Remote Sensing Applications in Korea

한국의 원격탐사 활용

Abstract

As there is a growing interest in remote sensing applications, the Korean Society of Remote Sensing has published several special issues in which articles on specific research topics were collected. In this special issue, we first review the research topics on several special issues published in the Korean Journal of Remote Sensing by 1) the National Institute of Agricultural Sciences (NAS), the Korea Environment Institute (KEI), the Ministry of Environment (ME) and the Korea Aerospace Research Institute (KARI) in 2017 and 2) the Korea Institute of Ocean Science and Technology (KIOST), the Korea Polar Research Institute (KOPRI), KARI, and Korea Meteorological Administration (KMA) in 2018. Then, research articles on the remote sensing applications in Korea are introduced.

최근 원격탐사 활용이 더욱 늘어남에 따라 연구주제를 모아 게재하는 특별호가 진행되었다. 이번 특별호에서는 2017년 국립농업과학원, 한국환경정책평가연구원, 환경부 및 한국항공우주연구원에서 진행한 연구주제와 2018년 한국해양과학기술원, 극지연구소, 한국항공우주연구원, 기상청에서 진행한 연구주제를 검토하고, 한국에서의 원격탐사 활용에 관한 연구들을 소개하고자 한다.

1. 서론

과거부터 지구관측을 목적으로 전 세계 많은 국가들이 다양한 위성 개발과 운영을 해오고 있는데, 우리나라도 많은 노력을 기울여오고 있다. 특히 우리나라에서는 위성 개발뿐만 아니라 정보 활용의 중요성을 인지하여 위성, 항공기 및 드론을 이용하여 우리나라의 국토관리, 해양수산관리, 수자원관리, 농림자원관리, 재해관리, 국방 분야 등에 적극 활용하고 있다. 우리나라는 다목적실용위성인Korea Multi-Purpose Satellite(KOMPSAT) 시리즈의 1, 2, 3, 3A 및 5호를 발사하였는데, 현재 1호와 2호는 임무가 종료되었으며 KOMPSAT 3, 3A 및 5호는 운영 중에 있다. 정지궤도위성인 천리안위성 1호는 기상 및 해양센서를 통해 관련 정보를 제공하고 있으며, 보다 진보된 센서를 탑재한 천리안위성 2A호가 작년에 성공적으로 발사되었고, 천리안위성 2B호도 발사될 예정이다. 이외에도 공공분야에서의 위성수요에 효과적으로 대응하고 산업체 육성을 위해 500 kg의 무게를 지니는 지상관측 위성인 차세대 중형위성 시리즈도 발사될 예정이다.

우리나라 원격탐사 연구와 관련해서 대한원격탐사학회가 주기적으로 발간하는 대한원격탐학학회지는 해당 분야 발전에 많은 기여를 해왔다. 대한원격탐사학회지는 1985년에 처음으로 1권 1호가 발간된 이후, 한해도 빠지지 않고 30년 이상 원격탐사 분야의 다양한 연구 논문을 출판해오고 있다. 1986년부터는 1997년까지는 연간 2호가 발간되었고, 1998년부터 2001년까지는 연간 4호가 발간되었으며, 그 이후부터 2019년 현재까지 연간 6호가 발간되고 있다. 특히 원격탐사의 활용범위가 광범위해지면서 2017년부터는 연간 100편이 넘는양질의 연구논문이 게재되고 있으며, 농업, 환경정책, 항공우주, 해양, 극지, 기상, 지질 등의 원격탐사의 주요 활용 주제별에 대한 특집호를 발간해오고 있다(Lee et al., 2017c, 2017d, 2017g, 2018a, 2018c; Kim et al., 2017b, 2018b; Ryu et al., 2018b).

