[논문]극지 해빙 위성관측을 위한 분석 기술 개발

김현철; 한향선; 현창욱; 지준화; 손영선; 이성재

doi:10.7780/kjrs.2018.34.6.2.12

극지 해빙 위성관측을 위한 분석 기술 개발
Research on Analytical Technique for Satellite Observstion of the Arctic Sea Ice 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.6 pt.2, 2018년, pp.1283 - 1298

김현철 (극지연구소 북극해빙예측사업단) , 한향선 (극지연구소 북극해빙예측사업단) , 현창욱 (극지연구소 북극해빙예측사업단) , 지준화 (극지연구소 북극해빙예측사업단) , 손영선 (한국지질자원연구원 광물자원기술연구팀) , 이성재 (극지연구소 북극해빙예측사업단)

초록
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온난화에 의한 이상기후의 징후가 직접적으로 감지되고 있는 북극권에 대한 연구 필요성이 사회적으로 강력히 요구되고 있다. 온난화의 추이를 가장 잘 보여주고 있는 해빙의 변화는 인공위성 원격탐사를 이용하여 추적 감시된다. 극지연구소에서 2017년부터 "북극해빙위성 관측을 위한 기술 개발" 연구를 진행하고 있다. 본 연구는 북극 해빙의 특성 정보를 위성자료로부터 추출하기 위한 다양한 접근법을 이용한 연구를 포함하고 있으며, 북극권 개발에 대비한 '북극 빙권 종합 위성 관측망' 구축에 필수적인 국제 공동 연구 협력도 포함하고 있다. 기후변화 연구와 더불어 북극항로 활용에 대한 기초정보를 제공하고 있는 극지연구소의 북극 원격탐사 연구 소개를 통해 국내 원격탐사 전문가들의 관심과 집중을 부탁하고자 한다. 북극연구에 대한 국제 동향과 국내 정책 배경을 소개하고, 극지연구소에서 연구 수행한 빙권 정보, 특히 한국항공우주연구원과 협동연구를 통해 아리랑위성을 활용한 북극 해빙 관측 연구를 소개한다.

Abstract ▼ AI-Helper

KOPRI(Korea Polar Research Institute) have researhed Arctic sea ice by using satellite remote sensing data since 2017 as a mission of KOPRI. The title of the reseach is "Development of Satellite Observation and Analysis for Arctc sea-ice". This project has three major aims; 1) development of prototype satellite data archive/manage system for Arctic sea ice monitoring, 2) development of sea ice remote sensing data processing and analysis technique, and 3) development of international satellite observing network for Arcitc. This reseach will give us that 1) deveolpment of sea ice observing system for northern sea route, 2) development of optimal remote sensing data processing technique for sea ice and selected satelite sensors, 3) development of international satellite onbservation network. I hope that this letter of introducton KOPRI satellite program for Arctic will help to understand Arctic remote sensing and will introduce you to step into the Arctic remote sensing, which Iis like a blue ocean of remote sensing.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Satellite play a key role in Arctic cryosphere research and application: 1) climate change, 2) northern sea route, and 3) human activity etc.
그림 Fig. 2. Strategy and structure; 1) development of prototype satellite data archive/manage system for Arctic sea ice monitoring, 2) development of sea ice remote sensing data processing and analysis technique, and 3) development of international satellite observing network for Arcitc.
그림 Fig. 3. STAR system; satellite data archive/manage system for Arctic sea ice monitoring.
그림 Fig. 4. Satellite Remote Sensing and Cryosphere Information Center of KOPRI.
표 Table 1. Inventory of archived data by STAR system. Since 2018, Sentinel data archiving stared through the STAR system upgrade and sophisticate
그림 Fig. 5. (a), (b) Example of KOMPSAT-5 EW SAR imges with different wind conditions. (c), (d) Sea ice maps generated by the RF model and (e), (f) sea ice concentration of the AARI ice charts corresponding to (a) and (b), respectively. Red box in (e) and (f) represents the SAR coverage (Han et al., 2017).
그림 Fig. 6. Comparisons of SIC values estimated from KOMPSAT-5 with those from the algorithms (a) NT, (b) BT, (c) OSISAF, and (d) ASI. The vertical dotted lines in each scatter plot correspond to KOMPSAT-5 SIC values of 15% and 80%, respectively (Han and Kim, 2018).
그림 Fig. 7. Kompsat-5 sea ice monitoring during the Korean icebreaker research vessel (IBRV) Araon expedition on summer Arctic of 2018.
그림 Fig. 8. Overview of satellite image acquisition and ITP80 buoy deployment. (a) schematic placements of satellite images used to measure sea ice motion and deformation, and synoptic trajectory of the ITP80 and (b) a view of the ice floe where the ITP80 was deployed from the Korean icebreaker research vessel (IBRV) Araon, captured by the KOMPSAT-3 satellite on 11 August 2014 (Hyun and Kim, 2017).
그림 Fig. 9. Scatter plots of MODIS IST versus ASTER brightness temperature for (A) band 10 through to (E) band 14 (n = 7938 × 121). The solid line is the 1:1 line. The dashed red line is the best-fit line (Son et al., 2018).
그림 Fig. 10. (A) MODIS IST image and (B) ASTER IST images near Red Dog Dock, Alaska, USA. Thick ice or wetted ice types near the coast or in crevices had a higher temperature (Son et al., 2018).
그림 Fig. 11. International and domestic collaboration on KOPRI Arctic remote sensing program.
그림 Fig. 12. INTAROS (Interantional Arctic Observing System) partners. KOPRI play a role as a main Asian member since 2017.
그림 Fig. 13. (a) Schematic of an acoustic Upper Looking Sonar utilized for measuring the sea ice draft. (b) Map showing locations of the moorings with Upward Looking Sonar records in the eastern Eurasian Basin of the Arctic Ocean and in the Chukchi Sea.

