[논문]CRISM 초분광 영상과 표적 탐지 알고리즘을 이용한 Spirit 로버 탐사 지역: Gusev Crater의 광물 분포 조사

백현섭; 김광은

doi:10.7780/kjrs.2016.32.5.1

CRISM 초분광 영상과 표적 탐지 알고리즘을 이용한 Spirit 로버 탐사 지역: Gusev Crater의 광물 분포 조사
The Investigation of Mineral Distribution at Spirit Rover Landing Site: Gusev Crater by CRISM Hyperspectral data and Target Detection Algorithm 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.32 no.5, 2016년, pp.403 - 412

백현섭 (과학기술연합대학원대학교 물리탐사공학과) , 김광은 (한국지질자원연구원)

초록
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Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars(CRISM)은 489개의 밴드를 가지는 화성정찰궤도선의 초분광 카메라로써 이를 이용한 화성 지표의 광물 분포에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 USGS의 스펙트럼 라이브러리를 기반으로 화성 Gusev Crater의 Spirit(Mars Exploration Rover A) 로버 착륙지에 대한 CRISM 영상에 Matched Filter와 Adaptive Cosine Estimator(ACE) 표적 탐지 알고리즘을 적용하여 광물 분포를 확인하고자 하였다. 연구 결과 감람석, 휘석, 자철석 등의 광물들이 Gusev 크레이터의 Columbia Hills에서 탐지되어 Spirit 로버의 지상 탐사 결과와 일치하고 있음을 확인하였다. 본 연구는 그간 CRISM의 광물 분포 연구가 일부 몇 개 밴드의 반사도만을 통해 계산된 광물 지수에 의존하던 것에서 관측 파장 대역 전체를 활용하는 초분광 표적 탐지 알고리즘을 이용한 새로운 적용방법을 제시한 것에 의의가 있다고 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars(CRISM) is 489-band hyperspectral camera of Mars Reconnaissance Orbiter(MRO) that provided data used on many mineral researches over Martian surface. For the detection of minerals in planet, mineral index using a few spectral bands have been used. In this study, we applied Matched Filter and Adaptive Cosine Estimator(ACE) target detection algorithm on CRISM data over Gusev Crater: landing site of Spirit(Mars Exploration Rover A) to investigate its mineral distribution. As a result, olivine, pyroxene, magnetite, etc. is detected at Gusev Crater's Columbia Hills. These results are corresponding to the Spirit rover's field survey result. It is expected that hyperspectral target detection algorithms can be used as effective and easy to use method for the detection and mapping of surface minerals in planet.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2007). 이 방법 또한 많은 연구 성과를 내 왔으나, 본 연구에서는 기존과 다른 접근법으로써 근래에 주목받고 있는 초분광 표적 탐지 연구 주제인 Matched Filter 등의 확률론적 표적 탐지 알고리즘을 CRISM 영상에 적용하는 새로운 방향을 제시 한 것에 의의가 있다.

가설 설정

8. (a) Goethite detection result by Matched filter; (b) Goethite detection result by ACE; Red means high detection score, blue means low score. All images are histogram equalized.
6. (a) Olivine detection result by Matched filter; (b) Olivine detection result by Adaptive Cosine Estimator (ACE); (c) Pyroxene Basalt detection result by Matched filter; (d) Pyroxene Basalt detection result by ACE; Red means high detection score, blue means low score. All images are histogram equalized.