이번 특별호에서는 2017년과 2018년에 대한원격탐사학회지에서 주관한 농업, 환경정책, 항공우주, 해양, 극지, 기상/지질 등에 관한 원격탐사 활용연구를 돌아보고, 최근 활발하게 진행되고 있는 한국의 원격탐사활용에 관한 연구들을 소개하고자 한다. 육상 원격탐사에서의 광학영상 대기보정 문제를 다룬 리뷰논문이 1편과 기상, 환경, 농업, 자연재해 등에 원격탐사 기술을 활용한 연구논문 10편이 소개된다. 특히, 이번 특별호에 게재된 논문들에서는 광학 및 레이더 영상, 저해상 위성영상으로부터 고해상 위성영상까지 다중 센서/해상도 자료가 두루 활용되어 우리나라에서 다양한 원격탐사 자료가 활용되고 있는 상황을 잘 보여주고 있다.

2. 2017년과 2018년의 특별호

2017년에는 농촌진흥청 국립농업과학원, 한국환경정책·평가연구원, 환경부 및 한국항공우주연구원에서 각 분야에서의 원격탐사 활용에 관한 특별호를 진행하였다. 각 특별호를 간략히 요약하면 아래와 같다.

첫 번째로 농촌진흥청 국립농업과학원에서 진행한 원격탐사와 모델을 이용한 작황 모니터링을 주제로 하는 특별호가 있었다(Lee et al., 2017d). 작물 작황 추정은 생산량 예측을 통한 수급 조절, 가격 예측, 농가 소득 보전을 위한 정책 수립 등에 중요한 판단자료로 활용되는 것으로 이들에 대한 연구를 이 특별호의 13편의 논문에서 확인할 수 있다(Ban et al., 2017; Jung et al., 2017; Kim et al., 2017a; Kwak et al., 2017b; Lee et al., 2017a, 2017b, 2017e; Ma et al., 2017; Na et al., 2017a, 2017b; Nguyen et al., 2017; Park et al., 2017a; Yoo et al., 2017b).

두 번째로는 한국환경정책·평가연구원에서 주관한 환경공간정보의 이해와 활용을 주제로 하는 특별호로 (Lee et al., 2017g), 환경공간정보의 활용과 앞으로의 발전방향과 관련된 논문들이 게재되었다(Baek et al., 2017; Cho et al., 2017; Lee, 2017b; Lee et al., 2017f, 2017h; Shin and Ryu, 2017; Son et al., 2017; Ryu et al., 2017; Yu et al., 2017; Zhu et al., 2017).

세 번째 특별호는 환경공간정보의 새로운 활용분야 발굴과 미래 인력 지원을 목적으로 환경부와 대한원격 탐사학회가 개최한 ‘친(親)환경도우미’ 환경공간정보 우수논문 공모전에서 우수논문으로 선정된 논문을 발간하였다(Kim et al., 2017b). 선정된 우수논문들은 최근 환경이슈와 환경공간정보를 기반으로 최신 방법론과 응용 결과를 제시하였다(Kwak et al., 2017a; Lee and Lee, 2017; Lee and Ryu, 2017; Lee et al., 2017i; Park, 2017; Park et al., 2017b; Rhee et al., 2017; Song and Kim, 2017; Yoo et al., 2017a).

마지막 네 번째로 한국항공우주연구원에서 다목적실용위성 영상처리 및 활용에 관한 특별호가 진행되었다(Lee et al., 2017c). 이 특별호에서는 최근에 수행되고 있는 다목적실용위성 영상의 처리 및 활용에 관한 주제를 담은 연구 논문들이 게재되었다(Choi et al., 2017; Han et al., 2017a, 2017b; Lee, 2017a; Moon and Kim, 2017; Park et al., 2017c).

2018년에도 한국해양과학기술원, 극지연구소, 한국항공우주연구원, 기상청 지진화산국에서 원격탐사를 이용한 해양, 극지, 항공우주, 지진·화산에의 활용을 주제로 특별호를 진행하였다. 다음은 각 특별호에 대한 간단한 요약이다.

첫 번째 특별호는 한국해양과학기술원에서 진행한 해양 분야에서의 원격탐사 활용을 다루었다(Ryu et al., 2018b). 국가 해양영토에 대한 해양에서의 불법행위, 영해 침범 등 안보관련 위협사항에 효과적으로 대처하고, 해양사고나 해양오염에 따른 피해를 줄이기 위한 대책 마련을 위해서는 효율적인 해양 감시체계 구축이 필요하다. 이에 이 특별호에서는 다중플랫폼을 이용한 해양영토 광역통합감시 시스템이라는 주제로 연구 논문들이 게재되었다(Cheon et al., 2018; Cho et al., 2018; Kim et al., 2018c, 2018d, 2018e, 2018f; Ryu et al., 2018a; Shin et al., 2018; Son et al., 2018).