AI 본문요약
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문제 정의

극지연구소에서 수행하고 있는 “북극 해빙위성관측을 위한 분석 기술 개발”연구를 소개함으로써 극지원격탐사에 대한 필요성 및 발전 가능성을 제시하였다.
극지연구소에서는 본 과제 수행을 통해 북극 해빙의 글로벌 트랜드 영향 분석을 위한 위성종합관측망을 2025년까지 구축하는 것은 목표로 하고 있다. 이를 위해 1) 극지 환경변화 준실시간 모니터링 시스템 개발, 2) 극지 원격탐사사 자료처리/분석기술 개발, 3) 국제 공동 위성관측 네트워크 구축에 대해 2017년부터 연구를 진행하고 있다.
본 글은 극지연구소에서 수행하고 있는 “북극 해빙 위성관측을 위한 분석 기술 개발”연구에 대한 소개와 함께 다가오는 북극권 활용 시대를 대비하기 위한 국내 극지 원격탐사 활성화를 위한 정보 공유 체계를 구축하는데 기여하는데 목적이 있다(Fig. 1).
, 2008). 본 연구에서는 해빙농도 산출에 NASA team(NT)(Cavalieri et al., 1984), Bootstrap(BT)(Comiso, 1986), Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility hybrid(OSISAF)(Breivik et al., 2001; Tonboe et al., 2016), Arctic Radiation and Turbulence Interaction Study Sea Ice(ASI)(Spreen et al., 2008) 등 다양 한 알고리듬을 이용한 방법에 의해 산출된 결과에 대해, 이들 알고리듬을 고해상도영상 레이더 값을 제공하는 아리랑 5호 자료를 이용하여 평가하였다. 평가는 해빙농도가 0-15%인 해역과, 15-80%인 해역으로 나누어 수행 하였다(Fig.
극지연구소에서 기관고유사업으로 2017년도부터 1단계로 3년간의 연구를 시작한 “북극 해빙 위성관측을 위한 분석 기술 개발” 연구가 한국을 대표하여 INTAROS에서 국제 공동연구 파터너로서 역할을 수행하고 있다. 이 연구는 국제 공동 위성 관측 정보 공유 체계 구축을 통한 북극권 전역의 빙권 정보 확보와 함께 한국의 아리랑 위성을 활용한 북극 해빙 분석/처리 기술을 확보함으로써 북극권 빙권 정보 수요에 대한 한계 극복을 목표로 하고 있다. 이 연구를 통해 한국에서도 국제 사회에서 적극적이고 주도적인 북극권 인공위성 원격탐사 연구가 가능해지고 있다.

