[논문]시계열 MODIS 영상자료를 이용한 산림의 연간 탄소 흡수량 지도 작성

차수영; 피웅환; 박종화

doi:10.7780/kjrs.2013.29.5.7

시계열 MODIS 영상자료를 이용한 산림의 연간 탄소 흡수량 지도 작성
Mapping and estimating forest carbon absorption using time-series MODIS imagery in South Korea 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.29 no.5, 2013년, pp.517 - 525

차수영 (서울대학교 아시아에너지지속가능발전연구소) , 피웅환 (삼성종합기술원) , 박종화 (서울대학교 환경대학원)

초록
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매일 단위로 수신되는 MODIS 인공위성자료를 이용하여 계산한 시계열 식생지수 자료는 1년 주기의 생물계절 특성을 나타내는 복잡한 파형으로 표현될 수 있다. 이러한 복잡한 파형도 단순한 파형의 합성으로 이루어지는데 이산 퓨리에 변환 분석 기법은 이들을 각각의 하모닉들로 추출해 내어 다양한 주기별로 생육을 달리하는 식생의 특성을 설명할 수 있다. 특히 이산 퓨리에 분석을 통해 도출된 시계열 식생지수 자료의 1차 하모닉 값은 1년 동안 변화하는 총 잎의 생장량을 나타내는 것으로써 나무의 상대성장회귀식 추정에 의해 식생이 1년 동안 탄소를 흡수한 양을 나타내는 지상부 바이오매스양을 설명한다. 따라서 1차 하모닉 값의 변화량은 1년 동안 식생이 탄소를 흡수하는 양을 나타낸다고 할 수 있는데, 시계열 MODIS 자료에서 추출된 6220여개의 표본들의 1차 하모닉 10년 평균값과 산림청의 입목 축적량 데이터를 통해 추정된 연간 단위면적당 이산화탄소 흡수량을 이용하여 수종별 비례상수를 도출할 수 있었다. 남한 산림지역에 한하여 총 이산화탄소 흡수량은 2000년 이후 10년 평균 약 5천6백만톤으로 계산되었고 이것은 발표된 남한 산림의 연간 이산화탄소 흡수량에 근접하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 보편적 비례상수를 이용하여 식생의 연간 탄소 흡수량을 추정함으로써 시계열 위성영상 자료를 이용하여 매년 변화하는 산림의 이산화탄소 흡수량 지도를 반복하여 정량적으로 제작할 수 있는 환경공간정보를 제공한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Time-series data of Normal Difference Vegetation Index (NDVI) obtained by the Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) satellite imagery gives a waveform that reveals the characteristics of the phenology. The waveform can be decomposed into harmonics of various periods by the Fourier transformation. The resulting $n^{th}$ harmonics represent the amount of NDVI change in a period of a year divided by n. The values of each harmonics or their relative relation have been used to classify the vegetation species and to build a vegetation map. Here, we propose a method to estimate the annual amount of carbon absorbed on the forest from the $1^{st}$ harmonic NDVI value. The $1^{st}$ harmonic value represents the amount of growth of the leaves. By the allometric equation of trees, the growth of leaves can be considered to be proportional to the total amount of carbon absorption. We compared the $1^{st}$ harmonic NDVI values of the 6220 sample points with the reference data of the carbon absorption obtained by the field survey in the forest of South Korea. The $1^{st}$ harmonic values were roughly proportional to the amount of carbon absorption irrespective of the species and ages of the vegetation. The resulting proportionality constant between the carbon absorption and the $1^{st}$ harmonic value was 236 tCO2/5.29ha/year. The total amount of carbon dioxide absorption in the forest of South Korea over the last ten years has been estimated to be about 56 million ton, and this coincides with the previous reports obtained by other methods. Considering that the amount of the carbon absorption becomes a kind of currency like carbon credit, our method is very useful due to its generality.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구는 이산 퓨리에 변환 분석의 하모닉 기법을 매일 단위로 획득되는 시계열 MODIS 위성영상 식생지수 자료를 이용하여 매년 변화하는 지상부 바이오매스를 추정하여 남한 산림의 연간 이산화탄소 흡수량을 계산하고 탄소지도를 제작하는 할 수 있는 정량적인 기법을 개발하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

