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리모트 센싱(원격탐사)의 원리와 실제

리모트 센싱이란?

앞서 살펴본 한반도의 위성사진은 어떤 원리와 과정을 거쳐서 얻어졌을까? 이를 한마디로 말한다면 리모트 센싱(remote sensing, 원격탐사)이다. 현대과학이 연출하는 기적의 눈(眼)은 어떤 것인지 알아 보자.

최근 자원의 유효한 이용이나 환경 보전 등이 세계적인 문제가 되어 이들 문제를 해결하는 방법으로 인공위성으로부터 지구표면을 조사하는 리모트 센싱이 크게 주목되고 있다.

리모트 센싱이란 본래 멀리 떨어진 곳으로부터 직접 손을 대지 않고 물체를 식별하거나 그 상태를 조사하는 것으로, 인공위성이나 항공기에 의해 지표의 대상물을 관측, 그로부터 얻어진 데이터(리모트 센싱 데이터)를 해석하여 대상물의 성질을 조사하는 기술을 총징하는 것이다.

리모트 센싱은 그 내용을 크게 두가지로 나눌 수 있는데 하나는 지표의 진실된 모습을 위성화상에 의해 한 눈에 볼 수 있도록 위성지도를 만드는 것이며 또 하나는 지구를 직접 보는 것만이 아니라 컴퓨터에 의해 화상자료를 해석하여 우리들의 생활과 관계가 깊은 농업 임업 토지이용 지하자원 수자원 방재 수산 해양 환경보전 등 광범위한 분야에 걸쳐 보다 자세한 정보를 얻는 일이다.

리모트 센싱의 원리

인간의 눈은 물체가 태양빛을 받아 그 표면으로부터 반사해 오는 빛(가시광선)에 의해 물체를 식별한다. 또한 물체의 표면으로부터는 가시광선 이외에 눈에는 보이지 않는, 가시광선보다 파장이 짧은 자외선과 가시광선보다 파장이 긴 적외선(근적외선, 중적외선, 열적외선 등)이나 마아크로파 등이 반사·복사 되는데 이를 통틀어 전자파라고 부른다.

그런데 물체는 종류에 따라 반사하는 전자파의 세기가 다른 곡선을 나타낸다. 예를 들면 식물은 근적외선에 해당하는 파장 1마이크론 부근에서 최강, 10마이크론 부근에서 2차적인 강도의 반사파를 내는 특성을 가지는데 대해 토양은 가시광선 영역의 반사파 강도가 큰 특성을 가지며, 물은 식물이나 토양에 비해 반사파의 강도가 가장 약한 특징을 나타낸다.

인공위성은 이와 같은 물체의 빛에 대한 반사성질을 이용, 지구상의 모든 물체로부터 반사되어 오는 전자파를 수개의 파장별로 감지 비교하여 물체를 식별한다. 즉, 삼림 농경지 시가지 주택지 바다나 강 등은 각기 다른 파장의 반사를 내므로 그 반사파를 분석하면 각 대상물을 분류·식별할 수있으며 농경지는 다시 답작지 곡작지 전작지 등까지도 분류가 가능하다.

또한 물체는 태양광을 받지 않더라도 적외선 등을 복사하고 있으며 그 강도는 물체의 온도에 따라 다르다. 물체는 온도가 높을수록 짧은 파장의 전자파를 복사한다. 따라서 복사의 강도를 측정하면 물체의 온도를 알 수 있으며 육지나 해면의 온도분포도 알 수 있다. 그밖에 지표로부터 복사되는 마이크로파의 강도나, 인공위성으로부터 마이크로파를 발사하여 지표에서 반사하여 되돌아오는 마이크로파의 강도를 측정함으로써 해수의 염분이나 해빙의 질, 두께, 파고 해류 해면의 풍속, 풍향 대기중의 수증기, 오염개스의 종류 및 수직분포 등까지도 조사할 수가 있다.

리모트 센싱은 이상과 같은 내용들에 대해 넓은 지역에 걸쳐 동시에 또한 일정주기로 반복관측할 수 있는 장점을 가지고 있으며 이렇게 얻어진 각종 정보는 사진이나 자기(磁氣) 테이프의 형태로 보관하여 여러 분야에서 이용할 수가 있다.
 

지구관측위성

이상과 같은 원리에 의해 지구를 관측하는 위성에는 세계각국에서 발사한 여러가지가 있다. 지구관측위성은 관측목적에 따라 육지관측위성, 해양관측위성, 기상관측위성 등으로 나누어지는데 중요한 것으로는 미국의 LANDSAT(육지관측위성),NOAA(기상위성), SIR-A(스페이스 셔틀), 일본의 GMS(정지기상위성), MOS(해양관측위성, 1986), 프랑스의 SPOT(고성능 육지관측위성) 등이 있다. 다음에 미국의 욱지관측위성 랜새트에 관하여 설명 하기로 한다.

