[국내논문]Landsat 7 TM/ETM+ 위성영상을 이용한 군산지역 지표 온도와 NDVI에 대한 상관분석 A Correlation Analysis between Land Surface Temperature and NDVI in Kunsan City using Landsat 7 TM/ETM+ Satellite Images원문보기
황해연안 전라북도 군산시 지역의 15년 동안의 4개 시점을 선택하여 육상도시 변화탐지를 목적으로 지표온도와 NDVI를 비교 관찰하고 NDVI최저대-지표온도최고대 상관관계를 분석하였다. 위성영상은 장기간에 걸친 광역지역의 연속모니터링에 효과적이므로 군산시를 촬영한 Landsat-5 TM과 Landsat-7 ETM+인공위성 영상을 분석대상으로 하였으며 에러보정을 위한 승인된 "gain", "bias" 또는 "offset"의 임계치를 대입하여 TM과 ETM+영상간의 오차를 정량화하고 분류하여 비교 검정하였다. 본 연구는 Landsat-5 TM과 Landsat-7 ETM+인공위성 영상을 전북 군산시 도시변화탐지에 적용하고 지표온도, 토지피복, 식생 변수를 검증하여 지표온도와 NDVI식생지수와의 R=(+)0.9478의 강한 양의 상관관계를 검출함으로써 제안한 위성영상을 이용한 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델이 육상 도시변화탐지에 매우 효과적임을 입증할 수 있다.
황해연안 전라북도 군산시 지역의 15년 동안의 4개 시점을 선택하여 육상도시 변화탐지를 목적으로 지표온도와 NDVI를 비교 관찰하고 NDVI최저대-지표온도최고대 상관관계를 분석하였다. 위성영상은 장기간에 걸친 광역지역의 연속모니터링에 효과적이므로 군산시를 촬영한 Landsat-5 TM과 Landsat-7 ETM+인공위성 영상을 분석대상으로 하였으며 에러보정을 위한 승인된 "gain", "bias" 또는 "offset"의 임계치를 대입하여 TM과 ETM+영상간의 오차를 정량화하고 분류하여 비교 검정하였다. 본 연구는 Landsat-5 TM과 Landsat-7 ETM+인공위성 영상을 전북 군산시 도시변화탐지에 적용하고 지표온도, 토지피복, 식생 변수를 검증하여 지표온도와 NDVI식생지수와의 R=(+)0.9478의 강한 양의 상관관계를 검출함으로써 제안한 위성영상을 이용한 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델이 육상 도시변화탐지에 매우 효과적임을 입증할 수 있다.
Four time points of the fractional area data during the 15 years of the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVl of the Kunsan city Chollabuk_do, Korea located beneath the Yellow sea coast, are observed and analyzed their correlations for the intention to detect the cha...
Four time points of the fractional area data during the 15 years of the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVl of the Kunsan city Chollabuk_do, Korea located beneath the Yellow sea coast, are observed and analyzed their correlations for the intention to detect the changes of urban land cover. As long as the effective contributions of satellite images in the continuous monitoring of the wide area for wide range of time period, Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ artificial satellite images, acquisited over the Kunsan city area, are surveyed by the compared calibration after quantization and classification of the deviations between TM and ETM+ images substituted approved error correction thresholds such as gains and biases or offsets. This experiment and research applied Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ artificial satellite images in change detection of urban land cover in urbanized Kunsan city, then detected strong and proportional correlation relationship between the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVI which exceeded R=(+)0.9478, so the proposed Correlation Analysis Model between the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVI will be able to give proof an effective suitability to the land city change detection monitoring.
Four time points of the fractional area data during the 15 years of the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVl of the Kunsan city Chollabuk_do, Korea located beneath the Yellow sea coast, are observed and analyzed their correlations for the intention to detect the changes of urban land cover. As long as the effective contributions of satellite images in the continuous monitoring of the wide area for wide range of time period, Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ artificial satellite images, acquisited over the Kunsan city area, are surveyed by the compared calibration after quantization and classification of the deviations between TM and ETM+ images substituted approved error correction thresholds such as gains and biases or offsets. This experiment and research applied Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ artificial satellite images in change detection of urban land cover in urbanized Kunsan city, then detected strong and proportional correlation relationship between the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVI which exceeded R=(+)0.9478, so the proposed Correlation Analysis Model between the highest group of land surface temperature and the lowest group of NDVI will be able to give proof an effective suitability to the land city change detection monitoring.