기후변화에 따른 극지의 변화에 대한 관심이 집중되고 있는 상황에서, 2018년 두 번째 특별호의 주제는 한국에서의 극지 원격탐사 활용이었다(Kim et al., 2018b). 극지 분야의 다양한 연구 중에서, 원격탐사를 이용한 북극 빙권 정보 모니터링은 여러 과학적 활동 중 중요한 관측 역할을 하고 있다. 본 특별호에서는 극지연구소를 중심으로 수행중인 극지 원격탐사 모니터링에 대한 연구를 소개하고 있다(Chi et al., 2018; Han et al., 2018; Han and Lee, 2018; Hyun and Kim, 2018; Kim et al., 2018a, 2018g; Kim and Kim, 2018; Lee and Kim, 2018; Oh and Kim, 2018; Park et al., 2018a, 2018b; Seo et al., 2018).

세 번째로는 한국항공우주연구원에서 진행한 다목적실용위성 영상자료 활용 관련 특별호이다(Lee et al., 2018a). 위성개발의 목적은 위성에서 획득되는 정보를 어떻게 잘 활용할 수 있느냐에 있다. 따라서 국가차원의 위성 개발은 위성체 및 센서 개발뿐만 아니라 위성에서부터 얻어지는 정보의 활용을 위한 인프라 구축과 활용 기술 개발도 포함해야 한다. 이 특별호에서는 다목적실용위성의 광학 및 레이더 영상을 활용하는 연구를 소개하였다(Ahn et al., 2018; Chung et al., 2018; Jang et al., 2018; Ku et al., 2018; Lee and Jung, 2018; Lee et al., 2018d; Oh et al., 2018; Park and Lee, 2018; Yang and Jeong, 2018; Ye, 2018).

마지막으로 지진·화산 연구에 대한 위성영상 활용에 대하여 기상청 지진화산국에서 특별호를 진행하였다 (Lee et al., 2018c). 포항지진을 계기로 많은 사람들이 관심을 지니는 지진과 화산 등의 자연 재해는 어마어마한 인적 피해와 물적 피해가 발생할 수 있는 자연재해이기때문에 더욱 효과적인 모니터링을 요구하고 있다. 이에 국내 연구진에 의한 위성영상으로부터 지진과 화산의 연구가 소개되었다(Baek and Jung, 2018; Song et al., 2018; Lee et al., 2018b; Sun et al., 2018; Sohn et al., 2018; Hong et al., 2018; Jo et al., 2018).

3. 한국의 원격탐사 활용

Lee(2019)는 최근 육상 원격탐사에서 대기보정의 중요성이 크게 증가함에 따라 활용분야에 따른 대기보정의 필요성을 설명하고, 대기보정의 이론, 대기보정 소프트웨어 소개, BRDF(bidirectional reflectance distribution function) 보정에 대한 설명을 제공하고 있다. 이와 더불어 현재 대기보정 방법의 한계와 이를 극복할 수 있는 기술 발전 방향도 제시함으로써 육상 원격탐사 활용 시대기보정의 필요성을 확인하고 수행방식을 결정하는데 중요한 정보를 제공한다.

Yang et al.(2019)는 원격탐사의 대기활용에 관한 연구 논문으로 원격탐사 영상으로부터 이산화황 연직칼럼 농도를 관측하였다. 유럽의 센티넬-5P를 이용하여 TROPOspheric Monitoring Instrument(TROPOMI) 위성 센서 원시 자료로부터 산업 및 화산 활동에 의해 발생한 이산화황 연직칼럼농도(Vertical column density; VCD)를 산출하고, 이를 차등흡수분광법(Differential Optical Absorption Spectroscopy; DOAS)을 이용하여 산출된 TROPOMI Level 2 이산화황 연직칼럼농도 산출물과 비교하였다.

