북극과 남극의 KOMPSAT-1 EOC 영상을 이용한 수동 마이크로파 해빙 면적비 분석

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

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

3 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

4 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

5 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%

6 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

7 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

8 이론 – Passive Microwave Sensors
SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) 1987 to present 4개 주파수(19.35, , 37.0, 85.0GHz) 7개 채널(19.35H/V, V, 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)

9 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

10 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

11 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 ( )

12 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

13 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 ( )

14 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

15 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

16 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

17 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

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

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

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

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

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

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

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

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

26 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%

27 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%

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

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

30 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%

31 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

32 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%)

33 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

34 Publications Hoonyol Lee, and Hyangsun Han, 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, 북극의 KOMPSAT-1 EOC 영상과 SSM/I NASA Team 해빙 면적비의 비교 연구, 대한원격탐사학회지, Submitted for publications. Conference Papers Hyangsun Han, and Hoonyol Lee, 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, July. 한향선, 이훈열, 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, 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, 북극과 남극의 SSM/I Sea Ice Concentration과 Kompsat-1 EOC 영상의 비교, 2006 대한원격탐사학회 춘계학술대회 논문집, pp , 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)

35 감사합니다.