[논문]원격탐사(RS) 기법을 이용한 충북지역 5개 토양과 갯벌토양의 분광반사특성

박종화; 신용희; 이상혁

원격탐사(RS) 기법을 이용한 충북지역 5개 토양과 갯벌토양의 분광반사특성
Spectral Reflectance Characteristics for Five Soils at Chungbuk Prefecture and Tideland Soil Using Remote Sensing Technology 원문보기

The deterioration of agricultural environment, which is characterized by dryness and desertification of land, is one of the main reasons which explain the recent decrease of land productivity. To solve these environmental problems, it is very important to make clear the mechanism between soil, water, vegetation and temperature. The main objective of this study is to provide a soil surface information, which represent a soil reflectance spectrum, by remote sensing technology. The soil reflectance of the soil was measured using a spectro-radiometer in the wavelength range from 300nm to 1100nm. The results suggest that the reflectance properties of soils are related to their mineral composition and soil moisture. Increasing soil moisture resulted in an decrease in the rate of reflectance which leads to parallel curves of soil reflectance spectra.

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문제 정의

본 논문은 RS기법을 이용하여 토양의 분광 반사특성에 관한 기초자료를 수집하고 이를 해석하는데 목적을 두었다. 연구에서 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이러한 점에 착안하여 농업의 생산·관리활동에 이를 적용할 수 있도록 RS 기법을 이용하여 토양에 관한 기초자료를 수집하고 그 정보추출방법을 제시하고자 한다.
토양의 분광반사율에 영향을 미치는 인자들 중에는 수분 함유량, 토양의 질감, 표면의 거칠기, 산화철의 유무 및 유기질 함유량 등이 있으며 이러한 요소들은 토양에 따라 각기 다른 특성을 보이며 토양을 구분하는 유용한 정보원이라 할 수 있다(Engman,1991;Muller, 2000; Piech, 1984). 특히, 계절에 따른 토양의 수분함유량 변화가 작물의 식생에 큰 영향을 미칠 것으로 생각되어 이에 관해 검토하였다.

제안 방법

토양 위에 작물이 전혀 없는 조건 즉, 순수하게 토양으로만 구성되었을 때의 분광반사율은 다음의 두 가지 방법으로 측정하였다. ① 충북 지방에 많이 분포하고 있는 화강풍화토를 비롯한 5개 지점 토양에 대해 자연함수비 상태의 분광반사율을 측정. ② 토양수분량의 변화는 토양을 자연 건조한 다음 함수비를 6～7단계로 조절하여 분광반사율을 측정.
① 충북 지방에 많이 분포하고 있는 화강풍화토를 비롯한 5개 지점 토양에 대해 자연함수비 상태의 분광반사율을 측정. ② 토양수분량의 변화는 토양을 자연 건조한 다음 함수비를 6～7단계로 조절하여 분광반사율을 측정.
동일한 토양에 대해 수분량 변화에 따른 특성을 알아보기 위해 분광반사곡선에서 변화가 일정하고 독특한 특징을 갖는 가시광 파장대의 빨강(650㎚, 이후 R_650㎚)과 근적외파장대(850㎚, 이후 NIR_850㎚)를 선택하여 분석하였다. R과 NIR파장에 의한 토양의 반사율을 비교하면 식 (2)과 같이 일정한 비를 갖는 선형관계식이 나타난다.
본 연구에서는 7가지 샘플토양에 대해 Spectroradiometer (LI-1800, 측정파장범위：300㎚～1,100㎚, 측정간격：10㎚)에 Telescope/Microscope을 연결하여 분광반사에너지를 측정하였다. 측정은 기후의 영향을 최소화하기 위해 구름이 없는 맑은 날을 선정하여 태양고도의 영향을 최소할 수 있도록 오전 11시부터 오후 2시까지 실시하였다.
본 연구에서는 7가지 샘플토양에 대해 Spectroradiometer (LI-1800, 측정파장범위：300㎚～1,100㎚, 측정간격：10㎚)에 Telescope/Microscope을 연결하여 분광반사에너지를 측정하였다. 측정은 기후의 영향을 최소화하기 위해 구름이 없는 맑은 날을 선정하여 태양고도의 영향을 최소할 수 있도록 오전 11시부터 오후 2시까지 실시하였다.
토양 위에 작물이 전혀 없는 조건 즉, 순수하게 토양으로만 구성되었을 때의 분광반사율은 다음의 두 가지 방법으로 측정하였다. ① 충북 지방에 많이 분포하고 있는 화강풍화토를 비롯한 5개 지점 토양에 대해 자연함수비 상태의 분광반사율을 측정.
토양의 반사율 계산은 태양에너지가 지표에 도달하여 센서에 입사되는 입사전자파를 100으로 하고 시료에 입사하여 반사되는 양을 측정하여 그 비를 반사율R(λ)로 하였다. 이 관계를 식으로 나타내면 식(1)과 같다.