제안 방법

대상 지역의 CRISM 영상에 미 지질조사소(USGS)의 광물 스펙트럼 라이브러리를 기준으로 광물 탐지를 시행하였으며, 이를 위해 스펙트럼 라이브러리의 반사도를 CRISM 각 밴드 파장에 맞게 선형 내삽법(linear interpolation)으로 변환하였다(Fig. 4). 이 변환된 광물 스펙트럼을 기준으로 CRISM 전체 밴드 영상 중 노이즈 밴드를 제외하고 Matched Filter 및 Adaptive Cosine Estimator(ACE) 표적 탐지 기법을 적용하여 광물을 탐지하였으며, 그 결과와 연구 대상 지역의 Digital Elevation Model(DEM)과 고해상도 영상을 통해 확인한 지형을 비교하였다.
수산화 철 광물 계열인 침철석은 USGS Spectral Library Goethite GDS134 스펙트럼을 기준으로 하여 표적 탐지를 하였으며, 그 결과는 Fig. 8과 같다. Matched Filter 결과인 Fig.
4). 이 변환된 광물 스펙트럼을 기준으로 CRISM 전체 밴드 영상 중 노이즈 밴드를 제외하고 Matched Filter 및 Adaptive Cosine Estimator(ACE) 표적 탐지 기법을 적용하여 광물을 탐지하였으며, 그 결과와 연구 대상 지역의 Digital Elevation Model(DEM)과 고해상도 영상을 통해 확인한 지형을 비교하였다.
이후 Spirit의 Mössbauer Spectrometer 지상 암석 샘플 분석 결과(Morris, Richard Vanet al., 2004; Squyres, Steven W. et al., 2004)와 대비하여 CRISM의 Matched Filter 및 ACE 표적 탐지 기법이 기존 결과와 부합하는지 확인하였다.
한편, 크레이터 지형과 연구 결과를 비교하기 위하여 Mars Express 탐사선의 스테레오 카메라인 HRSC(High Resolution Stereo Camera)의 75m 해상도 스테레오 영상추출 DEM을 사용하였다. 또한 연구 지역의 고해상도 영상을 얻기 위하여 화성정찰궤도선(Mars Reconnaissance Orbiter)의 6m 해상도 CTX(Context) 카메라의 화성 궤도선레이저고도계(MarsOrbiterLaserAltimeter:MOLA)의 DEM에 대한 정사 보정 영상과 0.

대상 데이터

3) 구조가 존재하고 있다. Spirit은 이 Columbia Hills 서북부 평원에 2004년 1월 4일 착륙하여 2009년 5월 1일까지 남동쪽으로 7730.5 m를 전진한 뒤 Columbia Hills 내의 세립질 모래구덩이로 인한 마찰력 부족으로 움직이지 못해 정지연구로 전환, 2011년 11월 26일 전력부족으로 임무를 종료하였다(Fig. 2).
한편, 크레이터 지형과 연구 결과를 비교하기 위하여 Mars Express 탐사선의 스테레오 카메라인 HRSC(High Resolution Stereo Camera)의 75m 해상도 스테레오 영상추출 DEM을 사용하였다. 또한 연구 지역의 고해상도 영상을 얻기 위하여 화성정찰궤도선(Mars Reconnaissance Orbiter)의 6m 해상도 CTX(Context) 카메라의 화성 궤도선레이저고도계(MarsOrbiterLaserAltimeter:MOLA)의 DEM에 대한 정사 보정 영상과 0.25 m 해상도 High Resolution Image Science Experiment(HiRISE)의 HRSC DEM에 대한 정사 보정 영상이 보조자료로써 사용되었다.
본 연구의 대상 지역은 화성 동반구의 Gusev 크레이터로서(Fig. 1, Fig. 2a), 이는 14.53°S 175.52°E에 위치한 지름 약 140km의 크레이터이며, 중심에는 Columbia Hills라 명명된 Central Uplift(Fig. 3) 구조가 존재하고 있다.
5 우측). 이 중 노이즈 밴드를 제외함과 더불어 광물질의 분광스펙트럼 특성을 고려하여 100번(1184.85 nm) 밴드부터 299번(2496.53 nm) 밴드의 200개 밴드로 편집하여 사용하였다.
자료의 취득을 위해 미 항공우주국 (NASA)의 Planetary Data System을 이용하였다. 이를 통해 확보한 Spirit 조사지역의 CRISM 초분광 영상은 2008년 1월 3일 촬영된 FRT0000929F이며, 18 m 공간해상도를 가진다(Fig. 5 우측). 이 중 노이즈 밴드를 제외함과 더불어 광물질의 분광스펙트럼 특성을 고려하여 100번(1184.
자료의 취득을 위해 미 항공우주국 (NASA)의 Planetary Data System을 이용하였다. 이를 통해 확보한 Spirit 조사지역의 CRISM 초분광 영상은 2008년 1월 3일 촬영된 FRT0000929F이며, 18 m 공간해상도를 가진다(Fig.

