[논문]극지 해양환경 관측 및 고위도 해색 검보정을 위한 초분광 HyperSAS 자료구축

이성재; 김현철

doi:10.7780/kjrs.2018.34.6.2.5

극지 해양환경 관측 및 고위도 해색 검보정을 위한 초분광 HyperSAS 자료구축
HyperSAS Data for Polar Ocean Environments Observation and Ocean Color Validation 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.6 pt.2, 2018년, pp.1203 - 1213

이성재 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소 북극해빙예측사업단) , 김현철 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소 북극해빙예측사업단)

초록
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북극해 및 남극해는 접근이 어려운 지역으로 해양환경 모니터링을 위해 원격탐사 기술을 이용한 관측이 효과적이다. 원격탐사 플랫폼인 인공위성, 무인기와 선박 등에 관측센서를 장착하여 연구지역의 환경변화를 모니터링하고 있지만 극지역의 다양한 환경에서는 시계열자료 및 광범위한 데이터가 필요하다. 특히 고위도 지역에서는 낮은 태양고도의 영향으로 광학원격탐사를 적용하기는 쉽지않다. 본 논문에서는 2010년도 부터 극지연구소 쇄빙연구선 아라온호에 초분광계 HyperSAS(Satlantic inc.)를 설치하여 연구항해 및 이동항해 동안 해수의 분광학적 정보를 연속적으로 획득하고, 극지 해색 원격탐사자료 성능개선을 위해 현장에서 해수샘플을 채수하며 수행하고 있는 연구를 소개한다. 해수 상부의 반사도와 현장 해수샘플링은 2010년부터 연속적으로 획득하고 있어 동일 지역에 대한 반사도의 시계열 변화를 모니터링할 수 있다. 또한 고위도에서부터 저위도까지 연속적으로 관측하여 위도별 반사도 값의 연속 변화를 파악할 수 있다. 본 논문에서 취득한 자료는 극지역에서 남극해, 북극해 해수의 반사도가 어떻게 변화하는지 이해하고, 반사도를 통한 엽록소, 부유물질 등의 다양한 인자를 추정하는 알고리즘 개발에 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Arctic and Antarctic ocean, remote sensing is the most effective observation for environmental changes due to the inaccessibility of the regions. Even though satellite, UAV (Unmanned Aerial Vehical) are well known remote sensing platforms, and research vessel also used for automatic measurement on the regions, varied environment of Polar regions require time series and wide coverage of data. Especially, in high latitude, apply an optical satellite remote sensing is not easy due to low sun altitude. In this paper, we introduce an operation of hyper-spectrometer (HyperSAS/Satlantic inc.) which is mounted on Ice Breaker Research Vessel ARAON of Korea Polar Research Institute since 2010, to acquire an above water reflectance atomatically through every research cruise on Arctic and Antarctic ocean and transit both regions. In addition to, auxiliary data for the remotely acquired data, in situ water sampling were also obtained. The above water reflectance and in situ water sampling data are continuously acquired since 2010 will contribute to improve an Ocean Color algorithm in the high latitude and help to understand ocean reflectances over from high latitude through low latitude. Preliminary result from above water reflectance showed characteristics of Arctic ocean and Antarctic Ocean and used to develop algorithms for estimating various ocean factors such as chlorophyll and suspended sediment.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Above-water measurement sampled track during IBRV ARAON cruise between October 2010 and August 2018.
그림 Fig. 2. System of HyperSAS (Above-water radiometers) installed on the ice breaker research vessel ARAON.
그림 Fig. 3. UTC Time record of the measurements sampled HyperSAS Remote sensing reflectance and DADIS data (Motion of ship, Wind conditions, GPS) of IBRV ARAON.
표 Table 1. Type of data to acquire and acquisition interval
그림 Fig. 4. HyperSAS Remote Sensing Reflectance data filtering: before (Left) and after (Right).
그림 Fig. 5. The wave scan measurements were made at 02:00 UTC on 13th January 2011 at 65.86S, 127.23W. (a) The first filtering of Remote sensing reflectance and (b) sky corrected estimates using ε (720 nm,780 nm).
그림 Fig. 6. The wave scan measurements were made at 13:00 UTC on 12th May 2011 at 37.43N, 126.57E. (a) The first filtering of Remote sensing reflectance and (b) sky corrected estimates using ε (720 nm,780 nm).
그림 Fig. 7. Spectra of the HyperSAS remote sensing reflectance in the Research area during. (a) 2010, (b) 2011, (c) 2012, (d) 2016, (e) 2018. Blue line (>60N), red line (<60S) and green line (60S).
표 Table 2. Statistical results for in-situ water sampling during 2010 to 2018

AI 본문요약
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문제 정의

고위도권(극지포함)의 해양 표면 분광 특성 파악과 해색 위성의 신뢰도 있는 고위도권 활용을 위해 쇄빙연구선에 초분광센서(Hyperspectral Surface Acquisition System, HSAS)를 장착하여 일정한 시간간격으로 연속해수면 반사도를 측정하고, 연구 항해간 해수 샘플링을 통하여 극지역 인공위성 해양환경 관측을 위한 자료를 구축하였다. 연구항해는 2010년부터 진행되었으며, 2017년에 센서 검보정 기간을 제외하고 2018년까지 연속적으로 관측을 하고 있다.

