북극과 남극의 KOMPSAT-1 EOC 영상을 이용한 수동 마이크로파 해빙 면적비 분석 한 향 선 강원대학교 대학원 지구물리학과

I 서론 II 이론 발표순서 III 위성영상 자료 및 처리 IV 해빙 면적비 비교 V 결론

서론 – 극지 해빙 연구의 중요성 극지 환경은 전지구적 환경 변화에 민감 해빙의 증가 및 감소는 지구온난화 진행의 지시자 현재 전세계적인 기상이변의 발생과 더불어 극지 환경에 대한 관심 증가 WMO 2007년 TOPIC - “극지방 기상” 지역적, 환경적 특성상 인공위성 원격탐사가 효과적 1970년대부터 수동 마이크로파 (Passive Microwave) 센서를 이용한 극빙 관찰 시작

서론 – 해빙 원격탐사 수동 마이크로파 센서 SAR 영상 및 중저해상도 광학영상 KOMPSAT-1 EOC 극지 표면의 전체적이고 연속적인 데이터 제공 취약한 공간 해상도 (수십 km) 해빙 면적비의 검증 및 보정 필요 SAR 영상 및 중저해상도 광학영상 SAR: New ice와 Young ice의 구별 모호 Landsat: 극지방 촬영계획 제한 MODIS, AVHRR: 저해상도 KOMPSAT-1 EOC 6.6m 고해상도 Panchromatic 영상 활용성 증대 특수한 촬영 목적에 따른 위성 운용 원활 우리나라 인공위성

이론 – 해빙 면적비 Sea Ice Concentration Sea Ice Ocean or Land 해빙 면적비, 해빙 밀도 일정한 면적 내에서 해빙이 차지하는 면적의 비율 Sea Ice Ocean or Land 전체 면적: 100km2 Sea Ice 면적: 30km2 Ocean 또는 Land 면적: 70km2 Sea Ice Concentration: 30% Threshold: 15%

이론 – 해빙 유형 분류 연령 및 형태, 두께에 따른 분류 분포 및 이동 특성에 따른 분류 분포지역 및 밀집도에 따른 분류 Multi-year ice: 여름에 녹지 않는 해빙 (3 m 이상) First-year ice: 겨울에 형성되어 여름에 녹는 해빙 (30 cm – 2 m) Young ice: grey ice, grey-white ice (10 – 30 cm) New ice: nilas, grease ice, frazil ice (10 cm 이하) 분포 및 이동 특성에 따른 분류 Land-fast ice: 정착빙, 해안선을 따라 분포 Pack ice: 부빙, 넓은 범위에 걸쳐 분포 Drift ice: 유빙, 넓은 범위에 걸쳐 분포하며 시공간적 이동이 심함 분포지역 및 밀집도에 따른 분류 Open ice, Close ice, Consolidation ice, Compact ice

이론 – KOMPSAT-1 EOC KOMPSAT-1 (KOrea Multi-Purpose SATellite-1) EOC Instruments EOC (Electro-Optical Camera) OSMI (Ocean Scanning Multispectral Imager) SPS (Space Physics Sensor) 1999년 12월 21일 발사 Ascending node (10:50 a.m.) 시간해상도: 28일 EOC Wavelength: 0.51 – 0.73 ㎛ Spatial resolution: 6.6 m Swath: 800 km Swath width: 18 km Imaging time per orbit: 2 minutes

이론 – Passive Microwave Sensors SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) 1987 to present 4개 주파수(19.35, 22.235, 37.0, 85.0GHz) 7개 채널(19.35H/V, 22.235V, 37.0H/V, 85.0H/V) AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System) 2002 to present 6개 주파수(6.9, 10.7, 18.7, 23.8, 36.5, 89.0GHz) 12개 채널(6.9H/V, 10.7H/V, 18.7H/V, 23.8H/V, 36.5H/V, 89.0H/V) 해빙의 복사세기를 측정하여 해빙 면적비 계산 SSM/I: NASA Team Algorithm (NT), Bootstrap Algorithm AMSR-E: NASA Team2 Algorithm (NT2)