이론/모형

본 연구에서는 화성정찰궤도선의 초분광 카메라인 CRISM의 영상을 이용하여 Spirit 로버의 탐사 지역에 대해 표적 탐지 알고리즘을 적용하였다. 감람석, 휘석 현무암, 자철석, 적철석, 침철석에 대한 탐지 결과 Columbia Hills는 고철질 광물과 자철석이 우세하게 검출됨을 확인하였다.

성능/효과

8과 같다. Matched Filter 결과인 Fig. 8a의 결과는 저지대에 비해 고지대인 Columbia Hills에서 침철석이 더 높은 비율로 측정되었으나, Fig. 8b의 ACE 방식의 표적 탐지 결과는 Columbia Hills 남서부 지역에서 일부 검출되나 뚜렷한 해석을 하기 어려웠다. 또한, 침철석이 철광물에 물이 직접적으로 유입, 풍화되며 형성되는 것임을 생각해볼 때, 침철석이 저지대보다 고지대에서 우세한 본 Matched filter 결과 또한 해석하기 어려워 보인다.
6과 같다. USGS spectral library의 OlivineGDS70.a GSB 165 um 스펙트럼을 기준으로 CRISM 영상의 감람석 표적 탐지 결과 Fig. 6a, 6b에서 보이는 것과 같이 Matched filter와 ACE 모두 Columbia Hills 부근에서 감람석이 주변부에 비해 상대적으로 높은 비율로 탐지되었다. 더불어 주변의 소규모 크레이터에서도 감람석이 탐지 되었다.
본 연구에서는 화성정찰궤도선의 초분광 카메라인 CRISM의 영상을 이용하여 Spirit 로버의 탐사 지역에 대해 표적 탐지 알고리즘을 적용하였다. 감람석, 휘석 현무암, 자철석, 적철석, 침철석에 대한 탐지 결과 Columbia Hills는 고철질 광물과 자철석이 우세하게 검출됨을 확인하였다. 이 결과는 Columbia Hills가 심부 지각 성분이 우세한 지역이며, 크레이터 생성 당시의 central uplift에 의한 것으로 해석할 수 있었다.
이 결과는 Columbia Hills가 심부 지각 성분이 우세한 지역이며, 크레이터 생성 당시의 central uplift에 의한 것으로 해석할 수 있었다. 또한 Spirit 로버의 탐사 결과와 비교해볼 때, 해당 광물 검출 결과는 지상 샘플 분석 결과와 일치하는 것으로 사료된다. 따라서 CRISM 초분광 영상에 표적 탐지 알고리즘을 이용하는 방법으로도 광물 탐지를 할 수 있을 것으로 보인다.
이를 염두하여 본 연구의 각 광물 표적 탐지 결과를 해석해 보면, Spirit 로버가 향한 Columbia Hills의 고철질광물인 감람석과 휘석 현무암의 표적 탐지 결과는 Spirit 로버의 현장조사 결과와 부합하는 것으로 보인다. 또한, 철 이온의 함량 비율로부터 추정해볼 때, Columbia Hills에서 3가 철 이온에 의한 적철석보다는 2가 철 이온이 주를 이루는 자철석과 침철석이 더 우세한 방향으로 CRISM 영상에서 표적 탐지된 것을 설명할 수 있다.
7a, 7b의 자철석 탐지 결과에서 Columbia Hills 서남부와 같이 Matched Filter와 ACE가 상반되는 결과를 나타내는 지역도 연구 도중 일부 발견되었다. 이 지역의 자철석 탐지 결과 중 상반되는 결과를 나타낸 영역에 대해 가로 250 화소, 세로 150 화소의 관심영역을 설정하여 Fig. 9와 같이 Quantile-Quantile Plot을 작성해 본 결과 Matched filter의 자철석 탐지결과는 정규분포에 비교적 가깝게 일치하는 경향을 보였으나 ACE의 자철석 탐지결과는 정규분포에서 상당히 왜곡되어 나타나는 양상을 보여 두 알고리즘의 결과가 일치하지 않음을 확인하였다. 일반적으로 두 알고리즘은 그 경향성이 일치하기에 해당 지역의 분광학적 특성에 대한 추가 연구를 진행 할 예정이다.
, 2006). 이러한 퇴적작용으로 인해 크레이터의 깊이가 얕아진 상태이나, Gusev 크레이터의 중심부에서 형성된 central uplif는 저지대의 퇴적 및 고지대의 풍화에도 불구하고 Columbia Hills로 남아 주변 저지대보다 약 최고 150m 높은 고지대를 형성하였으며, 이를 위성영상과 DEM으로 확인할 수 있다(Fig. 5). 이 central uplift는 과거 운석 충돌 시 충격으로 인한 지표의 파동으로 크레이터 중심부의 암체가 융기된 것이다(Ivanov, B.
이를 염두하여 본 연구의 각 광물 표적 탐지 결과를 해석해 보면, Spirit 로버가 향한 Columbia Hills의 고철질광물인 감람석과 휘석 현무암의 표적 탐지 결과는 Spirit 로버의 현장조사 결과와 부합하는 것으로 보인다. 또한, 철 이온의 함량 비율로부터 추정해볼 때, Columbia Hills에서 3가 철 이온에 의한 적철석보다는 2가 철 이온이 주를 이루는 자철석과 침철석이 더 우세한 방향으로 CRISM 영상에서 표적 탐지된 것을 설명할 수 있다.

