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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 하지만 우리나라의 토양수분 자료는 그 관측기간이 짧고 결측이 많은 한계를 가지고 있으며 우리나라에 대한 체계적인 2차원 토양수분 관측은 전무한 실정이다. 지속적인 관측과 다양한 관측체계 구축은 유역관리와 우리나라 전체의 물 순환 이해와 수자원 관리를 위하여 필수적인바 토양수분과 관련한 관측, 시공간 변화분석, 모형확립, 물 순환 체계 해석 적용 등에 대한 연구동향에 대해서 몇 회의 기사를 통해서 알아보고자 한다. 본회에서는 토양수분 관측을 중심으로 연구 동향에 대해서 파악하고자 한다.
• 지속적인 관측과 다양한 관측체계 구축은 유역관리와 우리나라 전체의 물 순환 이해와 수자원 관리를 위하여 필수적인바 토양수분과 관련한 관측, 시공간 변화분석, 모형확립, 물 순환 체계 해석 적용 등에 대한 연구동향에 대해서 몇 회의 기사를 통해서 알아보고자 한다. 본회에서는 토양수분 관측을 중심으로 연구 동향에 대해서 파악하고자 한다.
• AMSR 기기를 사용하여 전구에 대하여 측정된 C-band 토양수분자료는 50km 분해능을 가지며 지구 전체를 대상으로 하는 순환모델 및 기후모델의 적용에는 문제가 없으나 지역의 기상모델 특히 수문 모델의 적용에 있어 한계를 가진다. 위성관측은 이후로는 10km자료 획득을 목표로 하고 있으며 더 나아가 VHF 관측계기를 사용한 관측 깊이 Im의 수평분해능 1km 토양 수분 자료 생산을 목표하고 있다. 그러므로 이러한 자료가 현실화 되는 시점에는 땅-대기와 상관한 물-에너지 밸런스 및 수문 전 과정의 상호작용에 대한 규명이 보다 현실화 될 것이다.
• 같은 압력관측기로 구성되어있다. 이 계측기는 흙이 수분을 함유하고자하는 에너지나 모관장력을 측정한다. 계측기는 습윤한 토양의 장력이 0-80kPa 범위일 때 사용가능하다.
• 토양수분 관측 현장 실험이 이루어져 왔다. 본 장에서는 2차원 토양수분 원격관측과 관련한 대표적 현장 실험에 대해서 선별적으로 언급하고자 한다. 이러한 2차원 토양수분 관측기 법의 현장실험에 대한 변천 과정을 통해서 우리나라도 유역관리에 있어 토양수분의 시공간 변화특성 파악을 위해서 어떠한 실험과 관측체계를 구축해야 할 것인가 알아 볼 수 있겠다.
• 실험 동안의 주요한 목표는 종래의 방법과 원격탐지법을 사용하여 공간적으로 분포되는 수문 자료의 수집과 2차원 토양수분 시계열 자료를 수집하는데 있었다. 즉 2차원 수문자료 시계열의 획득과 원격측정을 통하여 획득한 수문자료의 수문모형에 대한 적용성을 검증하는데 있었고, 또한 목표와 센서 사이의 상호작용 알고리즘을 위한 데이터베이스의 개발 및 새로운 원격 측정 장치의 개발과 검정 확인을 하기 위한 것이었다.
• 즉 2차원 수문자료 시계열의 획득과 원격측정을 통하여 획득한 수문자료의 수문모형에 대한 적용성을 검증하는데 있었고, 또한 목표와 센서 사이의 상호작용 알고리즘을 위한 데이터베이스의 개발 및 새로운 원격 측정 장치의 개발과 검정 확인을 하기 위한 것이었다. 가용한 자료 및 실험에 대한 보다 상세한 자료는 다음의 USDA web sites를 참조하기 바란다.
• 따라서 1997년 Oklahoma 지역에서 약 한달 동안에 습한 환경을 설정하여 (6/18/1997 - 7/17/1997) NASA, USDA 및 여러 정부기관 및 교육기관의 공조 하에 SGP97 실험이 수행 되었다. SGP97 실험의 목적은 1) 트럭 과 항공기에 설치된 센서를 사용하여 관측된 높은 공간적 분해능에서의 복구 알고리즘이 낮은 공간 해상력으로 인공위성에서 관측된 자료에서도 활용이 가능한가를 점검하고, 가능 하게 하기위해, 2) 위성 관측을 통해 토양 수분의 공간적 인 분포를 측정할 수 있는지 확인하고, 수문 모델링에서 가상 변환 함수의 사용성을 점검하기 위해, 3) 현지 실측에서 토양표면 수분 실측에 사용하고 있는 토양 수분과 온도의특성괴의 타당한 관계성을 조사 하기위해, 4) 따뜻한 계절 동안 Southern Great Plains 위의 대기 경계층의 발달, 구름의 발달과 토양 수분과의 관계를 조사하기 위하여 실시되었다.
• 소개된 것 보다 훨씬 많은 토양수분 관측이 각 나라에서 이루어져왔으나 지면관계상 미국을 중심으로수행되어져온 토양수분원격관측을 중심으로 기술하였다. 다음 호에서는 토양수분 시공간변화도에 대해서 알아보고자 한다.

