[국내논문]연안 해양기상(해상풍, 수온) 관측을 위한 항공기 원격탐사 시스템 Development of Airborne Remote Sensing System for Monitoring Marine Meteorology (Sea Surface Wind and Temperature)원문보기
인공위성은 넓은 지역에 대한 전 세계의 정보를 획득하는데 유용하지만, 좁은 지역에 대한 적시적소에 촬영하는 데는 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 항공기 원격탐사 시스템을 구축하였다. 항공기 원격탐사시스템은 SAR센서와 열적외선 센서로 구성되어 있으며, 획득된 자료의 방사 및 기사보정을 위하여 GPS, IMU, 온도/습도계 등도 설치하였다. SAR영상은 표면 거칠기에 따라 민감하게 반응하여 밝기 값이 달라지게 되며, 해양에서는 바람에 의해 쉽게 생성 되는 표면 장력파의 진폭이 이러한 표면 거칠기를 야기한다. 따라서 정량화된 SAR의 후방산란과 해상풍 사이의 관계식을 통해 해상풍 추출이 가능하다. 한편, 열적외선 센서는 물체의 온도를 측정하는데 유용하며, 물체와 센서 사이의 대기에 의한 효과를 보정한 후 수온 추출이 이루어진다. 이 두 센서를 탑재한 항공기로 서해안 일대를 4차례 시험비행을 수행하였으며, 이로부터 획득된 SAR 및 열적외선 영상의 품질이 연안환경 모니터링 및 해양기상 자료 추출에 충분함을 보여주었다.
인공위성은 넓은 지역에 대한 전 세계의 정보를 획득하는데 유용하지만, 좁은 지역에 대한 적시적소에 촬영하는 데는 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 항공기 원격탐사 시스템을 구축하였다. 항공기 원격탐사시스템은 SAR센서와 열적외선 센서로 구성되어 있으며, 획득된 자료의 방사 및 기사보정을 위하여 GPS, IMU, 온도/습도계 등도 설치하였다. SAR영상은 표면 거칠기에 따라 민감하게 반응하여 밝기 값이 달라지게 되며, 해양에서는 바람에 의해 쉽게 생성 되는 표면 장력파의 진폭이 이러한 표면 거칠기를 야기한다. 따라서 정량화된 SAR의 후방산란과 해상풍 사이의 관계식을 통해 해상풍 추출이 가능하다. 한편, 열적외선 센서는 물체의 온도를 측정하는데 유용하며, 물체와 센서 사이의 대기에 의한 효과를 보정한 후 수온 추출이 이루어진다. 이 두 센서를 탑재한 항공기로 서해안 일대를 4차례 시험비행을 수행하였으며, 이로부터 획득된 SAR 및 열적외선 영상의 품질이 연안환경 모니터링 및 해양기상 자료 추출에 충분함을 보여주었다.
Although space-borne satellites are useful in obtaining information all around the world, they cannot observe at a suitable time and place. In order to overcome these limitations, an airborne remote sensing system was developed in this study. It is composed of a SAR sensor and a thermal infrared sen...
Although space-borne satellites are useful in obtaining information all around the world, they cannot observe at a suitable time and place. In order to overcome these limitations, an airborne remote sensing system was developed in this study. It is composed of a SAR sensor and a thermal infrared sensor. Additionally GPS, IMU, and thermometer/hygrometer were attached to the plane for radiometric and geometric calibration. The brightness of SAR image varies depending on surface roughness, and capillary waves on the sea surface, which are easily generated by sea winds, induce the surface roughness. Thus, sea surface wind can be estimated using the relationship between quantified SAR backscattering coefficient and the sea surface wind. On the other hand, thermal infrared sensor is sensitive to measure object's temperature. Sea surface temperature is obtained from the thermal infrared sensor after correcting the atmospheric effects which are located between sea surface and the sensor. Using these two remote sensing sensors mounted on airplane, four test flights were carried out along the west coast of Korea. The obtained SAR and thermal infrared images have shown that these images were useful enough to monitor coastal environment and estimate marine meteorology data.