제안 방법

(2018)은 ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflecion Radiometer)의 열적외선 영상을 이용하여 90 m 공간해상도의 해빙표면 온도(Ice Surface Temperature, IST)를 산츨하는데 성공하였다. 공간해상도 1 km급의 MODIS로 부터 추출된 해빙표면 온도 (MOD29)를 참값으로 가정하고, ASTER(The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) 의 밝기 온도(Bright Temperature, BT)를 사용하여 다중 채널 회귀 계수를 계산하였다. 알래스카 연안에서 획득된 ASTERT 자료의 채널10(BT10)에서 채널14(BT14)까지 5채널 회귀 계수를 사용하였을때 RMSE는 0.
극지연구소에서 선행된 연구(Han et al., 2017)에서 확인된 아리랑 5호의 해빙 정보 추출 결과를 바탕으로 여름철 북극에서 수동마이크로파를 이용하여 추출된 해빙 정보의 정확성을 아리랑 5호와 수치모델 자료를 이용하여 평가하였다(Han and Kim, 2018). 1970년대 부터 수동 마이크로파를 이용한 해빙농도(Sea Ice Concentration) 정보가 제공되고 있지만, 여름철은 높은 대기온도에 의해 해빙 용융이 일어나기 때문에 수동마이크로파를 이용한 해빙농도는 정확도가 낮아진다(Comiso et al.
이와 같이 “북극해빙위성 관측을 위한 분석 기술 개발” 연구에서 아리랑 5호를 이용한 해빙 연구를 국내 최초 시도하여 의미 있는 연구 결과들을 생산하였으며, 여름철과 겨울철 북극과 남극의 해빙역에 서 현장조사를 수행하는 쇄빙연구선 아라온호의 안전 운항 및 해빙연구를 위한 해빙 위치 파악을 위해 아리랑 5호 영상을 한국항공우주연구원과 협업을 통해 준 실시간 제공하였다(Fig. 7).
, 2008) 등 다양 한 알고리듬을 이용한 방법에 의해 산출된 결과에 대해, 이들 알고리듬을 고해상도영상 레이더 값을 제공하는 아리랑 5호 자료를 이용하여 평가하였다. 평가는 해빙농도가 0-15%인 해역과, 15-80%인 해역으로 나누어 수행 하였다(Fig. 6). NT와 ASI 알고리듬에 기반한 해빙농도는 대기 수증기가 많은 환경에서는 과대평가 되었으며, NT와 OSISAF 알고리듬에 기반한 해빙농도는 해빙표면의 용융이 많이 일어날때 과소평가되는 결과를 확인 하였다.
Hyun and Kim(2017)의 연구는 2014년 8월 14-15일간 수행된 국제 공동 북극 해빙 연구에서 수행되었다. 해빙의 이동을 추적하기 위해 해빙 조각 위에 미국 우즈홀 연구팀이 설치한 Ice-Tethered Profiler 80(ITP80)로 부터 위치 정보를 연속 수집하여 아리랑 2, 3호 영상과 함께 이동성을 비교하였다(Fig. 8). ITP80의 위치 정보를 이용하여 측정한 해빙 이동 거리의 평균 제곱근 오차(RMSE)는 약 58-61 m로 평가되었다.

