량과 관련된 중요한 정보를 제공

-식물분광반사특성- 식물의 수관층에서 반사되는 전자기파복사량은 식물관련 변수들과 태양과 센서의 기하학적 관계 등에 따라서 크게 좌우 입사하는 태양광과 센서의 위치(방위각과 천정각)에 따라 센서에 기록되는 분광복사량에 큰 차이가 있을 수 있음 식물형태와 관련된 특성을 알고 있고 입사하는 태양광과 센서의 관측방향이 이루는 양방향 반사특성에 대한 정보를 얻을 수 있으면 보정이 가능

-양방향 반사분포함수- 토지이용변화나 생태관련 목적에 활용되기 위해서는 방향성 반사특성(양방향 반사분포함수)이 먼저 이해되어야 함 토양, 식물, 물과 같은 대부분의 지표물에서 반사하는 복사량은 태양입사광의 방향과 센서의 관측방향(따라서 양방향이라 지칭)과 관련 원격탐사 영상에서 방향성 반사효과는 광원으로부터 입사각과 센서의 관측각이 동일면상에서 같을 경우 가장 뚜렷이 나타나는데, 이럴 경우 hot spot이 보임 센서와 태양의 위치에 따라 측정되는 대상물체의 반사에너지의 양에 변화가 있어서 보정이 이루어져야 함 여러 각도에서 촬영된 원격탐사 자료는 수직 촬영된 자료에서 얻을 수 있는 정보에 추가하여 부가적인 정보를 제공

-수관반사모델링- 식물의 반사량을 추정하기 위하여 전제되어야 할 여러 가지 요소로서 엽면적지수, 수관층 아래 토양의 반사, 수관층에 닿는 직광 및 산란광의 양, 엽각분포,그리고 태양과 센서의 기하관계를 나타내는 양방향 반사분포함수 효과 등 식물 수관층에서 특정방향의 분광반사량을 해석하기 위한 원격탐사 연구 1. SALD 모델-. 빛과 식물 수관층의 접촉으로 인한 에너지의 상호작용을 이용 2. Li-Strahler 모델-. 원격탐사 영상으로부터 나무의 크기와 밀도를 추정 아직 많은 연구가 필요한 영역

-식물의 미세분광영상관측- 식물의 분광반사특성을 밝히기 위하여 SP영상분광계 수백 개의 분광밴드에서 정보를 얻음  미세분광 영상관측은 식생의 종류와 생물리적 상태를 모니터링하는 데 매우 중요한 역할 식물의 분광반사특성은 가시광에서 엽록소 흡수 , 근적외선에서 월등히 높은 반사율, 그리고 중적외선에서 수분흡수 효과 등 매우 중요한 정보를 담고 있음 현지에서 직접 측정된 분광자료를 통한 보정절차를 통하여 미세분광 영상자료로부터 식물의 종류와 상태에 대한 정보의 추출이 가능

-식물의 계절적인 특성- 생물리적 특성에 관한 정보를 추출하는데 있어 원격탐사 자료획득 시기는 매우 중요 대상이 되는 식물의 생장 주기에 대한 특성 파악 중요 식물생육에 필수 요소인 수분과 관련

사우스 캘롤라이나의 Smooth Cordgrass

미국 내 여러 지역의 연간 구름 피복률

1997년 8월에 획득한 사우스캐롤라이나Murrells Inlet 지역의 CAMS데이터(3X3 해상도와 9개 밴드): 4,000ft상공에서 촬영

사우스 캐롤라이나 농작물의 생육주기

캘리포니아 Imperial 계곡의 농작물 생육주기

밴드1(청색:0.45~0.52㎛), 밴드2(녹색:0.52-0.60㎛) 밴드3(근적외선:0.63-0.69㎛) 밴드4(근적외선:0.76-0.90㎛), 밴드5(중적외선:1.55-1.75㎛), 밴드6(중적외 선:2.08-2.35㎛), 밴드6(열적외선:10.4-12.5㎛) sugarbeets:사탕무, cotton: 목화, alfafa:알팔파, Fallow: 미경작지

-식생지수- 식생지수는 단위가 없는 복사값으로써 녹색식물의 상대적 분포량과 활동성, 엽면적지수, 엽록소함량, 엽량 및 광합성 흡수복사량(APAR) 등과 관련된 지표로 사용.