Although space-borne satellites are useful in obtaining information all around the world, they cannot observe at a suitable time and place. In order to overcome these limitations, an airborne remote sensing system was developed in this study. It is composed of a SAR sensor and a thermal infrared sensor. Additionally GPS, IMU, and thermometer/hygrometer were attached to the plane for radiometric and geometric calibration. The brightness of SAR image varies depending on surface roughness, and capillary waves on the sea surface, which are easily generated by sea winds, induce the surface roughness. Thus, sea surface wind can be estimated using the relationship between quantified SAR backscattering coefficient and the sea surface wind. On the other hand, thermal infrared sensor is sensitive to measure object's temperature. Sea surface temperature is obtained from the thermal infrared sensor after correcting the atmospheric effects which are located between sea surface and the sensor. Using these two remote sensing sensors mounted on airplane, four test flights were carried out along the west coast of Korea. The obtained SAR and thermal infrared images have shown that these images were useful enough to monitor coastal environment and estimate marine meteorology data.
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문제 정의
해상풍의 경우도 섬들이 많은 복잡한 해안에서 고해상도로 2차원 정보를 거의 획득할 수 없었다. 따라서 이 연구에서는 인간생활에 밀접한 영향을 미치는 연안에 수온 및 해상풍에 대한 고해상도 정보를 획득할 수 있는 항공기 원격탐사 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.
이 연구에서는 인간생활에 밀접한 영향을 미치는 연안수온 및 해상풍에 대한 고해상도 정보를 획득할 수 있는 항공기 원격탐사 시스템을 구축하였다. 연안수온의 경우는 10 µm 대역의 파장을 사용하는 FLIR A615 열적외선 센서로 획득된 자료를 방사 및 기하보정을 수행한 후 계산이 되며, 연안 해상풍의 경우는 SAR센서로 측정된 밝기 값을 후방산란계수로 변환하여 해상풍 모델 관계식을 통해 추출될 수 있다.
제안 방법
관측하고자 하는 범위 및 수온의 정밀도에 따라 비행고도를 500 m에서 3000 m까지 조절할 수 있으나, 고도가 높아질수록 대기에 의한 영향이 심해져 정밀한 대기보정이 반드시 수행되어야 한다. 고도가 낮은 경우는 고도에 따른 기온 및 습도 변화는 거이 일정하다고 가정할 수 있으나, 고도가 높아지면 고도에 따른 기온 및 습도분포가 달라지므로, 이를 위해 Weather Research and Forecasting (WRF) 모델을 이용하여 항공기 촬영이 있는 시각에 해당하는 대기조건 프로파일을 생성한 후 온도/습도센서에서 기록된 값과의 일치를 통해 사용하였다.
SAR센서에서 획득된 자료는 외부에서 입력되는 GPS정보와 IMU정보를 이용하여 자체적으로 기하보정을 수행하나 그 정밀도가 좋지 않을 수 있다. 따라서 MTi-G센서로부터 획득된 위치 및 자세정보와 비교를 통해 offset을 적용하여 추가적인 보정을 수행하였다.
5 GHz) 등이 지구원격탐사를 위해 주로 사용되었으며, 이 중 상대적으로 짧은 파장인 X-밴드는 해양의 표면 장력파(capillary wave)에 민감하게 반응하여 이러한 표면 장력 파에 영향을 끼치는 해상풍(sea surface wind), 파랑(surface wave), 내부파(internal wave), 전선(front) 등 물리 해양학적 현상을 파악하는데 많이 활용되었다 (Fu and Holt, 1982). 따라서 이 연구에서도 X-밴드 파장을 사용하는 SAR시스템을 구축하고자 하였으며, 이를 위해 미국 ImSAR LLC사로부터 NanoSAR라는 RF장비를 도입하였다 (Fig. 1, Table 1). 이 장비의크기는 가로 16 cm, 세로 19 cm, 높이 11.
3). 또한 능동 및 수동 보정기를 촬영한 SAR영상들로부터 Radar Cross Section (RCS)을 구해 이론적 계산 값과 비교를 하였으며 이를 통해 시스템 전체의 보정계수를 도출하였다 (Fig. 4).
Xsens사의 MTi-G모델의 경우 GPS수신기와 자이로 센서가 동시에 탑재되어 있어 위치와 자세 및 시각 정보까지 제공해줄 수 있다. 열적외선 센서에서 측정되는 자료의 시각과 동기화하여 동일 시각에 해당하는 영상을 기하보정 하였다. 먼저 영상의 가장자리 4점의 위도, 경도, 고도를 알고 그에 따른 Affine변환을 통해 기하보정이 수행된다.