제안 방법

Satlantic사의 HyperSAS 초분광계를 쇄빙연구선 아라온에 장착하여 데이터를 획득하고 있다. HyperSAS를 이용하여 해수로 부터 수출광량과 대기광량을 측정하여 해양 반사도를 측정하였다. 해당 장비는 총 180개의 밴드로 이루어져 있으며 305 nm– 850 nm사이의 대역폭을 가지고 있다.
HyperSAS를 이용한 원격 반사도측정의 검증자료로 활용하기 위하여 연구항해시 해수 샘플링을 통한 엽록소 농도와 부유물 농도를 함께 측정하였다. 측정된 샘플의 통계적인 결과는 Table 2에 정리하였다.
극지연구소의 쇄빙연구선에서 운영하고 있는 HyperSAS 초분광계를 이용하여 극지역 해수의 반사도를 측정하였으며, 다중시기 해양의 변화를 관측하기 위한 자료를 구축하였다. 연구대상 지역인 북극해의 반사도는 데이터 정리 후 2016년도, 2018년도의 데이터만 얻을 수 있었지만, 북극해 지역의 일반적인 해수와 탁한해수의 반사도 자료를 획득할 수 있었다.
배의 흔들림으로 인한 센서의 측정 위치가 크게 변동될 가능성을 고려하여 Roll, Pitch가 5도 이상인 데이터, 바람의 영향으로 측정 지점에 파도 또는 거품이 발생하는 경우를 고려하여 바람의 세기가 15 m/s 인 경우 등을 제외하여 1차적인 데이터 정리를 진행하였다. 또한 기계적인 오차는 일반적인 데이터 값과 비교하여 구분하였다. 일반적으로 대기광량(L_i)은 복사조도(E_s)보다 작은 값을 나타내기 때문에 기계적인 오차로 보고 제거하였으며(O’Neill et al.
2). 또한 하향복사조도를 측정하기 위하여 연직방향으로 센서를 설치하여 태양조도를 관측하였다. 자세한 관측 방법 및 자료처리는 NASA 프로토콜을 기초로 하여 진행하였다(Mueller et al.
이러한 불확실한 데이터는 몇 가지의 조건을 통해 제외시킨 후 정리하였다. 배의 흔들림으로 인한 센서의 측정 위치가 크게 변동될 가능성을 고려하여 Roll, Pitch가 5도 이상인 데이터, 바람의 영향으로 측정 지점에 파도 또는 거품이 발생하는 경우를 고려하여 바람의 세기가 15 m/s 인 경우 등을 제외하여 1차적인 데이터 정리를 진행하였다. 또한 기계적인 오차는 일반적인 데이터 값과 비교하여 구분하였다.
북극해 및 남극해 연구지역의 해수 특성을 보기 위하여 위도별 반사도를 살펴보았다. Fig.
실험실 환경에서 60 °C의 오븐에서 4시간 이상 건조한 후 정밀저울을 이용하여 무게를 측정한다.
특히 선박의 선수에 센서를 설치하여 이동 중 지속적인 측정을 하기 때문에 발생하는 파도 또는 이동에 의한 흔들림 영향을 받을 수 밖에 없다. 이러한 영향을 제거하기 위하여 연구선에서 사용하고있는 모션데이터, Tilt, Yaw, Heave 등의 정보를 통해 분석을 하였다.
Table 1은 초분광 및 선박 센서의 측정간격을 나타낸 것으로, 해수상부 측정방식인 초분광계는 연속적으로 15분마다 측정하며 선박의 정보를 획득하고 있는 DADIS(쇄빙연구선에서 사용되고 있는 자동관측 자료 통합시스템)는 1초 간격으로 측정하고 있다. 일정한 처리 방법을 위하여 모든 자료는 HyperSAS의 시간을 기준으로 정리하였다. 해당 장비는 15분마다 측정이 이루어지지만, 그 중 1분만 데이터를 측정하며 이외의 시간은 유후 상태로 센서의 정비가 이루어진다.
실험실 환경에서 60 °C의 오븐에서 4시간 이상 건조한 후 정밀저울을 이용하여 무게를 측정한다. 측정된 무게는 사전에 측정한 필터의 무게와의 차이를 여과된 해수의 양으로 나누어 단위 체적당 총부유물의 농도로 계산한다.
해당 장비는 15분마다 측정이 이루어지지만, 그 중 1분만 데이터를 측정하며 이외의 시간은 유후 상태로 센서의 정비가 이루어진다. 측정시간은 반사도를 획득하는 시간만을 고려하여 해당시간의 중간값으로 두고 다른 데이터들과의 시간을 비교하여 근사값으로 계산하였다. 그러나 선박정보의 유무에 따라 데이터 손실이 발생할 경우를 대비하여 동기화되지 않는 경우에는 NaN값으로 치환하여 나타냈다.
해당 장비는 총 180개의 밴드로 이루어져 있으며 305 nm– 850 nm사이의 대역폭을 가지고 있다. 해수복사휘도 측정을 위하여 센서는 바다를 향하여 아래방향으로 천정각 40도, 대기복사휘도는 하늘을 향하며 천정각 40도를 유지하여 관측하였다(Fig. 2). 또한 하향복사조도를 측정하기 위하여 연직방향으로 센서를 설치하여 태양조도를 관측하였다.