이론 - SSM/I NASA Team Algorithm 19.35H/V, 37.0V 채널 이용 PR (Polarization Ratio)과 GR (Spectral Gradient Ratio) 계산을 통해 해빙 면적비 산출 고려하는 해빙 유형 북극: Multi-year ice, First-year ice 남극: Ice type A (first-year ice), Ice type B (heavy snow cover) 장점 및 단점 PR, GR을 사용하여 해빙 표면온도 변화에 따른 영향을 최소화 Ice type A와 B (M과 F) 이외의 해빙 유형 구분 불가능 계절적이고 지역적인 해빙 방사율 변화에 따른 오차 빙맥과 new ice, 눈이 존재할 경우 실제보다 작은 해빙 면적비 계산

이론 - AMSR-E NASA Team 2 Algorithm 18.7H/V, 36.5V, 89.0H/V 채널 사용 PRR (Rotated PR), GR, △GR을 계산하여 해빙 면적비 산출 고려하는 해빙 유형 북극: Multi-year ice, First-year ice, Ice type C 남극: Ice type A, Ice type B, Ice type C 장점 및 단점 표면 영향(snow layer)이 심하여 면적비가 과소측정 되었던 해빙 유형 고려 → Ice type C New ice가 존재하는 지역에서 비교적 높은 정확성 현재 북극에서 ice type C에 대한 보정 요구 Ice type C snow layer 등의 영향으로 인해 복잡한 산란특성을 가짐 NASA Team 알고리즘에서 면적비가 실제보다 작게 계산 두께가 얇은 thin ice, new ice와 유사한 특성

위성영상 자료 및 처리 – KOMPSAT-1 EOC 2005년 7-8월 ice edge 부분에서 해빙 촬영 해빙이 거의 녹는 여름철로써 해빙의 시공간적 변화가 심함 총 10개 궤도 624개 영상 획득 9개 궤도의 72개 영상 사용 MODIS 영상을 이용하여 기하보정 북극 (2005. 08. 05)

위성영상 자료 및 처리 – KOMPSAT-1 EOC 2005년 8월 25일 EOC SIC: 36% SSM/I NT SIC: 66% 해빙 표면이 불균질하며, 많은 빙맥이 존재 해빙 분포의 시공간적인 변화가 매우 심함 주로 부빙과 유빙의 형태가 많이 나타남

위성영상 자료 및 처리 – KOMPSAT-1 EOC 2005년 9-11월 남극 대륙의 가장자리 부분에서 해빙 촬영 해빙이 절정을 이루었다가 서서히 감소하는 봄철에 해당 11개 궤도 676개 영상 획득 4개 궤도의 68개 영상 사용 MODIS 영상을 이용하여 기하보정 A B C 남극 (2005. 10. 05)

위성영상 자료 및 처리 – KOMPSAT-1 EOC 2005년 10월 5일 EOC SIC: 99% SSM/I NT SIC: 98% AMSR-E NT2 SIC: 100% 대부분의 해빙 표면에 눈이 쌓인 것이 관찰 폭이 좁은 crack과 lead 관찰 Crack과 lead 사이에 얇은 해빙 존재

위성영상 자료 및 처리 – EOC SIC 추출 북극 EOC SIC 추출 감독분류 방법 사용 분류항목 Open Water 북극 EOC SIC 추출 감독분류 방법 사용 분류항목 Ice Open water 감독분류의 오차를 육안으로 보정

위성영상 자료 및 처리 – EOC SIC 추출 W O G D 남극 EOC SIC 추출 감독분류 방법 사용 분류항목 W: White ice G: Grey ice D: Dark-grey ice O: Ocean (Open water) W ≈ Ice Type A, B, and C G ≈ Young ice D ≈ New ice and Thin ice W D G O