후속연구

단, 본 방식은 현재 정량적인 광물의 양 파악이 불가능하기에 상대량만을 파악할 수 있으며, 광물 스펙트럼의 기준으로써 CRISM CCD가 아닌 USGS의 분광기를 이용한 스펙트럼 라이브러리를 사용하였기 때문에 CRISM CCD의 스펙트럼을 찾아 이용하여야 할 것이다. 더불어서 Fig.
또한 Spirit 로버의 탐사 결과와 비교해볼 때, 해당 광물 검출 결과는 지상 샘플 분석 결과와 일치하는 것으로 사료된다. 따라서 CRISM 초분광 영상에 표적 탐지 알고리즘을 이용하는 방법으로도 광물 탐지를 할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구에서는 아직 CRISM 영상에 시도된 적이 없는 확률론적 표적 탐지 알고리즘을 적용하여 Spirit 착륙지인 화성 Gusev 크레이터 중심부의 광물 분포를 확인하고 지형과 비교 분석한 뒤, 이를 Spirit 로버의 현장 조사 결과와 비교하여 초분광 표적 탐지 알고리즘의 적용 가능성을 확인, 추가 연구로 확장시켜 나가고자 한다.
9와 같이 Quantile-Quantile Plot을 작성해 본 결과 Matched filter의 자철석 탐지결과는 정규분포에 비교적 가깝게 일치하는 경향을 보였으나 ACE의 자철석 탐지결과는 정규분포에서 상당히 왜곡되어 나타나는 양상을 보여 두 알고리즘의 결과가 일치하지 않음을 확인하였다. 일반적으로 두 알고리즘은 그 경향성이 일치하기에 해당 지역의 분광학적 특성에 대한 추가 연구를 진행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CRISM MTRDR 영상은 어떠한 영역의 밴드로 구성되어 있는가?	이러한 추세에 따라서 2005년 발사된 미 항공우주국 (NASA)의 화성정찰궤도선(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)은 Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer (CRISM) 초분광 카메라를 탑재하여 현재까지 화성에서 초분광 영상을 이용한 원격탐사를 수행해오고 있다. CRISM MTRDR 영상은 6.55nm 분광해상도, 화소당 5-19m의 공간해상도를 가지며 가시광 영역부터 열적외선 영역(362 nm - 3920 nm)의 489개 반사율 밴드로 구성되어 있다(Murchie et al., 2007).
	CRISM이란?	Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars(CRISM)은 489개의 밴드를 가지는 화성정찰궤도선의 초분광 카메라로써 이를 이용한 화성 지표의 광물 분포에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 USGS의 스펙트럼 라이브러리를 기반으로 화성 Gusev Crater의 Spirit(Mars Exploration Rover A) 로버 착륙지에 대한 CRISM 영상에 Matched Filter와 Adaptive Cosine Estimator(ACE) 표적 탐지 알고리즘을 적용하여 광물 분포를 확인하고자 하였다.
	초분광 센서를 이용한 연구가 활발해진 이유는 무엇인가?	최근 다양한 분야에서 초분광 센서를 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 이유는 초분광영상은 높은 분광 해상도, 연속되는 밴드 파장 대역을 가지기에 표적의 분광 특성에 대한 미세한 연구가 가능하기 때문이다. 따라서 초분광 반사 스펙트럼을 토대로 표적 물질을 탐지하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다(Kim, 2015).