본 연구는 퓨리에 분석을 통해 도출된 시계열 식생지수 자료의 1차 하모닉 값을 1년 단위의 생육주기를 가지는 산림의 연간 이산화탄소 흡수량을 추정하는데 사용하기 위해 남한 산림의 주요 수종에서 측정된 연간 단위 면적(ha)당 표준 이산화탄소량 흡수량 현장조사와의 상관성을 분석하여 산림 수종에 상관없이 한반도 산림 면적 전체에 대하여 이산화탄소 흡수량을 정량적으로, 반복적으로 추정하고 지도화 하는 것이 가능함을 검증하였다. 이 방법은 시계열 MODIS 위성영상과 현장 관측치 자료를 연동하여 산림 수종에 상관없이 보편적인 비계상수를 도출하여 연간 산림 생산성을 추정하는 것인 간편하고 비용효율적인 방법임을 증명하였다.

대상 데이터

1일(Daily) 단위로 제공되는 MODIS 식생지수 산출물(MOD13Q1) 자료는 데이터의 에러를 제거하고 자료처리 효율을 위하여 8일, 16일, 30일 등의 자료로 합성하여 제공하고 있는데 본 연구에서는 16일 합성자료를 이용하였다. 이 자료는 매년 1월1일을 기준으로 16일 간격으로 제공되는데 16일 동안의 식생지수 값 중 가장 높은 값을 가장 정확한 값으로 보고 그 값을 취하는 Maximum Value Composite (MVC) 기법으로 처리되어 있다.
남한 산림의 주요 8대 수종-신갈나무와 소나무림을 주종으로 한 상수리나무, 편백, 낙엽송, 리기나소나무, 잣나무에서 측정된 임목축적량을 바탕으로 바이오매스 환산계수를 이용하여 추정한 연간 단위면적(ha)당 표준 이산화탄소량 흡수량과 시계열 위성영상 자료의 퓨리에 변환을 이용하여 도출된 1차 하모닉 값과의 상관 비례식을 검증하기 위해서 총 6220개의 표본을 추출하였다(Fig. 4, Table 2).
1년에 걸쳐 식생지수의 변동을 나타내는 1차 하모닉 값은 식생에 의한 연간 이산화탄소 흡수량을 추정하는데 사용될 수 있고, 현장조사자료에 의해 측정된 참조자료와의 비교에 의해 검증되었다. 표본 자료를 이용하여 10년간의 MODIS 식생지수 자료의 퓨리에 분석을 통해 도출된 평균 1차 하모닉값과 실제 연간 이산화탄소 흡수량 자료와 비교하기 위해 우리나라 숲의 대부분을 차지하고 있는 임령인 30~40년생 수종을 대표하는 35년생을 이용하였다. 주요 수종별 10년 평균 1차 하모닉 값은 Table 3과 같고 남한지역의 주요 수종인 소나무와 신갈나무의 10년 평균 1차 하모닉 값은 각각 0.

데이터처리

1년에 걸쳐 식생지수의 변동을 나타내는 1차 하모닉 값은 식생에 의한 연간 이산화탄소 흡수량을 추정하는데 사용될 수 있고, 현장조사자료에 의해 측정된 참조자료와의 비교에 의해 검증되었다. 표본 자료를 이용하여 10년간의 MODIS 식생지수 자료의 퓨리에 분석을 통해 도출된 평균 1차 하모닉값과 실제 연간 이산화탄소 흡수량 자료와 비교하기 위해 우리나라 숲의 대부분을 차지하고 있는 임령인 30~40년생 수종을 대표하는 35년생을 이용하였다.

이론/모형

이 자료는 매년 1월1일을 기준으로 16일 간격으로 제공되는데 16일 동안의 식생지수 값 중 가장 높은 값을 가장 정확한 값으로 보고 그 값을 취하는 Maximum Value Composite (MVC) 기법으로 처리되어 있다. MVC 기법은 MODIS 자료와 같이 한반도 전체를 포함하고 매일 얻어지는 위성영상 자료를 이용할 때 대기의 영향이나 구름과 그 그림자로 인한 간섭을 최소화할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 이는 구름 등의 기상상황 등에 의해 식생지수 값이 실제보다 낮게 산정된 것을 배제시키기 위함이다.

