[스페이스인] 위성영상처리 | 1. 위성영상처리

* 본 글은 공간정보교육포털 '스페이스인'의 [ 위성영상처리 ] 강의를 듣고 정리한 글입니다.

비교적 과거의 강의이기 때문에 현재의 기술과는 차이가 있을 수 있습니다.

공간정보교육포털

 

 1. 위성영상처리 

원격탐사의 정의

• 전자기파를 이용해 거리를 두고 수집한 자료로부터 정보를 얻어내는 과학기술
• 위성영상: 원격탐사의 결과로 만들어진 여러 유형 중 하나
• 원격탐사를 활용한 예시
  • 미국 버지니아 주는 허리케인이 흔하지 않은 지역
  • 원격탐사에 의한 위성영상을 비롯한 기상정보로 허리케인 피해를 예측하고 대비해 피해를 최소화함

• 원격탐사는 GPS, GIS와는 다른 학문
  • GPS(Global Positioning System): 위치 측정 시스템 > 전파를 이용하긴 하지만, 위치 측정에 국한
  • GIS(Geographic Information System): 공간정보를 저장, 표현, 분석하는 학문 > 새로운 공간정보를 만들어내기보다는, 기존의 공간정보를 분석/조작. 위성영상 등의 원격탐사 자료를 이용하긴 함

 

        원격탐사의 필요성

• 1. 공간정보의 자료원
  • GIS의 공간정보 대부분은 원격탐사로 만들어짐
  • 다양한 스케일의 공간정보를 제공해줌: 전지구적, 지역적(예: 동아시아, 유럽), 국지적(예: 한국, 중국)
  • 공간정보를 수집하는 방법이 객관적이고 일관성 있음 > 시간과 장소에 구애받지 않음
  • 수집된 자료가 스케일별로 매우 구체적
• 2. 시간적 기록과 변화 탐지
  • 공간에 대한 시간적 기록으로써 공간 변화를 추적, 분석할 수 있음
  • 예: 도시 성장, 홍수 피해, 오염수준 변화

 

        원격탐사시스템의 작동과정

• 사람이 시각을 통해 물체를 인식하는 과정과 흡사 > 원격탐사시스템은 인간의 시각적 인지 과정을 모방한 것
  • 인간의 시각적 인지 과정
    • 광원(전자기파 에너지원)으로부터 반사된 빛(전자기파)이 대기를 통과해 물체에 부딪히면 일부는 흡수(입사)되고 일부는 반사됨
    • 반사된 빛은 대기를 통과해 눈(센서)에 도달
    • 물체에서 반사된 빛을 눈의 시각세포가 감지해 눈은 물체의 색과 형체를 인식
• 원격탐사 원리의 주요 요인
  • 전자기파를 복사하는 광원(전자기파 에너지원):
  • 전자기파가 대기를 통과할 때의 대기의 영향
  • 물체에 입사된 전자기파 에너지에 대한 물체의 반사 특성
  • 물체로부터 반사된 전자기파 에너지를 감지하는 센서

 

전자기파의 특성

        물체의 온도와 전자기파 복사

• 모든 물체는 절대온도 0K를 넘을 경우 전자기파를 복사함 > 전자기파의 에너지원: 모든 물체
• 복사하는 전자기파 에너지의 총량과 스펙트럼은 물체의 온도에 따라 달라짐
  • 온도가 높을수록 복사하는 전자기파 에너지의 총량도 증가, 스펙트럼의 대역도 넓어짐
  • 복사되는 에너지는 물체의 절대온도와 함수 관계를 가짐
  • 물체에서 복사되는 전자에너지의 총량은 스테판 볼츠먼의 법칙을 따름
    • 복사되는 전자에너지의 총량이 절대온도 t의 4제곱에 비례