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문제 정의
Landsat 위성영상은 주변부가 급격히 팽창하지만 CBD는 오히려 밀집화하고 수축하는 도시의 종합적인 변화를 효과적으로 탐지하여 도시계획, 국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 응용될 수 있다. 도시의 변화를 효과적으로 탐지하여 도시계획, 국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 활용될 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지래스터 GIS기반 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델을 설계하는 것이 이 연구의 목적이다. Landsat 7 위성영상을 이용하여 전라북도 군산지역의 온도와 식생 상관관계를 분석한다.
본 연구는 NASA 방법에 기반하여 군산지역의 온도 및 식생의 상관관계를 ERDAS IMAGINE 8.7을 이용하여 연속분포패턴을 추출하고자 한다. 연구대상 지역인 전라북도 군산시의 도시변화 탐지를 위해 LandsatTM 위성영상 으로 지표온도와 토지피복 및 식생변화 패턴을 추출하였다.
위성영상이 폭넓게 활용되는 추세를 보이고 있는 최근에는 이 위성영상을 이용한 효과적인 래스터 GIS기반 모델에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 래스터 GIS기반 NDVI 최저대-지표온도최고대 상관분석모델 방법을 제안하여 이를 전라북도 군산시 도시변화탐지에 적용하고 검증한 결과 제안한 래스터GIS기반 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델이 육상 도시변화탐지 모니터링에 효과적임을 입증하고자 한다.
즉, DN은 절대 스칼라량이 아니고 상대량이므로 온도추출을 위해서는 다시 절대방사량을 추정하는 영상화 표현의 반대경로를 거쳐야 한다. 본 연구에서는 이 절대방사량을 환원하는 NASA 모델에 기반하여 Landsat TM/ETM+영상의 표면온도를 계산하고자 한다(Chander, et al., 2003), (NASA, 2004).
이는 관측기온 측정소가 지역대표성을 갖지 않은 경우 관측지점의 토지피복특성계수보다는 전체지역의 NDVI-mean이 나 NDVI-mode를 적용해야 실측값에 가까워진다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 2002. 02.
제안 방법
도시의 변화를 효과적으로 탐지하여 도시계획, 국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 활용될 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지래스터 GIS기반 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델을 설계하는 것이 이 연구의 목적이다. Landsat 7 위성영상을 이용하여 전라북도 군산지역의 온도와 식생 상관관계를 분석한다.
이 무감독 기법은 순차분류기법, K-means 군집 분류, ISODATA 기법(interactive self organizing data analysis technique), 그리고 Fuzzy C-means 군집 기법 등이 제안되고 있다. 연구에 사용하는 위성영상은 ETRI 위성영상센터 위성영상전처리 컴포넌트로 국토지리정보원 1:25000 수치지도 행정구역도에 중첩시켜 관심영역을 분리하여 영상 처리할 수 있도록 기하보정을 하였다. TM 6번 밴드의 120m×120m 해상도, ETM 6번밴드의 60m×60m 해상도는 3번 4번 밴드의 30m×30m 해상도를 갖는 NDVI영상과 비교하기 위해 30m×30m해상도로 일원화하였다.
연구에 사용하는 위성영상은 ETRI 위성영상센터 위성영상전처리 컴포넌트로 국토지리정보원 1:25000 수치지도 행정구역도에 중첩시켜 관심영역을 분리하여 영상 처리할 수 있도록 기하보정을 하였다. TM 6번 밴드의 120m×120m 해상도, ETM 6번밴드의 60m×60m 해상도는 3번 4번 밴드의 30m×30m 해상도를 갖는 NDVI영상과 비교하기 위해 30m×30m해상도로 일원화하였다. 기하 보정된 영상은 ERDAS IMAGINE의 무감독 분류법인 ISODATA 군집화 알고리즘으로 분류하였다.
