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[국내논문] 위성영상을 이용한 북한의 농업환경 분석 I. Landsat TM 영상을 이용한 북한의 지형과 토지피복분류
Spatial Anaylsis of Agro-Environment of North Korea Using Remote Sensing I. Landcover Classification from Landsat TM imagery and Topography Analysis in North Korea 원문보기

한국환경농학회지 = Korean journal of environmental agriculture, v.27 no.2, 2008년, pp.120 - 132  

홍석영 (농촌진흥청 농업과학기술원 농업환경부 토양관리과) ,  임상규 (농촌진흥청 농업과학기술원 농업환경부 토양관리과) ,  이승호 (국립산림과학원 산림경영부 산림정보과) ,  이정철 (한국농촌공사 해외사업처 해외사업팀) ,  김이현 (농촌진흥청 농업과학기술원 농업환경부 토양관리과)

초록
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직접 조사가 힘든 비접근 지역인 북한 전역을 대상으로 DEM을 이용하여 표고 및 경사별 분포 현황을 분석하였고, Landsat TM 위성영상을 이용하여 논, 밭, 산림, 나지, 초지, 물, 간척지, 염전, 건물. 주거지, 기타10개의 분류 항목에 대한 토지피복도를 작성하였다. DEM을 이용한 지형분석 결과 개마고원이 위치한 량강도를 중심으로 동쪽 지역의 표고가 1,000 m 이상으로 높게 나타났고, 평안남도와 황해남도 지역이 낮게 나타났다. 산악지로 구분되는 심한 경사인 E 등급이 전체 면적 대비 38.2%로 가장 넓게 분포하는 것으로 나타났다. 편평한 A 경사는 주로 북한 서해안 지역에 넓게 분포하고 E 경사는 동북부 산악지형에서 높은 비율을 보이고 있어 북한의 전형적인 동고서저의 지형특성을 잘 반영하였다. 위성영상을 이용하여 분류한 북한의 토지피복 항목을 살펴보면 전체 면적 중 산림이 69.6%로 가장 넓게 분포하고 있고, 밭이 15.7%, 나지가 6.6%, 논이 4.2%, 하천과 저수지 등을 포함한 물이 1.6%, 초지가 1.1%, 도시와 주거지가 0.9%인 것으로 나타났다. 행정구역별 지표면 피복을 살펴보면 황해남도와 평안남도 등 서쪽에 위치한 해안가 저위평탄지에 주로 논이 넓게 분포하는 것으로 나타났다. 밭의 분포는 논과 같이 서쪽 지역에 많이 분포하는 경향이었으나 북동쪽에 위치한 함경도와 자강도 및 량강도에도 비교적 고르게 분포하는 것으로 나타났다. 경사등급별로 농경지의 분포를 살펴보면, $0{\sim}2%$인 A 경사에 약 80% 이상 논이 분포하고 있고, 반면 밭은 A, B, C, D, E 등급에 비교적 고르게 분포하고 있는 것으로 나타났다. 농업기후지대별 토지피복 현황을 살펴보면, 논과 밭은 북부 평야지대와 북부 서해안지대에 전체의 약 79%와 45%가 분포하였고 산림은 비교적 모든 농업기후지대별로 고르게 분포하였다. 위성영상을 이용한 원격탐사 기술은 접근이 힘든 지역에 대한 농업기반 및 농경지 정보를 주기적으로 파악할 수 있고, 넓은 지역에 대한 정보 수집이 가능한 장점이 있어, 3년$\sim$5년 주기로 영상분류를 통한 토지피복도를 작성하여 토지이용 및 분류에 대한 시간적 공간적인 변화를 분석한다면 농경지와 산림에 대한 이용 현황 자료를 제공할 수 있고 앞으로의 이용계획 수립에 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Remotely sensed images from a satellite can be applied for detecting and quantifying spatial and temporal variations in terms of landuse & landcover, crop growth, and disaster for agricultural applications. The purposes of this study were to analyze topography using DEM(digital elevation model) and ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • Geological Survey의 (USGS) Digital Terrian Elevation Data(DTED) level 2 자료를 이용하였다. USGS DTED level 2 자료는 Arc/Info격자형 자료형식(digital elevation model[DEM] grid)으로 변환 후 WGS84좌표계를 UTM Zone 52좌표계로 맞추어 투영 변환하였다. 변환식은 affine 변환식을 이용하였으며 화소당 30m x 30m 크기로 재배열(cubic convolution resampling)하였다.