• 태양과 지구를 흑체로 가정했을 때의 전자에너지 복사와 전자기파의 형태를 나타낸 그래프
  • 태양: 핵융합을 통해 스스로가 에너지원으로써 전자에너지를 복사함 > 능동적인 전자에너지원
  • 지구: 태양으로부터 오는 전자에너지를 흡수해 에너지를 얻고, 발생된 온도에 따라 전자에너지를 복사함 > 수동적인 전자에너지원
• 물체의 온도에 따라 복사되는 전자에너지 중 가장 많은 에너지를 복사하는 파장대는 물체의 온도에 따라 결정됨 > 이를 수학적으로 계산해낸 것이 웨인의 법칙
  • 흑체에서 복사되는 전자에너지 가운데 가장 많은 에너지를 복사하는 파장대는 흑체의 온도에 반비례
  • 온도가 높아질수록 가장 많은 에너지를 복사하는 파장대는 짧아짐
  • 태양의 표면온도가 약 6000k > 태양 표면에서 반사되는 에너지 중 최대치를 나타내는 파장대는 약 0.48마이크로미터
  • 지구의 표면온도가 약 3000k > 지구 표면에서 반사되는 에너지 중 최대치를 나타내는 파장대는 약 9.66마이크로미터
  • 지구가 내는 에너지는 열적외선에 속함
  • 태양이 내는 에너지는 가시광선에 속함
  • 인간의 눈은 태양의 에너지가 최대를 이루는 파장대인 가시광선을 이용

        전자기파의 파장대역별 분류

• 복사체의 온도에 따라 만들어지는 다양한 전자에너지는 아래 그림처럼 분류되어 연구 및 사용되고 있음

• 가시광선: 인간의 눈에 이용되는 전자에너지의 파장대
  • 범위: 0.4 - 0.7 마이크로미터
  • 3가지 파장대(wavelength): 파랑, 초록, 빨강 (7가지 색으로 정확히 구분할 순 없고, 한 색에서 다른 색으로 점진적 변화함)
• 태양의 전자기파
  • 광범위한 파장대역 복사
  • 원격탐사에서는 가시광선을 0.4 - 0.7마이크로미터의 파장대역을 3등분해 순차적으로 파랑, 초록, 빨강(빛의 삼원색)으로 나눔
    • 자외선(Ultra violet)
      • 가시광선의 파랑 밖으로 연속되는 파장대
      • 범위: 0.4 - 0.01마이크로미터 대역 (그보다 더 바깥으로는 엑스선, 감마선, 우주파가 0.01 - 0.00001마이크로미터, 0.00001 - 0.0000001마이크로미터 이하로 연속됨)
    • 적외선(Infra red)
      • 가시광선의 빨강 밖으로 연속되는 파장대
      • 범위: 0.7마이크로미터 - 1.0밀리미터
        • 근적외선(Near IR): 0.7 - 1.3마이크로미터
        • 단파장적외선(Short-wavelength infrared): 1.3 - 3.0마이크로미터
        • 중간적외선(Mid-wavelength infrared): 3.0 - 8.0마이크로미터
        • 열적외선(Thermal IR)): 8 - 14마이크로미터
        • 원적외선(Far infra red, FIR): 14마이크로미터 - 1밀리미터
    • 전파
      • 범위: 1밀리미터 이상
      • 그 중에서도 1밀리미터 - 1미터 사이의 파장대를 마이크로파라고 함

        전자에너지의 전파

• 전자에너지 이론
  • 파동이론과 입자이론이 상호보완적으로 전자에너지의 특성을 설명
• 파동이론: 전자에너지가 전파되는 현상을 설명
  • 전자에너지는 빛의 속도 c로 파동을 그리며 전파됨
  • 빛의 속도는 항상 일정하며, 3 X 108m/s
  • 파동에서 나타나는 파장은 파동의 한 정점에서 다음 정점까지의 거리
  • 빛의 속도가 일정하다면 파장에 의해 주파수가 결정됨
  • 전자파의 파동은 전기계(Electric Field)와 자기계(Magnetic Field)로 나뉨
    • 전기계와 자기계 두 파동은 서로 직교하여 진행하되, 서로 조화를 이루며 전파됨. 진행방향에 직교하여 사인곡선을 그리며 전파됨

