[논문]오픈소스 기반 다목적실용위성 3A호 영상자료의 지표면 반사도 영상 제작 실험

이기원; 김광섭

doi:10.7780/kjrs.2019.35.6.4.3

오픈소스 기반 다목적실용위성 3A호 영상자료의 지표면 반사도 영상 제작 실험
An Experiment for Surface Reflectance Image Generation of KOMPSAT 3A Image Data by Open Source Implementation 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.35 no.6 pt.4, 2019년, pp.1327 - 1339

이기원 (한성대학교 전자정보공학과) , 김광섭 (한성대학교 전자정보공학과)

초록
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지구 관측 위성에 의한 광학 영상정보를 육상 분야에 활용하는 경우 지표면 반사도를 나타내는 영상은 중요한 기초 정보가 된다. 지표면 반사도는 광학 영상정보에 대하여 절대 대기 보정 처리 과정을 수행하여 얻어지는 성과물이다. Landsat이나 Sentinel-2의 경우 여러 가지 단계의 대기 보정 처리 방법이 개발되어 있고, 이미 많은 상업적 소프트웨어나 오픈소스 들이 이러한 처리 알고리즘을 지원한다. 그러나 현재 KOMPSAT 3/3A호 고해상도 분광 영상정보를 이용하여 지표면 반사도 영상 제작 기능을 제공하는 도구는 거의 없고 이러한 기능을 제공하는 오픈소스가 개발되거나 발표된 경우도 없다. 이 연구에서 우분투(Ubuntu) 운영체제에서 Orfeo ToolBox(OTB) 원격탐사 오픈소스에 포함된 광학 보정(Optical Calibration) 모듈과 알고리즘을 기반으로 하여 KOMPSAT 3A호 영상에 대한 절대 대기 보정을 처리할 수 있는 모듈을 새로 구현하였다. 이 모듈은 KOMPSAT 영상의 센서 모델 변수와 분광 자료들을 포함하기 때문에 대기 보정 작업에 필요한 입력 변수의 자동 입력과 일괄처리가 가능하다. 이 모듈을 이용하여 상층대기(Top of Atmosphere: TOA)반사도와 지표면(Top of Canopy: TOC) 반사도를 구할 수 있다. 한편 TOC 반사도 산출과정에서는 AERONET 자료와 같은 대기 에어로졸 정보가 이용될 수 있다. 또한 이 연구에서 구현된 오픈소스 성과를 이용하여 KOMPSAT 영상을 적용한 실험을 수행하였다. 앞으로 이 오픈소스 모듈의 적용성과 무결성 검사를 수행하게 되면, 그동안 축적된 KOMPSAT 영상정보를 대상으로 하는 분석 대기 자료(Analysis Ready Data) 데이터베이스 구축에 직접 적용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Surface reflectance obtained by absolute atmospheric correction from satellite images is useful for scientific land applications and analysis ready data (ARD). For Landsat and Sentinel-2 images, many types of radiometric processing methods have been developed, and these images are supported by most commercial and open-source software. However, in the case of KOMPSAT 3/3A images, there are currently no tools or open source resources for obtaining the reflectance at the top-of-atmosphere (TOA) and top-of-canopy (TOC). In this study, the atmospheric correction module of KOMPSAT 3/3A images is newly implemented to the optical calibration algorithm supported in the Orfeo ToolBox (OTB), a remote sensing open-source tool. This module contains the sensor model and spectral response data of KOMPSAT 3A. Aerosol measurement properties, such as AERONET data, can be used to generate TOC reflectance image. Using this module, an experiment was conducted, and the reflection products for TOA and TOC with and without AERONET data were obtained. This approach can be used for building the ARD database for surface reflection by absolute atmospheric correction derived from KOMPSAT 3/3A satellite images.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Recompiling process of Orfeo ToolBox (OTB) and Its external libraries, and KOMPSAT modules.
그림 Fig. 2. (a) Solor spectral irradiance based on reference Solar Spectral Irradiance, ASTM G-173, (b) Relative spectral response of KOMPSAT 3A.
그림 Fig. 3. Test area of KOMPSAT 3A image for TOA and TOC reflectance generation experiments with OTB implementation. The filled circle indicates the measurement location of the AERONET data.
그림 Fig. 4. (a) Sensor specification in OTB GEOM file, (b) Command line execution of OTB optical calibration for atmospheric correction.
그림 Fig. 5. (a) An example of level 2 AERONET file, on image acquisition date, (b) Circle values mean physical parameters for OTB optical calibration. They are automatically read and processed in this implementation.
그림 Fig. 6. (a) Original band R, (b) TOA reflectance of R band, (c) TOC reflectance of R band without AERONET data, (d) TOC reflectance of R band with AERONET data.
그림 Fig. 7. (a) Difference image with TOA reflectance and raw R band, (b) Difference between TOC reflectance and raw R band, (c) Difference between TOC reflectances with AERONET data and without AERONET data.
그림 Fig. 8. RGB color composite image (a) original R, G, B bands, (b) R, G, B bands by TOA reflectance generation processing, (c) R, G, B bands TOC reflectance generation processing without AERONET file, (d) R, G, B bands TOC reflectance generation processing with AERONET file.