이 장치는 원래 근거리에서 물체의 온도를 측정하고자 개발되었으나, 정밀한 보정이 이루어진다면 항공기 원격탐사용으로 충분히 활용 가능하다. 우선 관측되는 열적외선 자료의 기하보정을 위해 GPS 및 자이로 센서(Xsens사의 MTi-G)를 A615장치에 부착하였으며, 방사보정을 위해 온도/습도 측정장치(SE-342)가 장착되었다. 항공기의 촬영고도에 따른 초점거리 조절을 위해 지상에서 미리 거리에 대한 초점거리 look-up table을 만들 후 GPS로부터 입력 받은 고도에 따라 자동적으로 초점거리가 조절되도록 하였다.
촬영된 SAR영상의 기하보정에 필요한 위치 및 자세정보 획득을 위해 이중주파수 수신 GPS안테나 및 IMU장치에 연결되도록 하였다. 이 연구에서는 추가적으로 선박 및 해류와 같은 움직이는 물체의 속도를 구할 수 있는 along-track interferometry (ATI)가 가능하도록 시스템을 구성하였다. 이를 위해 두 개의 안테나를 항공기가 날아가는 방향의 앞뒤로 장착하였으며, 탐지하고자 하는 물체의 속도범위에 따라 두 안테나 사이의 거리(기선거리)가 조절되도록 하였다.
한편, 시스템 전체에 대한 보정계수는 레이다 반사계수를 알 수 있는 능동 보정기(active transponder)나 수동 보정기(corner reflector) 등을 균질 한 지역에 설치하여 SAR영상에서 관측된 값과의 비교를 통해 구한다. 이 연구에서도 항공기 SAR센서의 보정을 위해 실험실에서 안테나 패턴측정을 수행하였으며(Fig. 2), 이러한 패턴의 유사도 평가를 위해 경기도 화성 시화호 일대에 수동 보정기를 거리방향으로 일렬로 배열하여 비교하였다(Fig. 3). 또한 능동 및 수동 보정기를 촬영한 SAR영상들로부터 Radar Cross Section (RCS)을 구해 이론적 계산 값과 비교를 하였으며 이를 통해 시스템 전체의 보정계수를 도출하였다 (Fig.
이 연구에서는 추가적으로 선박 및 해류와 같은 움직이는 물체의 속도를 구할 수 있는 along-track interferometry (ATI)가 가능하도록 시스템을 구성하였다. 이를 위해 두 개의 안테나를 항공기가 날아가는 방향의 앞뒤로 장착하였으며, 탐지하고자 하는 물체의 속도범위에 따라 두 안테나 사이의 거리(기선거리)가 조절되도록 하였다. 이러한 모든 장치들은 항공기의 동체 아래쪽에 원형의 구멍을 뚫어 내부와 연결되도록 부착을시켰으며, 이착륙시 강한 충격으로부터 보호하기 위하여 충격감쇠 스프링도 부착되었다.
하지만, 항공기 원격탐사 센서로부터 획득되는 수많은 자료들을 모두 GCP를 이용하여 기하보정하기에는 힘들고 오랜 시간이 걸릴 수 있기 때문에, 위치오차를 다소 포함하더라도 자동화 된 기하보정을 수행할 필요가 있다. 이를 위해 항공기 원격탐사센서에 GPS 및 IMU 등을 설치하여 위치정보 및 자세정보(yaw, pitch, roll)를 획득하였다. Xsens사의 MTi-G모델의 경우 GPS수신기와 자이로 센서가 동시에 탑재되어 있어 위치와 자세 및 시각 정보까지 제공해줄 수 있다.
3 m 해상도로 촬영할 경우 약 600 m의 관측 폭을 가지고, 2 m의 해상도로 관측될 경우 약 4 km의 관측범위를 가질 수 있다. 촬영된 SAR영상의 기하보정에 필요한 위치 및 자세정보 획득을 위해 이중주파수 수신 GPS안테나 및 IMU장치에 연결되도록 하였다. 이 연구에서는 추가적으로 선박 및 해류와 같은 움직이는 물체의 속도를 구할 수 있는 along-track interferometry (ATI)가 가능하도록 시스템을 구성하였다.