Kim et al.(2019a)는 이산화탄소 지중저장소에서 지표로 누출되는 이산화탄소를 원격으로 탐지하고, 이산화탄소의 농도를 측정하는 라만 라이다 시스템(Raman Lidar system)을 개발하였다. 이 개발된 시스템의 실내셀 측정에서의 이산화탄소 농도 측정 정확도는 약99.89%였으며, 300 m와 350 m 떨어진 지점에서 실시한 실외실험에서 이산화탄소 농도의 상관계수, 평균절대오차 및 평균제곱근오차는 각각 0.67, 2.78, 3.26 ppm 이었다. 이러한 기술은 대규모 이산화탄소 지중 저장소에서 이산화탄소 누출을 원격으로 감시할 수 있는 중요한 시스템으로 활용될 수 있다.

Kim et al.(2019b)는 한반도 지역에서의 산불 발생위험도 예측에 Temperature Vegetation Dryness Index(TVDI)의 활용 가능성에 대해 연구하였다. TVDI는 기상과 식생을 고려하는 건조도를 제작할 수 있는 장점을 지니고 있지만, 다른 산불 관련 지수들에 비해 한반도 내에서는 산불의 발생민감도가 높지 않은 것으로 보고된 바 있다. 그러나 이 연구에서는 TVDI의 산불발생 위험도 표현능력을 개선시켰고, 이를 통해 개선된 TVDI는 한반도내의 산불발생 위험도 측정에서 향상된 성능을 보여주었다.

Kim and Park(2019)는 식생 모니터링을 위한 시공간 다중 위성영상 융합 모델을 비교하고 평가하였다. 최근 지속적인 식생 모니터링을 위해 높은 시공간해상도에서의 식생지수 생성이 중요하게 간주되고 있다. 그러나 공간해상도와 시간해상도간의 트레이드오프 관계로 공간 및 시간 해상도를 동시에 높게 얻기는 어렵다. 그래서 고주기 저해상도 자료와 저주기 고해상도 자료를 효과적으로 융합한다면 높은 시공간해상도에서의 식생지수 생성이 가능해진다. 이 논문에서는 기존에 많이 적용되어온 시공간 융합모델인 spatial and temporal adaptive reflectance fusion model(STARFM)과 enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model (ESTARFM)의 성능을 비교 평가하였다. 사례연구 결과, 기존 융합모델들을 이용할 때 예측 정확성을 향상시키기 위해서 예측시기와 가까운 위성자료가 이용되어야 하며, 이러한 자료 이용의 한계를 고려할 수 있는 새로운 모델 개발의 필요성을 제시하였다.

Hong et al.(2019)는 L밴드 ALOS-2 PALSAR-2 spotlight 영상으로부터 향상된 위성레이더 간섭기법을 활용하여 하와이의 킬라우에아 화산에서 발생하는 지표변위를 2차원으로 정밀하게 관측하였다. 이 연구에서는 2015년 1월부터 2017년 12월까지의 얻어진 ALOS2 PALSAR2 영상을 이용하였는데, 이로부터 두 간섭쌍을 선택하여 킬라우에아 화산 정상부에서 발생한 지표변위를 관측하였다. 이 간섭쌍에 대해 유효 안테나 길이와 정규화된 스퀸트를 변화시키며 레이더 간섭기법(radar interferometry, InSAR)과 멀티레이더간섭기법(multipleaperture interferometry, MAI)를 적용하여 시선방향(lineof-sight, LOS)과 비행방향으로의 지표변위를 관측하였다. 이러한 결과는 킬라우에아 화산의 분화 활동에 대한 연구에 중요한 자료로 활용될 수 있다.

Han and Lee(2019)는 차세대 중형위성 5호의 적극적인 활용을 위해 레이더영상의 환경분야에서의 적용가능성을 논의하였다. 일반적으로 환경공간정보 분야에서의 활용은 주로 공간해상도를 중요하게 간주하였는데, 이는 오히려 환경 분야에서 레이더영상의 활용도를 낮추어 왔다. 그러나 이 논문에서는 기상조건, 주야, 일조량에 관계없이 대상의 물리적인 특성을 파악할 수 있는 레이더영상의 활용은 최근 환경분야에서도 매우 중요하다고 설명한다. 특히 미국, 유럽 등 국가에서 발사한 영상레이더 위성 목적 중 하나는 환경분야 활용에 있기 때문에 수자원 수재해 모니터링을 목표로 개발 중에 있는 한국의 차세대 중형 5호 레이더 위성도 기존 활용 목적과 더불어 토지피복과 관련된 환경분야에 활용되어야함을 이 논문에서는 강조하고 있다.

