[스페이스인] 공간정보의 이해(교원연수 기초) | 3. 공간정보 관련 기술 - 원격탐사

* 본 글은 공간정보교육포털 '스페이스인'의 [ 공간정보의 이해(교원연수 기초) ] 강의를 듣고 정리한 글입니다.

[공간정보개론]으로는 부족한 것 같아 추가적으로 수강하였습니다.

비교적 과거의 강의이기 때문에 현재의 기술과는 차이가 있을 수 있습니다.

공간정보교육포털

 

 3. 공간정보 관련 기술 

• 공간정보 관련 기술은 크게 GIS, 원격탐사, GPS로 구분됨

 원격탐사 

        원격탐사의 정의

• 광의: 접촉하지 않고 대상을 인지
• 협의: 항공기나 위성에서 촬영한 영상을 이용해 자료나 정보를 추출하는 것
• 장점
  • 넓은 면적에 대한 정보를 단시간에 취득
  • 접근이 불가능한 지역의 정보 취득
  • 다양한 센서의 이용: 적외선, 마이크로파 등

 

        원격탐사의 역사

• 항공사진을 위한 탐사로부터 시작
• 원격탐사의 기원
  • 항공영상: 1840년 프랑스의 로세다 대령이 기구에서 촬영
  • 위성영상: 1972년 미국의 상업용 위성 Landsat 1호 발사
    • Landsat 1호의 공간해상도: 80m
    • 현재 상업용 위성의 공간해상도: 수십cm
• 우리나라 위성영상
  • 1999년 다목적 실용위성 1호(Kompsat 또는 아리랑 1호)
    • 공간해상도 흑백 - 6.6m
  • 2006년 아리랑 2호
    • 공간해상도 흑백 - 1m, 컬러 - 4m
  • 2012년 아리랑 3호
    • 공간해상도 흑백 - 0.7m, 컬러 - 2.8m
  • 2013년 아리랑 5호
    • 공간해상도 레이더 영상 - 1m/3m/20m
  • 향후
    • 가시광선이나 적외선뿐만 아니라 레이더 위성이나 초다분광 위성

 

        우리나라의 원격탐사

• 위성개발
  • 지구관측위성(아리랑)
  • 통신위성(무궁화)
  • 과학위성
• 발사체
  • 나로호

 

        원격탐사 예시

• 아리랑 3호 영상 예시

• 넓은 지역을 관측하는 예

• 다양한 센서 사용의 예
  • 적외선 센서를 이용한 촬영
    • 광합성을 하는 식생은 컬러 적외선 사진에서 붉게 나옴
    • 미식 축구장은 아래 사진에서 붉지 않아 인조 잔디임을 알 수 있음

 

        위성영상의 종류

• 레이더 위성
  • 투과력이 좋은 레이더를 이용해 기후의 영항을 받지 않고 영상을 취득하는 위성
• 초다분광 위성
  • 파장대의 수가 수십-수백 개여서 사물의 특성을 잘 파악할 수 있는 위성
• 기상위성영상의 예

 

        원격탐사의 원리

• 전자기파 에너지
  • 모든 물질은 절대 온도 0K를 넘으면 에너지를 방출
  • 지구에서 반사되거나 방출되는 에너지를 파장대별로 구별하여 원격탐사 수행