대상 데이터

Satlantic사의 HyperSAS 초분광계를 쇄빙연구선 아라온에 장착하여 데이터를 획득하고 있다. HyperSAS를 이용하여 해수로 부터 수출광량과 대기광량을 측정하여 해양 반사도를 측정하였다.
따라서 특정 파장대의 반사도 비율을 이용하여 식물성플랑크톤 및 총부유물 등의 해수 구성성분을 추정하기 위해서는 해수필터를 이용한 직접적인 성분분석 실험이 필요하다. 실험에 필요한 해수는 각 연구정점의 표층, SCM(Subsurface chlorophyll maxima), 유광층의 끝지점에서 채취하였으며, 이동항해간 채수는 약 3~4 m 깊이의 해수를 이용하였다.
극지연구소의 쇄빙연구선에서 운영하고 있는 HyperSAS 초분광계를 이용하여 극지역 해수의 반사도를 측정하였으며, 다중시기 해양의 변화를 관측하기 위한 자료를 구축하였다. 연구대상 지역인 북극해의 반사도는 데이터 정리 후 2016년도, 2018년도의 데이터만 얻을 수 있었지만, 북극해 지역의 일반적인 해수와 탁한해수의 반사도 자료를 획득할 수 있었다. 또한 남극해의 자료는 2010년도 부터 2012년, 2016년의 반사도자료를 획득해오고 있으며 다양한 해수 상태에 대한 반사도를 측정하고있다.
또한 양극지해양의 연구지역 이동간에 생기는 적도 및 중·저위도권 이동 항해에도 연속으로 해양 분광 분광자료 및 해수 샘플 자료를 획득하고 있다. 연구시기는 연구선의 안전항해 및 연구 환경을 위하여 해당지역의 하계시기로 북극해는 8월에서 9월, 남극해는 11월에서 이듬해 3월까지 연구항해를 진행한다. Fig.
초기 획득자료는 약 9만 지점에 대해서 획득하였으나, 각 센서별 자료의 매치, 에러값의 제거 등으로 인해 약 9천 지점의 자료만 활용할 수 있었다. 이는 선박에 초분광장치를 활용할 경우에 안정적인 자료획득의 필요가 있음을 나타낸다.
해수구성성분 분석 뿐만아니라 현장관측자료로 아라온의 다양한 센서를 활용하였다. 아라온에는 바람의 방향 및 세기, 선박의 움직임 데이터 등이 1초 간격으로 측정되고 있다(Table 1).

이론/모형

또한 sky glint를 보정하기 위하여 720 nm, 780 nm 스펙트럼의 반사도를 이용한 알고리즘을 활용하였다(Ruddick et al., 2005; Ruddick et al., 2006).
또한 하향복사조도를 측정하기 위하여 연직방향으로 센서를 설치하여 태양조도를 관측하였다. 자세한 관측 방법 및 자료처리는 NASA 프로토콜을 기초로 하여 진행하였다(Mueller et al., 2003b).
현장관측 데이터는 해수분석 NASA 프로토콜에 따라 수행하였다(Mueller et al., 2003a). 해수 중 엽록소의 농도는 식물성플랑크톤이 가지고 있는 클로로필-a(Chlorophyll-a)의 함유량을 뜻한다.