AI 본문요약
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문제 정의

8은 대기 보정 처리 과정을 통하여 얻은 반사도 산출물을 이용하여 작성한 컬러 합성 영상이다. 실제 반사도는 화소 값을 물리량으로 변환한 것이기 때문에 반사도 밴드를 이용한 컬러 합성 영상은 대상 지역의 반사도와 관련된 주요한 특징을 시각적으로 해석할 수 있는 산출물로 적용될 수 있지만, 이 연구에서 각 TOA와 TOC 반사도 뿐만 아니라 AERONET 자료 적용에 따른 결과를 비교하기 위하여 컬러 합성 결과를 제시하였다. 또한 TOA와 TOC 반사도 산출물은 [0, 1] 범위의 결과를 보이지만 여기서는 결과를 비교하기 위하여 16비트 자료로 변환한 값을 이용하였다.
KOMPSAT 3A호 번들(Bundle) 영상에 포함된 나머지 밴드에 대해서도 같은 작업이 수행되었다. 여기서 AERONET 자료를 적용한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교한 이유는 AERONET 자료가 없거나 멀리 떨어진 경우와 처리 영상 주변에 이러한 측정 자료가 있는 경우를 나타내기 위한 것이다. OTB에서는 AERONET 자료 입력을 선택사 항으로 하고 있으며 이러한 자료가 없거나 별도로 입력 하지 않는 경우는 오존량, 수증기량, 대기압, 에어로졸 광학 두께 등을 각각 0, 2.
그러나 KOMPSAT 3/3A호 영상정보의 경우는 TOC 반사도 영상 생성기능을 제공하는 도구가 거의 없고 이러한 기능을 제공하는 오픈소스 도구의 경우도 아직 개발되거나 발표된 경우가 없다. 이 연구 에서는 OTB 오픈소스에 포함된 광학 영상보정 모듈에 KOMPSAT 영상의 대기 보정을 위한 모듈을 추가로 구현하여 우분투 운영체제 환경에서 구동이 가능한 실행 파일을 개발하였다. 이 연구에서 구현된 도구는 KOMPSAT 3/3A호 영상정보의 TOA와 TOC 반사도 영상 제작을 위한 최초의 오픈소스 도구이다.
이 연구는 KOMPSAT 영상정보의 ARD 데이터베이스 구축을 실무 절차의 첫 단계로 절대 대기 보정 처리 방법을 살펴보고, 실제 처리 도구를 오픈소스 Orfeo ToolBox(OTB) 환경에서 구현하고자 하였다. 구현 성과물에 대하여 KOMPSAT 영상정보를 적용한 실험을 수행하여 절대 대기 보정의 중요한 산출물인 TOA 반사도 와 지표면 반사도를 의미하는 Reflectance at the Top of the Canopy or the bottom of the atmosphere(이하 TOC 반사도) 영상을 시험적으로 제작하였다.
이번 연구에서 OTB 오픈소스에 KOMPSAT 3A호의 센서 정보와 대기 보정에 필요한 6S 모델에 적용되는 태양 복사 조도 자료와 밴드별 상대 분광 반응 자료 등을 포함하여 새로 컴파일한 실행 파일의 적용성을 살펴보기 위하여 2016년 2월 20일에 촬영된 KOMPSAT 3A호영상자료를 이용하여 TOA와 TOC 반사도 영상 산출물 제작 실험을 수행하였다.