성능/효과

식생의 생물계절 특징이 뚜렷이 구분되는 소나무(상록침엽수림)와 신갈나무(낙엽활엽수림)의 비례상수 값이 하나의 지점으로 수렴하는 것은 본 연구의 가장 중요한 결과이다. 왜냐하면 식생지수로 도출된 영상의 반사 값에 이러한 보편적 상관계수를 이용하여 산림면적을 적분함에 의해서 정량적으로 그리고 반복적으로 산림의 연간 이산화탄소 흡수량을 계산할 수 있다는 결론을 얻을 수 있기 때문이다.
본 연구는 퓨리에 분석을 통해 도출된 시계열 식생지수 자료의 1차 하모닉 값을 1년 단위의 생육주기를 가지는 산림의 연간 이산화탄소 흡수량을 추정하는데 사용하기 위해 남한 산림의 주요 수종에서 측정된 연간 단위 면적(ha)당 표준 이산화탄소량 흡수량 현장조사와의 상관성을 분석하여 산림 수종에 상관없이 한반도 산림 면적 전체에 대하여 이산화탄소 흡수량을 정량적으로, 반복적으로 추정하고 지도화 하는 것이 가능함을 검증하였다. 이 방법은 시계열 MODIS 위성영상과 현장 관측치 자료를 연동하여 산림 수종에 상관없이 보편적인 비계상수를 도출하여 연간 산림 생산성을 추정하는 것인 간편하고 비용효율적인 방법임을 증명하였다. 이러한 결과는 지역의 연간 이산화탄소 흡수량을 추정하는 것뿐만 아니라 탄소량을 객관적으로 비교하는 데 유용한 방법이 될 수 있다.

후속연구

이러한 결과는 지역의 연간 이산화탄소 흡수량을 추정하는 것뿐만 아니라 탄소량을 객관적으로 비교하는 데 유용한 방법이 될 수 있다. 이러한 산림 바이오매스 추정 방법은 합법적으로 교토의정서의 받아들여진 틀의 문맥에서뿐만 아니라 탄소계산과 지속 가능한 산림 관리를 위해서 결정적인 정보를 제공할 수 있으므로, 본 연구에서 제시한 환경공간정보는 최근 이슈화되고 있는 A/R CDM, REDD 체제에 맞춘 온실가스 인벤토리 작성 및 환경정책수립에 크게 기여할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MVC기법이란?	이 자료는 매년 1월1일을 기준으로 16일 간격으로 제공되는데 16일 동안의 식생지수 값 중 가장 높은 값을 가장 정확한 값으로 보고 그 값을 취하는 Maximum Value Composite (MVC) 기법으로 처리되어 있다. MVC기법은 MODIS 자료와 같이 한반도 전체를 포함하고 매일 얻어지는 위성영상 자료를 이용할 때 대기의 영향이나 구름과 그 그림자로 인한 간섭을 최소화할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 이는 구름 등의 기상상황 등에 의해 식생지수 값이 실제보다 낮게 산정된 것을 배제시키기 위함이다.
	현장 조사를 바탕으로 수목의 탄소량을 추정하는 방법에는 어떤 것이 있는가?	현장 조사를 바탕으로 수목의 탄소량을 추정하는 방법은 크게 육상생태계의 현존량과 연간성장량을 활용한 임목성장모형을 이용하는 것과(Ohtsuka et al., 2007), 플럭스 타워관측에 의한 평가 그리고, 산림대 수목을 직접 벌채하여 추정하는 직접 측정방법 등이 있고 동시에, 산림의 수종별 탄소흡수량에 대한 과학적인 연구를 바탕으로 위성영상 자료를 이용하여 지상부 바이오매스를 정량화 하고 현장조사 자료와 통합한 연구가 활발히 진행되고 있다(Huiyan et al., 2006; Blackyard et al.
	MODIS 식생지수 산출물(MOD13Q1) 자료는 어떤 기법으로 처리되어 있는가?	1일(Daily) 단위로 제공되는 MODIS 식생지수 산출물(MOD13Q1) 자료는 데이터의 에러를 제거하고 자료 처리 효율을 위하여 8일, 16일, 30일 등의 자료로 합성하여 제공하고 있는데 본 연구에서는 16일 합성자료를 이용하였다. 이 자료는 매년 1월1일을 기준으로 16일 간격으로 제공되는데 16일 동안의 식생지수 값 중 가장 높은 값을 가장 정확한 값으로 보고 그 값을 취하는 Maximum Value Composite (MVC) 기법으로 처리되어 있다. MVC기법은 MODIS 자료와 같이 한반도 전체를 포함하고 매일 얻어지는 위성영상 자료를 이용할 때 대기의 영향이나 구름과 그 그림자로 인한 간섭을 최소화할 수 있는 방법으로 알려져 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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