대상 데이터

이 연구를 통해 아리랑위성이 한국 고유의 해빙 원격탐사 분야를 개척하게 되었다. 2015년 북극 척치해(Chukchi Sea)에 대해 여름철 해빙의 분포를 아리랑 5호를 이용하여 125 m 공간 해상도로 도식화 하였다. 기존 해빙 분포 자료가 수동 마이크로웨이브 25 km 공간해상도의 글로벌 규모(Comiso et al.
이를 위해 1) 극지 환경변화 준실시간 모니터링 시스템 개발, 2) 극지 원격탐사사 자료처리/분석기술 개발, 3) 국제 공동 위성관측 네트워크 구축에 대해 2017년부터 연구를 진행하고 있다. 2017년부터 2019년까지 1단계 3년간의 연구를 진행하고 있으며, 본 연구개발 과제의 추진체계는 아래와 같다(Fig. 2).
STAR는 Satellite Remote Sensing Team for Arctic and Antarctic Research의 줄임말로 극지연구소의 원격 탐사연구팀의 기본 역할을 강조하기 위해 작명된 이름이다. STAR시스템은 현재 극지연구소 내부망에서만 활용되고 있으며, 2017년 2만 3천건, 2018년 약 14만건의 북극 지역 위성자료를 수집하였다(Table 1). 2018년 도부터는 STAR시스템의 성능을 개선하여 Sentinel-1, -2 영상 수집을 시작하여 북극 해빙 영상확보율을 급격히 증가시켰다.
Polar View는 해빙, 빙하, 적설 등 극지의 빙권에서 일어나는 변화를 인공위성과 현장 관측을 통해 모니터링하고, 그 결과를 최종 사용자의 요구에 따라 다양한 형태로 제공하고 있다. 참여국은 영국, 케나다, 독일, 프랑스, 이탈리아, 벨기에, 오스트리아, 미국, 러시아, 에스토니아, 스웨덴, 노르웨이, 핀란드, 덴마크, 아이슬란드, 오스트레일리아, 네팔이다.

성능/효과

8). ITP80의 위치 정보를 이용하여 측정한 해빙 이동 거리의 평균 제곱근 오차(RMSE)는 약 58-61 m로 평가되었다. 기존 중/저해상도 마이크로웨이브 기반 해빙의 이동 속도 계산보다 정확도가 개선된 결과를 확보하였다 (Hyun and Kim, 2017).
6). NT와 ASI 알고리듬에 기반한 해빙농도는 대기 수증기가 많은 환경에서는 과대평가 되었으며, NT와 OSISAF 알고리듬에 기반한 해빙농도는 해빙표면의 용융이 많이 일어날때 과소평가되는 결과를 확인 하였다. BT알고리듬에 기반한 해빙농도는 해빙농도가 높은 해역(15-80%)에서는 과소 평가되는 등 각각의 알고리듬이 가지고 있는 대기 수분 함량에 대한 민감도 차이로 인해 과대 또는 과소 추정의 결과를 보였다(Han and Kim, 2018).
공간해상도 1 km급의 MODIS로 부터 추출된 해빙표면 온도 (MOD29)를 참값으로 가정하고, ASTER(The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) 의 밝기 온도(Bright Temperature, BT)를 사용하여 다중 채널 회귀 계수를 계산하였다. 알래스카 연안에서 획득된 ASTERT 자료의 채널10(BT10)에서 채널14(BT14)까지 5채널 회귀 계수를 사용하였을때 RMSE는 0.746 K 정도였으며, 채널13(BT13)과 채널14(BT14)의 2 채널 회귀 계수를 사용할 경우 0.497 K의 RMSE 를로 5개의 채널을 사용할때 보다 개선된 결과를 보였다. ASTER의 채널13(BT13)과 채널14(BT14)의 2채널을 사용한 회귀 모델은 알래스카 이외의 고위도에서도 좋은 관계를 나타내어(Fig.
기상에 영향을 적게 받는 마이크로웨이브 등 다양한 원격탐사 방법을 이용한 연구를 병행해야만 극지 빙권 연구가 원활히 수행될 수 있다. 영상 레이더 원격탐사는 신뢰도 높은 해빙 정보를 산출하는데 가장 효과적이다.

