환경원격탐사 Remote Sensing of the Environment

현장 자료수집 현장 자료수집 방법이란, 과학자가 직접 그 현장에 나가서 현 상을 관찰하고 자료를 수집하는 것을 말한다. 현장 자료수집을 위해서는 현장 관측 장치를 관심 대상 물체 에 직접 물리적 접촉이 가능하도록 설치되는데, 온도계, 풍속 계, 습도계 등이 이에 해당한다. 변환기(transducer)는 측정되는 물리량의 세기에 따라 변하는 아날로그 전기신호를 생성하며, 이 신호는 Analog-to-Digital 변환장치를 통해 디지털화 된다. 원격탐사 현장자료 수집의 예로서, 휴대용 분광광도계를 이 용하여 엽면적지수(Leaf Area Index, LAI)를 측정하거나, 분광 복사계(spectroradiometer)를 이용하여 식생 피복상태를 측정 하는 것이 있다. 현장에서 얻어진 엽면적지수나 분광반사율 측정값은 항공기 나 위성에 탑재된 원격탐사 시스템에서 수집되는 자료의 보 정에 이용된다. 그러나, 현장관측자료는 오차가 포함되는데, 이는 1) 연구자 의 주관이 개입될 수 있고, 2) 측정 시 부주의로 인한 오류 발 생, 3) 잘못된 샘플링 계획이나 부적절한 장비의 사용과 같은 관측방법오차(method-produced error), 4) 현장 관측장비가 보 정이 안돼있을 경우 관측오차를 발생시킬 수 있다. 따라서, 현장자료를 참값(ground truth data)으로 여기기 보다 는 현장보조자료(ground reference data)라 하는 것이 합리적.

원격탐사의 정의 “원격탐사란 비접촉 센서 시스템을 이용하여 얻어진 에너지 패턴을 영 상이나 디지털 자료의 형태로 기록, 측정하고 해석함으로써, 물리적 대 상과 환경에 대한 신뢰할 만한 정보 를 얻는 예술이자 과학이며 기술이 다” “Remote Sensing is the art, science, and technology of obtaining reliable information about physical objects and the environment, through the process of recording, measuring and interpreting imagery and digital representations of energy patterns derived from noncontact sensor systems.”(Colwell, 1997) (※ IFOV: 공간해상도와 동일함)

과학이자 예술 원격탐사는 과학인가? 원격탐사는 예술인가? 과학(science)은 여러 원리(principle)로 얻어진 진실(fact)들에 관련된 광범위한 영역에서의 인간 지식을 뜻한다. 과학자들은 진실과 원리를, 문제 해결을 위한 질서정연한 시스템인 과학적 방법에 의해 발견하고 시험한다. 원격탐사는 수학과 비슷한 도구적 학문으로서, 떨어진 거리에 있는 복잡한 센서를 이용하여 어떤 물체나 지역에서 나오는 전자기파 에 너지를 측정하고, 수학과 통계학에 바탕을 둔 알고리즘을 이용하여 측정된 자료로부터 귀중한 정보를 추출한다는 측면에서 원격탐사는 과학적 활동의 한 분야이다. 원격탐사는 예술인가? 사진이나 화상해석의 발전은 과학지식 뿐만이 아니라 어떤 사람이 일생을 통해 얻을 수 있는 경험(experience)을 풍부하게 해준다. 어떤 화상 분석가는 다른 화상 분석가보다 뛰어난데, 이는 1) 과학적 원리를 보다 잘 이해하고, 2) 더 많은 여행을 통하여 사물과 지리에 능통하고, 3) 논리적이고도 정확한 결론에 이르기 위한 과학적 원리 와 경험을 결합시키는 능력을 가지고 있다. 따라서, 원격탐사는 과학 이자 예술의 영역에 속한다.

원격탐사의 장단점 원격탐사의 장점 원격탐사의 한계성 원격탐사는 물체에서 반사되거나 방출되는 전자 기파를 수동적(passive)으로 받는 경우가 많아 비 파괴적(unobtrusive)이다. 원격탐사는 격자모양의 사진과 같이 체계적으로 자료를 얻기 때문에, 일부 현장조사에서 나타나 는 샘플링 오류를 피할 수 있다. 잘 제어된 상태에서 원격탐사는 위치, 고도, 깊이, 생체량, 온도, 습도와 같은 생물리학적 자료를 제 공할 수 있다는 점에서 측량학과 유사하나, 지점 별 관측이 아니라 매우 넓은 지역의 정보를 체계 적으로 제공해 주는 장점이 있다. 원격탐사는 새로운 정보를 제공한다는 점에서, 기존의 지도학이나 GIS와는 다른 장점이 있다. 원격탐사에서 얻어진 정보는 자연현상과 문명화 과정의 모델링에 매우 중요하다. 원격탐사의 한계성 가장 큰 단점은 그 활용성이 너무 지나치게 높이 평가되고 있다는 점일 것이다. 원격탐사는 물리, 생물, 또는 사회과학을 수행하 는데 필요한 모든 정보를 제공할 수 있는 만능은 아니다. 인간은 자료를 수집할 가장 적절한 센서와 분해 능, 센서 보정, 탑재용 플랫폼, 자료수집 시기, 수 집된 자료의 처리방법을 결정하는데, 여기에 인 간에 의한 오차가 개입될 수 있다. 레이저(laser)나 레이다(radar)와 같이 스스로 에 너지를 쏘는 능동형(active) 센서 시스템은 조사 대상체에 파고들어 영향을 미칠 수 있다. 원격탐사 센서가 보정이 잘 안되어 있으면 오차 가 들어간다. 원격탐사 자료는 취득하고 해석하는데 비용이 많이 들 수 있으며, 이러한 비용을 감수하고라도 얻어진 정보가 쓸만한 가치가 있어야 한다.

