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전직 미 중앙정보국(CIA) 요원이자 미 해군사관학교 교수인 라이언은 어느날 테러 사건에 휘말린다. 이 때문에 다시 CIA에 복귀한 그는 얼마뒤 정보국 지하벙커에 있는 작전지휘소로 호출된다. 한쪽 벽면을 가득 차지한 모니터 화면에 곧 불이 들어오자 지상 2백50km 상공에 떠있는 첩보위성이 보내온 동영상이 화면을 가득 채운다. 위성이 잡은 것은 북아프리카 지역이다. 화면을 확대하자 일단의 특공대가 반군 캠프를 습격하는 모습이 실시간으로 전달된다. 심지어 신체가 발산하는 열선을 분석해 생사까지 구별해낸다.

물론 이것은 실제 상황이 아니다. 영화 ‘패트리어트 게임’ (1992년작)에서 주인공 잭 라이언에게 닥친 가상 상황일 뿐이다. 하지만 최근 첩보위성의 능력은 이같은 가상 상황을 현실화시키고 있다. 실제 미국과 이스라엘은 첩보위성을 자신들의 적을 제거하는 수단으로 가장 잘 이용하는 나라들이다. 2002년 9·11테러에 대한 앙갚음으로 시작된 아프가니스탄전쟁에서도 주요 표적을 잡기 위해 각종 정찰위성이 동원됐다. 이런 가운데 얼마전 발생한 북한 용천역 열차 폭발 사고는 위성사진에 대한 일반인의 관심을 다시 한번 환기시킨 계기가 됐다.
 

보이지 않는 신호까지 촬영

위성영상은 그 종류나 처리 방식에 따라 지표면은 물론 지하, 해저지형에 대한 다양한 정보를 제공하기 때문에 최근 수년간 그 활용폭을 점차 넓혀왔다. 위성의 전략적 중요성을 간파한 세계 각국은 관련 기술 개발을 서두르고 있는 실정이다. 하지만 막상 영상정보를 수집하고 처리하는 데는 상당한 기술력과 막대한 비용, 시간이 든다. 특히 일찌감치 핵김 기술을 확보한 나라들은 관련 기술을 극비에 부치고 있어 원천기술을 확보하는 일도 그리 만만치 않다.

인공위성은 운용목적에 따라 종류가 꽤 다양하다. 예를 들어 무궁화위성처럼 방송통신의 중계 목적으로 운용되는 위성이 있는 반면 GPS위성처럼 위치 정보 제공을 위해 발사된 위성도 있다. 또 대기현상을 분석하기 위해 사용되는 과학위성이 있는가 하면 천체 사진을 찍기 위한 위성도 있다.

이 가운데 관측위성은 지상 촬영을 주임무로 한다. 보통 위성영상이란 지구표면을 촬영한 디지털 사진을 통칭한다. 좀더 넓은 의미에서 위성영상은 고성능 카메라를 장착한 인공위성이 촬영한 영상을 특정한 목적을 위해 분광학적 혹은 기하학적으로 보정한 사진을 뜻한다.

위성 카메라가 일반 카메라와 다른 점은 다양한 파장 정보를 촬영한다는 점이다. 가시광선 파장(0.4-0.7μm) 뿐만 아니라 눈에 보이지 않는 적외선(0.75-3μm)이나 초단파(1-10m) 영역까지 수집한다. 위성영상이 군사 분야는 물론 농업, 기상, 환경 등 다양한 분야에 활용되고 있는 것도 바로 이런 이유 때문이다. 반면 초기 위성영상은 눈에 보이는 것만을 중요시 했다. 사진기도 아날로그 방식일 뿐만 아니라 촬영이 끝난 필름도 캡슐에 담겨져 지상에 투하되는 구식 수거방법이 이용됐다. 이런 방법은 필름 적재 공간이 한정된 위성의 수명단축을 불러왔으며 영상의 질 저하를 낳았다.

위성영상의 핵심 해상도

보통 디지털해상도는 컴퓨터 화면에 표시되는 화소수를 뜻하지만 위성영상에서는 이를 좀더 세분화한다. 위성영상은 눈에 보이는 것부터 보이지 않는 것까지 다양한 해상도를 갖는다.