Baek et al.(2019)는 공간정보를 기반으로 국내 화산재 피해 분야와 아소산 화산재의 모의 확산 시나리오를 통하여 화산재 누적 피해를 분석하였다. 이 논문에서는 화산재의 누적이 국내에 직접적으로 발생할 수 있는 화산성 재해이며, 화산재는 매우 광범위한 영역에 대하여 확산되어 지표상에 누적되면서 다양한 분야에 대해 피해를 야기시킬 수 있기 때문에 이에 대한 연구의 필요성과 중요성을 강조하였다. 이 논문은 국내 화산재 피해분야와 관련된 공간정보 자료를 수집하고 가공하여 화산재 피해 기반자료를 생성하였는데, 시나리오 적용결과 162개, 134개 시군구에서 피해 최소 기준인 0.01 mm 이상의 피해가 발생할 것으로 예측되었다.

Park et al.(2019)는 작물분류를 목적으로 다중 입력패치로부터 추출한 공간특징들의 상대적인 중요도를 고려하는 합성곱 신경망(convolutional Neural network, CNN) 기반의 가중 결합 모델을 제안하였다. 이 논문에서 제안한 모델은 서로 다른 크기를 갖는 입력 패치로부터 공간특징들을 추출한 후에, 추출된 공간특징들의 결합에 상대적인 중요성을 고려하여 분류를 수행한다. 다중시기 Landsat-8 Operational Land Imager(OLI) 영상을 이용한 작물분류 실험을 통해, 제안 방법론의 예측 성능이 기존 단일 패치 기반 모델이나, 다중 패치 기반 공간 특징의 단순결합 모델에 비해 우수하다고 보고하였다.

Park et al.(2019)는 산불발생 위험을 추정하기 위한 위성기반의 가뭄지수를 개발하였다. 가뭄은 산불을 일으킬 수 있는 요소 중 하나이며, 산불의 빈도 및 피해면적과 관련성이 높은 편이다. 이 논문에서는 우리나라를 대상으로 산불발생 및 면적과 가뭄 변수의 관련성을 파악하고, 연구지역에 적합한 가뭄 변수를 이용하여 산불발생위험 추정을 위한 위성기반의 가뭄지수를 개발하였다. 고해상도 토양수분, Normalized Different Water Index(NDWI), Normalized Multi-band Drought Index (NMDI), Normalized Different Drought Index(NDDI), Temperature Condition Index(TCI), Precipitation Condition Index(PCI), Vegetation Condition Index(VCI) 등을 가뭄 변수로 입력하고, 경험적 가중 선형조합(Weighted Linear Combination)과 One-class SVM을 통하여 지수를 개발하였다. 이렇게 개발된 지수를 2018년 산불 발생건에 대하여 적용하여 개발지수가 대형 산불에 적합하다는 결과를 얻었다.

Eom et al.(2019)는 강원도 강릉시 옥계면에 분포하는 백운석 및 방해석의 분광특성을 분석하여 백운석과 방해석의 분광특성 그래프를 제작하였다. 이 연구는 석회암 광상 개발을 위한 석회암의 분광 특징을 파악하는데 중요한 역할을 한다. 석회암, 백운암, 고품위 석회암이 많이 산출되는 강원도 강릉시 옥계면은 옥천변성대 에속하는데, 이 지역에서의 분광 특성 측정은 FieldSpec®3 스펙트로미터 장비를 사용하였고, 현장 및 실내에서 분광특성을 측정하였다. 현장에서는 암석 표면을 측정하였으며 실내에서는 암석 표면, 연마면 및 파우더 상태에서 반사도를 측정하고 비교분석하였다. 이 연구는 향후 고품위의 방해석 산출에 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.