가설 설정

• 1. 만약 토양 여러 층의 수분의 양과 시공간 변화도가 알려져 있다면 토양수분역학관계와 지면- 대기의 상관에서 어떠한 문제들이 유용하게 제기될 것인가?
• 2. 주어진 토양수분 관측의 한계들과 다양한 샘플링 불확실성하에서 이러한 자료들이 해석되고 활용될 수 있을 것인가?
• 전형적으로 토양수분은 건조토의 무게에 대한 수분비로 나타낸다. 그러나 이러한 방법의 단점으로는 a) 균질한 토양에서 대표성을 가지는 샘플을 획득하기 힘들다. b) 돌이 많이 포함된 토양에 대한 샘플링이 어렵다.
• 그러나 이러한 방법의 단점으로는 a) 균질한 토양에서 대표성을 가지는 샘플을 획득하기 힘들다. b) 돌이 많이 포함된 토양에 대한 샘플링이 어렵다. c) 관련 자료의 시계열을 얻기 위하여 엄청난 작업량이 필요하다.
• d) 보다 건조한 토양에 대해 매우 높은 관측 오차를 가진다. e) 샘플 지점을 훼손시킨다.
• 그러나 이러한 방법의 단점으로는 a) 연직 관측에 대해서 분해능이 높지 않으면 침투 과정 등의 관측에 한계가 있다. b) 토양의 물리 화학적 특성에 따라 샘플지점마다 보정이 필요하다. c) 건강상의 위험을 최소화하기 위하여 사용상 주의를 요한다.
• 이 방법은 지상관측시 광범위하게 사용되고 있으며 다음과 같은 장점을 가지고 있다. a) 샘플링 체적은 탐침형태만의 함수이다. b) 설치가 용이하고 표준 중성자계즉기로 계즉하는 것을 신뢰할 수 없는 범위의 지표면에 대한 관측에 적합하다.
• a) 샘플링 체적은 탐침형태만의 함수이다. b) 설치가 용이하고 표준 중성자계즉기로 계즉하는 것을 신뢰할 수 없는 범위의 지표면에 대한 관측에 적합하다. c) 얼음과 액체상태의 물을 구분할 수 있을 뿐만 아니라 수분함량과 염도도 동시에 관측할 수 있다.
• 3. 어떻게 지표 토양수분의 시공간 변화 특성을 모델링할 것인가? 어떻게 광역에서의 토양수분, 증발산 및 침투량이 제시될 것인가? 강우와 증발 상량의 상관관계와 토양, 식생 및 지형 특성이 토양수분 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• edu/name/) 중요한 관심사항이다. NAME 의 기본가정은 NAMS의시작과 그 강도를 제어하는 지표면 선행 경계상태가 토양수분이라는 것이다. 지표면은 지표증발과 관련된 토양수분에 영향을 받는 지표 냉각, 지형, 그리고 식생 상태를 통해 영향을 주고받는다.