  • 그러나 모든 화소를 분류하는데 필요한 연산식이 많아서 언급했던 다른 방법들에 비해 계산속도가 느린 단점이 있다. 각 지역의 영상에서 훈련데이터는 지도와 육안판독을 통하여 각 항목별로 찾아내었다.
  • 농촌진흥청 농업과학기술원의 농업기후지대지도를 스캔하여 좌표등록 후 지대의 경계를 온스크린 디지타이징 방법으로 선형화(vectorizing)하여 벡터 파일 형태로 만들고 각각의 경계 폴리곤으로 완성하여 농업기후지대별 토지피복 면적 산정에 이용하였다.
  • Landsat TM 영상의 기하학적인 보정을 위한 지상기준점을 찾기 위해서 기준으로 할 자료로는 경인문화사에서 발간한 최신 북한 오만분지지형도(1:50,000, 228도엽)를 사용하였다. 도면형태의 지형도를 스캔하여 이미지 파일을 생성하고 도면의 네 기준점(tic)의 좌표를 이용하여 affine 변환식(식 1)을 이용하여 좌표등록을 하였다.
  • 좌표등록하여 기하보정한 후 입사광에 대한 흡수가 가장많아 물의 판별에 유용한 근적외광 밴드를 레벨슬라이스하여 영상에서 물을 가장 먼저 분류하였다. 물을 마스킹한 나머지항목에 대해서 단일 시기 또는 봄과 가을의 NDVI, 습도, 주성분 영상, 적색광, 근적외광, 중간적외광 밴드를 입력변수로하여 산림, 논, 건물・주거지역을 감독분류 하였다. 이렇게 분류된 영상을 마스킹 하고 나머지 영상을 이용하여 분류항목수를 30개로 하여 무감독분류한 후 각 항목을 선택하여 판독하면서 나지, 초지, 밭, 구름을 구분하였다.
  • 본 연구에서는 선행연구의 분류항목, Landsat TM 영상의 공간해상도, 육안판독과 무감독분류를 이용한 예비시험, 북한 토지이용에 대한 관련 서적 정보, 농업적으로 중요한 토지이용 등을 고려하여1,12,14), 논, 밭, 산림, 나지, 초지, 물, 간척지, 염전, 건물․주거지, 기타 10개의 항목으로 설정하였다.
  • 북한은 우리나라와 달리 남북과 동서로 동시에 뻗어 있어 우리가 사용하는 평면좌표계인 TM(transverse mecator, 횡메르카토르) 투영 좌표계를 이용할 경우 동서로의 왜곡이 크게 발생할 것으로 판단되어 동서방향의 왜곡이 비교적 균일한 UTM(universal transverse mercator; 만국횡단메르카토르) 투영좌표계(WGS 84 North Zone 52)를 이용하였다.
  • 행정구역별로 토지피복별 면적을 집계하기 위하여 수치자료형태의 행정구역도를 작성하였다. 북한지역에 대한 1:350,000 종이지도(우진지도문화사, 1997)를 이용하여 행정경계를 트레이싱지에 옮겨 그린 후18), CAD 프로그램(Microstation)과 반자동 벡터라이징 프로그램(Intergraph Inc. MGE)을이용하여 시・도, 시・군 경계를 arc coverage 형태로 생성하였다. 이 때 바다에 표시된 행정경계를 선택하였으므로 바다가 포함된 면적이 된다.
  • 이 때 바다에 표시된 행정경계를 선택하였으므로 바다가 포함된 면적이 된다. 위상(topology)의 무결성을 위하여 clean 및 build 한 후 폴리곤으로 완성하여 행정구역별 토지피복 면적 산정에 이용하였다.
  • 물을 마스킹한 나머지항목에 대해서 단일 시기 또는 봄과 가을의 NDVI, 습도, 주성분 영상, 적색광, 근적외광, 중간적외광 밴드를 입력변수로하여 산림, 논, 건물・주거지역을 감독분류 하였다. 이렇게 분류된 영상을 마스킹 하고 나머지 영상을 이용하여 분류항목수를 30개로 하여 무감독분류한 후 각 항목을 선택하여 판독하면서 나지, 초지, 밭, 구름을 구분하였다. 한편, 농지로 사용되고 있거나 농지로 사용할 목적으로 간척된 지역과 염전은 자동분류보다는 육안판독을 이용한 디지타이징 방법을 이용하여 서해안을 따라 분포하고 있는 윤곽을 그려내었다.