그 중 가장 쉽게 이해할 수 있는 것이 공간해상도다. 일반적으로 해상도라 하면 이 공간해상도를 의미한다. 이것은 화소 1개가 표현하는 지상의 면적을 나타낸다. 보통 1m급, 5m급, 30m급 등으로 표현하는데 숫자가 작아질수록 더 작은 지상물체를 판독할 수 있다는 것을 뜻한다. 예를 들어 1m급이란 말은 화소 1개가 1평방제곱미터(㎡)를 표현한다는 의미다. 이론상으로 지상 물체의 크기가 가로 세로 1m 이상이면 어떤 물체인지 알아낼 수 있다는 말이다. 보통 위성사진 분석가들은 50cm×50cm 정도의 공간해상도면 승용차나 손수레를 뚜렷이 구분할 수 있다고 말한다. 같은 정도 크기의 물체에 대한 윤곽을 뚜렷이 구별할 수 있는 정도라고 보면 된다

하지만 눈에 보이는 것만이 모든 것은 아니다. 어떤 위성은 근적외선, 중적외선, 열적외선 등 눈에 보이지 않는 신호를 촬영한다. 바로 이런 능력을 분광해상도(Spectral Resolution)라고 한다. 이는 위성에 실린 영상 수집 센서가 얼마나 다양한 파장 영역을 수집할 수 있는가를 나타낸다. 분광해상도가 높을수록 더 많은 파장 정보를 얻을 수 있어 질 좋은 영상을 만들 수 있다.

이와 함께 방사해상도와 주기해상도도 알아둘 필요가 있다. 방사해상도란 센서가 수집한 영상이 얼마나 많은 정보를 포함하는지를 나타낸다. 예를 들어 화소 1개를 8bit로 표현할 경우 ${2}^{8}$, 총 2백56개의 정보가 담겨있다는 뜻이다. 그 화소가 표현한 지상 물체가 물인지, 나무인지, 아니면 건축물인지에 따라 2백56개의 성질로 분류할 수 있다는 말이다.

반면 한 화소를 11bit로 표현한다면 그 화소가 갖는 정보는 2천48개로 더 늘어나게 된다. 이것은 해상도가 8bit일 때 단순히 나무로 분류됐던 대상이 침엽수인지, 활엽수인지, 건강한지, 병충해가 있는 나무인지까지 알 수 있다는 의미다. 이밖에 주기해상도는 지구상의 특정 지역을 얼마만큼 자주 촬영 가능한지를 나타낸다. 어떤 관측위성은 동일한 지역을 촬영하기 위해 돌아오는데 16일이 걸리고 어떤 위성은 4일이 걸린다. 이번 용천역 폭발사고 때 우리별1호가 찍은 사진이 다른 위성사진보다 늦게 나온 것도 주기해상도가 길었기 때문이다.

영상 합성해 만든 고해상도 컬러 사진

그렇다면 고해상도 컬러 위성영상은 어떻게 얻는 것일까. 위성사진은 분광해상도에 따라 다양한 파장의 영상으로 표현된다. 하지만 가시광선 파장(0.4-0.7μm)을 1장의 영상으로 나타낸 흑백 전정색광학영상에 비해 단위 파장대별로 나눠 영상을 표시한 컬러 다중분광영상은 분해능이 약해 공간해상도가 떨어지는 단점이 있다. 이 때문에 다중분광영상만으로 지형지물을 구분하지 못하는 경우가 종종 발생한다. 물론 이같은 문제는 센서 기술의 발전에 힘입어 일정 부분 극복되고는 있지만 앞으로도 전정색영상에 비해 분해능이 떨어질 것은 분명하다.

이 때문에 고해상도 컬러 위성영상을 만드는 방법으로 나온 것이 해상도 병합기술(그림)이다. 해상도 병합이란 고해상도 전정색 영상과 저해상도 다중분광 영상을 동시에 처리해 고해상도 컬러영상을 만드는 기법이다. 사물의 윤곽과 모양은 고해상도 흑백영상에서, 그 색은 저해상도 컬러영상에서 얻는다는 개념이다.

예를 들어 미국의 이코노스위성은 공간해상도가 1m급인 전정색영상과 공간해상도 4m급의 다중분광영상을 동시에 촬영한다. 두영상을 해상도병합 기술을 이용해 1m급 천연색 영상으로 만들기 위해서다. 관측위성 퀵버드 역시 공간해상도 0.6m급 전정색 영상과 공간해상도 2.4m급의 다중분광영상을 함께 찍는다. 주목할 점은 전정색영상의 공간해상도가 다중분광영상의 해상도보다 최소 4배 이상 좋다는 것이다.

아쉽게도 우리의 아리랑 위성은 공간해상도 6.6m급 흑백 영상 촬영에 그치고 있다. 이 때문에 해상도 6.6m급 컬러영상을 제공하려면 다중분광영상을 따로 사올 수밖에 없다. 다행히 내년에 발사될 아리랑 2호 위성은 이런 문제를 해결했다는 후문이다.