• 원격탐사 센서의 분류 (참고)
  • 수동(Passive) 센서
    • 대기나 지표에서 반사/복사되는 파장대의 에너지(태양)을 측정하는 원격탐사 시스템 > 짧은 파장대의 에너지를 센싱
    • 태양 에너지는 지구에서 가시 파장대처럼 반사되거나, 열 적외선 파장처럼 흡수된 후 다시 방출됨
    • 모든 반사된 에너지는 태양이 지구를 조명하는 시간 동안에만 존재
      • 밤에는 태양으로부터 사용 가능한 반사 에너지가 없음
      • 자연적 방출 에너지(예: 열적외선)가 기록될 수 있을 만큼 큰 경우에는 밤낮 언제나 감지할 수 있음
    • 수동 센서 예시: 초다분광 위성영상, 중저해상도 위성영상, 항공사진
    • 파장대: 약 10µm까지는 아날로그필름으로도 촬영 가능
  • 능동(Active) 센서
    • 센서에서 조사할 대상물을 향해 에너지를 발사하고, 대상물에서 반사되는 에너지를 측정하는 센서 > 긴 파장대의 에너지를 센싱
    • 마이크로파를 이용하는 레이더임: 마이크로웨이브(microwave)처럼 태양에 의해 충분히 제공되지 않는 파장을 살펴보기 위해 사용될 수 있음
    • 능동 센서 예시: SLAR, SAR(Synthetic Aperture Radar), LiDAR/SAR
    • 능동 센서의 장점: 시간 또는 계절에 관계없이 언제나 측정 가능
    • 능동 센서의 단점: 대상을 적절히 조명하기 위해 상당히 많은 양의 에너지 생성이 요구됨
    • 파장대: 약 10µm까지는 능동형 센서로 촬영 가능

원격탐사 센서의 파장

원격탐사 센서의 파장대

• 해상도의 종류
  • 공간 해상도
    • 영상에서 한 픽셀에 해당하는 실제 지상 거리
    • 공간 해상도의 비교

공간 해상도의 비교

• 분광 해상도(spectral resolution)
  • 영상의 파장대 수, 흔히 밴드 수라고 함
    • 흑백영상은 1개, 컬러 영상은 3개, Landsat은 7개, MODIS 위성은 36개, AVIRIS 항공영상은 224개 밴드
  • 분광 밴드의 선택
    • 넓은 지역에 대해 많은 분광 밴드가 필요할 때 분광해상도가 높은 위성을 선택

• 방사 해상도
  • 영상에 기록되는 에너지의 강도를 구분하는 단계 수
    • 흑색과 백색만 있는 영상의 픽셀은 0 또는 1을 가진 1bit
    • 1990년대까지의 위성 영상은 대부분 8bit(0-255)
    • 현재 위성 영상은 11bit(0-2047)
• 시간 해상도
  • 주기해상도라고도 함. 동일 지역을 얼마나 자주 촬영하는지
    • km급 위성은 하루 2번, 30m급 위성은 16일
      • 경사 관측을 통해 시간 해상도 단축
        • 경사 관측: 위성이 자세를 바꿔 촬영하는 것으로, 이에 따라 시간 해상도를 향상시키고 입체 영상을 취득함

• 대기의 창 영역을 촬영
  • 대기의 창
    • 지구에는 모든 파장 영역의 전자기파의 복사에너지가 도달하지만, 지구의 대기로 인해 지상에 도달하는 파장은 가시광선, 전파, 일부의 적외선만이 도달되고 지구의 대기에 흡수됨
    • 지상의 관측자는 이렇게 도달한 전자기파를 이용 우주관측 및 위성에서 지상을 관측할 수 있는 창을 대기의 창이라 함
    • 아래의 사진: 파장대별 투과율을 보여줌
      • 녹색 부분: 대기의 창 영역 (대기를 통해 특정 파장대에서 영상이 취득되는 부분)
      • 하얀 부분: 특정 파장대의 에너지를 센싱하려고 하지만, 실제로는 대기의 영향 때문에 센싱할 수 없는 부분

전자기파 파장대와 대기의 창

 

        원격탐사 센서의 종류

• 수동 센서
  • 필름 방식
  • 스캐너 방식
    • 위성이나 항공기가 비행하면서 비행방향에 직각방향으로 회전하면서 스캐닝
  • 선형배열 CCD 방식
    • 센서가 진행하는 방향으로 한 줄짜리 사진을 계속 찍고 가는 것 (한 줄짜리 디지털카메라 찍는 것)
  • 면형배열 CCD 방식
    • 디지털카메라와 같음
• 눙동 센서
  • 센서에서 에너지를 발사해 대상물에 맞고 나오는 에너지를 센싱
  • 대표적인 예: LiDAR