랜새트 1호는 1972년에 세계최초로 쏘아 올려진 지구관측위성으로 그 뛰어난 관측성능은 인공위성에 의한 리모트 센싱을 크게 발전시켰다.
그후 2호(1975), 3호(1978)가 계속 운용되고 현재는 보다 발전된 4호(1982), 5호(1984)가 가동중에 있다. 랜새트는 남북극 부근을 통과하는 극궤도위를 7백km 고도에서(3호까지는 9백15km) 매일 15회 돌고 있으며 16일이면 지구전체를 관측하게 된다. 따라서 16일 후에는 같은 지역의 상공으로 되돌아온다.

관측데이터는 1백85×1백70km의 범위의 것을 얻게 되며 이같은 지역을 약24초만에 관측한다. 랜새트 4호, 5호는 다중 스펙트럼 주사계(MSS:Multi Spectral Scanner)와 TM(Themetic Mapper)라고 하는 2개의 센서로 지구를 관측한다. 관측과 데이터 송신은 모두 전기신호로 한다.

광학센서

가시광선이나 적외선의 반사특성을 이용하여 지구상의 물체를 관측하는 장치를 광학센서라고 한다. 전술한 바와 같이 랜새트 4호, 5호는 광학센서로서 MSS와 TM이라고 하는 2개의 장치를 탑재하고 있다. MSS는 좌우로 진동하는 주사경(走査鏡)에 의해 약 1백85km 폭의 지표면으로부터 반사광을 포촉한다.

포촉하는 반사광은 가시광선의 녹색과 적색에 대응하는 2가지 파장대(밴드4, 5)와 근적외선에서 2종류(밴드6, 7), 합해서 4종류의 파장대의 것이다. 즉 같은 지역에 대해 서로 다른 4개 밴드의 화상을 동시에 얻는다. 녹색 밴드4는 침전물을 포함한 물의 움직임을, 적색 밴드 5는 도로나 시가지 등의 특징을 강조하며, 근적외선의 밴드 6, 7은 다함께 식물의 분포, 수륙의 경계나 지형 등을 강조한다. 밴드 6과 7중에서는 밴드 7이 대기중에 안개나 매연을 잘 투과한다.

MSS의 밴드가 4부터 시작되는 것은 랜새트 3호까지는 RBV(return beam vidicon)이라고 하는 텔레비전과 같은 방법의 비디콘 카메라 센서를 장치했는데 이것이 1, 2, 3밴드를 차지했기 때문이다. 1변이 1백85km의 랜새트 화상 1매를 만드는데 약 2천4백본의 주사선이 이용되므로 텔레비전의 주사선수가 약 5백본인데 비하면 매우 많은 주사선수이다. 랜새트 화상이 선명한 이유의 하나가 여기에 있다. 랜새트 화상으로는 지표상 약 80m 크기의 물체를 식별할 수가 있는데 이 80m는 화상의 한점이 나타내는 크기로 이를 픽셀(pixel, 画素)이라고 한다. MSS화상의 픽셀수는 약 가로 3천2백개×세로 2천4백개이다.

TM센서는 MSS보다 고도화된 관측장치로서, 가시광선에서 청(밴드1), 녹(밴드2), 적(밴드3)에 해당하는 3종류, 근적외선에서 1종류 (밴드4), 중간 적외선에서 2종류(밴드 5, 7), 열적외선에서 1종류(밴드 6), 등 모두 7종류의 파장대로 관측한다. 이 화상에서는 열적외선에서는 1백 20m, 그밖의 파장대에서는 30m 크기의 물제를 식별할 수가 있다. 따라서 TM 센서에 의한 화상은 MSS보다 해상능력이 우수하며 화질도 선명하다.

지구관측정보의 해석

인공위성자료를 이용, 해석을 하는데에는 수신시스템, 기록시스템, 데이터처리시스템, 사진처리시스템, 보존검색시스템, 해석시스템의 여러가지 단계를 거치게 된다. 인공위성 자료를 수신·해석하기까지의 정보처리흐름은 다음과 같다.

인공위성지구관측소에서는 위성으로부터 보내오는 전파를 직경 약 10m의 파라블라 안테나로 수신하여 수신기록 장치에 보낸다. 전파를 수신중에는 언제나 안테나가 지구를 도는 위성을 향해 있도록 제어되어 있다. 이것이 수신시스템이다. 수신된 관측정보는 특수한 고밀도 디지탈 테이프(HDDT:high density digital tape)에 기록된다.