본 연구에서는 지표온도와 NDVI의 상세값에 의한 토지피복분류를 시도하지 않고 화소의 지표온도값, NDVI값의 유사성, 정량적 유클리드 근사성에 따라 최소 6개 클래스를 보장하는 분류만을 시도하였고, 이렇게 분류된 지표온도 최고대와 NDVI최저대를 감독분류하여 부분적으로 상관분석을 진행시켰다.
, 2003). 이것은 영상에서 관측되는 에너지의 분광농도와 방사정도 사이의 상쇄를 방지하기 위한 것이나 ETM+ 6번 밴드는 상시 분리된 “low gain”과 “high gain”을 채택하므로 본 연구에서는 보다 실측온도에 가까운 6(1) “low gain”을 이용하여 지표온도를 계산하였다. ETM+ 6번 밴드에서 “low gain”과 “high gain”의 LMIN 와 LMAX 는 한 밴드의 DN보정에 “low gain”과 “high gain”을 대상공간의 주요 구성체 피복반사특성에 맞게 교차시켜 영상의 사용목적에 따라 전자기량을 상대화하는 다른 밴드와 달리 2000년 7원 1일 이후에도 변화하지 않고 일정하게 유지되고 있다(NASA, 2004).
02. 14-b를 구분하여 양의 식생지수와 토지피복특성계수 ε × K1를 구하여 관측기온과의 편차를 비교하였다.
도시의 변화를 효과적으로 탐지하기 위하여 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시지표온도, 토지피복, 식생변화탐지를 위해 래스터 GIS기반 NDVI 최저대-지표온도최고대 상관분석모델을 설계하여 지표온도와 토지피복 및 NDVI로 나타나는 식생변화 패턴을 관찰하였다. 본 연구는 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 육상도시의 지표온도, 토지피복, 식생변화 탐지 래스터기반 방법의 절차를 규정하였고, 이를 전북 군산시 도시변화탐지에 적용하여 지표온도가 가장 높게 나타나는 지역과 식생활력지수가 가장 낮은 지역을 분류하여 상관관계를 검증하였으며 그 결과로 지표온도와 NDVI식생지수와의 피어슨 상관계수 R=(+)0.
대상 데이터
7을 이용하여 연속분포패턴을 추출하고자 한다. 연구대상 지역인 전라북도 군산시의 도시변화 탐지를 위해 LandsatTM 위성영상 으로 지표온도와 토지피복 및 식생변화 패턴을 추출하였다. 도시변화의 추적과 예측을 위한 기존의 연구들은 주로 벡터기반 거리와 면적척도를 사용하였다.
1. 연구지역
연구대상지역인 군산시의 면적은 349.98㎢이고 북쪽에는 년평균 65억톤의 담수를 방출하는 금강하구가 위치해있으며 호남 평야를 배후지로 하는 서해안의 중심적 항구도시이며 익산 김제시와 부안 서천 보령군의 중심거점도시 기능을 하고 있다. 서쪽 황해에 연한 지역에 군장국가산업단지가 들어서 있으며 남쪽으로는 401.
본 연구에 사용된 영상의 출처인 Landsat-5 TM 인공위성은 NASA에 의해 1984년 3월부터 지금까지 20년 이상 활용되고 있으며 이를 대체하기 위해 1999년 Landsat-7 ETM+가 발사되어 가동 중이다. 아래의 Table 1.
위 표 2. 의 상세에 표시한 위성영상 자료는 촬영년도 순서대로 각각 봄, 가을, 여름, 겨울을 대표하도록 선택되었으나 맑은 날 여름에 가장 가까운 5월말 영상을 선택하였다. Landsat 위성 영상 모두 오전 10시경에 촬영한 것이다.
6 사이의 값을 갖는다. 본 논문에서는 1987년에서 2002년에 이르는 15년 구간에서 4개년도의 영상을 선택하여 밴드6으로 6개 클러스터를 부여한 무감독 ISODATA 군집화를 거친 DN값에 NASA 알고리즘에 의해 각각 가장 높은 온도 클래스의 4개년도 멤버 수를 구한다. 영상 DN 값에서 식생활력도를 추출하는 방법으로 NDVI 알고리즘을 이용하였으며 이를 아래 그림 2.
