물 원격탐사 Remote Sensing of Water

물의 행성, 지구 지구 표면의 74%는 물로 덮힘 지구 물의 수문학적 변수 97%는 바다 2.2%는 극지 얼음 0.6%는 지하수 0.02%는 담수 (하천, 강, 호소, 저수지) 0.001%는 대기 중 수증기 수문학적 변수 수표 면적 수체 성분(유기물, 무기물) 수심 수표면 온도 적설 면적 눈과 물의 등량(Snow Water Equivalent) 얼음 표면적 얼음과 물의 등량(Ice Water Equivalent) 구름 면적 강수 수증기

물의 반사 특성 센서에 기록되는 총 복사휘도 (Lt, total radiance)는 Lt = Lp + Ls + Lv + Lb 여기서, Lp (path radiance, 경로 복사휘도): 수표면에 실제 도달하지 않고 센서에 도달하는 태양복사량(Esun)과 천공복사량(Esky)로 서 대기잡음에 해당함 Ls (surface radiance, 수표면 복사휘도): 수표면에서 반사되는 복사로서, 수체의 수표면 특징과 관련된 가치 있는 스펙트럼 정보를 가짐 Lv (volume radiance, 수중 체적 복사휘도): 수표면을 통과하 여 물과 유기/무기 성분과 작용하고 바닥까지는 도달하지 않 고 다시 대기중으로 탈출하는 복사휘도로서, 수체의 내부 특 성에 대한 가치있는 정보를 제공 Lb (bottom radiance, 바닥 복사휘도): 수체를 통과하여 바닥 에 도달하는 복사휘도로서, 수심이나 산호초의 분포도를 작 성하는 경우와 같이 바닥의 정보를 획득하는데 중요한 정보 를 제공 수체의 유기/무기 성분을 파악하기 위해서는 Lv 가 중요하 고, 수심관측이나 암초와 같은 바닥구조를 보기 위해서는 Lb 가 중요하지만, 이 성분들을 분리하는 것이 어렵다는 것.

순수한 물의 흡수와 산란 순수한 물이란, 유기질이나 무기질 을 포함하지 않은 상태를 말한다. 수체의 최소 흡수대는 청색(400-500 𝑛𝑚) 파장대, 그 중에서도 특히 (460-480 nm) 에서 최소값을 보이 며, 다른 파장보다 더 많이 수체로 투과된다. 녹색, 황색 입사광은 상대적으로 적 은 산란이 일어나고 수체에 매우 잘 흡수됨 근적외선 및 중적외선은 수체에 대 부분 흡수되며, 거의 무시할 정도로 산란이 일어난다. 따라서 수체 내에서 보라 및 청색의 투과 및 산란으로 인하여 물이 청색 으로 보이게 한다. 특히 청색은 순 수한 심해나 깊고 잔잔한 내륙 수체 에 나타난다.

물의 투과 SPOT Band 1 (0.5 - 0.59 mm) green 육지와 물의 구별을 위한 가장 좋은 파장대는 740-2500nm의 근적외 및 중적외선 파장 영역이다. 순수한 물의 경우 이 파장대의 입사광의 대부분이 흡수되기 때문에 매우 어둡게 나타나고 육지는 상태적으로 밝게 보인다. SPOT Band 1 (0.5 - 0.59 mm) green SPOT Band 2 (0.61 - 0.68 mm) red SPOT Band 3 (0.79 - 0.89 mm) NIR

유기 및 무기성분에 대한 반응 대부분의 자연 수체에는 다양한 유기(예, 식물성 플랑크톤, 클로로필-a) 및 무기(예, 부유성 미네럴) 성분을 포함 특정 성분에 대한 양적인 정보를 추출하 는 것은 매우 어려움 수중체적 복사휘도( 𝐿 𝑣 )는 순수한 물의 농 도(𝑤), 무기 부유성 미네럴(𝑆𝑀, suspended mineral), 유기 클로로필 a (𝐶ℎ𝑙, organic chlorophyll-a), 용해 유기 물(𝐷𝑂𝑀, dissolved organic material), 그 리고 수체에서 발생된 흡수 및 산란 감쇠 의 총량(𝑐)로 구성된 함수로서, 이들은 모 두 파장(𝜆)에 따라 다르다. 즉, 𝐿 𝑣 =𝑓[𝑤, 𝑆𝑀, 𝐶ℎ𝑙, 𝐷𝑂𝑀, 𝑐, 𝜆] 미시시피강 하류의 부유성 미네럴

