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문제 정의
- 본 연구에서는 독도 연안의 해저면 생태계 서식지 환경에 대한 지구물리 연구 결과들을 기반으로 통합 이미지화를 수행하고 3차원 중첩 주제도를 작성하고자 하였다. 독도 서도 남부 연안 해역에 대한 정밀 해저 지형도, 해저면 영상도와 고해상도 수중 영상 자료 결과들을 활용하였는데, 이는 3차원의 해저 지형 정보와 2차원의 해저면 영상과 환경 정보를 연계 분석하기 위함이다. 해저 지형 자료와 연계한 통합 이미지화 기법 수행을 위해 동일한 범위의 해저면 영상도를 작성하고, 주요 서식지 환경이 형성된 세 구역에서는 각 구역을 중심으로 15 m × 15 m 범위에 대해서 고해상도 수중 영상을 촬영 · 획득하였다.
- 본 연구에서는 대양의 축소판인 동해 내에서 독특한 연안 해양 환경을 형성하고 있는 독도 연안에 집중하여 통합 이미지화 기법을 활용한 독도 연안 해양 환경 자료들을 시각화하고 3차원 중첩 주제도 작성을 통한 맵핑 연구를 수행하고자 하였다. 독도 서도 남부 연안에서 획득한 정밀 해저 지형 자료를 기반으로 해저면 영상도 및 고해상도 수중 영상 자료를 활용하여 주제도 작성 및 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 독도 연안의 정밀 해저 지형 자료, 해저면 영상 자료와 고해상도 수중 영상을 활용한 통합 이미지화 연구를 목적으로, 정밀 해저지형 자료에 기반하여 해저면 영상 자료와 통합한 독도 연안 서식지 해저환경 3차원 중첩 주제도를 작성하였으며, 서도 남부 연안의 주요 서식지 환경 특성이 형성된 세 구역을 대상으로는 정밀 해저 지형 자료와 고해상도 수중 영상 자료를 통합하여 독도 연안 주요 서식지의 지형 특성에 따른 해양 생태계 서식지 환경 특성 3차원 중첩 주제도를 작성하였다. 통합 3차원 중첩 주제도 작성은 독도 서도 남부 연안의 약 250 m × 250 m (면적 약 0.
- 본 연구에서는 독도 연안의 해저면 생태계 서식지 환경에 대한 지구물리 연구 결과들을 기반으로 통합 이미지화를 수행하고 3차원 중첩 주제도를 작성하고자 하였다.
제안 방법
- SonarWiz 5 프로그램을 활용하여 원시 영상 자료의 변환(Import), 모자이크(Mosaic) 생성, DGPS 위치(좌표) 보정, 수주 기록(Water column) 보정 및 영상 보정(AGC(Automatic Gain Control), BAC(Beam Angle Correction), UGC(User-defined Gain Control), TVG (Time varied Gain)) 등의 후처리 프로세스를 수행하였다(SonarWiz 5, 2016).
- 고해상도 수중 영상은 수중 과학 잠수 조사에 의해 직접 촬영 · 획득한 영상으로, 이는 탐사를 수행한 당시의 해저면 환경 정보를 그대로 담고 있는 자료이다. 각 구역별로 약 1,000 여 장의 개별 영상을 촬영하고, 이를 모두 정합하여 주요 세 구역 해저면의 서식지 환경에 대한 암반이나 퇴적층의 상태, 주변에 서식하고 있는 생물 등 생태계 형성 환경에 관한 정보를 담은 자료로 표현한다. 이러한 실제 서식지 환경 특성 정보를 3차원의 지형 정보와 중첩 · 통합하여 지형, 지질 특성에 따른 해양 생태계 서식 특성의 연계분석 및 자료 제공이 가능한 결과물을 도출하였다.