  • 한편, 농지로 사용되고 있거나 농지로 사용할 목적으로 간척된 지역과 염전은 자동분류보다는 육안판독을 이용한 디지타이징 방법을 이용하여 서해안을 따라 분포하고 있는 윤곽을 그려내었다. 이와 같이 분류항목별로 입력변수를 다르게 적용하고 분류방법도 하나 이상의 방법을 쓰는 혼용(hybrid) 분류방법을 이용하였고, 영상별 분류가 끝난 후에는 영상끼리 접합하여 합친 후 육안판독을 통하여 부분적으로 수정하여 분류를 완료하였다(Fig. 2).
  • 이와 같이 좌표등록된 지형도 영상을 기준으로 2차 다항식(식 2)을 이용하여 Landsat TM 영상을 좌표등록하였다. 1차식인 affine식을 이용할 경우 서로 다른 path와 row에서 촬영된 영상을 보정하여 접합(mosaic)할 때 일치하지 않는 경향이 두드러지게 나타나 이를 해결하고자 2차식을 이용하게 되었다.
  • 좌표등록하여 기하보정한 후 입사광에 대한 흡수가 가장많아 물의 판별에 유용한 근적외광 밴드를 레벨슬라이스하여 영상에서 물을 가장 먼저 분류하였다. 물을 마스킹한 나머지항목에 대해서 단일 시기 또는 봄과 가을의 NDVI, 습도, 주성분 영상, 적색광, 근적외광, 중간적외광 밴드를 입력변수로하여 산림, 논, 건물・주거지역을 감독분류 하였다.
  • 지도로부터 추출한 북한의 수치 행정구역도를 이용하여 시・도와 시・군별로 토지피복 면적을 산출하였다. 행정구역범위로 분류영상을 잘라내고 그 범위 내에 포함된 각 토지피복 항목의 수에 한 화소의 면적인 900 m2 (30 m x 30 m)를곱하여 계산한 후 ha로 변환하여 나타내었다.
  • 직접 조사가 힘든 비접근 지역인 북한 전역을 대상으로 DEM을 이용하여 표고 및 경사별 분포 현황을 분석하였고, Landsat TM 위성영상을 이용하여 논, 밭, 산림, 나지, 초지, 물, 간척지, 염전, 건물・주거지, 기타 10개의 분류 항목에 대한 토지피복도를 작성하였다.
  • 변환식은 affine 변환식을 이용하였으며 화소당 30m x 30m 크기로 재배열(cubic convolution resampling)하였다. 추출된 DEM grid자료로부터 경사도를 산출한 후 이를 우리나라에서 적용하고 있는 경사등급에 따라 분류(reclassify)하였다. A 등급은 0~2%, B 등급은 2~7%, C 등급은 7~15%, D 등급은 15~30%, E 등급은 30~60%, F 등급은 60% 이상으로 정의된다.
  • 한편 토지이용(land use)지도는 인간의 경제적인 활동을 중심으로 토지의 이용 상황을 그 나라의 국토이용관리법에 따른 용도에 따라 나타낸 지도로서 국토이용 계획과 관리를 위한 중앙정부 및 지자체의 정책수립 및 환경해석 등의 자료로 활용할 수 있다. 토지이용과 토지피복을 각각 경제적 기능(economic function)과 지표면 특성(surface feature)으로 규정지었다. 그러나 위성영상을 이용한 분류 방법의 결과물은 정의에 명시된 토지피복과 토지이용의 구분이 분명하지 않아 토지피복/이용(land use and land cover)으로 쓰는 경우가 자주 있다.
  • 5와 같은 토지피복도를 얻었다. 토지피복분류 항목은 논, 밭, 산림, 나지, 초지, 물, 간척지, 염전, 건물・주거지, 기타 10개의 항목으로 설정하여 인공위성 영상을 이용한 지표면의 토지피복도를 작성하였다. 작성된 토지피복도는 그리드 포맷으로 30 m 공간해상도를 갖는다.
  • 지도로부터 추출한 북한의 수치 행정구역도를 이용하여 시・도와 시・군별로 토지피복 면적을 산출하였다. 행정구역범위로 분류영상을 잘라내고 그 범위 내에 포함된 각 토지피복 항목의 수에 한 화소의 면적인 900 m2 (30 m x 30 m)를곱하여 계산한 후 ha로 변환하여 나타내었다. 토지피복분류와 행정구역별 토지피복 면적 산출에 ERDAS Imagine(v.
  • 행정구역별로 토지피복별 면적을 집계하기 위하여 수치자료형태의 행정구역도를 작성하였다. 북한지역에 대한 1:350,000 종이지도(우진지도문화사, 1997)를 이용하여 행정경계를 트레이싱지에 옮겨 그린 후18), CAD 프로그램(Microstation)과 반자동 벡터라이징 프로그램(Intergraph Inc.