• 입자이론: 광전효과를 설명
  • 전자에너지가 광자(=광양자)라는 작은 입자들로 이루어져 있음
  • 광전효과는 전자파를 입자라고 했을 때 설명이 가능해짐
  • 전자파 1개의 입자가 가지는 에너지는 파장에 반비례
    • 파장이 짧을수록 입자가 가지는 에너지가 커짐 > 센서를 이용한 에너지 감지가 쉬워짐
    • 파장이 길수록 입자가 가지는 에너지가 작아짐 > 센서를 이용한 에너지 감지가 어려움
    • 같은 위성에서 수집된 열적외선 영상의 공간해상도가 다른 파장대의 영상보다 낮은 이유임
      • 단위 면적당 복사되는 전자파에너지가 작아 센서가 감지할 수 있는 수준의 에너지를 모으려면 보다 큰 면적에서 복사된 에너지를 이용해야 함

 

대기와 전자파에너지의 상호작용

        대기권의 구성

• 절대온도 0K 높은 온도의 물체에서 복사된 에너지는 여러 매질을 통과해 각 물체에 전자파에너지를 전달 > 전달된 에너지의 일부는 물체에 흡수되고 일부는 반사되어 원격탐사시스템의 센서에 감지될 수 있는 전자파에너지가 되며, 그 나머지는 다른 매질을 통해 전달 과정을 다시 시작함
• 이 중 전자파에너지와 대기의 상호작용은 전자파에너지가 매질로써의 대기를 통과하면서 발생하는 여러 작용을 의미
• 지구를 둘러싸고 있는 기권이 없다고 가정한다면, 적도에서 한낮에 81도, 한밤중엔 -140도가 될 것

• 기권의 종류
  • 대류권
    • 적도 - 지상에서 약 8km, 극지방 - 지상에서 약 16km 권역
    • 대부분의 공기가 대류권에 밀집
    • 대기를 구성하고 있는 물질은 질소(Nitrogen) 78%, 산소(Oxygen) 21%, 아르곤 0.9%, 기타 수증기/이산화탄소 및 여러 기체 1% > 전자파에너지의 전파에 영향을 줌
  • 성층권
    • 대류권에서 시작해 지상에서 약 50km에 이르는 권역
    • 오존이 많이 생성되어 있는 권역
    • 우주로부터 오는 우주선(감마선, 엑스선 등) 파장대의 전자파에너지가 오존에 의해 대부분 흡수됨
    • 오존은 생명체의 존재에 중요한 역할 But, 우주로부터의 전자파에너지 일부를 차단하기 때문에 지상에서의 우주 관측에 대한 일부 정보를 제거함
  • 중간권
  • 전리권(=열권)
  • 외권