이 단계에서는 보내온 정보를 퀴크룩장치의 모니터에 의해 그 자리에서 디스플레이 할 수가 있다. 또한, 동시에 사진필름으로 기록할 수도 있으며 HDDT를 재생하여 모니터에 의해 영상화할 수도 있다(기록시스템).

HDDT에 기록된 생화상 정보에는 위성의 자세 변동, 주사의 떨림, 감도의 차이 등 원인에 대한 왜곡(歪曲)이 포함되어 있다. 왜곡이 포함된 자료는 컴퓨터에 의해 보정이 된 후 여러가지 해석을 할 수 있도록 전자계산기 적합테이프(CCT:computer compatible tape)에 기록, 보관한다(데이터 처리 시스템). 이렇게 기록된 CCT 기록정보는 레이저빔 레코더라고 하는 사진처리장치에 의해 사진필름에 기록되고 이 필름으로 여러가지 용도의 사진을 작성한다(사진 처리시스템).

HDDT, CCT 및 사진원판 등의 정보자료는 원래 그 양이 방대하고 해가 갈수록 축적되어 그의 이용을 위해서는 컴퓨터에 의한 데이터검색을 하게 된다(검색시스템). 이러한 과정을 거쳐 수신 처리된 인공위성 관측데이터는 해석시스템에 의해 이용자가 희망하는대로 식생상황 지형 지질 토지이용상황 해수온도 등의 여러가지 해석정보를 추출할 수 있다.

이상에서 해석시스템을 제외하고는 주로 인공위성지구관측소에서 관장을 하게 되는데, 우리 나라에는 인공위성관측소가 없기 때문에 미국이나 일본으로부터 자료를 구입하여 사용한다. 현재 우리나라는 리모트 센싱 해석장치를 보유한 기관으로 KAIST, 서울대 공대, 동력자원연구소 등이 있을 뿐이다.

인공위성사진지도가 만들어지기까지

지구 관측 위성 랜새트는 7백-9백15km 상공으로부터 지상을 1백85×1백70km의 시야로 관측하므로 우리가 살고 있는 한반도에 대한 인공위성화상의 한 화면은 그와 같은 넓이만을 커버하게 된다. 그러나 사진을 여러개 연결하면 자유롭게 한반도 전역을 관찰할 수가 있다. 이렇게 여러개의 화상을 연결하여 만든 것이 인공위성모자이크화상이다. 모자이크를 만드는 데에는 두가지 방법이 있다.

하나는 인공위성에서 보내온 사진을 하나씩 그대로 연결하는 것이다. 마치 보통 카메라로 찍은 사진을 여러장 연결하여 연속사진을 만드는 것과 같다. 그런데 이 방법의 결점은 화상과 화상간의 색상의 차, 형상, 연결부분 등에 있어서 화질이 균등한 만족스러운 한장의 사진을 얻기가 매우 어려운 점이다.

두번째 방법은 이와같은 방벙의 결점을 보완할 수 있도록 컴퓨터에 의해 모자이크를 만드는 것이다. 그러나 이 방법은 화상의 질이 좋은 반면 제작비용이 많이 든다는 결점이 있다. 다음에 컴퓨터에 의한 모자이크 화상의 제작 과정을 알아 보기로 하자. 모자이크 위성사진 제작에는 데이터 수집, 스캔라인 노이즈 제거, 기하보정, 디지탈 모자이크 편집·출력의 과정을 거치게 된다.

<;데이터 선정>; 랜새트는 1백3분이라는 짧은 시간에 지구를 일주한다. 그러나 적도상을 언제나 정시에 통과하는 태양동기준회궤도(太陽同期準回軌道)라고 하는 이동방식을 취하기 때문에 인접 코스를 통과하는 것은 1일후가 된다. 그리고 같은 코스를 다시 통과, 같은 지역을 재차 관측하는 것은 16일후가 된다.

한반도를 전부 관측하는데는 1백85km폭으로 약 6코스가 필요하다. 각 코스에는 번호가 붙어 있으며 이를 path넘버라고 한다(지구전체는 2백23코스). 또한 각 코스는 1백70km(랜새트2, 3호는 1백85km)씩 세로로 분할(지구전체는 2백48분할)이 되어 있고 역시 번호가 붙여져 있다. 이를 low 넘버라고 한다. 그러므로 인공위성사진의 각 씬은 패스·로우 넘버에 의해 위치가 지정된다.

예를 들어 서울이 들어가는 경기만의 씬은 116-34로 지정된다(랜새트 1, 2, 3 호는 125-34). 한반도 전체는 약 21씬으로 커버된다. 랜트새트 화상데이터는 아날로그화상, CCT테이프 어느 것이나 구입할 수가 있는데 한반도의 데이터는 1972년부터 현재까지의 것을 미국 NASA에서, 1979년 이후부터 현재까지는 일본의 리모트 센싱기술센터(RESTEC)에서 구입이 가능하다.

