Wide Integrated Surveillance System of Marine Territory Using Multi-Platform

다중플랫폼을 이용한 해양영토 광역통합감시 시스템

Abstract

It is necessary to establish wide integrated surveillance system of marine territory to reduce damage caused by maritime security threats, marine pollution and accidents for safe and clean marine use and efficient development of marine resources. For marine surveillance, the information characteristics of space-time specific, accuracy and operability are required, and real-time information about the wide area should be provided at all times. This special issue has been published to identify the characteristics of each platform, evaluate its usability for the establishment of a wide integrated surveillance system, and present the direction for future convergence studies between platforms. Since 2015, KIOST and cooperative research team have been performing the project, "Base research for building wide integrated surveillance system of marine territory using multi-platform" that detect vessels and red tide etc. near real time by using satellite, UAV and HF Ocean Radar. The objective of this special issue is to introduce the significance for an integrated system for maritime surveillance and to create a forum for discussion on recent advances in remote sensing technology and applications for marine disasters, pollution, and accident surveillance.

국가 해양영토에 대한 해양 불법행위, 영해 침범 등 안보위협사항과 해양사고, 해양오염에 따른 피해저감 대책을 마련하고, 안전하고 깨끗한 해양 이용 및 효율적인 해양자원 개발을 위한 해양 감시체계 구축이 필요하다. 해양감시를 위해서는 시공간성, 정확도, 운용성의 정보 특성이 요구되며, 가능한 광역에 대한 실시간 정보가 상시적으로 제공되어야 한다. 본 특별호는 각 플랫폼의 특성을 파악하여 광역감시망 체계 구축을 위한 활용 가능성을 평가하고, 향후 다양한 플랫폼 간 융복합 연구 방향을 제시하기 위하여 발간하였다. 2015년부터 한국해양과학기술원과 협동연구기관에서 준실시간으로 위성, 무인항공기와 HF 해양레이더를 이용한 선박과 적조탐지를 위한 "국가해양영토 광역감시망 구축 기반연구" 사업을 수행 중이다. 이번 특별호의 목적은 해양감시에서의 통합시스템의 중요성을 소개하고, 해양재해, 오염과 사고 감시에 대한 원격탐사 기술과 활용에 대한 최근 연구에 대한 토론의 장을 만드는 것이다.

요약

국가 해양영토에 대한 해양 불법행위, 영해 침범 등 안보위협사항과 해양사고, 해양오염에 따른 피해 저감 대책을 마련하고, 안전하고 깨끗한 해양 이용 및 효율적인 해양자원 개발을 위한 해양 감시체계 구축이 필요하다. 해양감시를 위해서는 시공간성, 정확도, 운용성의 정보 특성이 요구되며, 가능한 광역에 대한 실시간 정보가 상시적으로 제공되어야 한다. 본 특별호는 각 플랫폼의 특성을 파악하여 광역감시망 체계 구축을 위한 활용 가능성을 평가하고, 향후 다양한 플랫폼 간 융복합 연구 방향을 제시하기 위하여 발간하였다. 2015년부터 한국해양과학기술원과 협동연구기관에서 준실시간으로 위성, 무인항공기와 HF 해양레이더를 이용한 선박과 적조탐지를 위한 “국가해양영토 광역감시망 구축 기반연구” 사업을 수행 중이다. 이번 특별호의 목적은 해양감시에서의 통합시스템의 중요성을 소개하고, 해양재해, 오염과 사고 감시에 대한 원격탐사 기술과 활용에 대한 최근 연구에 대한 토론의 장을 만드는 것이다.

최근 해양자원의 중요성에 대한 인식이 확대됨에 따라 대륙붕, 배타적 경제수역 등 자국의 관할권 확대를 위한 경쟁이 심화되고 있다. 미국, 영국 등 전통적인 해양강국은 물론 남태평양의 도서 국가와 아프리카 국가들 역시 해양영토 확장을 위한 경쟁이 치열하다(Kim and Lim, 2013; Oh, 2015). 일본 역시 독도, 다오위다오(Diaoyudao Islands), 오키노토리시마(Okinotorishima) 등을 두고 한국, 중국, 러시아 등의 주변 국가들과 영유권 분쟁이 진행 중에 있다(Choi, 2005; Wiegand, 2009). 또한 해양의 이용 증대에 따른 해양 오염, 해양사고, 불법 투기 등에 따른 위험성이 증가하고 있으며, 이에 따른 피해 가능성 또한 증가하는 추세이다. 해양사고와 더불어 2013년 발생한 적조로 인하여 약 247억원의 피해가 발생한 것으로 조사되어 해양오염 피해 역시 막대한 경제적 손실을 가져왔다(NIFS, 2015). 더욱이 우리나라 황해와 동해에서는 불법조업, 해양쓰레기 무단 투기 등 해양 불법행위가 지속적으로 증가하고 있다(Jung, 2016; Oh et al., 2017). 하지만 국내의 경우 제한적인 수단으로 예찰이 이루어지고, 그 범위 또한 한정적이기 때문에 해양 불법행위를 근절하는데 역부족인 실정이다. 따라서 국가 해양영토에 대한 해양 불법행위, 영해 침범 등 안보위협사항과 해양사고, 해양오염에 따른 피해저감 대책을 마련하고, 안전하고 깨끗한 해양 이용 및 효율적인 해양자원 개발을 위한 해양 감시체계 구축이 필요한 시점이다.