        전자파에너지와 대기의 상호작용

• 매질로써의 공기 및 공기 속에 섞여있는 부유물질과 전자파에너지 사이의 관계
• 각각 다른 크기와 물리적 구조를 가지고 있는 공기 중의 물체에 의해 전자파에너지가 대기를 투과하는 데에 방해를 받아 산란/흡수됨
• 전자파에너지와 대기가 상호작용하는 메커니즘: 산란과 흡수
  • 상호작용의 정도는 통과 거리, 대기의 성분에 따라 나뉘며, 수증기는 지표 가까이에 집중되어 있음
• 산란
  • 작은 입자 및 분자의 크기에 의해 산란
  • 파장과 공기 중의 물질 크기에 의해 영향을 받음
  • 광범위한 효과
  • 산란의 종류: Rayleigh 산란, Mie 산란, 비선택적 산란
• Rayleigh 산란
  • 분자 또는 매우 미세한 입자에 의해 발생
  • 파장의 4제곱에 반비례
  • 매우 짧은 파장의 전자파에너지의 진행을 방해 - 특히 물질의 직경에 비해 훨씬 작은 파장의 전자파에너지 진행에 영향을 크게 줌
  • 대기의 구성상 이 크기에 해당하는 물질이 대기의 대부분을 차지하므로 Rayleigh 산란이 산란 가운데 주된 현상
  • 파랑 밴드를 매우 강하게 산란
  • 파란 하늘의 원인: 공기에 의해 산란된 짧은 파장대의 전자파에너지인 파랑빛이 눈으로 많이 입사되기 때문
  • 그림자가 진 곳에서도 파랑에 가까운 짧은 파장대의 전자파에너지가 우세
  • 노을의 주된 원인: 아침이나 저녁의 노을 현상은 한낮에 비해 전자파에너지가 공기 중을 통과하는 거리가 무척 길어져 산란된 짧은 파장대의 전자파에너지는 많이 흡수되고 대신 긴 파장대의 전자파에너지가 비교적 산란 등의 교란을 덜 받아 눈으로 많이 입사되어 나타남
  • 선별적인 특정 파장대의 전자파에너지에 선별적인 영향을 미치므로 선택적 산란이라고도 함
• Mie 산란
  • 물질의 직경와 유사한 파장대의 전자파에너지가 산란되는 현상
  • 작은 수포와 먼지 등이 이를 일으키는 주된 원인 물질
  • 영향을 받는 파장대는 Rayleigh 산란에 비해 비교적 긴 파장대
  • 산란의 방향: 전방
  • 흰색, 회색: 안개 - 안개, 햇무리, 달무리
• 비선택적(무차별) 산란
  • 물질의 직경이 전자파에너지의 파장대에 비해 훨씬 큰 경우에 나타나는 산란 - 예: 수증기 입자
  • 원격탐사에서 문제가 있는 현상: 공중에 있는 원격탐사 센서가 이런 물질이 덮고 있는 지역의 지표에 대해 자료를 수집할 경우 가시광선, 근적외선, 중간적외선과 같은 파장대의 자료를 얻는 건 불가능
  • 물방울이 대표적인 물질
  • 넓은 파장대에 무차별적으로 적용됨 - 특히 가시광선, 근적외선, 중간적외선에 영향
  • 안개나 구름이 흰색으로 보이는 이유

 

• 흡수
  • 전자파에너지의 파장별로 흡수되는 현상이 다름
  • 전자파의 복사에너지가 물질에 의해 흡수되어 다른 형태의 에너지로 변화되는 현상 - 전자파에너지가 감소됨
  • 태양에서 복사된 파장대별 전자파에너지를 외권과 헤수면에서 측정한 결과를 나타낸 그래프
    • 하늘색 그래프: 외권에서 측정한 태양의 전자파에너지
    • 주황색 그래프: 해수면에서 측정한 태양의 전자파에너지
    • 두 전자파에너지의 차이(간격) = 우주로 산란된 전자파에너지 + 대기로 흡수된 전자파에너지
    • 해수면에서 측정된 태양의 전자파에너지 그래프 중, 급격히 전자파에너지 양이 감소된 부분: 대기 중의 물체에 의해 흡수된 것

 

• 대기물질의 전자파에너지 흡수
  • 지표에서 최대 태양의 전자파에너지 파장대: 가시광선대
  • 주된 전자파에너지 흡수물질
    • 각각의 물질은 물질의 성질에 따라 에너지를 선별적으로 흡수
    • 이산화질소(NO2): 3.0mm, 7.0mm 파장대의 에너지를 거의 모두 흡수
    • 수증기: 1.4mm, 1.9mm, 2.6mm 파장대의 에너지를 거의 모두 흡수
    • CO2: 2.0mm 파장대의 에너지를 거의 모두 흡수
    • 산소(O2)와 오존(Ozone): 0.3mm 이하와 9.0mm 파장대의 에너지를 거의 모두 흡수
    • 기타가스(CH4)
    • 대기는 0.4 - 0.7mm 파장대를 상당히 투과시킴 > 인간의 눈이 해당 파장대역에 대해 민감하게 작동되도록 진화해온 것