제안 방법

• 그리하여 마이크로웨이브를 이용한 지표 토양수분의 원격관측은 토양수분의 분포와 시간 변화를 관측에 적합한 방법임에 의심의 여지가 없다. 원격측정 기술의 발달은 여러 시공간 스케일에 걸쳐 토양수분의 변화도를 관측하고 정량화할 수 있도록 하였다. 전반적으로 토양 수분 자료를 위한 원격 측정 기술의 발전과정은 그림3에서 보는 바와 같이 1960년도부터 1970년도에 이르기까지 타워에 설치된 라디오메터를 사용하여 매우 작은 면적에 대하여 원격관측을 시작하였다.
• 최근 저주파 마이크로웨이브 원격측정기술의 발달은 여러 조건의 지형 및 식생 피복 상태 하에서의 지표면 토양수분자료 획득을 용이하게 하였고(Jackson and Le Vine, 1996) 따라서 원격 측정된 2차원 토양수분자료의 시공간적 변화 특성에 대한 연구가 수행되었다(Kim, 1999). Electronically Scanned Thinned Array Radiometer (ESTAR)의 개발 후 Little Washita 실험(1992)과 Southern Great Plain 1997 Hydrology Experiment (SGP97)에 적용되어 광범위한 지역의 토양수분관측을 위한 가능성을 제시하였다. 관측 결과들은 L-band 마이크로웨이브 관측이 토양수분 자료 관측에 가장 적합함을 보여주었다.
• 원자력방법 중 대표적인 중성자분산과 감마선 감쇄를 이용하여 토양수분을 측정하는 두 가지 방법 중 중성자 분산법을 소개하고자 한다. 중성자분산법은 간접측정법으로 높은 에너 지를 가진 빠른중성자를 방사하여 토양층이 내포한 수소원자와의 탄성 충돌로 인한 지체된 중성자들을 관측하여 토양수분을 산정한다.
• 미국 Oklahoma주 Chickasha의 남서쪽에 위치한 Washita 유역에서 1992년 7월 10일에서 7월 18일 사이에 NASA, USDA 및 여러 정부기관과 hydrologic 모델링에서 원격 탐사 데이터의 유용성을 테스트하는 대학 사이의 공조 하에 수행된 Washita 92 Experiment를 통하여 토양수분을 관측하였다. Washita 유역은 현재 Oklahoma El Reno 에 위치한 USDA ARS Grazinglands Research Lab에 의해 관리되고 있었고, 실험 유역은 약 848km² (45.
• 또한, 대 축척의 경우 토양 수분의 변화에 있어서의 토양의 특성과 토양 표면 속성의 불균질성은 토양 표면 에너지 밸런스와 물 수지 밸런스에 복잡하게 영향을 미치게 되며 특히 식물이 번성한 곳일 경우 그 영향은 훨씬 복잡하게 된다. 따라서 1997년 Oklahoma 지역에서 약 한달 동안에 습한 환경을 설정하여 (6/18/1997 - 7/17/1997) NASA, USDA 및 여러 정부기관 및 교육기관의 공조 하에 SGP97 실험이 수행 되었다. SGP97 실험의 목적은 1) 트럭 과 항공기에 설치된 센서를 사용하여 관측된 높은 공간적 분해능에서의 복구 알고리즘이 낮은 공간 해상력으로 인공위성에서 관측된 자료에서도 활용이 가능한가를 점검하고, 가능 하게 하기위해, 2) 위성 관측을 통해 토양 수분의 공간적 인 분포를 측정할 수 있는지 확인하고, 수문 모델링에서 가상 변환 함수의 사용성을 점검하기 위해, 3) 현지 실측에서 토양표면 수분 실측에 사용하고 있는 토양 수분과 온도의특성괴의 타당한 관계성을 조사 하기위해, 4) 따뜻한 계절 동안 Southern Great Plains 위의 대기 경계층의 발달, 구름의 발달과 토양 수분과의 관계를 조사하기 위하여 실시되었다.
• SGP97 실험은 약 10000km²(40x250km 기의 지역에 격자변의 크기 800m 토양수분을 ESTAR기기를 사용하여 수집하였고, 또한 단일 열적외선 센서 기관과 이중 편극 C-band, 극초단파방사계에 의해 관측 되었다. 또한 시계열 자료는 하루에 한번 비행기로 관측되는 자료를 보완하기 위해서 극초단파 방사계를 탑재한 트럭을 사용하여 24시간 동안 계속하여 관측되어 졌으며, 이 시스템은 열적외선뿐만 아니라 L, S와 C-band 계기로 구성되어 있었다.
• 또한 대안인 AMSR 기기는 토양수분 측정에 유용한 기기임에도 불구하고 AMSR 기기 (C-band)에 대한 토양수분 측정 알고리즘이 확립되지 못한 실정이었다. 그리하여 1999년도에 7월의 7일에서 7월 22일 까지 Oklahoma에서는 AMSR 기기가 제공하는 C-band 측정기구와 유사한 비행기에 탑재된 C-band 측정기기를 사용한 토양수분 자료를 생산하고 분석하였다. 선택된 관측 지역인 미국의 Oklahoma, Southern Great Plains 지역은 이전에 수차례 관측을 실시하였던 지역으로 이전관측 자료와 비교하여 새로운 관측 장비 센서와 알고리즘을 평가하기가 좋은 지역이다.
• 2002년에 토양수분과 물순환에 관한 현장 실험 이 AMSR, NASA Global Water and Energy- Cycle Program, 그리고 지구수문학을 위한 미래 위성 임무의 지원으로 수행되었다. 이 실험의 중요한 요소는 AMSR의 brightness temperature의 검증과 토양수분 산정 그리고 좀더 확실한 식생 상태의 관측과 알고리즘을 알기 위한 기기의 확장, 지표면과 경계층 관측의 통합, 토양수분 원격 관측을 위한 새로운 기기의 평가를 위하여 6월 중순과 7월 중순 사 , 이 한달 동안에 I0WA에서 실행되었다. 상세한 내용은 http://hydrolab.
• 이것은 이전까지는 한번도 시도되지 않았던 일로 보다 나은 관측 결과를 위해서 전 지구적 범위의 다양한 시간대의 관측과 다양한 범위의 식생 상태를 고려했다. 이러한 연구의 검증을 위하여 Oklahoma의 초지와 밀밭과 함께 아마존의 우림 같은 범위까지 다양한 식생 상태의 현장실험이 수행되었다. 이러한 실험은 Envisat ASAR 같은 새로운 위성 관측 기기의 테스트에도 많은 도움이 될 것으로 판단된다.