원격탐사의 과정

원격탐사 자료수집 수동 센서(passive sensor)는 지표에 서 반사되거나 방출되는 전자기파 에너지를 기록하며, 능동 센서 (active sensor)는 인공적으로 만들어 진 전자기파를 지표로 쏘아, 센서로 되돌아오는 에너지를 기록한다. 센서에 도달하는 에너지인 복사속 (𝐿, radiant flux, 𝑊 𝑚 −2 𝑠𝑟 −1 )은 파장 (𝜆), 대상체의 위치( 𝑠 𝑥,𝑦,𝑧 ), 측정 시간 (𝑡), 측정 각도(𝜃), 편광(𝑃), 감도(Ω) 에 대한 복잡한 함수이다.

인공위성 궤도 저궤도(Low Earth Orbits, LEOs): 고도 320~800km, 속도 7~8 km/s, 주기 ~90분, 우주왕복선, 약 8,000 개의 우주 쓰레기 극궤도(polar orbit): LEO의 일종으로 궤도의 경사 각(inclindation, 적도부터 측정)이 90도에 가까워 지구의 자전과 함께 전지구를 영상화하는데 유 용. 태양동기궤도(syn-synchronous orbit): 이 궤도는 태양과의 각도가 항상 일정하게 유지되므로 위 성이 지나가는 지역의 지방시(local time)가 항상 일정하기 때문에, 동일한 태양의 방위각을 유지 하여 균일한 조건에서 영상 촬영에 유리. 따라서, 대부분의 고해상도 지구관측위성은 극궤도이자 태양동기궤도를 이용함 지구정지궤도(geo-synchronous orbit): 고도 35,790km에서 주기가 23시 56분 4.09초로 지구자 전주기와 정확히 일치하여, 정지해 있는 것처럼 보임. 방송, 통신, 기상 위성에 주로 사용 타원궤도(elliptical orbit): 근일점(perigee)과 원일 점(apogee)이 존재하며 극지방 관측이나 통신에 사용됨 Perigee Apogee

센서의 해상도(resolution, 분해능) 공간해상도(spatial resolution): 센서로 구분할 수 있는 두 물체의 사이 의 최소 간격.(예, 60 cm, 1 m, 6 m, 30 m, 1 km) 분광해상도(spectral resolution): 원격탐사 시스템이 감지할 수 있는 전 자기 스펙트럼 상의 특정 파장 간격의 수와 크기. (예, 1 nm, 0.1 um) 시간해상도(temporal resolution): 얼마나 자주 반복하여 촬영할 수 있 는지. (예, 1일, 3일, 8일, 16일, 44일) 복사해상도(radiometric resolution): 센서의 민감도로서 구분 가능한 최소에너지 차이. (예, 8 bit는 0~255, 12 bit는 0~4095 자연수) ※ 공간, 분광, 시간 해상도 숫자가 작을수록 해상도가 ‘높다, 좋다, 뛰어 나다’ 라고 말하고, 반대는 ‘낮다, 나쁘다, 떨어진다’라고 표현함. 즉, 1m 영상은 30m 영상보다 (공간)해상도가 높다. ※ 복사해상도는 숫자가 클수록 복사 해상도가 높다, 좋다, 뛰어나다 라 고 표현함. 즉, 12 bit 영상은 8 bit 영상보다 (복사) 해상도가 뛰어나다. 10 m 10 m B G R NIR Jan 15 Feb 15 1

공간해상도

1 m IKONOS

분광 해상도 일반 카메라: 분광해상도 ~0.1um, RGB 3색 다분광 영상(multispectral image) : 분광해상도 ~0.1um, 3개 이상 ~ 수십 개의 색 초다분광 영상(hyperspectral image): 분광해상도 0.1~10 nm, 수백 개의 색 위색 영상(Pseudo-color image, RGB: NIR, R, G)

Hyperspectral image cube

Remote Sensor Data Acquisition 시간해상도 Remote Sensor Data Acquisition June 1, 2005 June 17, 2005 July 3, 2005 16 days

시간해상도

복사 해상도 7-bit (0 - 127) 8-bit (0 - 255) 9-bit (0 - 511) 10-bit 8-bit (0 - 255) 9-bit (0 - 511) 10-bit (0 - 1023)

원격탐사 자료의 영상처리

원격탐사와 지구과학