1. 서론

위성영상을 활용한 원격탐사 알고리즘의 개발과 검증을 위해서는 지상에서 관측한 비교 자료가 필수적이다. 하지만, 국내에서는 지표 분광정보 및 지표 피복 상태, 그리고 지표 인근 대기정보를 동시에 상시 관측하는 시설이 부족하여 개별 연구그룹의 한시적인 필드 캠페인에 비교 자료의 상당부분을 의존해오고 있다. 이에 한국항공우주 연구원은 국내 위성영상 및 원격탐사자료 활용 기반 제공을 위해 상시 지상관측타워의 구축 및 장기 운용, 그리고 관측된 자료의 상시 공개 및 무상 제공을 추진하고 있다.

본 연구는 실제 관측타워의 구축과 운용에 앞서 시험적인 성격으로 수행되어 장비의 설치, 관측 및 관측 자료의 간단한 처리와 평가를 목적으로 하였다. 또한, 이를 위해 기본적인 관측요소 중 하나인 복사조도를 그 대상으로 하여 2017년 5월부터 2019년 2월까지 관측을 수행하였다. 복사조도 관측은 각각 직상방과 직하방을 지향하는 MS-700 분광복사계(spectroradiometer) 1 쌍을 제주 서귀포 국립산림과학원 시험림 소재 난대산림 캐노피 플럭스타워 상단에 설치하였다. 이들 기기로부터 획득된 상·하향 초분광 복사조도(irradiance) 관측자료는 관측 대상 파장범위인 350nm~1050nm내에 위치하는 다양한 분광채널과 비교 가능하다.

상·하향 복사조도는 동시에 관측이 수행되어 그 결과들은 추후 지표반사도를 비롯한 다양한 지표들로 변환될 수 있으며, 이러한 지상관측 기반 지표들은 다양한 위성영상 활용 기법 연구에 기초 자료가 될 수 있을 것으로 예상된다. 실제 상·하향 복사조도 간 비율로부터 획득한 지표반사도를 LANDSAT8 VNIR 영상에서 대기보정을 통해 획득한 지표반사도와 비교하였다. 이때 대부분의 경우 두 지표반사도는 높은 상관관계를 보였으며, 이 결과를 통해 지상관측 자료와 그 처리 결과물의 유의미함을 확인하였다.

현재 구축 추진중인 상시 지상관측타워는 본 연구결과 및 본 연구에서 획득한 교훈을 고려하여 반영하였으며, 상·하향 초분광 복사조도 및 지표반사도 뿐만 아니라 광합성 유효광량, 열적외선 상·하향 복사온도, 대기중 가스 성분, 풍향풍속 등 다양한 요소에 대한 상시 관측이 이루어 질 예정이다.

2. 관측방법

본 초분광 지상관측은 EKO社 제 MS-700 분광복사계 2대 1쌍을 활용하여 수행되었다. 해당 기기는 350~1050 nm 파장범위에서 반치전폭 (Full Width at Half Maximum, FWHM) 10nm 미만의 분광해상도로 관측한다 [EKO. 2019]. 기기 전단에 광학계를 부착하여 다양한 시야각 (Field of View, FOV)으로 관측 가능하나, 본 지상관측에서는 별도의 전단광학계 없이 180도 FOV를 적용하였다.

전체 관측기간동안 1쌍의 MS-700 분광복사계는 지표면으로부터 약 20m 높이로 구축된 난대산림 캐노피 플럭스타워 최상단에 각각 직상방·직하방을 지향하게 설치되었다. 직하방을 지향한 분광복사계는 철제 구조물로 이루어진 관측타워의 반사신호를 감쇠 시키기 위해, 약 2m의 철제 봉을 이용하여 관측타워 본체로부터 이격하여 설치되었다. 해당 관측타워는 국립산림과학원 난대아열대산림연구소에서 구축·운용 중에 있으며, 주변 수목의 캐노피(canopy) 보다 약 3~5m 상단에서 반사되는 상향 복사조도의 관측이 가능하다(Fig. 1.).