위성영상 자료 및 처리 – 수동 마이크로파 SIC 북극 및 남극의 일평균 SSM/I NT 해빙 면적비 (25km)와 남극의 일평균 AMSR-E NT2 해빙 면적비 (12.5km) 자료 획득 EOC 영상의 촬영일자 및 위치에 해당하는 해빙 면적비 추출 EOC 영상 촬영 날짜 및 전후 날짜의 cubic pixel에 대한 해빙 면적비 추출 평균( ) 및 표준편차( ) 산출 : 해빙의 시공간적 불안정성의 지표 시간 Passive Microwave cubic pixel 공간

해빙 면적비 비교 – 북극 북극의 SSM/I NT SIC와 EOC SIC의 비교

해빙 면적비 비교 – 북극 북극의 SSM/I NT SIC와 EOC SIC의 비교 정착빙 부빙 유빙

해빙 면적비 비교 – 북극 정착빙 정착빙에 대한 SSM/I NT SIC와 EOC SIC의 비교 Outliers

해빙 면적비 비교 – 북극 정착빙 Land-fast ice Open water ASAR 영상 2005. 08. 25 EOC 영상 2005. 08. 25

해빙 면적비 비교 – 북극 부빙 부빙에 대한 SSM/I NT SIC와 EOC SIC의 비교 Outliers

해빙 면적비 비교 – 북극 부빙 Pack ice Open water Ice ridge ASAR 영상 2005. 07. 11 EOC 영상 2005. 07. 12

해빙 면적비 비교 – 북극 유빙 유빙에 대한 SSM/I NT SIC와 EOC SIC의 비교 Outliers

해빙 면적비 비교 – 북극 유빙 Pack ice Drift ice ASAR 영상 2005. 08. 25 EOC 영상

해빙 면적비 비교 – 남극 SSM/I NT SIC와 EOC SIC의 비교 Stable SICs Unstable SICs Stability Stable Unstable All 1.2% 4.2% 2.1% W 18.1% 8.1% RMSE 6.2% 25.5% 14.4% W+G -2.3% -3.1% -2.5% 3.2% 7.9% 4.9% W+G+D -4.5% -13.3% -7.0% 5.1% 14.8% 9.0%

해빙 면적비 비교 – 남극 AMSR-E NT2 SIC와 EOC SIC의 비교 Stable SICs Unstable SICs SSM/I EOC Stability Stable Unstable All 0.7% 7.5% 2.8% W 11.8% 16.2% 13.1% RMSE 17.9% 21.2% 18.8% W+G 3.0% 1.3% 2.5% 4.6% 8.7% 6.0% W+G+D 0.3% -7.3% -1.9% 1.4% 12.2% 6.7%

해빙 면적비 비교 – 일평균 SIC의 신뢰성 평가 남극 AMSR-E의 day-time SIC와 daily-averaged SIC의 비교 Stable SICs Unstable SICs

해빙 면적비 비교 – 수동 마이크로파 SIC의 차이 남극 AMSR-E NT2 SIC와 SSM/I NT SIC의 비교 Stable SICs Unstable SICs

해빙 면적비 비교 – Dark-grey ice의 영향 W W O G O G D G, D W: 51.8%, G: 29.0%, D: 13.0% Total: 93.8% AMSR-E: 89%, SSM/I: 80% AMSR-E – SSM/I: 9% W: 97.4%, G: 1.0%, D: 0.5% Total: 98.9% AMSR-E: 98%, SSM/I: 96% AMSR-E – SSM/I: 2%

해빙 면적비 비교 – Thin ice와 Ice type C의 양 수동 마이크로파 SIC의 차이와 Dark-grey ice의 SIC 비교 AMSR-E – SSM/I 평균 4.7% Ice type C: 2.6% Dark-grey (thin) ice: 2.1% Stable SICs Unstable SICs