대상 데이터

토양의 분광반사특성은 토성에 따라 다를 것으로 생각되어 Figure 1과 같이 충북지방을 중심으로 토양특성이 서로 다른 7개 지점의 토양을 채취하여 조사하였다. 내륙토양으로는 충북지역의 강과 들 그리고 산에서 채취한 시료를, 연안지역의 토양으로는 서해안의 매향리와 선창포구에서 채취한 갯벌토양을 시험시료로 하였다. 각각의 시료에 대한 자연함수비와 입도 분석 결과를 나타내면 Table 1과 같다.
토양정보추출을 위해 가시파장 영역의 650㎚와 근적외 파장영역인 850㎚를 각각 횡축과 종축으로 하여 그래프로 도시한 결과 Soil line이 형성되었고 서로 매우 높은 상관성을 보였다. 본 연구에서 사용한 토양은 분광반사율곡선 패턴과 Soil line에서 크게 3가지형태로 분류되었다.
토양의 분광반사특성은 토성에 따라 다를 것으로 생각되어 Figure 1과 같이 충북지방을 중심으로 토양특성이 서로 다른 7개 지점의 토양을 채취하여 조사하였다. 내륙토양으로는 충북지역의 강과 들 그리고 산에서 채취한 시료를, 연안지역의 토양으로는 서해안의 매향리와 선창포구에서 채취한 갯벌토양을 시험시료로 하였다.

성능/효과

1. 토양의 분광반사특성은 토양의 종류에 따라 토양 고유의 분광반사곡선을 가지며, 가시광선과 근적외파장 범위에서의 분광반사율곡선은 파장이 길어짐에 따라 거의 모든 토양의 반사율도 증가한다. 또한, 토양조성성분의 영향이 서로 다른 파장대에서 에너지의 흡수와 반사특성으로 반영되어 나타나는 것을 확인하였다.
2. 토양의 함수비변화에 따른 반사율은 함수량의 증가와 함께 감소하나 토양고유의 분광반사율곡선을 그대로 유지하며 평행 이동하는 변화 특징을 나타낸다.
3. 토양정보추출을 위해 가시파장 영역의 650㎚와 근적외 파장영역인 850㎚를 각각 횡축과 종축으로 하여 그래프로 도시한 결과 Soil line이 형성되었고 서로 매우 높은 상관성을 보였다. 본 연구에서 사용한 토양은 분광반사율곡선 패턴과 Soil line에서 크게 3가지형태로 분류되었다.
토양의 분광반사특성은 토양의 종류에 따라 토양 고유의 분광반사곡선을 가지며, 가시광선과 근적외파장 범위에서의 분광반사율곡선은 파장이 길어짐에 따라 거의 모든 토양의 반사율도 증가한다. 또한, 토양조성성분의 영향이 서로 다른 파장대에서 에너지의 흡수와 반사특성으로 반영되어 나타나는 것을 확인하였다.
7개 지점 토양에 대해 자연함수비 조건에서 측정한 결과를 파장(wavelength, ㎚)과 반사율(reflectance, %)의 관계로 나타내면 Figure 2와 같다. 모든 토양의 분광반사율은 가시광대에서 근적외 파장영역까지 파장이 길어질수록 분광 반사율이 높아지는 특징을 보인다. 그 중에서도 Soil 1의 모래는 파장이 길어짐에 따라 반사율도 일정하게 높아져 근적외 파장(1100㎚)에서 37%를 나타냈다.

후속연구

지구상의 수많은 토양은 각각 고유의 분광반사 특성을 가지며 이러한 토양의 분광반사특성 자료들을 사전에 취득해 둔다면 원격탐사(이후, RS)에 접목시켜 보다 쉽게 토양분포를 알 수 있을 것이다(Stoner,1981; 秋山侃,1996). 또한 지구의 온난화와 이상기온 등에 의해 발생되는 범지구적 사막화현상의 진행이나 봄철에 자주 발생 하는 황사의 예상 등을 현장 조사를 통하지 않고 간접적으로 알아볼 수 있을 것이다. 특히 황사의 발생횟수는 날로 증가추세에 있으며 그 기간도 길어지고 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

분광특성이란?

모든 물질은 물질 특유의 전자파를 방사, 흡수, 투과 및 반사하며 이 전자파에 대한 물질 고유의 파장 특성을 분광특성(스펙트럼 특성：spectral characteristics)이라 한다. 지구관측위성의 광학센서는 태양으로부터 주사되는 전자파 에너지가 지표면의 토양과 식생, 물 입자 등에 의해 흡수·산란·투과 및 반사되는 에너지를 감지한다.

지구관측위성의 광학센서는 무엇을 감지하는가?

모든 물질은 물질 특유의 전자파를 방사, 흡수, 투과 및 반사하며 이 전자파에 대한 물질 고유의 파장 특성을 분광특성(스펙트럼 특성：spectral characteristics)이라 한다. 지구관측위성의 광학센서는 태양으로부터 주사되는 전자파 에너지가 지표면의 토양과 식생, 물 입자 등에 의해 흡수·산란·투과 및 반사되는 에너지를 감지한다. 센서에 의해 감지된 전자파에너지는 지표면 물질조성의 이질성에 의해 각각 서로 다른 분광특성을 나타낸다(Asrar, 1989; Camp; bell,1987).

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