 

• 대기에 의해 흡수되는 파장대와 투과되는 파장대가 파장대별로 다름
• 대기의 창: 전자파에너지가 대기를 잘 투과하는 파장대 > B 그래프의 흰 부분에 해당
• 수동적인 원격탐사시스템에서 활용할 수 있는 파장대: 태양과 지구의 복사에너지와 대기의 창에 해당되는 파장대뿐임
• C 그래프: 일반적인 원격탐사시스템 중 사진, 열적외선 스캐너, 다중분광 스캐너가 활용되는 파장대를 나타냄

 

물체와 전자파에너지의 상호작용

        반사

• 전자파에너지가 어떤 물체에 입사되면 그 에너지는 물체의 특성에 따라 반응함
• 반응의 종류: 반사, 흡수, 전달
• 에너지 보존의 법칙에 의해 반사, 흡수, 전달된 에너지의 총량은 항상 일정함 > 입사에너지와 같음
• 그 중 원격탐사시스템이 활용할 수 있는 에너지는 반사에너지뿐
• 물체가 전자파에너지를 반사할 때 영향을 주는 요소는 물체의 표면 상태와 물체의 분자구조
  • 물체의 표면 상태는 입사된 전자파에너지가 어떤 형태로, 어느 방향으로 반사될지에 영향
  • 물체의 분자구조는 입사된 전자파에너지 중 어떤 파장을 얼마나 흡수하고 반사하는지에 영향
• 물체의 분자구조는 물체마다 독특하기 때문에 이에 의한 전자파에너지의 반사 특성 또한 독특함
  • 이런 특성은 스펙트럼 신호를 만들어낼 수 있음
    • 스펙트럼 신호: 물체를 인식할 수 있도록 해주는 물체의 전자파에너지 반사특성
• 물체의 스펙트럼별 반사특성을 알아놓으면 물체의 인식에 큰 도움이 됨
  • 식물, 토양, 수체(강, 바다), 구름과 눈, 바위 등마다의 스펙트럼별 반사특성

 

        스펙트럼 신호

• 각 물체마다 유일한 스펙트럼 특성을 가지고 있음을 의미
• 하이퍼분광 데이터에 의한 생화학적, 지질학적 신호 (예: 광석 또는 식물이 함유하고 있는 질소 등)
• 물체의 스펙트럼 신호를 알면 물체에서 반사되는 전자파에너지의 스펙트럼별 측정치를 이용해 물체를 정확하게 인식할 수 있음
• But, 현실엔 방해 요소가 많기 때문에 정확한 인식은 실질적으로 거의 불가능 > 그래도 스펙트럼 신호의 유일성이 어느 정도 보장되긴 하기 때문에 원격탐사 자료를 이용한 분석에 단서를 제공
• 스펙트럼 신호의 유일성이 보장되지 않는 원인
  • 동종 물체라도 차이가 존재함 (예: 같은 소나무라도 나무별로 차이가 존재)
  • 대기의 상태 및 지구 위도상의 위치에 따라 입사되는 태양광의 차이
  • 하나의 화소로 나타나는 FOV(Field Of View) 내 물체들의 구성상 차이
  • FOV 내 2개 이상의 다른 종류의 물체가 존재
  • 잡음

 

