Hong, Suk Young
(Climate Change and Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science, RDA)
,
Park, Hye-Jin
(Department of Earth Environment System, Pusan National University)
,
Jang, Keunchang
(Center for Forest & Climate Change, Korea Forest Research Institute)
,
Na, Sang-Il
(Climate Change and Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science, RDA)
,
Baek, Shin-Chul
(Climate Change and Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science, RDA)
,
Lee, Kyung-Do
(Climate Change and Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science, RDA)
,
Ahn, Joong-Bae
(Department of Earth Environment System, Pusan National University)
To understand the impact of 2015 spring drought on crop production of DPRK (Democratic People's Republic of Korea), we analyzed satellite and weather data to produce 2015 spring outlook of rice paddy field and rice growth in relation to weather anomaly. We defined anomaly of 2015 for weather and NDV...
To understand the impact of 2015 spring drought on crop production of DPRK (Democratic People's Republic of Korea), we analyzed satellite and weather data to produce 2015 spring outlook of rice paddy field and rice growth in relation to weather anomaly. We defined anomaly of 2015 for weather and NDVI in comparison to past 5 year-average data. Weather anomaly layers for rainfall and mean temperature were calculated based on 27 weather station data. Rainfall in late April, early May, and late May in 2015 was much lower than those in average years. NDVI values as an indicator of rice growth in early June of 2015 was much lower than in 2014 and the average years. RapidEye and Radarsat-2 images were used to monitor status of rice paddy irrigation and transplanting. Due to rainfall shortage from late April to May, rice paddy irrigation was not favorable and rice planting was not progressed in large portion of paddy fields until early June near Pyongyang. Satellite images taken in late June showed rice paddy fields which were not irrigated until early June were flooded, assuming that rice was transplanted after rainfall in June. Weather and NDVI anomaly data in regular basis and timely acquired satellite data can be useful for grasping the crop and land status of DPRK, which is in high demand.
To understand the impact of 2015 spring drought on crop production of DPRK (Democratic People's Republic of Korea), we analyzed satellite and weather data to produce 2015 spring outlook of rice paddy field and rice growth in relation to weather anomaly. We defined anomaly of 2015 for weather and NDVI in comparison to past 5 year-average data. Weather anomaly layers for rainfall and mean temperature were calculated based on 27 weather station data. Rainfall in late April, early May, and late May in 2015 was much lower than those in average years. NDVI values as an indicator of rice growth in early June of 2015 was much lower than in 2014 and the average years. RapidEye and Radarsat-2 images were used to monitor status of rice paddy irrigation and transplanting. Due to rainfall shortage from late April to May, rice paddy irrigation was not favorable and rice planting was not progressed in large portion of paddy fields until early June near Pyongyang. Satellite images taken in late June showed rice paddy fields which were not irrigated until early June were flooded, assuming that rice was transplanted after rainfall in June. Weather and NDVI anomaly data in regular basis and timely acquired satellite data can be useful for grasping the crop and land status of DPRK, which is in high demand.
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문제 정의
북한의 봄 가뭄 보도에 대해 판단할 수 있는 객관적인 자료를 생산하여 향후 미치는 영향에 대해 전망하기 위해 본 연구에서는 위성영상과 기상자료를 이용하여 작물의 생육 및 농경지 관측 정보를 주기적으로 처리하여 2015년 봄철 북한의 작황 정보를 생산하고 그 결과를 보고하고자 한다.
제안 방법
2014년과 2015년 5월 말과 6월 초에 각각 촬영된 평양 인근의 RapidEye 및 Radarsat-2 영상을 육안 판독하여 벼와 옥수수 재배지인 강남 지역에 대해 모내기 현황을 살펴보았다. 두 영상의 판독 결과를 종합하면 4월 하순~5월의 강수 부족으로 5월 하순~6월 초순 벼 이앙기에는 정상적으로 물대기를 하지 못해 벼를 심을 수 없었고, 6월 초순과 중순의 강수에 힘입어 늦게 물대기를 하여 벼를 심은 것으로 나타났다.