이론/모형
TM 6번 밴드의 120m×120m 해상도, ETM 6번밴드의 60m×60m 해상도는 3번 4번 밴드의 30m×30m 해상도를 갖는 NDVI영상과 비교하기 위해 30m×30m해상도로 일원화하였다. 기하 보정된 영상은 ERDAS IMAGINE의 무감독 분류법인 ISODATA 군집화 알고리즘으로 분류하였다.
본 논문에서는 1987년에서 2002년에 이르는 15년 구간에서 4개년도의 영상을 선택하여 밴드6으로 6개 클러스터를 부여한 무감독 ISODATA 군집화를 거친 DN값에 NASA 알고리즘에 의해 각각 가장 높은 온도 클래스의 4개년도 멤버 수를 구한다. 영상 DN 값에서 식생활력도를 추출하는 방법으로 NDVI 알고리즘을 이용하였으며 이를 아래 그림 2.에 도식화 하였다.
성능/효과
Landsat 위성 영상 모두 오전 10시경에 촬영한 것이다. 그래서 본 연구에서는 지표온도는 일일 최고 관측 기온을 채택하고, NDVI는 각각 그날 녹색식생 반사 최대치를 취한다.
47(영상온도가 높은 경우)였다. 즉 식생평균 이 음수인 지역에 양수 식생값을 적용한 결과 관측기준지역의 영상온도는 6.552에서 11.817로 상향되었고 그 지점 관측기온과의 편차는 -1.452에서 -6.717로 증가하는 것을 알 수 있었다.
국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 활용될 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지 래스터모델을 제안하고 이를 군산시 도시변화탐지에 적용한 결과 지표온도 최고온도대 면적과 가장 약한 식생대 면적과는 상관계수 R=(+)0.9478의 강한 정의 상관관계가 있다는 결과를 얻었다. 그러나 더욱 많은 시기의 영상을 이용하고 최고온도대와 가장 약한 식생대 이외의 분포에서 온도와 식생의 일반상관관계모델을 얻는 것은 본 연구의 한계를 벗어나므로 향후 연구과제로 한다.
실험결과 지표온도 최고온도대는 1997년에 최대치인 112.1㎢, 1995년에 최소치인 67.9㎢를, NDVI최저대는 1987년에 최대치인 27.3㎢, 2002년에 최저치인 21.6㎢를 보였다.
Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지 래스터모델을 설계하고 이를 군산시 도시변화탐지에 적용한 결과 지표온도 최고온도대 면적과 가장 약한 식생대 면적과는 피어슨 상관계수 R=(+)0.9478의 강한 정의 상관관계가 있다는 결과를 얻었다. 이는 위성영상의 지표온도와 NDVI간에 일반적으로 부의 상관관계가 있다는 기존 연구결과와 부합하며 기존 연구들에서 드러나지 않은 도시지역 편입면적이 줄거나 그대로임에도 불구하고 고온대인 CBD가 밀집화하면 최저식생대 면적이 줄어들긴 하지만 최저식생대가 최고지표온도대에 종속적인 패턴으로 밀집화하여 강한 정의 비례관계 선형성을 보인다는 보다 구체적인 사실을 알 수 있었다.
9478의 강한 정의 상관관계가 있다는 결과를 얻었다. 이는 위성영상의 지표온도와 NDVI간에 일반적으로 부의 상관관계가 있다는 기존 연구결과와 부합하며 기존 연구들에서 드러나지 않은 도시지역 편입면적이 줄거나 그대로임에도 불구하고 고온대인 CBD가 밀집화하면 최저식생대 면적이 줄어들긴 하지만 최저식생대가 최고지표온도대에 종속적인 패턴으로 밀집화하여 강한 정의 비례관계 선형성을 보인다는 보다 구체적인 사실을 알 수 있었다.