        식생의 분광반사특성

• 각 물체별 분광반사특성곡선
  • 각 물체에 대해 스펙트럼별로 입사에너지에 대한 반사에너지의 비율을 측정해 만든 그래프

• 위의 그래프: 식생의 분광반사특성곡선
  • 식생의 분광반사특성 곡선과 식생의 구조적 특성을 살펴보면,
  • 가시광선 파장대
    • 0.4 - 0.7mm
    • 잎의 색소(엽록소, 베타카로틴 등)가 반사에 가장 큰 영향을 줌
    • 엽록소는 녹색 밴드에 비해 파랑 및 빨강 밴드를 흡수를 더 많이 함 > 대부분의 식물을 녹색으로 보이게 하는 원인
  • 근적외선
    • 0.7 - 1.3mm
    • 세포구조가 근적외선 대역의 전자파에너지를 강하게 반사시키는 역할을 함
  • 중적외선
    • 1.3 - 2.6mm
    • 잎에 포함돼있는 수분의 함량이 중적외선 대역의 전자파에너지를 강하게 흡수해 반사를 줄임
    • 계절 등 생물기후도 중요한 영향

 

        토양의 분광반사특성

• 원격탐사시스템 센서에 감지되는 지표면적 중 상당 부분을 차지하는 토양의 분광반사특성곡선

• 위의 그래프: 토양의 수분 함유량에 따라 분광반사특성곡선이 어떻게 다른지를 보여줌
  • 토양의 수분 함유량이 많을수록 반사되는 전자파에너지의 양이 줄어듦
  • 물의 스펙트럼 흡수 대역에서 반사되는 전자파에너지가 대폭 감소

• 위의 그래프: 토양의 철분 및 유기물의 함유량에 따라 분광반사특성곡선이 달라지는 걸 보여줌
  • 철분의 함유량이 많아질수록 가시광선대를 비롯한 적외선 파장대의 전자파에너지 반사가 작아짐
  • 유기물질의 함유량이 많아질수록 가시광선대의 전자파에너지 반사가 작지만, 근적외선 영역의 전자파에너지 반사는 약간 강해짐
• 위의 두 그래프로 파악할 수 있는 점
  • 토양의 분광반사 특성을 이용하면 토양의 수분 함유량의 차이를 분석할 수 있음
  • 토양의 분광반사 특성을 좌우하는 요소
    • 수분과 유기물질의 함유 정도
    • 철분 함유 정도
    • 흙은 2.2mm 파장대에 영향
  • 토양의 색소는 토양 유형 분석에 덜 중요함

 

        물, 구름, 눈의 분광반사특성

• 물의 분광반사특성
  • 자외선(<0.4mm) 및 황색 파장대보다 큰 대역(0.6mm)의 전자파에너지를 강하게 흡수
  • 파랑 파장대(0.4 - 0.5mm)에서의 산란

• 구름의 분광반사 특성
  • 구름의 입자인 수증기 알갱이 모든 파장대역의 전자파에너지에서 강하게 산란시킴 > 구름이 하얗게 보이는 이유
• 눈의 분광반사 특성
  • 1.4mm 이하의 파장대의 전자파에너지를 강하게 산란
  • 1.4mm 이상의 파장대의 전자파에너지를 강하게 흡수
  • 원격탐사에서 눈과 구름을 구별할 수 있는 중요한 요소

 

        광석의 분광반사 특성

• 광석의 구성성분에 따라 서로 다른 파장대역에서 서로 다른 전자파에너지에 흡수 및 반사 특성을 보임

• 다양한 암석들이 2.0 - 2.5마이크로미터에서 서로 다른 반사 특성을 보임
  • 석회석, 석고 등은 파랑 스펙트럼을 강하게 반사
  • 규산염은 열적외선에서 가장 쉽게 판별

• Landsat 위성영상 자료 중 1번 밴드를 파랑, 3번 밴드를 녹색, 7번 밴드를 빨강으로 지정해 표현한 위색 영상자료
  • 각각의 광석들이 구별되어 나타남
  • 이러한 특징들이 원격탐사 자료를 이용한 광물 탐사에 이용됨

 

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