*CCD(Charge Coupled Device): 전자 결합 소자라고 하며, 빛을 전하로 변환하여 저장하는 메모리 소자

 

        원격탐사 영상: 스캐너 방식

• 분광영상 (참고)
  • 측정방식, 대역의 수, 그리고 파장 영역에 저장된 데이터의 연속성에 기초하여 다중분광 및 초분광 영상으로 구분할 수 있음
  • 분광영상의 종류: 다중분광 영상, 초분광 영상

*밴드: 단색 영상을 의미

• 다중분광(Multispectral) 영상
  • 가시영역과 중적외선 영역 내에서 일반적으로 10개 이상의 불연속적인 밴드에서 이미지를 얻음
  • 데이터에 저장된 대역이 분리된 형태이기 대문에 각 픽셀에 해당하는 독립된 데이터를 생산
  • 대표적인 예: 랜드셋의 다중분광 센서
  • 대부분 10개 미만의 한정된 파장구간에서 지표면으로부터 반사 또는 방출되는 복사에너지를 감지함으로써 초분광 영상에 비해 특수한 분광특성을 가진 물질들을 인식할 수 있는 충분한 해상도를 제공하는 것에는 한계가 있음
  • 미세한 분광 정보 차이를 구분할 수 있음
• 초분광(Hyperspectral) 영상
  • 가시영역, 근적외선, 중적외선 그리고 열적외선 영역에 걸쳐 일반적으로 100개 이상의 연속적인 밴드에서 이미지를 얻으므로 각 픽셀로부터 전체 스펙트럼이 추출될 수 있음
  • 입사되는 빛을 분광시켜 영상의 각 화소에 해당하는 지표물의 연속적이고 좁은 파장역으로 수십에서 수백 개의 분광 정보를 취득
  • 물질마다 존재하는 고유의 광학적 성질 및 물질의 흡수와 반사 특징을 분석함으로써 토지피복, 식생, 그리고 수질 등의 식별에 주료 이용
  • 상관관계가 매우 높은 연속된 밴드들과 많은 밴드 수는 일반적으로 처리와 분석이 어려움 > 전통적인 선형 분광혼합기법을 활용하긴 힘들어서 최근에는 비선형 분광혼합기법 등이 제안되고 있음
• 예시

• 좌) 미국항공우주국의 지구관측 위성 Landsat 8호로 촬영한 전라도 새만금 지역 위성영상
• 우) 정유창고의 정유량을 스캐너 방식으로 열적외선을 이용해 원격탐사

• 좌) 태안반도에 대한 열적외선 영상
  • 가시광선으로는 방조제인지 다리인지 구분하기 어려움

• 항공기 탑재 초다분광 센서(Hymap) 데이터 구성

• 초분광 영상 예시
  • 수십-수백 개의 파장대를 센싱해 볼 수 있는 밴드 수가 많은 영상

 

        원격탐사 영상: 선형배열 방식

• 선형배열 방식의 영상은 스캐너 방식의 영상보다 고해상도임 > 상용 위성에서 많이 사용
• 아리랑 위성 영상

• Ikonos(이코노스) 위성 영상
  • 좌: 911 테러 이전 / 우: 911 테러 이후

 

        원격탐사 영상: 항공디지털, LiDAR

• 항공디지털
  • 좌: 비행기에 장착된 항공디지털카메라 / 우: 그 카메라로 촬영한 실제 사진

• LiDAR
  • 레이저를 발사해 지상에 있는 모든 대상들의 표고를 정확히 잴 수 있는 원격탐사 기술

 

        원격탐사 응용 분야

• 많은 분야에서 원격탐사가 널리 사용되고 있음
• 지도, GIS의 원천 데이터를 작성하는 데에 중요한 역할