대상 데이터

• 그러므로 올바른 유역에서의 물순환 체계의 이해를 위해서는 강우나 증발산뿐만 아니라 토양수분에 대한 활발한 관측과 연구가 수반되어야 하겠다. 현재 우리나라에는 총 120여개의 지점에서 토양수분을 관측하고 있으며 농업기상정보시스템 (http:〃weather. rda.go.kr)으로부터 자료를 제공받을 수 있다. 하지만 우리나라의 토양수분 자료는 그 관측기간이 짧고 결측이 많은 한계를 가지고 있으며 우리나라에 대한 체계적인 2차원 토양수분 관측은 전무한 실정이다.
• Washita 유역은 현재 Oklahoma El Reno 에 위치한 USDA ARS Grazinglands Research Lab에 의해 관리되고 있었고, 실험 유역은 약 848km² (45.6X 18.6km²) 크기이며, 원격탐측은 NASA에서 제공하는 항공기에 격자변의 크기가 200m인 토양수분을 관측하는 L-band 관측기기 ESTARS 실시되었으며, 그 외에 극초단파 방사계, 37 GHz의 극초단파 방사계, 레이저 프로파일러, NS001 다중 분광 주사기, 열적외선 다중 분광 주사기와 사진기 및 삼 진동수 합성 개구 레이더 등이 탑재되어 실시되었다.
• SGP97은 표면 토양 수분의 일일 지도 작성을 위해 항공기를 사용한 실험으로서 착수하게 되었다. 다양한 분야의 관심을 만족시키기 위하여 일일을 기준으로 가능한 한 많은 공간을 커버 할 수 있게 하였고, 다양한 축척으로 관측 자료를 언제나, 어디서나 획득할 수 있게 하여, 활용성을 최대한 높이게 하였다.
• 다양한 분야의 관심을 만족시키기 위하여 일일을 기준으로 가능한 한 많은 공간을 커버 할 수 있게 하였고, 다양한 축척으로 관측 자료를 언제나, 어디서나 획득할 수 있게 하여, 활용성을 최대한 높이게 하였다. SGP97 실험은 약 10000km²(40x250km 기의 지역에 격자변의 크기 800m 토양수분을 ESTAR기기를 사용하여 수집하였고, 또한 단일 열적외선 센서 기관과 이중 편극 C-band, 극초단파방사계에 의해 관측 되었다. 또한 시계열 자료는 하루에 한번 비행기로 관측되는 자료를 보완하기 위해서 극초단파 방사계를 탑재한 트럭을 사용하여 24시간 동안 계속하여 관측되어 졌으며, 이 시스템은 열적외선뿐만 아니라 L, S와 C-band 계기로 구성되어 있었다.
• 기상 및 보정상의 문제로 29일의 실험기간 중 16 일 동안의 자료가 가용하다. 실험기간 동안에 세 번의 주된 강우사상이 발생하였으며 이중 두 번은 관측지역 북부에서 발생하였다.
• 이러한 실험은 Envisat ASAR 같은 새로운 위성 관측 기기의 테스트에도 많은 도움이 될 것으로 판단된다. SMEX03 은 6월과 7월에 미국의 Oklahoma, Georgia, Alabama 지역과 12월에 Brazil에서 수행되었다.