해양감시를 위해서는 시공간성, 정확도, 운용성에 있어 고사양이 요구되며, 가능한 광역에 대한 실시간 정보가 상시적으로 제공되어야 한다. 하지만, 국내의 경우 해양환경에 대한 과학적 조사에 초점을 맞추어 구축 및 운영되고 있으며, 해양감시 목적의 통합 감시시스템은 아직까지 미비한 실정이다. 한국해양과학기술원은 해양수산부의 “해양과학조사 및 예보기술개발” 사업의 일환으로, 2015년부터 “국가해양영토 광역 감시망 구축 기반연구”를 수행 중이며, 다중 플랫폼(위성, 무인항공기, HF 해양레이더 등)을 이용한 통합감시시스템 기반 구축을 목표로 하고 있다.

본 특별호는 우리나라의 해양 영토를 광역적, 선제적, 공간적, 실시간적, 과학적 감시 시스템을 구축하기 위한 연구 방향을 제시하고자 발간되었다. 이를 위해서는 위성, 무인항공기, HF 해양레이더 등의 다양한 플랫폼을 이용한 감시 기술이 정립되고 한계를 파악해야 한다. 또한 다양한 파장대 센서들의 통합 분석이 이루어져야 하며, 이들을 이용한 통합감시체계가 구축되어야 한다.

먼저 위성영상 분석을 통한 한반도 주변해역의 적조와 녹조 대발생 탐지 사례를 소개하고 정확한 분포면적을 추정하기 위한 분석 기술을 제시하였다. Shin et al.(2018)은 위성 기반 적조 모니터링의 한계로 지적되고 있는 탁도가 높은 연안역의 적조 탐지와 원격탐사 료의 부정성을 개선하고자 다중센서의 활용을 제시하였다. 이 연구에서는 해색 센서인 GOCI 영상과 육상 센서인 Landsat OLI 영상을 이용한 공간적인 융합과 분광 기반 융합을 시도하였다. 위성영상의 공간 융합 및 분광 융합을 통하여, GOCI 영상에서 관측이 어려웠던 연안지역의 적조와 Landsat OLI 영상에서 품질이 낮게 나타났던 외해역의 적조 모두 개선된 탐지결과를 보였다. 이 방법은 선박 등을 이용한 직접 조사에 따르는 인력, 비용, 시간적 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. Kim et al.(2018b)은 2008년 이후 황해 및 동중국해 해역에서 관측되는 녹조 대발생의 정확한 분포 면적을 산출하기 위한 방법을 제시하였다. 이 연구에서는 다양한 공간해상도를 가지는 Landsat ETM+(공간해상도: 30 m), MODIS(공간해상도: 250 m), GOCI(공간해상도: 500 m) 위성영상을 분석하여, 공간해상도가 녹조 면적산출 결과에 미치는 영향에 대해 설명하였다. 또한, Linear Spectral Unmixing(LSU) 기법을 이용하여 위성영상 한 픽셀에서 녹조가 차지하는 비율에 따라 녹조 면적 계산에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 통하여 정확한 녹조 면적과 정량적 추정을 위한 위성영상 선택기준을 마련하는데 기여하였다.

위성영상은 해양생태계 모니터링뿐만 아니라, 해양영토에서 발생하는 불법행위, 해양 재난 사고 등을 탐지하기 위하여 활용되고 있다. 특히, Synthetic Aperture Radar(SAR) 위성영상은 광역범위의 선박 탐지에 용이하기 때문에 본 특별호에서는 SAR 위성영상의 선박탐지 정확도 및 활용 가능성을 제시하였다. Kim et al. (2018c)는 Kompsat-5 SAR 영상 분석결과를 Automatic Identification System(AIS) 자료와 비교하여 원격탐사 기법을 이용한 선박탐지 가능성을 검토하였다. 신진항 서 측 연안과 제주항 북측 연안에서 수집된 Kompsat-5 SLC 영상과 연안에서 수집된 AIS 자료의 통합분석에서 소형선박을 제외하고 Kompsat-5 선박탐지 결과와 AIS는 전반적으로 일치하는 결과를 보여주었다. 향후 SAR 영상 분석 알고리즘 개선과 신뢰성 있는 AIS 자료 확보를 통하여 정확도를 향상시킨다면 선박탐지 모니터링에 적극 활용될 것으로 판단된다. Kim et al.(2018d)은 SAR 영상을 이용한 선박탐지 뿐만 아니라 웨이브 글라이더탐지 연구사례를 소개하였다. 이 연구에서는 Kompsat-5spotlight mode SAR 영상을 이용하여 견인 선박 주변의 후방산란 강도 자료 분석을 통하여 해상 표면에서 이동하는 웨이브글라이더의 탐지 가능성을 제시하였다. 다양한 해양환경에서 실제 웨이브 글라이더의 탐지 여부에 대한 추가적인 연구의 수행을 통해서 탐지 정확도 개선이 가능할 것으로 보인다.