제안 방법

이 연구는 KOMPSAT 영상정보의 ARD 데이터베이스 구축을 실무 절차의 첫 단계로 절대 대기 보정 처리 방법을 살펴보고, 실제 처리 도구를 오픈소스 Orfeo ToolBox(OTB) 환경에서 구현하고자 하였다. 구현 성과물에 대하여 KOMPSAT 영상정보를 적용한 실험을 수행하여 절대 대기 보정의 중요한 산출물인 TOA 반사도 와 지표면 반사도를 의미하는 Reflectance at the Top of the Canopy or the bottom of the atmosphere(이하 TOC 반사도) 영상을 시험적으로 제작하였다.
(2015) 는 KOMPSAT 3호 영상정보의 방사 특성을 분석하고 Landsat 8 영상정보를 적용한 검증 실험을 수행하였다. 또한 상층대기 반사도를 의미하는 Reflectance at the Top of Atmosphere (이하 TOA 반사도) 계산을 위한 센서 변수를 제시하였다. Lee and Lee(2015)는 KOMPSAT 2 호의 다중시기 분광 영상을 대상으로 기존에 알려진몇 가지 대기보정 방법을 적용하고 결과를 비교하면서 대기보정이 여러 가지 변수에 의하여 영향을 받기 때문에 적용한 방법 간에 일관성 있는 산출물을 생성하 는데 어려움이 있다고 하였다.
한편 Bunting(2018)은 지구관측 영상의 대기 보정을 수행할 수 있도록 Python 환경에서 구동하는 명령어 입력 처리 방식의 Atmospheric and Radiometric Correction of Satellite Imagery(ARCSI) 도구를 개발하였다. 이 도구는 Landsat, SPOT, Sentinel-2, Rapideye, WorldView, Pleiades 영상정보를 지원하고 있으며 6S 모델을 적용하여 대기 보정 변수를 자동으로 처리하도록 하였다.
이 연구에서는 KOMPSAT 대기 보정 처리기능을 OTB에서 수행하였다. KOMPSAT 대기 보정 기능을 추가하기 위하여 수행된 과정은 Fig.
이 연구에서 개발된 KOMPSAT 3A호 영상을 처리하는 오픈소스는 KOMPSAT 3호 영상정보와 절대대기 보정에 적용되는 센서 모델이 동일하고 촬영 위치와 시기 등에 대한 자료는 번들로 제공되는 부속파일에 모두 포함되어 있기 때문에 KOMPSAT 3호 영상에도 그대로 적용할 수있다. 작성된 실행 파일 실제 적용한 결과를 제시하기 위하여 베트남 메콩 지역 주변 지역의 KOMPSAT 3A호영상에 대한 TOA와 TOC 반사도를 제작하였다. 특히 TOC 계산 과정에는 대기광학 두께와 에어로졸 관측값을 포함한 AERONET 파일을 사용할 수 있도록 하였다.
작성된 실행 파일 실제 적용한 결과를 제시하기 위하여 베트남 메콩 지역 주변 지역의 KOMPSAT 3A호영상에 대한 TOA와 TOC 반사도를 제작하였다. 특히 TOC 계산 과정에는 대기광학 두께와 에어로졸 관측값을 포함한 AERONET 파일을 사용할 수 있도록 하였다. 실험 결과로는 AERONET 파일은 TOC 반사도 영상 산출물 제작에 많은 영향을 주는 것으로 나타났다.

대상 데이터

AERONET 자료는 일, 월, 연 단위로 내려받기가 가능하다. 정확한 데이터를 사용하기 위해 Date와 Time 검색을 통해 영상에 대한 촬영 날짜 및 시간 데이터를 사용한다.
2는 KOMPSAT 3A호 대기 보정에 적용되는 범위의 태양 복사 조도와 KOMPSAT 3A호 밴드별 상대 분광 반응 자료를 나타낸 것이다. 태양 복사 조도는 American Society for Testing and Materials (ASTM)에 서 배포한 ASTM G-173(https://rredc.nrel.gov/solar//spectra/am1.5/ ASTMG173/ASTMG173.html) 자료를 기반으로 하였다.

이론/모형

한편, 태양 복사에너지는 지표면에 분포하는 다양한 대상물과 구조물 등에 의해 반사되고 광학 위성의 센서에 감지되는 과정에서 지구 대기에 의해 흡수, 산란하는 대기 감쇄 효과를 거친 후에 센서에 도달하게 되고 이러한 과정은 영상의 화소값에 영향을 준다. 따라서 이 효과에 의하여 복사 에너지양을 정량적으로 계산하기 위해서는 복사 전달모델을 이용한다. 복사 전달모델은 영상이 얻어지는 시점의 위성의 자세, 지표면에 위치한 대상물의 반사 특성과 촬영 시점의 대기의 상태 등과 같은 여러 가지 물리 값을 요구하며, 이러한 복사 전달모델은 원격탐사 응용 분야에서 광학 영상의 대기 보정에 이용된다.