분광기술과 디지털기술의 결합

위성영상의 처리 분석과 관련된 학문을 원격탐사학이라고 한다. 여기서 원격탐사란 원거리에서 지상 물체의 특성을 파악하는 모든 활동을 뜻한다. 지상이나 항공기, 인공위성에 설치된 센서나 카메라로 지표면에서 반사되거나 방출된 에너지를 탐지해 토지나 환경, 자원에 관한 정보를 얻는 기술을 말하는 것이다.

원격탐사는 지상에서 관측하는 것보다 훨씬 저렴한 비용이 들며 동시에 광범위한 지역의 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또 수집된 자료를 저장해두었다가 과거와 현재 정보를 비교 분석함으로서 가까운 미래를 예측하는 토대를 마련해 준다는 잇점도 있다.

원격탐사가 처음 도입된 것은 프랑스의 뚜르나숑이 열기구를 이용해 인류 최초로 공중사진을 촬영했던 1858년으로 거슬러 올라간다. 그뒤 1909년에는 근대화된 항공기를 이용해 최초의 항공사진을 촬영했고 이후 1,2차 세계대전을 거치면서 더욱더 정교해졌다.

특히 군비경쟁이 한창이던 냉전시대 원격탐사기술은 전성기를 이룬다. 1960년대 인공위성 발사가 본격화되자 경쟁적으로 우주선에 카메라를 장착하는 단계에 이른 것이다. 본격적인 첩보위성 시대가 열린 것이다. 이때까지만 해도 원격탐사 기술은 주로 군 정보수집과 지도 제작을 목적으로만 이용됐을뿐 민간분야의 응용은 거의 없었다. 또 이 시기 탐사위성이 취득한 정보는 대부분 디지털이 아닌 광학 사진필름이 주종을 이뤘다.

하지만 컴퓨터 기술의 발전은 좀더 체계적이고 정교한 분석기술을 낳았다. 1970년대 초 미국은 디지털방식으로 지상 정보를 수집하는 지구 탐사위성 이알티에스(ERTS,이후 Landsat으로 명칭 바꿈)를 발사한다. 디지털 정보수집기술에 이어 수집된 정보를 효율적으로 가공하고 분석하기 위한 디지털영상처리기술(Digital Image Procesing, DIP)도 급격히 발전하기 시작했다. 또 그 결과를 자료화하는 기술과 속성정보를 이용하는 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS)라는 개념까지 생겨났다.

이렇게 위성영상의 상업적 가치를 높이는 기반 기술이 개발되자 민간의 요구가 늘어났다. 1980년대는 군사목적이 아닌 순수 상업적 목적을 위해 위성이 발사된 상용위성의 시대였다. 급기야 최근에는 동서냉전 당시 사용된 군사위성 기술을 활용해 1m 미만 크기의 지상물체까지 식별할 수 있는 초고해상도 상업위성까지 출현했다.

위성의 왕 중 왕 키홀 첩보위성

수많은 종류의 위성 가운데 가장 으뜸은 미 국가안보국에서 사용하는 키홀(KeyHole, KH)시리즈다. 마치 열쇠구멍으로 들여다보듯 2백-3백km 상공에서 아래를 살펴본다는 의미에서 이같은 명칭이 붙었다고 한다. KH와 같은 정찰위성은 보통 자체 동력을 이용해 자주 궤도를 변경하기 때문에 수명이 짧은 편이다. 그 대신 촬영된 영상의 해상도는 10-15cm로 왠만한 물체를 식별해낼 수 있다고 한다.

이는 차량 번호판을 판독하는데 필요한 5cm급 해상도에는 여전히 못미치는 수준이다. 게다가 차량번호판은 차량 표면에 붙어있기 때문에 관측각도나 지표면의 곡률 등 각종 변수를 사용한 복잡한 처리 과정이 필요하다.

의외로 사람들이 위성사진에 대해 갖는 기대감은 사뭇 크다. 사람얼굴이나 자동차번호판까지 식별한다고 믿는다. 하지만 이는 전쟁이나 첩보영화가 키워낸 과대포장이다. 일정부분 맞기도 하지만 상당수 허구를 포함한다. 이를 테면 영화 ‘패트리어트 게임’에서처럼 특정지역 상공에 머물면서 계속해서 동영상을 촬영하는 위성은 사실상 존재하지 않는다. 또한 열적외선 영역은 감지할 수 있지만 투과성이 좋지 않아 건물이나 지하에 있는 사람을 감지해내기란 쉽지 않다. 첩보위성은 그 대신 투과성이 강한 레이더 파장영역을 이용한다. 반면 인물의 성별 구분은 현재 기술력으로 충분히 가능하다. 공격 목표의 신원을 위성판독으로 확인했다는 얘기는 이런 대략적인 영상을 토대로 유추해냈다는 뜻이다.