도시의 변화를 효과적으로 탐지하기 위하여 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시지표온도, 토지피복, 식생변화탐지를 위해 래스터 GIS기반 NDVI 최저대-지표온도최고대 상관분석모델을 설계하여 지표온도와 토지피복 및 NDVI로 나타나는 식생변화 패턴을 관찰하였다. 본 연구는 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 육상도시의 지표온도, 토지피복, 식생변화 탐지 래스터기반 방법의 절차를 규정하였고, 이를 전북 군산시 도시변화탐지에 적용하여 지표온도가 가장 높게 나타나는 지역과 식생활력지수가 가장 낮은 지역을 분류하여 상관관계를 검증하였으며 그 결과로 지표온도와 NDVI식생지수와의 피어슨 상관계수 R=(+)0.9478의 강한 정의 상관관계를 검출함으로써 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지 래스터모델이 육상변화 탐지 모니터링에 매우 효과적임을 입증하였다.
후속연구
본 연구에서 제안하는 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델을 전라북도 군산시 도시 변화탐지에 적용하고 검증한 결과 제안한 Landsat 위성영상을 이용한 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델이 육상 도시변화탐지에 매우 효율적으로 기여할 것으로 기대된다.
9478의 강한 정의 상관관계가 있다는 결과를 얻었다. 그러나 더욱 많은 시기의 영상을 이용하고 최고온도대와 가장 약한 식생대 이외의 분포에서 온도와 식생의 일반상관관계모델을 얻는 것은 본 연구의 한계를 벗어나므로 향후 연구과제로 한다.
향후 진행되어야할 연구방향으로는 육상도시의 기후변화를 기존 방식보다 더욱 입체적으로 정확하게 분석할 수 있게 하는 요인으로서 지표온도와 식생지수 상관성의 응용범위를 넓혀 상세 토지피복분류를 통해 정밀 토지이용도를 작성하고 경작지 작물의 최적 성장지역을 찾는 육상 식생 생산성 총량모니터링시스템을 설계하는 것이며 이를 위해 더욱 많은 시기의 영상을 이용하고 최고 온도대와 가장 약한 식생대 이외의 분포에서 온도와 식생의 일반상관관계 전체를 검증할 수 있는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도시변화의 탐지를 위한 Landsat 위성영상이 도시계획, 국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 응용될 수 있는 배경은 무엇인가?
Landsat 위성영상은 주변부가 급격히 팽창하지만 CBD는 오히려 밀집화하고 수축하는 도시의 종합적인 변화를 효과적으로 탐지하여 도시계획, 국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 응용될 수 있다. 도시의 변화를 효과적으로 탐지하여 도시계획, 국토개발, 재난방지, 환경오염방지, 그리고 제반 경제적 활동에 활용될 Landsat TM/ETM+ 위성영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지래스터 GIS기반 NDVI최저대-지표온도최고대 상관분석모델을 설계하는 것이 이 연구의 목적이다.
Landsat TM/ETM+ 위성영상으로부터 무엇을 추출할 수 있는가?
도시의 변화를 효과적으로 탐지하기 위하여 Landsat-5 TM(thematic mapper) 과 Landsat-7 ETM+(enhanced thematic mapper plus)인공위성 영상을 이용한 도시 지표온도, 토지피복, 식생변화탐지를 할 수 있으며, 위성영상으로부터 지표온도와 토지피복 및 식생의 시공간적 변화패턴을 추출할 수 있다. 도시변화의 탐지를 위한 기존의 NDVI(정규식생활력지수: normalized difference vegetation index)(Rouse, et al.
위성영상은 무엇에 효과적인가?
황해연안 전라북도 군산시 지역의 15년 동안의 4개 시점을 선택하여 육상도시 변화탐지를 목적으로 지표온도와 NDVI를 비교 관찰하고 NDVI최저대-지표온도최고대 상관관계를 분석하였다. 위성영상은 장기간에 걸친 광역지역의 연속모니터링에 효과적이므로 군산시를 촬영한 Landsat-5 TM과 Landsat-7 ETM+인공위성 영상을 분석대상으로 하였으며 에러보정을 위한 승인된 "gain", "bias" 또는 "offset"의 임계치를 대입하여 TM과 ETM+영상간의 오차를 정량화하고 분류하여 비교 검정하였다. 본 연구는 Landsat-5 TM과 Landsat-7 ETM+인공위성 영상을 전북 군산시 도시변화탐지에 적용하고 지표온도, 토지피복, 식생 변수를 검증하여 지표온도와 NDVI식생지수와의 R=(+)0.
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