성능/효과

이동항해는 대양을 지나가는 경우가 많으나 해당 시기에는 평균 15 knot 속도로 이동에 중점을 두고 운항을 하기 때문에 정확한 데이터를 획득하기는 어렵다. 본 논문에서 사용된 이동 항해 데이터는 한반도와 일본사이를 지나가는 데이터가 다수 존재하여 연안근처에서 많이 보이는 스펙트럼의 양상이 관측되었다.
측정된 샘플의 통계적인 결과는 Table 2에 정리하였다. 연구지역 대부분에서의 엽록소 농도는 평균 2 mg m^-3 이하로 나타났으나, 일부지역에 대해서 최대 33 mg m^-3의 높은 엽록소 농도를 보였다. 남극해 연구항해의 경우 해수 샘플링링 위치가 남극 대륙과 가깝고 수심이 얕은 지역이 다수 존재하여 농도가 다른지역보다 크게 관측이 되었다.

후속연구

이러한 자료는 앞서 정리한 내용과 같이 다중시기의 자료를 구축하여 해양의 변화를 보는 중요한 자료로 활용될 것이다. 또한 HyperSAS 해양 반사도 자료를 이용하여 현장 관측자료와 함께 엽록소, 부유물질 등의 농도를 추정하는 기법이나 위성자료와의 비교 분석을 통하여 위성영상 촬영이 불가능한 지역의 반사도를 획득할 수 있는 연구수행에 사용될 것이다.
향후 연구에는 정지된 정점에서 획득하는 일반적인 반사도 측정방법의 단점을 극복하여, 연구선의 이동과 동시에 연속적인 측정이 가능한 HyperSAS 초분광계의 장점을 살려 동일한 연구지역에 대해 해수의 반사도 측정을 지속적으로 하고자 한다. 이러한 자료는 앞서 정리한 내용과 같이 다중시기의 자료를 구축하여 해양의 변화를 보는 중요한 자료로 활용될 것이다. 또한 HyperSAS 해양 반사도 자료를 이용하여 현장 관측자료와 함께 엽록소, 부유물질 등의 농도를 추정하는 기법이나 위성자료와의 비교 분석을 통하여 위성영상 촬영이 불가능한 지역의 반사도를 획득할 수 있는 연구수행에 사용될 것이다.
총부유물의 측정은 단위 체적당 건중량으로, 사전에 오븐을 이용하여 건조시킨 25 mm GF/F 필터의 초기무게를 측정하여 준비한다. 추후 현장에서 해수를 채수하여 여과를 시킨 뒤 초저온에서 냉동보관하여 실험실로 운반한다. 실험실 환경에서 60 °C의 오븐에서 4시간 이상 건조한 후 정밀저울을 이용하여 무게를 측정한다.
향후 연구에는 정지된 정점에서 획득하는 일반적인 반사도 측정방법의 단점을 극복하여, 연구선의 이동과 동시에 연속적인 측정이 가능한 HyperSAS 초분광계의 장점을 살려 동일한 연구지역에 대해 해수의 반사도 측정을 지속적으로 하고자 한다. 이러한 자료는 앞서 정리한 내용과 같이 다중시기의 자료를 구축하여 해양의 변화를 보는 중요한 자료로 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극지역 중 고위도 지역의 탐사가 어려운 이유는 무엇인가?	원격탐사 플랫폼인 인공위성, 무인기와 선박 등에 관측센서를 장착하여 연구지역의 환경변화를 모니터링하고 있지만 극지역의 다양한 환경에서는 시계열자료 및 광범위한 데이터가 필요하다. 특히 고위도 지역에서는 낮은 태양고도의 영향으로 광학원격탐사를 적용하기는 쉽지않다. 본 논문에서는 2010년도 부터 극지연구소 쇄빙연구선 아라온호에 초분광계 HyperSAS(Satlantic inc.
	해양환경 모니터링을 위해 북극해 및 남극해에서는 무엇을 사용하는가?	북극해 및 남극해는 접근이 어려운 지역으로 해양환경 모니터링을 위해 원격탐사 기술을 이용한 관측이 효과적이다. 원격탐사 플랫폼인 인공위성, 무인기와 선박 등에 관측센서를 장착하여 연구지역의 환경변화를 모니터링하고 있지만 극지역의 다양한 환경에서는 시계열자료 및 광범위한 데이터가 필요하다.
	원격탐사 플랫폼에는 무엇이 있는가?	북극해 및 남극해는 접근이 어려운 지역으로 해양환경 모니터링을 위해 원격탐사 기술을 이용한 관측이 효과적이다. 원격탐사 플랫폼인 인공위성, 무인기와 선박 등에 관측센서를 장착하여 연구지역의 환경변화를 모니터링하고 있지만 극지역의 다양한 환경에서는 시계열자료 및 광범위한 데이터가 필요하다. 특히 고위도 지역에서는 낮은 태양고도의 영향으로 광학원격탐사를 적용하기는 쉽지않다.

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