모자이크에 사용할 랜새트 데이터는 상기 기간의 CCT데이터로부터 검색·선정하게 되는데 쾌청일의 씬을 선정하는 것이 중요하다. 인공위성화상은 계절에 따라 겨울에는 눈, 여름에는 무성한 삼림, 가을에는 단풍 등이 화상에 반영되므로 색조가 다른 계절의 화상들을 사용하면 균질한 모자이크 화면을 얻기 어렵다.

<;스캔라인 노이즈제거>; MSS 관측장치에는 6개의 광감지기가 작동, 동시에 6본씩 주사(走査)가 행해진다. 그런데 6개의 감지기 사이에는 미묘한 감도의 차이가 있어 얻어진 화상에는 스캔라인 노이즈라고 하는 규칙적인 줄무늬가 나타난다. 이 줄무늬는 바다나 사막 등 밝기의 변화가 단조한 부분일수록 두드러진다.

이 6본의 주사선의 밝기, 콘트라스트가 거의 균일하도록 각 주사선마다 조정을 하여 줄무늬가 없어지도록 매끈한 화상을 만든다. 이 처리는 컴퓨터가 한다. 한 씬의 MSS데이터는 앞에서 이야기한 바와 같이 육안에 녹색으로 감지되는 빛(밴드 4), 적색으로 감지되는 빛(밴드 5), 눈으로 포촉되지 않는 근적외선(밴드6, 7)의 4종류의 흑백화상으로 되어 있어, 스캔라인 노이즈를 포함한 모든 처리는 이 4종류의 화상에 대해 행해진다.

<;기하보정>; 랜새트의 궤도는 지축에 대해 약 9도 기울어져 있다. 즉 랜새트는 경도선을 비스듬하게 가로질러 지상을 탐색한다. 뿐만 아니라 위성의 기울기나 고도상의 변화도 있다. 그렇기 때문에 랜새트가 잡은 화상과 지형도를 비교하면 형상의 왜곡(歪曲)이 있고, 화상의 가로 세로비도 일치하지 않는다. 이렇게 일그러진 화상을 지형도에 맞추어 형상이나 크기를 바로잡아 주는 것을 기하보정이라고 한다.

<;디지탈 모자이크>; 랜새트 화상은 씬마다 인접 씬과 중복된 부분이 있다. 남북방향으로 화면의 약 10%, 동서로는 위도에 따라 다르나 대체로 25~30%가 중복된다. 모자이크는 이 중복부분을 접속시켜 복수의 씬을 한장의 화상이 되도록 처리하는 것이다. 모자이크 화상을 만드는 데에는 2가지 처리를 하게 되는데 하나는 두 화상간에 중복된 부분에서 위치를 맞추는 것이며 또 하나는 색과 밝기를 일치시키는 것이다.

이 두가지 처리가 양호할수록 연결부분이 드러나지 않는 균질한 모자이크 화상이 된다. 이 때에는 사람이 눈으로 보아 될 수 있는 한 두 화상간의 색상이나 형상의 차이가 없는 부분이 연결되도록 조작을 한다. 조작의 대상으로는 강이나 호수, 능선과 같은 것이 잘 선택된다. 모자이크가 끝난 화상은 자기테이프에 디지탈로 격납시켜 보관하여 언제나 필요할 때 편집·출력시킬 수가 있다.

<;편집·출력>; 자기테이프에 격납되어 있는 디지탈 모자이크 화상은 드럼 디지타이저 레코더(레이저 빔 레코더)라하는, 필름에 디지탈 화상을 인화할 수 있는 장치에 의해 사진으로 만들게 된다. 드럼디지타이저 레코더는 흑백필름을 회전원통에 감아 컴퓨터에서 내보내는 화상데이터를 작은 빛의 점으로 묘화하는 장치이다. 묘화된 필름을 일반 사진필름과 같이 현상처리하면 눈으로 볼 수 있는 아날로그 화상이 된다.

인쇄에서 컬러화상을 만들기 위해서는 적, 청, 황의 3원색 원판이 필요하다. 컬러 화상은 밴드별 3매의 필름의 색을 어떻게 조합하느냐에 따라 (훨터처리)각각 다른 컬러의 화상을 얻을 수 있다.

밴드4를 황, 밴드 5를 청, 밴드 7을 적으로 하면 삼림이 녹색 도시지역이 붉은색으로 나타나는 자연색(natural color) 사진이 되며, 밴드 4를 황, 밴드 5를 적, 밴드 7 을 청으로 하면 반대로 산림이 붉은색, 도시지역이 푸른색갈로 나타나는 위색(僞色, false color)사진이 된다.