- 해저면 영상도는 정밀 해저 지형도와 같은 범위의 영상을 Fledermaus FMGT 프로그램을 활용하여 지형 자료와 동일한 좌표체계로 변환 · 작성하고 지형도와 통합하였다. 고해상도 수중 영상 자료는 현장에서 획득한 구역별 모서리 좌표을 이용하여 Global Mapper 프로그램으로 정밀 해저 지형도와 동일한 좌표체계에 기반한 위치값을 부여하였다(Fig. 5). 맵핑 분석을 통한 통합 이미지화 연구는 해저면 지형의 높낮이, 굴곡 등을 3차원으로 표현하는 정밀 해저 지형도를 기반으로 특정 서식지 범위나, 동일한 범위의 2차원 환경 정보 영상 자료를 중첩 · 통합하는 연구 기법이다.
- 고해상도 수중 영상을 활용한 3차원 중첩 주제도는 정밀 해저 지형을 획득한 범위 내에서 주요 서식지 세 구역을 중심으로 작성하였는데, 약 15 m × 15 m 범위에 대한 자료를 활용하여 3차원 지형 자료와 실제 해저면 영상에 대한 통합 이미지화를 수행하였다(Fig. 7).
- 고해상도 수중영상은 주요 서식지 환경이 형성된 각 구역 내에서(총 세 구역) 약 1,000 여장의 개별 수중 영상을 획득하고, 각 개별 수중 영상을 구역별로 정합하여 15 m × 15 m 크기로 총 세 구역에 대한 고해상도 수중 영상을 작성하였다.
- 본 연구에서는 대양의 축소판인 동해 내에서 독특한 연안 해양 환경을 형성하고 있는 독도 연안에 집중하여 통합 이미지화 기법을 활용한 독도 연안 해양 환경 자료들을 시각화하고 3차원 중첩 주제도 작성을 통한 맵핑 연구를 수행하고자 하였다. 독도 서도 남부 연안에서 획득한 정밀 해저 지형 자료를 기반으로 해저면 영상도 및 고해상도 수중 영상 자료를 활용하여 주제도 작성 및 연구를 수행하였다. 통합 이미지화 기법을 활용한 연구는, 개별 결과 자료의 특성에 기반한 분석을 토대로 각 분석 결과들의 자료 활용도를 높이기 위한 연계 분석을 수행하는 방법이다(Pandian et al.
- 보정된 수심 자료를 기준으로 Fledermaus DMagic 프로그램에서 3차원 정밀 해저 지형도를 작성하고 동일한 좌표 체계 기반의 해저면 영상도와 고해상도 수중 영상을 정밀 해저 지형도와 일치하도록 중첩 · 통합하여 통합 3차원 중첩 주제도를 작성하였다.
- 최종 정합된 세 구역의 수중 영상은 정밀 해저 지형 자료와 연계시킨 통합 이미지화 처리를 위해 수심 자료에 적용되어 있는 좌표 체계를 기준으로 동일한 위치 값을 투영하기 위한 영 상 처리 과정을 수행하였다. 이는 Global Mapper 프로그램을 활용하여 원시 수중 영상에 대한 기하 보정(Geometric Correction) 작업을 수행하고, WGS 84 UTM zone 52 N 좌표 체계를 부여하였다.
- 이러한 실제 서식지 환경 특성 정보를 3차원의 지형 정보와 중첩 · 통합하여 지형, 지질 특성에 따른 해양 생태계 서식 특성의 연계분석 및 자료 제공이 가능한 결과물을 도출하였다.
- 이러한 지형 자료 결과의 분석 한계를 보완하고자, 연계 · 통합 분석을 수행하여 해저면 환경 정보를 담고 있는 해저면 영상도를 활용한 통합 이미지화를 수행하였다.
- 2). 정밀 수심 자료는 Kongsberg Maritime사의 천해용 다중빔 음향 측심기(Multibeam Echosounder) EM 3001 시스템을 활용하여 수심 측량을 수행하였다(Fig. 3). 운용주파수는 293, 300, 307 kHz 범위에서 운용 가능하며 주사각(Beam Swath)은 130° 범위, 한 번에 160개 빔의 주사가 가능하고, 수심 해상도는 약 1 cm, 최대 측량 가능 수심은 약 150 m까지 지원이 가능한 시스템으로 본 연구지역인 독도 연안에서 활용이 적합한 조사 장비이다.