대상 데이터

  • Landsat TM 영상의 기하학적인 보정을 위한 지상기준점을 찾기 위해서 기준으로 할 자료로는 경인문화사에서 발간한 최신 북한 오만분지지형도(1:50,000, 228도엽)를 사용하였다. 도면형태의 지형도를 스캔하여 이미지 파일을 생성하고 도면의 네 기준점(tic)의 좌표를 이용하여 affine 변환식(식 1)을 이용하여 좌표등록을 하였다.
  • 경사별 분포현황 파악을 위해 U.S. Geological Survey의 (USGS) Digital Terrian Elevation Data(DTED) level 2 자료를 이용하였다. USGS DTED level 2 자료는 Arc/Info격자형 자료형식(digital elevation model[DEM] grid)으로 변환 후 WGS84좌표계를 UTM Zone 52좌표계로 맞추어 투영 변환하였다.
  • 15)부터 탑재되었던 센서로 모두 7개의 파장역으로부터 지표면의 특성을 관측하고 있다. 본 연구에 사용한 자료는 1984년 발사되어 현재까지 운영되고 있는 Landsat TM 5호로부터 취득한 영상이 대부분으로 구매한 자료이다. Landsat TM 5호 영상은 자료값의 범위가 0에서 255사이의 값을 갖는 unsigned 8bit 자료이고 밴드별로 파장정보와 특성이 다르다(Table 1).
  • 토지피복분류를 위해 사용하는 입력변수는 위성영상의 유효밴드 외에도 밴드간의 비연산 식생지수(vegetation indices)와 주성분(principal component) 등 유도변수가 있다. 본 연구에서 사용한 식생지수는 NDVI로 근적외광과 적외광의 자료값을 이용하여 계산하고(식 3), 식생의 생육상태와 활력도를 판단할 수 있으며 -1에서 1 사이의 값을 갖는 단위가 없는 지수이다15). 대개 위성자료가 취득될 당시 지형, 태양고도, 방위각, 광량 등과 같은 조건이 다른데서 올 수 있는 지형효과가 상쇄되는 효과가 있고 서로 다른 시기에 촬영된 영상을 표준화함으로써 비교가 가능하게 해주어 매우 유용하게 사용되고 있다.
  • 직접조사가 어려운 북한 전 지역의 토지피복분류를 위하여 Landsat TM 자료를 이용하였다. TM(thematic mapper)은 미국 항공우주국(NASA; National Aeronautics and Space Administration)에서 1972년 이래 연속적으로 발사하였던 Landsat 위성 중 4호(1982.