인공위성 SAR시스템은 일반적으로 안테나 모델을 통해 안테나패턴을 구성하고, 검증을 위해 지표면의 산란특성이 상대적으로 균질 한 아마존 열대 우림 지역을 촬영하여, 밝기 값의 변화가 안테나 모델과 유사한지 비교를 통해 수행이 된다. 한편, 시스템 전체에 대한 보정계수는 레이다 반사계수를 알 수 있는 능동 보정기(active transponder)나 수동 보정기(corner reflector) 등을 균질 한 지역에 설치하여 SAR영상에서 관측된 값과의 비교를 통해 구한다. 이 연구에서도 항공기 SAR센서의 보정을 위해 실험실에서 안테나 패턴측정을 수행하였으며(Fig.
항공기에 탑재된 SAR센서 및 열적외선 센서를 이용하여 4차례(2012년 5월 23일, 9월 14일, 12월 13일, 12월 28일)에 걸친 항공기 시험비행관측을 수행하였다. 항공기는 쎄스나 경비행기로서 김포공항에서 이륙 하여 검보정 지역인 화성 시화호를 거쳐 제부도 조간대 지역, 서해대교를 지나 군산까지 내려가는 연안관측 경로(Course A)와 서해대교를 지나자마자 서해상으로 나가 해수면 온도를 측정하고 안면도를 걸쳐 올라오는 해양관측 경로(Course B)로 정하여 촬영을 수행하였다 (Fig. 7).
우선 관측되는 열적외선 자료의 기하보정을 위해 GPS 및 자이로 센서(Xsens사의 MTi-G)를 A615장치에 부착하였으며, 방사보정을 위해 온도/습도 측정장치(SE-342)가 장착되었다. 항공기의 촬영고도에 따른 초점거리 조절을 위해 지상에서 미리 거리에 대한 초점거리 look-up table을 만들 후 GPS로부터 입력 받은 고도에 따라 자동적으로 초점거리가 조절되도록 하였다.
대상 데이터
이 연구에서는 이러한 에너지를 측정할 수 있는 항공기 센서의 구축을 위해 미국 FLIR사의 A615 모델을 도입하였다. 이 모델에 대한 구체적인 사양을 Table 2에 정리하였다.
획득된 자료는 일차적인 자료처리 및 검보정 과정을 거친 후 원격탐사 자료로 바로 활용될 수 있다. 이 연구에서는 획득된 자료들 중 그 품질 및 항공기 원격탐사자료로서의 유용성을 판단할 수 있는 일부 영상들을 선별하였다. Fig.
항공기에 탑재된 SAR센서 및 열적외선 센서를 이용하여 4차례(2012년 5월 23일, 9월 14일, 12월 13일, 12월 28일)에 걸친 항공기 시험비행관측을 수행하였다. 항공기는 쎄스나 경비행기로서 김포공항에서 이륙 하여 검보정 지역인 화성 시화호를 거쳐 제부도 조간대 지역, 서해대교를 지나 군산까지 내려가는 연안관측 경로(Course A)와 서해대교를 지나자마자 서해상으로 나가 해수면 온도를 측정하고 안면도를 걸쳐 올라오는 해양관측 경로(Course B)로 정하여 촬영을 수행하였다 (Fig.
성능/효과
11은 항공기 SAR센서와 현장관측용 카메라(GoPRO)로 촬영한 동일지역에 대한 영상들이다. 두 영상을 비교해보면 갯벌에서 토양종류의 변화로 인한 차이를 SAR영상에서 극명히 잘 보여주고 있음을 알 수 있다. 또한 카메라 영상에서는 거의 보이지 않는 작은 채널의 모습을 SAR영상에서는 잘 포착하고 있다.
지금까지 살펴본 SAR영상들로부터 이 연구에서 구축된 항공기 SAR시스템이 충분한 품질의 SAR영상을 제공해 줄 수 있음을 알 수 있었다. SAR센서는 보내는 전자기파의 파장과 공명이 일어나는 해양 표면파가 존재할 경우 강한 후방산란을 나타내게 된다.