3. 공간적 범위

초분광 복사조도 관측이 수행된 난대산림 캐노피 플럭스 타워는 제주 서귀포 소재 산림과학원 시험림 내부, 돈내코지구 안내소 북서쪽 약 600m 지점에(북위 33°19’4.77” 동경 126°34’3.66”) 위치한다 (Fig. 2.). 관측타워는 한라산 초입 해발 240m 지점에 구축되어 관측장비가 설치된 타워 최상단은 약 해발 260m에 위치한다. 해당 관측지역은 해양성 기후의 영향 아래, 연평균 기온 16.20℃, 연평균 습도 70.70%, 연간 강수량 1850.80mm과 같은 특성을 보인다. 하향 초분광 복사계의 관측 대상은 평균 13.70m의 혼합림으로 개어서나무, 졸참나무, 소나무, 제주조릿대 등으로 다양하게 구성되어 있다[Yeom. et. al., 2017].

4. 시간적 범위

서귀포 관측타워에서 수행된 초분광 관측을 통해 2017년 5월 25일부터 2019년 2월 13일까지, 매일 05시부터 약 20시까지 복사조도 자료가 획득되었다. 상·하향 복사조도 간 관측이 동시에 이루어진 경우와, 관측 시간이 1분 차이 나는 경우를 함께 포함하여 총 48,205 쌍의 자료가 획득되었다.

5. 측정자료 및 활용 예시

동시기에 관측된 상·하향 복사조도를 함께 도시한 결과는 아래 와 같다(Fig. 3.). 관측 자료는 매 3.3nm 마다 W/m²/μm의 단위로 도시되며, 상·하향 초분광 복사조도는 각각 파란색과 초록색으로 도시되어 있다. 아래 예시에서 약 700nm영역까지 하향 복사조도가 강하게 관측되는 반면 식생 표면에 반사 이후 복사조도가 급감하는 모습을 확인할 수 있다. 반면 약 800nm 인근 NIR(Near Infrared) 영역에서는 파장이 짧은 영역에 비해 상대적으로 강한 반사 복사조도를 보여 식물 잎의 특성을 반영하고 있는 것으로 판단된다.

상·하향 초분광 관측자료는 아래와 같이 지표반사도 비교 등에 활용될 수 있다(Fig. 4.). LANDSAT8의 채널 2(Blue), 3(Green), 4(Red), 5(NIR)에 대비되는 현장 측정 지표반사도를 생성하기 위해 MS-700 분광복사계로 측정된 하향 복사조도에 대한 상향 복사조도의 비율을 계산하였다. 이후 각 채널의 분광반응함수(SRF, spectral response function)을 적용하여 각 채널에 대한 현장 측정 지표반사도를 생성하였다. 또한 LANDSAT8 4개 채널의 실제 영상에 ENVI에 탑재된 FLAASH 대기보정 알고리즘을 적용하여 지표반사도 영상을 생성하였으며, 산림타워 위치에 해당하는 값을 현장 측정 지표반사도와 비교하였다[Research Systems, INC. 2005]. 비교 결과 NIR 채널에서 시기에 따른 차이가 발생하지만(Fig. 4.b), 전반적으로 채널에 따른 유사한 지표반사도 분포 양상을 보였다. 또한 4개 예시에서 최대 약 0.04 이내의 반사도 차이를 나타내어 지표반사도 자료의 유용성과 활용성을 확인하였다.

Acknowledgements

본 지상관측은 국립산림과학원 난대아열대산림연구소의 산림관측타워 상단 공간 협조를 통해 수행되었습니다.

Fig. 1.

Overall Methods of hyper-Spectral Irradiance

Fig. 2.

Study Area, Seogwipo, Jeju isl. [NGII. 2019]

Fig. 3.

An Example of Acquired Data 2017.05.25. 14:00 (UTC)

Fig. 4.

Application Example, Surface Reflectance Comparison

참고문헌

• EKO Instruments. MS-700 Spectroradiometer specifications. https://eko-eu.com/products/solar-energy/spectroradiometers/ms-700-spectroradiometer Accessed 20 Nov 2019
• NGII, National Geographic Information Institute. Download for blank maps. https://www.ngii.go.kr/child/content.do;web_JESSSIONID=B2050E58085B41540D92DD382A579F1E?sq=149 Accessed 20 Nov 2019
• Research Systems Inc. (2005) FLAASH Module User’s Guide, ENVI FLAASH Version 4.2
• Yeom J.M., Deo R., Chun J., Hong J., Kim D.S., Han K. S., Cho J (2017) Synthetic retrieval of hourly net ecosystem exchange using the neural network model with combined MI and GOCI geostationary sensor datasets and ground-based measurements. International journal of remote sensing 38(23):7441–7456ArticlePDF

Appendix

Figure & Data

References

Citations

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