2014년과 2015년 이앙기 및 분얼기에 해당하는 시기에 촬영된 Radarsat-2 영상을 통해서 같은 지역의 모내기 현황을 살펴보았다. 레이더 영상에서 물의 후방산란계수는 다른 지표면 물체보다 값이 낮아 검게 나타난다.
Aqua MODIS의 MYD13Q1 산출물의 자료 처리를 통해 작성한 NDVI 값을 중심으로 북한의 벼논의 생육변화를 살펴보았다. Hong et al.
Aqua MODIS의 MYD13Q1 산출물의 자료 처리를 통해 작성한 NDVI 값을 중심으로 북한의 벼논의 생육변화를 살펴보았다. Hong et al. (2012a)의 연구 결과 작성된 북한 전역의 논 분포 지도를 이용하여, 북한의 3월 30일, 4월 15일, 5월 1일, 5월 17일, 6월 1일의 NDVI 영상을 마스킹하여 논 지역의 NDVI 값에 대한 아노말리 분포도를 작성하였다 (Fig. 4). 아노말리 영상은 2015년 NDVI 값에서 평년 NDVI 값을 뺀 후, 그 값이 –0.
do)에서 제공하고 있는 북한의 27개 관측소에서 수집되는 2010~2014년 기상자료와 2015년 1월부터 6월 하순까지의 3시간 간격 최저‧최고 기온과 강수량 자료를 수집하였다. IDL (Interactive Data Language)을 이용하여 3시간 간격의 기상자료를 import하고 경위도 WGS 84 좌표계를 등록하여 일별 자료로 작성하였다. 관측 지점의 값을 전국 자료로 확장하기 위해 Barnes 기법 (Barnes, 1964)을 이용하여 일별 기상자료가 미계측 지점에 대해서도 값을 갖도록 10 km 격자 간격으로 객관 분석을 수행하였다(Ahn et al.
북한자료 생산을 위한 알고리즘은 Fortran과 NCL (NCAR Command Language)를 바탕으로 실행 프로그램을 작성하였다. 경위도 WGS 84 좌표로 투영된 10 km 격자 크기의 기상자료를 다시 IDL을 이용하여 import 하여 일별 평균온도와 강수량 격자지도를 제작하여 추후 적산온도 계산 및 아노말리1) (anomaly) 분석에 활용하였다.
공간해상도가 낮은 MODIS NDVI (250 m) 영상을 통해서는 필지단위 벼논의 영농 현황을 파악하기 힘들기 때문에 공간해상도가 비교적 높은 RapidEye (7 m) 및 Radarsat-2 (5 m)를 이용하여 평양 인근 강남 지역 벼논의 모내기 현황을 살펴보았다.
기상 및 벼 생육 아노말리 정보 순별 기상과 식생에 대한 아노말리를 각각 정의하고 작물의 생육, 파종 및 정식, 이앙을 위해 중요한 시기인 3월 및 5월을 중심으로 시‧공간적인 분포를 나타내는 아노말리 지도를 작성하였다. 평년은 당해 연도를 기준으로 과거 5년인 2010~2014년으로 하였다.
, 2010). 북한자료 생산을 위한 알고리즘은 Fortran과 NCL (NCAR Command Language)를 바탕으로 실행 프로그램을 작성하였다. 경위도 WGS 84 좌표로 투영된 10 km 격자 크기의 기상자료를 다시 IDL을 이용하여 import 하여 일별 평균온도와 강수량 격자지도를 제작하여 추후 적산온도 계산 및 아노말리1) (anomaly) 분석에 활용하였다.
아노말리 영상은 2015년 NDVI 값에서 평년 NDVI 값을 뺀 후, 그 값이 –0.125보다 작으면 매우 불량 (large decrease), -0.125와 -0.05 사이에 있으면 불량 (small decrease), -0.05와 0.05 사이에 있으면 변화 없음 (no change), 0.05와 0.125 사이에 있으면 양호 (small increase), 0.125 이상이면 매우 양호 (large increase)로 정하였다.
gov)에서 HDF 파일 형태의 MYD 13Q1 산출물을 내려받아 NDVI 레이어를 활용하였다. 영상 자료 배포 좌표계인 WGS-84 Sinusoildal을 WGS-84 경위도 좌표로 변환하고 환산계수 (scaling factor)를 적용하여 NDVI 영상을 제작하였다. 원시영상으로부터 NDVI 영상 제작에는, 대량의 데이터를 좌표변환 작업까지 일괄 적용하여 효과적으로 진행할 수 있도록 농촌진흥청이 자체적으로 MODIS 전처리 프로그램을 개발하여 활용하였다 (RDA, 2011).