이론/모형

  • USGS DTED level 2 자료는 Arc/Info격자형 자료형식(digital elevation model[DEM] grid)으로 변환 후 WGS84좌표계를 UTM Zone 52좌표계로 맞추어 투영 변환하였다. 변환식은 affine 변환식을 이용하였으며 화소당 30m x 30m 크기로 재배열(cubic convolution resampling)하였다. 추출된 DEM grid자료로부터 경사도를 산출한 후 이를 우리나라에서 적용하고 있는 경사등급에 따라 분류(reclassify)하였다.
  • 행정구역범위로 분류영상을 잘라내고 그 범위 내에 포함된 각 토지피복 항목의 수에 한 화소의 면적인 900 m2 (30 m x 30 m)를곱하여 계산한 후 ha로 변환하여 나타내었다. 토지피복분류와 행정구역별 토지피복 면적 산출에 ERDAS Imagine(v.8.4)을 이용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원격탐사란 무엇인가? 원격탐사란 조사하고자 하는 대상 지역 및 현상에 대해 비접촉・비파괴적인 도구를 이용하여 수집된 자료의 분석을 통하여 정보를 수집하는 과학기술이다. 위성영상과 같은 원격탐사 자료는 현지조사 및 항공사진에 비하여 넓은 지역을 한번에 관측할 수 있고 육안으로 감지하기 어려운 물체나 현상들을 감지할 수 있는 이점을 가지고 있다1).
위성영상과 같은 원격탐사 자료의 장점은 무엇인가? 원격탐사란 조사하고자 하는 대상 지역 및 현상에 대해 비접촉・비파괴적인 도구를 이용하여 수집된 자료의 분석을 통하여 정보를 수집하는 과학기술이다. 위성영상과 같은 원격탐사 자료는 현지조사 및 항공사진에 비하여 넓은 지역을 한번에 관측할 수 있고 육안으로 감지하기 어려운 물체나 현상들을 감지할 수 있는 이점을 가지고 있다1). 토지이용, 지형, 토양지리 등 농업환경과 관련된 정보의 수집이 대개 넓은 공간에 걸쳐 실시되는 것을 볼 때, 수 천 평방 킬로 이상의 넓은 지역을 대상으로 영상자료를 제공하는 원격탐사는 자료와 정보를 얻는 중요한 수단으로 이용될 수 있다.
북한 전역을 대상으로 DEM을 이용하여 표고 및 경사별 분포 현황을 분석한 결과는 무엇인가? DEM을 이용한 지형분석 결과 개마고원이 위치한 량강도를 중심으로 동쪽 지역의 표고가 1,000 m 이상으로 높게 나타났고, 평안남도와 황해남도 지역이 낮게 나타났다. 산악지로 구분되는 심한 경사인 E 등급이 전체 면적 대비 38.2%로가장 넓게 분포하는 것으로 나타났다. 편평한 A 경사는 주로 북한 서해안 지역에 넓게 분포하고 E 경사는 동북부 산악지형에서 높은 비율을 보이고 있어 북한의 전형적인 동고서저의 지형특성을 잘 반영하였다.
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참고문헌 (18)

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  7. Hong, S. Y., Rim, S. K., Lee, K. S., Jo, I. S., and Kim, K. U. (2001) Estimation of rice-planted area using Landsat TM Imagery in Dangjin-gun area, Korean J. of Agr. and Forest Meteo, 3,5-15 

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  15. Rouse, J. W., Haas, R. H., Schell, J. A., and Deering, D. W. (1973) Monitoring vegetation systems in the great plains with ETRA, 3rd ETRS Symposium, NASA SP-353, U.S. Govt. Printing Office, Washington D.C. USA 

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  17. ERDAS. (1997) ERDAS Field Guide. 4th Ed. Atlanta, Georgia, USA 

  18. North Korea Road Atlas. (1997) Woojun Map Publishing Cor 

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