- , 2013). 즉, 해저면의 지형 높낮이, 굴곡 등을 표현하는 정밀 해저 지형도의 3차원 자료 분석을 활용하여 환경 정보를 나타내는 해저면 영상도와 고해상도 수중 영상 자료들과 통합 이미지화 기법을 적용하였으며, 이를 통해 독도 연안의 해저면 지형 특성에 따른 독도 해양 생태계의 주요 서식지 해저 환경 정보를 동시에 분석 가능한 통합 시각화 자료를 제공하고자 하였다.
- 고해상도 수중영상은 주요 서식지 환경이 형성된 각 구역 내에서(총 세 구역) 약 1,000 여장의 개별 수중 영상을 획득하고, 각 개별 수중 영상을 구역별로 정합하여 15 m × 15 m 크기로 총 세 구역에 대한 고해상도 수중 영상을 작성하였다. 최종 정합된 세 구역의 수중 영상은 정밀 해저 지형 자료와 연계시킨 통합 이미지화 처리를 위해 수심 자료에 적용되어 있는 좌표 체계를 기준으로 동일한 위치 값을 투영하기 위한 영 상 처리 과정을 수행하였다. 이는 Global Mapper 프로그램을 활용하여 원시 수중 영상에 대한 기하 보정(Geometric Correction) 작업을 수행하고, WGS 84 UTM zone 52 N 좌표 체계를 부여하였다.
- SonarWiz 5 프로그램을 활용하여 원시 영상 자료의 변환(Import), 모자이크(Mosaic) 생성, DGPS 위치(좌표) 보정, 수주 기록(Water column) 보정 및 영상 보정(AGC(Automatic Gain Control), BAC(Beam Angle Correction), UGC(User-defined Gain Control), TVG (Time varied Gain)) 등의 후처리 프로세스를 수행하였다(SonarWiz 5, 2016). 통합 이미지화 주제도 작성 처리 과정에서는 정밀 해저 지형 자료와 같은 좌표체계(WGS 84 UTM zone 52 N)와 동일한 범위에 대한 해저면 영상 자료를 후처리하여 수심 자료와 통합 분석하였다.
- 해저 지형 자료와 연계한 통합 이미지화 기법 수행을 위해 동일한 범위의 해저면 영상도를 작성하고, 주요 서식지 환경이 형성된 세 구역에서는 각 구역을 중심으로 15 m × 15 m 범위에 대해서 고해상도 수중 영상을 촬영 · 획득하였다.
- 해저면 영상도는 정밀 해저 지형도와 같은 범위의 영상을 Fledermaus FMGT 프로그램을 활용하여 지형 자료와 동일한 좌표체계로 변환 · 작성하고 지형도와 통합하였다.
- 후보정 처리를 완료하고 작성한 정밀 해저 지형 자료, 해저면 영상 자료와 고해상도 수중 영상 자료들을 활용한 통합 이미지화를 수행하기 위해 QPS사의 Fledermaus 프로그램을 사용하였다. 보정된 수심 자료를 기준으로 Fledermaus DMagic 프로그램에서 3차원 정밀 해저 지형도를 작성하고 동일한 좌표 체계 기반의 해저면 영상도와 고해상도 수중 영상을 정밀 해저 지형도와 일치하도록 중첩 · 통합하여 통합 3차원 중첩 주제도를 작성하였다.
대상 데이터
- 고해상도 수중 영상은 수중 과학 잠수조사와 연계한 현장 조사 수행 과정에서 수중 과학 잠수조사 다이버에 의해 직접 촬영 · 획득하였다. 고해상도 수중 영상은 정밀 수심 자료를 획득한 범위 내에서 주요 서식지 환경 특성이 형성된 곳으로 수심에 따라 선별하여 서도 남부 세 구역에서 영상을 촬영하고 획득하였다. 수중 영상 자료는 각 구역마다 약 15 m × 15 m 크기 범위에서 촬영하였으며, 수심 약 12 m, 약 18 m, 약 23 m의 수심대에서 각각 촬영하였다.