후속연구
즉, X-밴드 주파수의 경우 약 3 cm 내외의 해양 표면파가 존재할 경우 밝은 SAR영상을 만들게 되는데, 이러한 파들은 대부분 표면장력파(capillary wave)로서 바람이 불 경우 바로 발생하게 된다. 따라서 정량화된 SAR의 후방산란과 바람의 속도 사이의 관계가 만들어진다면 SAR로부터 해상풍 정보를 추출하는데 사용될 수 있다.
해상풍 모델 관계식은 풍향/풍속에 대한 후방산란계수와의 관계 DB를 통해 만들어 진다. 본 항공기 원격탐사 시스템으로부터 획득된 자료들의 품질은 엄밀한 검보정을 통해 더욱더 향상될 수 있으며, 앞으로 이를 위해 추가적인 연구를 지속적으로 수행할 예정이다. 비록 향후 연구가 더 필요하지만 지금 현재의 항공기 원격탐사 센서로도 연안환경 모니터링 및 해양기상정보를 획득하는데 충분히 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
본 항공기 원격탐사 시스템으로부터 획득된 자료들의 품질은 엄밀한 검보정을 통해 더욱더 향상될 수 있으며, 앞으로 이를 위해 추가적인 연구를 지속적으로 수행할 예정이다. 비록 향후 연구가 더 필요하지만 지금 현재의 항공기 원격탐사 센서로도 연안환경 모니터링 및 해양기상정보를 획득하는데 충분히 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SAR란 무엇인가?
SAR는 마이크로 전자기파를 자체적으로 생성하여 측면(side looking) 안테나를 통해 방사한 후 물체에서 산란되어 되돌아오는 신호를 수신하여 2차원 영상을 생성할 수 있는 센서이다. 고해상도 영상생성을 위해 거리방향(range direction; 날아가는 방향과 수직)으로는 되돌아 오는 신호의 시간적 선후관계 및 chirp pulse 압축을 통해서, 방위방향(azimuth direction; 날아가는 방향)으로는 센서의 움직임으로 인해 발생되는 위치변화 및 도플러 정보를 이용한 신호처리를 통해 2차원의 영상이 생성된다.
빈의 변위법칙에 의하면 해수는 어떤 특징이 있는가?
하지만 자연계에 존재하는 대부분의 물체는 완전 흑체가 아니므로 물체에 따른 방사율(emissivity)이 곱해진 형태의 에너지 분포를 가진다. 빈의 변위법칙(Wein’s displacement law)에 의하면 지구의 평균온도에서는 약 10 µm 부근에서 가장 높은 에너지 방출을 나타내게 되며, 이 파장대역에서 해수의 방사율은 약 0.98로서(Wu and Smith, 1997) 거의 흑체에 가까운 물체이므로 플랑크 법칙과 방사율을 이용하여 해수로부터 방출되는 에너지 양을 측정하면 그 해수의 온도(수온)를 측정할 수 있다. 다음은 이를 위한 슈테판-볼츠만의 법칙을 나타낸다.
기하 보정된 열적외선 영상들을 구글어스 위에 오버레이한 그림의 특징은 무엇인가?
6은 앞서 설명한 기법을 이용하여 기하 보정된 열적외선 영상들을 구글어스 위에 오버레이한 그림이다. 이 그림에서 색깔로 표현된 온도는 물체 자체의 일반적인 온도(kinetic temperature)가 아닌 지표의 겉보기 복사온도(apparent radiant temperature)를 나타낸다.
Fu, L.L. and B. Holt, 1982, Seasat views oceans and sea ice with synthetic aperture radar, NASA-JPL publication, 81-120.
Kara, A.B., A.J. Wallcraft, and H.E. Hurlburt, 2005, Sea surface temperature sensitivity to water turbidity from simulations of turbid black sea using HYCOM, J. Phys. Oceanogr., 35: 33-54.
Kim, D.J., W.M. Moon, and Y.S. Kim, 2010, Application of TerraSAR- X data for emergent oil-spill monitoring, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 48: 852-863.
Price, J.C., 1983, Estimating surface temperatures from satellite thermal infrared data - A simple formulation for the atmospheric effect, Remote sensing of environment, 13: 353-361.
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