후속연구

, 2018). Fig. 10과 같이 ASTER 에서 추출한 90 m 해상도의 고해상 해빙표면 온도는 북극 연안에 존재하는 고착빙과 연안해빙의 표면에서 일어나는 열교환의 정보 를 추정하는데 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.
특히 북극항로와 관련한 정밀 해빙 정보를 한국의 위성을 이용하여준 실시간 제공 할수 있는 서비스가 가능할 것이다. 극지 전용 관측 탑재체가 하루 속히 마련되길 기대한다.
아리랑 위성을 활용한 극지 빙권 연구는 후발 주자로 머물지 않을 수 있는 지회를 제공하고 있다. 극지를 집중 관측할 수 있는 한국의 위성이 준비 된다면, 현재의 기술보다 더 발전되고, 더 효과 적으로 사용될 수 있을 것이다. 한국에서 운용 예정 중인 극궤도 위성들에 극지관측이 가능한 탑재체가 실린다면, 원격탐사를 통해 다가오는 극지 시대를 한국 주도의 연구 현장으로 만들수 있을 것이다.
1). 북극 인공위성 원격탐사는 북극항로 개발과 이를 이용한 에너지 수송 등 경제 부분에 대한 기여와 함께, 빙권과 동토층 환경 변화에 의한 기후 환경 변화 감시를 통해 북극 원주민의 생활지원 등 인류의 행복한 생활 지원에 중요한 역할을 할 것이다.
한국에서 운용 예정 중인 극궤도 위성들에 극지관측이 가능한 탑재체가 실린다면, 원격탐사를 통해 다가오는 극지 시대를 한국 주도의 연구 현장으로 만들수 있을 것이다. 특히 북극항로와 관련한 정밀 해빙 정보를 한국의 위성을 이용하여준 실시간 제공 할수 있는 서비스가 가능할 것이다. 극지 전용 관측 탑재체가 하루 속히 마련되길 기대한다.
극지를 집중 관측할 수 있는 한국의 위성이 준비 된다면, 현재의 기술보다 더 발전되고, 더 효과 적으로 사용될 수 있을 것이다. 한국에서 운용 예정 중인 극궤도 위성들에 극지관측이 가능한 탑재체가 실린다면, 원격탐사를 통해 다가오는 극지 시대를 한국 주도의 연구 현장으로 만들수 있을 것이다. 특히 북극항로와 관련한 정밀 해빙 정보를 한국의 위성을 이용하여준 실시간 제공 할수 있는 서비스가 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대한민국의 북극권에 대한 정책적 대응은 무엇인가?	북극권에 대한 관심은 각 국의 정책적인 면에도 반영되고 있다. 한국은 2013년 북극 이사회 영구 옵저버국이 되었으며, 2014년 북극정책 기본계획(Joint Minstry, 2013)을 수립하면서 북극권 기 후변화 연구, 북극 항로 개척 등 과학/경제/사회 분야 에 북극해 빙권 정보의 필요성을 제시하고 있다. 북극해 해빙의 면적 및 변동은 인공위성 관측을 통해 밝혀 지고 있다(NSIDC: Natioanl Snow and Ice Data Center 해빙 정보 전세계 공유).
	국제공동북극관측시스템인 INTAROS에서 우리나라가 수행하는 “북극 해빙 위성관측을 위한 분석 기술 개발” 연구의 목표는 무엇인가?	극지연구소에서 기관고유사업으로 2017년도부터 1단계로 3년간의 연구를 시작한 “북극 해빙 위성관측을 위한 분석 기술 개발” 연구가 한국을 대표하여 INTAROS에서 국제 공동연구 파터너로서 역할을 수행하고 있다. 이 연구는 국제 공동 위성 관측 정보 공유 체계 구축을 통한 북극권 전역의 빙권 정보 확보와 함께 한국의 아리랑 위성을 활용한 북극 해빙 분석/처리 기술을 확보함으로써 북극권 빙권 정보 수요에 대한 한계 극복을 목표로 하고 있다. 이 연구를 통해 한국에서도 국제 사회에서 적극적이고 주도적인 북극권 인공위성 원격탐사 연구가 가능해지고 있다.
	온난화에 의한 극지역 빙하의 감소에 관심을 가지는 이유는 무엇인가?	그리고, 해수면도 지속적으로 상승하고 있으며, 2016년 북극 해빙의 면적은 예년보다 적었다”고 보고했다(WMO: World Meteorological Organization, 2017). 특히 온난화에 의한 극지역 빙하의 감소는 북반구 기상이변과 해수면 상승이라는 현상으로 연결되어, 인간 활동과 직접적인 관련을 가지고 있기 때문에 더욱 심각하고 직접적인 이슈로 전세계의 이목을 끌고 있다. 북극권에 대한 관심은 각 국의 정책적인 면에도 반영되고 있다.

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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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