- 독도 서도 남부 주변의 수심 약 50 m 범위의 연안 해역 내에서 정밀 수심 자료, 해저면 영상 자료(수중에서 양방향으로 음파를 발생시키는 음향 장비를 활용하여 수중이나 수중저에서 반사되어 온 음향신호를 영상으로 변환한 자료)와 고해상도 수중 영상(수중 과학 잠수조사 다이버가 고해상도 비디오카메라 및 촬영장치를 이용하여 해저면을 직접 촬영한 정지영상 자료)을 획득하였다. 자료 획득은 2015년 9월 1일부터 9월 5일까지 독도 서도 남부 연안에서 수행하였다.
- 수중 영상 자료는 각 구역마다 약 15 m × 15 m 크기 범위에서 촬영하였으며, 수심 약 12 m, 약 18 m, 약 23 m의 수심대에서 각각 촬영하였다.
- 독도 서도 남부 주변의 수심 약 50 m 범위의 연안 해역 내에서 정밀 수심 자료, 해저면 영상 자료(수중에서 양방향으로 음파를 발생시키는 음향 장비를 활용하여 수중이나 수중저에서 반사되어 온 음향신호를 영상으로 변환한 자료)와 고해상도 수중 영상(수중 과학 잠수조사 다이버가 고해상도 비디오카메라 및 촬영장치를 이용하여 해저면을 직접 촬영한 정지영상 자료)을 획득하였다. 자료 획득은 2015년 9월 1일부터 9월 5일까지 독도 서도 남부 연안에서 수행하였다. 한국해양과학기술원의 소형 연구선 장목2호(R/V Jangmok No.
- 통합 3차원 중첩 주제도 작성은 독도 서도 남부 연안의 약 250 m × 250 m (면적 약 0.04 km2) 해역 범위에서 수행하였다.
- 한국해양과학기술원의 소형 연구선 장목2호(R/V Jangmok No. 2)를 활용하였으며, 서도 섬 육지부와 바로 인접한 해역에서 부터 약 250 m × 250 m 범위의 자료를 획득하였다(Fig. 2).
- 운용주파수는 293, 300, 307 kHz 범위에서 운용 가능하며 주사각(Beam Swath)은 130° 범위, 한 번에 160개 빔의 주사가 가능하고, 수심 해상도는 약 1 cm, 최대 측량 가능 수심은 약 150 m까지 지원이 가능한 시스템으로 본 연구지역인 독도 연안에서 활용이 적합한 조사 장비이다. 해저면 영상 자료 획득은 Full Spectrum의 CHIRP Pulse Type을 지원하고, 400/900 kHz 또는 600/1600 kHz의 듀얼 주파수 운용이 가능한 EdgeTech사의 4125 Shallow Water Side Scan Sonar System을 활용하였다(Fig. 4). 고해상도 수중 영상은 수중 과학 잠수조사와 연계한 현장 조사 수행 과정에서 수중 과학 잠수조사 다이버에 의해 직접 촬영 · 획득하였다.
데이터처리
- 연계 · 중첩 분석 수행과 통합 3차원 중첩 주제도의 최종 작성은 3D/4D Visualization 처리, 분석 전문 프로그램인 Fledermaus(QPS)를 사용하였으며, 정밀 해저 지형도와 해저면 영상도, 고해상도 수중 영상 자료 결과들을 활용하였다.
- 정밀 수심 자료의 후처리 및 분석은 CARIS사의 Hips & Sips 프로그램으로 수행하였다.
- 해저면 영상 자료의 후처리 및 분석은 Chesapeake Technology사의 SonarWiz 5 프로그램을 활용하였다. SonarWiz 5 프로그램을 활용하여 원시 영상 자료의 변환(Import), 모자이크(Mosaic) 생성, DGPS 위치(좌표) 보정, 수주 기록(Water column) 보정 및 영상 보정(AGC(Automatic Gain Control), BAC(Beam Angle Correction), UGC(User-defined Gain Control), TVG (Time varied Gain)) 등의 후처리 프로세스를 수행하였다(SonarWiz 5, 2016).
성능/효과
- 운용주파수는 293, 300, 307 kHz 범위에서 운용 가능하며 주사각(Beam Swath)은 130° 범위, 한 번에 160개 빔의 주사가 가능하고, 수심 해상도는 약 1 cm, 최대 측량 가능 수심은 약 150 m까지 지원이 가능한 시스템으로 본 연구지역인 독도 연안에서 활용이 적합한 조사 장비이다.