위성영상을 이용한 벼논 모내기 현황 파악 북한의 평양 인근 벼와 옥수수를 많이 재배하는 강남지역을 중심으로 광학영상을 제공하는 RapidEye 위성과 레이더 영상을 제공하는 Radarsat-2 위성에서 취득한 2014년과 2015년의 영상을 육안 판독하여 벼논의 모내기 현황과 농경지 인근 저수지의 수표면 변화를 비교해 보았다.
접근이 힘든 지역에 대한 주기적‧광역적 정보 획득 수단으로 유용하게 활용되고 있는 위성 원격탐사 기술과 기상 관측 자료를 이용하여 북한에 대한 봄철 기상 현황과 벼논 모내기 현황 및 생육 상황을 분석하였다. 맥류의 수잉기, 개화·출수기에 해당하고, 본격적인 옥수수 파종‧이식, 감자의 생육, 콩 파종기인 5월은 상순과 하순에 평년에 비해 강수량이 평년의 100% 이하로 매우 적게 나타났고 평균온도는 하순에 특히 지역별로 0.
대상 데이터
MODIS 영상은 미국 USGS Data Pool의 FTP 사이트(http://earthexplorer.usgs.gov)에서 HDF 파일 형태의 MYD 13Q1 산출물을 내려받아 NDVI 레이어를 활용하였다. 영상 자료 배포 좌표계인 WGS-84 Sinusoildal을 WGS-84 경위도 좌표로 변환하고 환산계수 (scaling factor)를 적용하여 NDVI 영상을 제작하였다.
RapidEye 및 Radarsat-2 영상은 Hong et al. (2012a)이 북한의 벼논 면적 산정을 위해 사용했던 RapidEye 북한 전역 합성 영상을 기준 영상으로 하여 image-to-image 좌표 등록하였다.
기상 아노말리 작성을 위한 기상 관측자료 기반 공간내 삽 2015년과 비교하기 위한 평년 자료로 사용하기 위해 기상청 국가기후데이터 센터 (http://sts.kma.go.kr/jsp/home/contents/main/main.do)에서 제공하고 있는 북한의 27개 관측소에서 수집되는 2010~2014년 기상자료와 2015년 1월부터 6월 하순까지의 3시간 간격 최저‧최고 기온과 강수량 자료를 수집하였다. IDL (Interactive Data Language)을 이용하여 3시간 간격의 기상자료를 import하고 경위도 WGS 84 좌표계를 등록하여 일별 자료로 작성하였다.
위성자료를 이용한 벼 생육 정보 작성 국가단위 작황 모니터링에 많이 활용되고 있는 미국의 Aqua MODIS 위성영상의 육상 산출물 중 250 m의 공간해상도, 16일 간격으로 제공되는 NDVI (MYD13Q1) 값을 사용하여 북한의 벼논의 생육정보 해석에 활용하였다. MYD13Q1은 MYD09 반사도(reflectance) 데이터를 입력 자료로 하여 식 1의 알고리즘을 적용하여 NDVI 값을 산출하고, 구름 보정 및 시공간 합성 과정을 거쳐 16일 합성 데이터를 제작한다.
데이터처리
밤낮, 구름의 여부에 관계없이 영상을 취득할 수 있어 촬영 일을 미리 계획할 수 있고 실패율이 낮은 장점이 있다. 다중편파 중 HH-편파를 본 연구에 사용하였고 GAMMA software 프로그램 (GAMMA Remote Sensing Inc.)을 이용하여 전처리 및 후방산란계수 영상을 산출하였다.