성능/효과

• Electronically Scanned Thinned Array Radiometer (ESTAR)의 개발 후 Little Washita 실험(1992)과 Southern Great Plain 1997 Hydrology Experiment (SGP97)에 적용되어 광범위한 지역의 토양수분관측을 위한 가능성을 제시하였다. 관측 결과들은 L-band 마이크로웨이브 관측이 토양수분 자료 관측에 가장 적합함을 보여주었다. 위성 관측 기기들 즉, Special Sensor Microwave/ Imager (SSM/I), Tropical Rainfall Monitoring Mission (TRMM) Microwaver Imager (TMI), Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR)는 토양 수분축정을 목적으로 설계되어지지 않았다.
• b) 설치가 용이하고 표준 중성자계즉기로 계즉하는 것을 신뢰할 수 없는 범위의 지표면에 대한 관측에 적합하다. c) 얼음과 액체상태의 물을 구분할 수 있을 뿐만 아니라 수분함량과 염도도 동시에 관측할 수 있다. 유일한 단점은 비교적 고가의 장비이며 각각의 지점에 대해서 보정해야한다는 것이다.
• 4 GHz L-band)< 사용하여 토양 수분 자료를 만들었다. 더 높은 해상도 자료를 사용하면서 개발된 토양 수분 검색 알고리즘은 더 낮은 해상도에서도 연장이 가능하다는 것이 증명되었다. L-band의 센서를 이용한 장치는 토양 수분 측정을 위해 최적이라고 입증된 바 있다.

후속연구

• 이러한 문제를 극복하기 위해서는 수문 현상의 이해를 통한 수자원의 안정된 확보, 관리, 개발 등 수자원 관련 기술력의 발전이 필수적이라 하겠다. 물 순환계통의올바른 이해와 적합한 모형의 개발 및 검증을 위해서는 강우, 증발산 및 토양수분 등 수문 변수들의 대규모 원격측정이 필수적일 뿐 아니라 관측 격자 내에서 일어나는 시공간 변화도에 대한 해석 또한 병행되어야 할 것이다. 토양수분은 토양입자나 공극에 포함되어 있는 물을 의미하는 것으로서 지구상에서 담수 의약 0.
• 그림 1에서 제시한 것처럼 토양수분이 땅과 대기의 접합부분에 위치한 주요 변수로 지표복사를 현열과 잠열로 구분하는 역할을 하며, 강수가 유출로 진행될 것인지 침투로 진행될 것인지를 결정하고, 지표면에서의 알베도와 열 방출 현상도 토양수분의 상태에 의존한다. 그러므로 올바른 유역에서의 물순환 체계의 이해를 위해서는 강우나 증발산뿐만 아니라 토양수분에 대한 활발한 관측과 연구가 수반되어야 하겠다. 현재 우리나라에는 총 120여개의 지점에서 토양수분을 관측하고 있으며 농업기상정보시스템 (http:〃weather.
• 위성관측은 이후로는 10km자료 획득을 목표로 하고 있으며 더 나아가 VHF 관측계기를 사용한 관측 깊이 Im의 수평분해능 1km 토양 수분 자료 생산을 목표하고 있다. 그러므로 이러한 자료가 현실화 되는 시점에는 땅-대기와 상관한 물-에너지 밸런스 및 수문 전 과정의 상호작용에 대한 규명이 보다 현실화 될 것이다.
• 실험을 통해 광범위한 토양 수분에 관한 자료들을 얻을 수 있었으며 원격탐측에 필요한 매개 변수들을 구할 수 있었다. 이 실험의 주된 목표는 지금이나 가까운 미래에 이용할 수 있는 위성 마이크로파 자료를 효과적으로 해석하고 이용하는 방법을 이해하기 위해 공간성으로부터 토양 수분을 측정하는 능력을 강화할 수 있는 새로운 접근법을 찾고 GOES, AVHRR, TM 과 온도 감지 센서에서 얻은 자료를 해석하기 위해 이 영역의 실측 지면 온도 변이성에 대한 이해가 있어야 할 것이다.
• 이러한 연구의 검증을 위하여 Oklahoma의 초지와 밀밭과 함께 아마존의 우림 같은 범위까지 다양한 식생 상태의 현장실험이 수행되었다. 이러한 실험은 Envisat ASAR 같은 새로운 위성 관측 기기의 테스트에도 많은 도움이 될 것으로 판단된다. SMEX03 은 6월과 7월에 미국의 Oklahoma, Georgia, Alabama 지역과 12월에 Brazil에서 수행되었다.

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