참고문헌 (9)

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Ivanov, B.A. A.T. Bazilevskiy, and L.V. Sazonova, 1982. Formation of the central uplift in meteoritic craters. Meteoritika, 40: 60-81. (English technical translation, 1986, NASA TM-88427)
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Morris, R.V., R. V. Morris, G. Klingelhofer, B. Bernhardt, C. Schroder, D.S. Rodionov, P.A. de Souza Jr., A. Yen, R. Gellert, E.N. Evlanov, J. Foh, E. Kankeleit, P. Gutlich, D.W. Ming, F. Renz, T. Wdowiak, S.W. Squyres, and R.E. Arvidson, 2004. Mineralogy at Gusev Crater from the Mossbauer spectrometer on the Spirit Rover. Science, 305(5685): 833-836.

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Murchie, S., R. Arvidson, P. Bedini, K. Beisser, J.P. Bibring, J. Bishop, J. Boldt, P. Cavender, T. Choo, R.T. Clancy, E.H. Darlington, D.D. Marais, R. Espiritu, D. Fort, R. Green, E. Guinness, J. Hayes, C. Hash, K. Heffernan, J. Hemmler, G. Heyler, D. Humm, J. Hutcheson, N. Izenberg, R. Lee, J. Lees, D. Lohr, E. Malaret, T. Martin, J.A. McGovern, P. McGuire, R. Morris, J. Mustard, S. Pelkey, E. Rhodes, M. obinson, T. Roush, E. Schaefer, G. Seagrave, F. Seelos, P. Silverglate, S. Slavney, M. Smith, W.J. Shyong, K. Strohbehn, H. Taylor, P. Thompson, B. Tossman, M. irzburger, and M. Wolff, 2007. Compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars(CRISM) on Mars reconnaissance orbiter(MRO). Journal of Geophysical Research: Planets, 112: E05S03.
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Squyres, S.W., R.E. Arvidson, J.F. Bell III, J. Bruckner, N.A. Cabrol, W. Calvin, M.H. Carr, P.R. Christensen, B.C. Clark, L. Crumpler, D.J. Des Marais, C. d'Uston, T. Economou, J. Farmer, W. Farrand, W. Folkner, M. Golombek, S. Gorevan, J.A. Grant, R. Greeley, J. Grotzinger, L. Haskin, K.E. Herkenhoff, S. Hviid, J. Johnson, G. Klingelhofer, A. Knoll, G. Landis, M. Lemmon, R. Li, M.B. Madsen, M.C. Malin, S.M. McLennan, H.Y. McSween, D.W. Ming, J. Moersch, R.V. Morris, T. Parker, J.W. Rice Jr., L. Richter, R. Rieder, M. Sims, M. Smith, P. Smith, L.A. Soderblom, R. Sullivan, H. Wanke, T. Wdowiak, M. Wolff, and A. Yen, 2004. The Spirit rover's Athena science investigation at Gusev crater, Mars. Science, 305(5685): 794-799.

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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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