이론/모형
IDL (Interactive Data Language)을 이용하여 3시간 간격의 기상자료를 import하고 경위도 WGS 84 좌표계를 등록하여 일별 자료로 작성하였다. 관측 지점의 값을 전국 자료로 확장하기 위해 Barnes 기법 (Barnes, 1964)을 이용하여 일별 기상자료가 미계측 지점에 대해서도 값을 갖도록 10 km 격자 간격으로 객관 분석을 수행하였다(Ahn et al., 2002; Ahn et al., 2010). 북한자료 생산을 위한 알고리즘은 Fortran과 NCL (NCAR Command Language)를 바탕으로 실행 프로그램을 작성하였다.
성능/효과
2014년과 2015년 5월 말과 6월 초에 각각 촬영된 평양 인근의 RapidEye 및 Radarsat-2 영상을 육안 판독하여 벼와 옥수수 재배지인 강남 지역에 대해 모내기 현황을 살펴보았다. 두 영상의 판독 결과를 종합하면 4월 하순~5월의 강수 부족으로 5월 하순~6월 초순 벼 이앙기에는 정상적으로 물대기를 하지 못해 벼를 심을 수 없었고, 6월 초순과 중순의 강수에 힘입어 늦게 물대기를 하여 벼를 심은 것으로 나타났다.
올해의 경우엔 6월 20일에도 물 특성이 그대로 나타나는 것으로 보아 벼 이앙 시기가 늦었고 아직 군락이 형성되지 않았을 것으로 생각되었다. 따라서, 2015년 봄철 강수량 부족으로 이앙이 늦어진 논의 벼 초기 생육은 작년보다 매우 늦어 영양생장 기간이 전반적으로 짧아질 것으로 예상되었다.
맥류의 수잉기, 개화·출수기에 해당하고, 본격적인 옥수수 파종‧이식, 감자의 생육, 콩 파종기인 5월은 상순과 하순에 평년에 비해 강수량이 평년의 100% 이하로 매우 적게 나타났고 평균온도는 하순에 특히 지역별로 0.5~3℃ 높게 나타났다.
5월 하순부터 6월 초 이앙 후 벼논의 NDVI 값이 평년이나 2014년에 비해 낮게 나타날 수 있는 경우는 세가지 정도로 추정해 볼 수 있다. 첫째, 논에 밀 등 동계작물이 자라고 있는 경우에는 그 생육의 차이로 볼 수 있고 둘째, 벼를 이앙한 경우에는 벼의 생육의 차이로 볼 수 있으며 셋째, 물부족으로 모내기를 하지 못한 경우로 인한 NDVI 값의 차이라고 생각할 수 있다. 북한 전역에 대한 동계작물 재배지나 모내기 하지 못한 논은 분류되어 있지 않아 정확한 평가는 힘든 실정이다.
이 시기는 맥류의 재생기~등숙기에 해당하는데 평년에 비해 특히 평안북도, 강원도, 함경북도의 강수량이 적었다. 평균온도는 전반적으로 높았는데 특히 황해남북도와 평안도가 높았던 것으로 나타났다.
후속연구
북한의 작물 생산량 추산을 위해서는 넓은 지역에 대해 주기적으로 얻을 수 있는 위성영상과 기상정보에 대한 해석으로 작물의 생육단계별로 생육상황과 기상정보를 제공한다면 작황 전망에 많은 도움이 될 것으로 생각된다. 위성에서 얻어지는 기상자료를 함께 이용한다면 27개 기상관측지점 이외의 미계측 지점에 대한 정보도 보완할 수 있을 것으로 생각된다.
북한의 작물 생산량 추산을 위해서는 넓은 지역에 대해 주기적으로 얻을 수 있는 위성영상과 기상정보에 대한 해석으로 작물의 생육단계별로 생육상황과 기상정보를 제공한다면 작황 전망에 많은 도움이 될 것으로 생각된다. 위성에서 얻어지는 기상자료를 함께 이용한다면 27개 기상관측지점 이외의 미계측 지점에 대한 정보도 보완할 수 있을 것으로 생각된다.
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