최근에는 인공위성영상의 공간해상도와 시간해상도 제약을 극복하기 위하여 무인항공기를 활용한 재난 대응이나 선박 탐지 연구의필요성이 증대되 있다. 본 특별호에서 Cheon et al.(2018)은 불시에 발생하는 재난에 효과적으로 대응하기 위하여 무인항공기 기반 실시간 모니터링 시스템 구축을 제시하였다. 이 연구에서는 멀티센서를 탑재한 무인항공기를 이용한 실시간 모니터링 시스템을 구축하기 위하여 항공부문과 지상부문으로 구분하여 설명하였다. 시스템 운용을 통하여 생성된 영상 지도의 상대 정확도는 1.58 m, 절대 정확도는 0.75 m로, 단계별 처리시간은 Ground Sampling Distance(GSD) 10 cm의 경우 1.67초가 소요되었다. 또한, Ryu et al.(2018)은 무인항공기 기반 멀티센서 자료를 활용하여 해양 영토의 선박 위치 결정에 대한 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 무인항공기 기반 선박 감시 체계를 수립하였고, 무인항공기 센서 자료를 이용하여 선박 위치를 결정하는 방법을 제시하였다. 먼저 사전에 수행된 시스템 캘리브레이션 결과와 영상 취득 시각에 취득된 GPS/INS 데이터를 이용하여 취득된 영상의 절대좌표를 결정하고, 개별 영상으로부터 선박을 자동 또는 반자동으로 탐지한 후 탐지된 선박의 위치를 결정 가능한 방법을 개발하였다. 탐지된 선박의 위치 오차는 4-13 m 이내로 높은 정확도를 보였으며, 제안된 방법은 해양감시, 측량, 불법 선박 탐지 등에 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

원격탐사자료 분석을 통하여 결정된 선박의 위치, 적조 발생 지역 등의 정보로부터 이들의 지속적인 추적과 이동확산 예측 모델 구축에 필요한 중요 입력 자료로써 HF 해양레이더를 이용한 표층해수의 유동 자료가 활용되고 있다. Kim et al.(2018a)은 현재 가용되고 있는 레이더의 운영현황과 해양레이더망으로 생산된 주요 결과와 정보를 소개하였다. 최근 국내의 해양레이더 수는 급격하게 증가하였고, 현재 한반도 연안에 44기 이상이 배치, 운용되고 있는 것으로 보고하였다. 현재까지 대부분의 레이더는 해양안전, 조류예보 그리고 해류역학 이해를 목적으로 운영되고 있는 것으로 조사되었고, 어업, 해양자원 관리, 유류유출 대응, 조난자 수색구조, 선박탐지 등 활용영역을 확장하는데 필요한 다양한 정보를 제공하였다. 나아가 적극적인 현업 활용과 광역범위의 정보 생산을 위하여 국가적인 조직과 운영체계 구축의 필요성을 강조하였다.

Cho et al.(2018)은HF 해양레이더를 활용한 선박 검출과 검출된 선박의 추적을 시험하였고, 서해에서 운용되고 있는 콤팩트 HF 해양레이더 사이트에서 획득한 관측 데이터를 적용하여 성능을 평가하였다. HF 해양레이더는 선박 검출에 실패하거나 오검출 되기도 하였지만, 10 km거리에서는 약 95%의 높은 검출 성공률을 보였다. 더욱이, 선박 추적 기법을 적용함으로써 선박 검출 정확도를 향상시킬 수 있었고, 이는 HF 해양레이더 자료가 선박 탐지에 활용될 수 있음을 의미한다.

마지막으로 본 특별호에서는 차세대 관측체계로 부각되고 있는 웨이브 글라이더(wave glider)의 용을 제시하였고, 수중감시에 효율적임을 설명하기 위하여 현장 적용사례를 소개하였다. Son et al.(2018)은 여름철 국내 주변해역에서 관측되는 중국 기원 저염분수를 웨이브 글라이더와 위성 자료를 활용하여 2016년과 2017년 두 차례 관측을 수행하였다. 이 연구를 통하여 하계 동중국해 해역에서 발생한 고수온 현상과 저염분수와의 관계를 규명하였다. 최근 개발되는 무인수상체계는 높은 내구성과 자율무인의 장점으로 인하여 다양한 해양환경에 대한 장기간 관측이 가능하기 때문에 다중 플랫폼과의 연동을 통하여 종합적이고 효율적인 광역감시망을 구축하는데 필요한 유용한 플랫폼임을 강조하였다.