- 6). 통합 3차원 중첩 주제도 작성 결과 지형 자료에서 확인되는 암반 및 퇴적물의 분포가 해저면 영상도의 결과와 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 서도와 바로 인접한 해역은 큰 암반들이 섬 육상부에서부터 연장되어 해저면까지 나타나고 있으며, 그 사이로는 작은 규모의 암반들이 불규칙하게 형성된 특징을 보이고 있다.
후속연구
- 특히 독도 주변 해역과 같이 복잡하고 다양한 연안 해양 환경이 형성되어 있으며, 그 변화 경향이 불규칙하고 복잡하고 환경 변화 주기가 짧은 특성이 나타나는 해역에서는 이러한 해저 지형 기반 자료와 실제적 환경 자료를 활용한 3차원 중첩 주제도 작성은 해양 환경 모니터링 자료로의 활용도가 높을 것이라 판단된다. 그러나 그 환경 변화 주기가 짧은 만큼 독도 연안 해역에 대한 주기적이고 지속적인 해저면 지형, 지질, 서식지 환경자료를 축적하여 연속적인 중첩 주제도 작성이 수반되어야 독도 연안 환경 모니터링 분석 자료로 신뢰성과 활용 가치가 한 단계 더 나아갈 수 있을 것이라 사료된다.
- 이러한 실제 서식지 환경 특성 정보를 3차원의 지형 정보와 중첩 · 통합하여 지형, 지질 특성에 따른 해양 생태계 서식 특성의 연계분석 및 자료 제공이 가능한 결과물을 도출하였다. 이는 실제 지형 자료에서 촬영 당시 서식지 환경을 나타내어 지형 특성에 따른 해저면의 환경을 분석하는데 활용도가 높을 것으로 판단된다.
- 실제 해저면을 촬영한 고해상도 수중 영상과 정밀 해저 지형도를 통합한 주제도는 해저 지형과 생태계 환경 정보를 맵핑하기 위한 분석으로, 이는 해조류나 성게 등의 실제 서식 영상 자료를 지형 자료에 연계하여 서식지의 분포 및 특성에 대한 정보를 활용하는데 유용한 자료이다. 즉, 통합 이미지화 기법을 적용한 3차원 중첩 주제도 작성은 독도 연안에서 획득한 개별 연구 결과 자료들의 특성을 기반으로 각 자료의 결과를 연계 분석하고 활용도를 높임으로써, 독도 연안 지질 환경에 대한 연구 성과를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 특히 독도 주변 해역과 같이 복잡하고 다양한 연안 해양 환경이 형성되어 있으며, 그 변화 경향이 불규칙하고 복잡하고 환경 변화 주기가 짧은 특성이 나타나는 해역에서는 이러한 해저 지형 기반 자료와 실제적 환경 자료를 활용한 3차원 중첩 주제도 작성은 해양 환경 모니터링 자료로의 활용도가 높을 것이라 판단된다.
- 정밀 해저 지형도의 3차원 지형 자료와 음영으로 해저면 환경 정보를 표현하는 해저면 영상도를 통합하여 이미지화를 수행하였는데, 이는 지형 특성에 따른 해저면 지질 환경 정보를 나타내는 3차원 중첩 주제도이다. 통합 작성한 주제도 는 해저 지형 자료에서 확인되는 암반의 분포 및 형태가 해저면 영상도의 해저면 환경 정보와 부합되어, 지형 정보와 더불어 암반 및 퇴적물 분포 등 환경 정보의 동시 분석이 가능한 자료로서 활용도가 더 높다고 할 수 있다. 실제 해저면을 촬영한 고해상도 수중 영상과 정밀 해저 지형도를 통합한 주제도는 해저 지형과 생태계 환경 정보를 맵핑하기 위한 분석으로, 이는 해조류나 성게 등의 실제 서식 영상 자료를 지형 자료에 연계하여 서식지의 분포 및 특성에 대한 정보를 활용하는데 유용한 자료이다.
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