-식생지수로 사용되기 위한 조건- 식생지수는 넓은 범위의 식물 상태를 직접적으로 연관시킬 수 있는 여러 종류의 생물리적 변수들에 최대한의 반응을 보일 수 있어야 하며, 수치에 대한 검보증이 용이하여야 함.   식생지수는 공간적 시간적으로 일정한 비교가 가능하도록 태양각도, 촬영각도, 대기상태 등의 외부 효과를 정규화하거나 모의할 수 있어야 함. 식생지수는 지형적 효과, 토양 변이, 그리고 고사된 식물이나 가지 줄기 등의 목질부 등의 요인에 따라서 영향을 줄 수 있는 배경 효과를 정규화할 수 있어야 함. 식생지수의 검정과 효율성 향상을 위한 노력의 일원으로 생체량, 엽면적지수 및 광합성 흡수복사량 등 측정이 가능한 식물의 생물리적 인자들과 연관

-식생지수- 식생지수들은 녹색의 엽량과 엽록소 함량의 변화에 민감하게 작용 아프리카 사하라 사막 이남, 수단의 El Obeid 부근에서 산출된 1984년과 1998년의 시기 별 NDVI, AVHRR GAC 자료를 이용하여 NDVI를 산출

-식생지수의 종류- 현재까지 약 20여 종류의 식생지수가 사용. 최초에 Birth와 McVey에 의하여 발표된 적색과 근적외선 영역에서의 반사값을 나눈 단순 식생지수(SR) Rouse 등은 현재 NDVI로 알려진 정규화식생지수를 개발 Hardisky 등 (1983)에 의하여 고안된 적외선지수는 습지연구에 있어서 NDVI보다 식물의 생체량과 수분 스트레스에 민감하게 반응 Rock 등은 1987 Landsat TM 자료의 근적외선과 중적외선 밴드를 이용하여 수분 영향지수(MSI)를 사용 토양조절 식생지수(SAVI)는 NDVI 계산식에 식물과 배경이 되는 토양의 1차적인 분광반응에서 나타나는 토양의 영향을 최소화하기 위한 토양보정인자 L을 추가 Huete와 Liu는(1992) ARVI의 청색 정규화 절차와 SAVI의 L함수를 합쳐서 토양과 대기효과를 함께 보정하는 SARVI와 MSARVI를 개발 MODIS 육상활용그룹에서 최근 MODIS 자료에 기반을 둔 개량식생지수(EVI)를 발표

-경관생태지표- 1903년 독일의 지리학자인 Carl Troll에 의하여 처음 소개 경관생태학은 다양한 구성요소들의 유기적인 복합체인 경관지역의 구조, 기능, 변화를 연구하는 분야. 특히, 경관유형이 물, 에너지, 양분 그리고 생물상의 흐름에 미치는 영향을 연구하는 분야.

-경관 및 조각지표- 다음의 지표에 대한 상태를 주의깊게 관찰하면 경관의 건강상태를 관측할 수 있음 토지피복 구성과 유형 하천수변부의 면적과 분포 지하수 녹색도의 유형 생물리적 제한성 정도 침식 가능성 경관지표들을 관측하기 위해서는 개개 임분, 초지, 습지, 농지 등과 같은 경관요소에 대하여 정밀하고 계속적인 측정이 필요함

점도, 인접성, 프락탈 공간 등 세 가지 지표를 지속적으로 측정할 수 있다면, 생태계의 건강성을 관측할 수 있음  ←세 가지 경관지표 공간 모식도. 점 a는 안정된 상태의 생태계 인위적·자연적인 변화에 의해 경관이 변화할 경우 점 a는 점b로 이동하게 된다. 이는 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있다. 식생에 관한 원격탐사에 있어 경관을 설명하기 위한 조각 단위(patch) 추출은 중요하다. F:프락탈 공간 C:연결성 D:우점도

-생물다양성과 틈새분석- 틈새분석을 위하여 다음의 주제도가 제작되고 분석되어야 함 위성 또는 항공기 원격탐사 영상과 기타 참조자료를 이용하여 구획된 식생피복형별 분포 토지소유권 토지관리상태 식생분포와 현지관측을 통하여 추정된 육상척추동물의 분포 틈새분석은 생물다양성의 제반 요소들에 대한 분포와 보전 상태를 개략적으로 보여주는데, 생물다양성의 지표로서 실제 식물, 육상척추동물, 그리고 가능하다면 무척추동물 등의 분포를 사용

-식생변화 원격탐사- 끊임없이 변하고 있는 생태계의 역동성 때문에 식생의 변화를 꾸준히 관찰하고 어떠한 변화가 일어나고 있는지를 주목할 필요 물의 천이와 관련된 연구를 위해서는 비교적 촬영주기가 짧은 위성자료가 적합 많은 정부기관에서 중요한 식물자원을 모니터링 하기 위한 수단으로 원격탐사자료의 중요성을 인식

감사합니다.