결론 SSM/I NASA Team (NT) 해빙 면적비와 AMSR-E NT2 해빙 면적비를 분석하기 위하여 북극과 남극의 해빙을 촬영한 KOMPSAT-1 EOC 영상 이용 해빙의 시공간적인 불안정성의 지표로 수동 마이크로파 자료의 cubic pixel에 대한 해빙 면적비의 표준편차 계산 북극의 여름철 ice edge 지역에서 SSM/I NT 해빙 면적비와 EOC 해빙 면적비 사이의 큰 오차 (평균오차 -8.6%, RMSE 22.0%)발생 해빙의 시공간적 변화가 크기 때문 정착빙의 경우 시공간적 변화가 작아 SSM/I와 EOC 해빙 면적비에 오차가 거의 없음 (평균오차 -0.4%, RMSE 2.9%) 부빙의 경우 개빙구역과 빙맥으로 인해 SSM/I NT 해빙 면적비가 EOC보다 작게 계산됨 (평균오차 –19.6%, RMSE 21.4%) 유빙의 경우 해빙의 시공간적 변화가 가장 크며, 해빙 표면의 상태 및 SSM/I와 EOC의 관측 범위 차이로 인해 SSM/I NT 해빙 면적비가 EOC보다 크게 계산됨 (평균오차 20.2%, RMSE 24.5%)

결론 남극의 봄철 SSM/I NT 해빙 면적비는 ice type A와 B, 그리고 young ice를 반영(평균오차 -2.3%, RMSE 3.2%) AMSR-E NT2 해빙 면적비는 ice type A와 B, C, 그리고 young ice와 thin ice도 반영(평균오차 0.3%, RMSE 1.4%) AMSR-E와 SSM/I 해빙 면적비의 차이는 Dark-grey ice (thin ice)와 Ice type C의 영향 현장자료의 부재로 인해 정확한 해빙 유형의 분류가 어려웠으나 고해상도의 EOC 영상으로부터 SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비의 분석이 가능 향후 보다 정밀한 수동 마이크로파 해빙 면적비의 분석 및 보정을 위해 다양한 계절 및 지역에 대한 현장관측과 고해상도 광학영상 및 SAR 영상의 촬영 요구

Publications Hoonyol Lee, and Hyangsun Han, 2007. Evalusation of SSM/I and AMSR-E sea ice concentration in the Antarctic spring using KOMPSAT-1 EOC images, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, Submitted for publications. 한향선, 이훈열, 2007. 북극의 KOMPSAT-1 EOC 영상과 SSM/I NASA Team 해빙 면적비의 비교 연구, 대한원격탐사학회지, Submitted for publications. Conference Papers Hyangsun Han, and Hoonyol Lee, 2007. Comparative study of sea ice concentration by using DMSP SSM/I, Aqua AMSR-E and Kompsat-1 EOC, IEEE International Geoscience And Remote Sensing Symposium 2007 (IGARSS'07), Barcelona, Spain, 23-27 July. 한향선, 이훈열, 2007. Kompsat-1 EOC 영상을 이용한 남극의 SSM/I와 AMSR-E 해빙 면적비 비교 분석, 2007 대한원격탐사학회 춘계학술대회 논문집, pp. 198~203, 대전, 3월 30일. Hyangsun Han, and Hoonyol Lee, 2006. Comparison of SSM/I Sea Ice Concentration with Kompsat-1 EOC Images of the Arctic and Antarctic, 2006 IEEE International Geoscience And Remote Sensing Symposium 2006 (IGARSS'06), Colorado, Denver, USA, 1 Aug. 한향선, 이훈열, 2006. 북극과 남극의 SSM/I Sea Ice Concentration과 Kompsat-1 EOC 영상의 비교, 2006 대한원격탐사학회 춘계학술대회 논문집, pp. 153-156, 대전, 3월 31일. Project Reports 다중센서 위성영상에 의한 해빙 면적비 분석(한국학술진흥재단 문제해결형 인력양성사업) New ice와 young ice를 고려한 SSM/I 해빙 면적비 추출기법 검보정(극지연구소) 인공위성을 이용한 극빙 변화 연구(한국항공우주연구원)

감사합니다.