첩보위성은 열적외선 센서를 탑재하고 대개는 이를 밤에 활용한다. 낮에는 태양 복사열과 체온 사이에 간섭현상이 일어나 인체를 구분하기 어렵기 때문이다. 그래서 열적외선 탐지방식은 주로 태양이 없는 야간에 사용된다.

미국과 러시아는 수백개에 달하는 첩보위성을 쉴새없이 쏘아올려 지구 상공에 촘촘한 위성첩보 네트워크를 구축해놨다. 하지만 걸프전 당시 미국 첩보위성의 귀환주기를 알고 있던 이라크군이 그 시간에는 군사훈련을 하지 않았다는 일화를 보면 영화 속에 등장하는 첩보위성 능력에 약간의 허구가 가미된 것 같다.

부자나라의 전유물인가
 

하지만 막상 자체기술로 개발한 위성을 이용해 위성영상을 수집하고 있는 나라는 그리 많지 않다. 현재 독자적으로 위성을 쏘아올릴 수 있는 나라는 미국과 러시아를 비롯해 영국, 프랑스, 인도, 중국, 일본, 이스라엘에 불과하다. 이 가운데 군사 목적으로 이용할 수 있는 1m급 이상 초고해상도 관측위성기술을 보유한 나라수는 더욱 적다.

현재 이들 나라는 적성국에서 정보를 입수할 것을 우려해 60cm급 미만의 해상도만 민간에 공개하고 있고 그 또한 촬영당일은 공급받지 못하도록 제약조건을 걸어두고 있다.

하지만 동서냉전 종식과 함께 최근 선진국들은 일부 기술을 민간으로 이전하며 이를 사업 수단으로 이용하고 있다. 최근 일반인들이 다양한 위성영상들을 자주 접할 수 있게 된 것도 바로 이런 배경에서다.

최근 한국도 2015년까지 세계 10대 선진우주국에 진입한다는 목표를 설정하고, 우주개발에 대한 국가 차원의 정책방향을 주요 내용으로 하는 ‘우주개발중장기기본계획’을 수립했다. 그 중 정밀 자세제어능력을 갖춘 아리랑 2호의 개발은 시사하는 바가 크다. 아리랑 2호의 개발은 정밀관측을 위한 정밀 위성 제어 기술과 고해상도 카메라 기술의 조기 확보를 목표로 한다.

현재 이코노스(IKONOS)위성과 동일한 1m급 전정색 영상과 4m급 다중분광영상을 촬영할 수 있는 센서를 이스라엘과 공동 개발중이다. 현재 진행중인 위성체 최종 테스트가 끝나는 대로 이스라엘과 공동개발한 카메라 다중분광카메라(MSC, Multi-Spectral Camera)를 탑재해 오는 2005년 11월경 발사될 예정이다.

따라서 머지않은 미래에 항공사진에 버금가는 50cm급 이상 해상도를 갖는 위성영상을 쉽게 볼 수 있을 것으로 예상된다. 이때쯤이면 위성사진은 전자지도제작이나 3차원 공간정보, 위치정보시스템에 활용되면서 기존의 항공사진을 대체할 것으로 예상된다. 이와 함께 3-7개 정보에 불과한 현재 수준에서 벗어나 2백개 이상의 분광영역 정보를 수집할 수 있는 고성능 분광센서도 조만간 국산화될 전망이다. 또 악천후에도 지표면을 관측할 수 있어 첩보 목적이나 자원탐사에 폭넓게 활용되는 레이더 센서 역시 현재 상용화를 눈앞에 두고 있다.

이처럼 2002년 세계시장 규모가 20억 달러에 이를 정도로 위성영상분야는 급성장하고 있다. 물론 한반도의 군사적 상황과 군사강국들의 기술이전거부로 여전히 대부분의 위성 관련 정보는 베일에 가려져 있는 상황이긴 하다. 하지만 위성체와 발사체의 개발과 관련 영상기술의 연구는 첨단 항공우주 하드웨어 기술과도 맞물려 있기 때문에 지속적인 투자와 시장 창출노력이 필요한 상황이다.

전정색영상

가시광선영역. 일반 흑백영상.

다중분광영상

센서가 수집한 전자기복사에너지를 파장대별로 나눠 표현. 대표적인 경우가 적녹청 3광원색.