부유성 미네럴(SM) 대부분 수체에는 실리콘, 알루미늄, 산화철과 같은 미네널이 부유상태 로 함유되어 있음 이러한 입자들은 고운 점토질 입자(직경 3-4 𝜇𝑚)부터 실트질(5-40 𝜇𝑚), 고운 모래(41-130 𝜇𝑚), 거친모래(131-250 𝜇𝑚)까지 다양하게 분 포 토사는 농경지로부터의 침식, 산림지역에서의 풍화, 해안선 침식, 화산 폭발로 인한 화산재 등 다양한 형태로 제공됨 대부분의 부유성 미네럴 토사는 내륙 및 연안해 주변의 수체에 집중됨 해변으로부터 멀리 떨어진 깨끗한 바다에는 직경 1 𝜇𝑚 이상의 큰 부 유성 미네럴은 거의 존재하지 않음 따라서 깊은 바다를 대상으로 하는 연구에는 부유성 미네럴을 고려하 지 않아도 되지만, 내륙 및 연안의 수체는 무시할 수 없는 부유사를 함 유하고 있음 내륙 및 연안 해역의 수체에서 부유성 미네럴의 종류, 양 및 공간적 분 포를 관측하는 것은 매우 중요함. 특히 내륙의 하천과 저수지의 토사는 홍수조절용 구조물의 사용 수명 을 단축시키므로 강과 하구의 준설이 필요하게 됨 부유사의 농도는 세치 디스크(Secchi disk)라는 투명도 측정판이나 NTU(nephelometric turbidity unit)이라는 혼탁도 감지기를 통해 현장 에서 관측함 분광복사계(spectroradiometer)를 통해 측정한 결과, 부유사 농도가 커 질수록 전 파장대에서 반사가 증가 최대반사 파장은 부유사가 첨가될 수록 가시영역 내에서 더 긴 파장 쪽으로 이동

클로로필 플랑크톤은 해류에 저항할 수 없는 물속 생물체를 총칭하는 용어로서, 조류 식물유기체(식물 플랑크톤), 동물유기체(동물 플랑크톤), 박테리아(세균성 플랑크톤), 그리고 조류성 균류와 같은 저급 식물 형태 등이 있다. 식물 플랑크톤 내의 클로로필 a 색소는 광합성 작용을 통해 이산화탄소를 이 용하고 산소를 생성한다. 죽은 플랑크톤의 탄소는 바닥으로 가라앉아 쌓인다. 따라서 해양은 지구의 탄소를 폐기하는 곳, 즉 탄소흡수계(carbon sink)로서의 역할을 한다. 따라서 플랑크톤은 전 지구적 탄소 순환을 규명하는데 매우 중요하다. 수체의 모든 식물 플랑크톤은 광합성이 활발한 클로로필 a 색소를 함유한다. 클로로필 a는 청색과 적색에서 강한 흡수를 하며, 550nm 녹색에서 에서 최대 반사를 보임 클로로필 농도가 증가할 수록 청색과 적색의 반사 에너지는 감소하고, 녹색 과 근적외선 파장대는 증가한다. 수체에 부유 미네럴과 클로로필이 동시에 존재할 경우 가시광의 최대반사 는, 부유물 농도 0 mg/l에서는 550 nm 이었으나 500 mg/l 에서는 596 nm 로 이동한다. 부유성 미네럴이 거의 없는 해양의 경우, 클로로필 농도는 두 밴드의 비를 이 용하여 구한다. 1997년 발사된 Sea WiFS 위성의 경우에는 주로 555 nm / 443nm 혹은 555 nm/ 490 nm 를 이용한다. 플랑크톤의 청색 현미경 사진

Global Chlorophyll a (g/m3) Derived from SeaWiFS Imagery Obtained from September 3, 1997 through December 31, 1997

True-color SeaWiFS image of the Eastern U.S. on September 30, 1997 Chlorophyll a distribution on September 30, 1997 derived from SeaWiFS data

Composite Sea-surface Temperature (SST) Map of the Southeastern Bight Derived from AVHRR Data 수표면 온도 측정: 열적외선에서 물의 방출율(emissivity)은 1에 가깝기 때문에 상대적으로 정확한 수표면 온도의 관측이 가능

Worldwide Sea-surface Temperature (SST) Map Derived From NOAA-14 AVHRR Data Three-day composite of thermal infrared data centered on March 4, 1999. Each pixel was allocated the highest surface temperature that occurred during the three days.

Reynolds Monthly Sea-surface Temperature (˚C) Maps Derived from In situ Buoy and Remotely Sensed Data La Nina December, 1988 Normal December, 1990 El Nino December, 1997

GOES-East Thermal Infrared GOES-East Visible GOES-East Thermal Infrared GOES-East Images of the United States and Portions of Central America on April 17, 1998 GOES-East Water Vapor

열적외선과 가시광 영상을 이용한 구름 종류 분석 구름과 눈을 구별하기 좋은 파장대는?

Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) Microwave Imager (TMI) Data Obtained on March 9, 1998 A passive microwave sensor that measures in five frequencies: 10.7 (45 km spatial resolution), 19.4, 21.3, 37, and 85.5 GHz (5 km spatial resolution). It has dual polarization at four of the frequencies. Swath width is 487 miles (780 km). The 10.7 GHz frequency provides a a linear response to rainfall.

TRMM Precipitation Radar (PR) data obtained on March 9, 1998 10 20 40 60 z(dBZ) Height (km) 5 A B 100 200 300 400 Distance (km) Along-track cross-section of TRMM Precipitation Radar data obtained on March 9, 1998