성능/효과

8(d)는 각각 각 밴드에 대하여 AERONET 자료를 적용하지 않은 TOC 반사도를 구한 뒤에 각 밴드에 대한 반사도 영상을 합성한 결과와 AERONET 자료를 적용한 밴드별 TOC 반사도를 합성한 결과이다. RGB 합성 결과를 단순 시각적 단순 분석해보았을 때에는 원본 데이터와 TOA 반사도 결과에 대한 변화 양상이 시각적으로는 차이가 많은 것으로 보이지 않지만, 수치로 확인해보았을 경우 큰 변화가 있는 것을 확인할 수 있었다. 원본 데이터와 TOC 반사도의 결과는 시각적 단순 분석으로도 변화가 있는 것을 확인할 수 있었으며, AERONET 자료의 적용 여부 결과 또한 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
특히 TOC 계산 과정에는 대기광학 두께와 에어로졸 관측값을 포함한 AERONET 파일을 사용할 수 있도록 하였다. 실험 결과로는 AERONET 파일은 TOC 반사도 영상 산출물 제작에 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 연구는 대기 보정 알고리즘을 개발하거나 검증하는 것이 주목적이 아니고 기존 오픈소스 개발환경에 KOMPSAT 3/3A호 영상정보를 전용으로 처리할 수 있는 추가 모듈로 구현한 것이기 때문에 이 연구에서 개발된 대기 보정 모듈은 실행 파일의 정상 작동과 별도로 처리 결과인 성과물에 대한 무결성 확인 검사가 필요하다.
RGB 합성 결과를 단순 시각적 단순 분석해보았을 때에는 원본 데이터와 TOA 반사도 결과에 대한 변화 양상이 시각적으로는 차이가 많은 것으로 보이지 않지만, 수치로 확인해보았을 경우 큰 변화가 있는 것을 확인할 수 있었다. 원본 데이터와 TOC 반사도의 결과는 시각적 단순 분석으로도 변화가 있는 것을 확인할 수 있었으며, AERONET 자료의 적용 여부 결과 또한 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 한편 이와 같은 KOMPSAT 3A호에 대한 처리 결과는 체계적으로 정립된 Landsat과 같은 중 규모 해상도 영상을 사용한 대기 보정 처리 결과와 비교 연구도 가능하지만, 기본적으로 해상도의 차이가 크기 때문에 직접 비교는 의미 있는 결과를 기대하기 어렵다.
이 연구에서 구현된 도구는 KOMPSAT 3/3A호 영상정보의 TOA와 TOC 반사도 영상 제작을 위한 최초의 오픈소스 도구이다.

후속연구

실험 결과로는 AERONET 파일은 TOC 반사도 영상 산출물 제작에 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 연구는 대기 보정 알고리즘을 개발하거나 검증하는 것이 주목적이 아니고 기존 오픈소스 개발환경에 KOMPSAT 3/3A호 영상정보를 전용으로 처리할 수 있는 추가 모듈로 구현한 것이기 때문에 이 연구에서 개발된 대기 보정 모듈은 실행 파일의 정상 작동과 별도로 처리 결과인 성과물에 대한 무결성 확인 검사가 필요하다. 이 연구에서는 실험에 적용한 영상 정보가 포함된 지역을 위한 현장 분광 측정 자료가 없기 때문에 직접 비교는 수행하지 못했고 향후 이러한 자료가 있는 지역의 KOMPSAT 영상을 처리하고 결과를 분석하는 추가 연구를 수행할 계획이다.
이 연구에서는 실험에 적용한 영상 정보가 포함된 지역을 위한 현장 분광 측정 자료가 없기 때문에 직접 비교는 수행하지 못했고 향후 이러한 자료가 있는 지역의 KOMPSAT 영상을 처리하고 결과를 분석하는 추가 연구를 수행할 계획이다. 이 연구에서 구현된 KOMPSAT 3/3A호 영상의 절대 대기 보정 자동화 처리도구 차세대 중형 국토 위성 정보를 이용한 지표면 반사도 산출물 제작 도구로도 활용될 것으로 기대한다.
이 연구는 대기 보정 알고리즘을 개발하거나 검증하는 것이 주목적이 아니고 기존 오픈소스 개발환경에 KOMPSAT 3/3A호 영상정보를 전용으로 처리할 수 있는 추가 모듈로 구현한 것이기 때문에 이 연구에서 개발된 대기 보정 모듈은 실행 파일의 정상 작동과 별도로 처리 결과인 성과물에 대한 무결성 확인 검사가 필요하다. 이 연구에서는 실험에 적용한 영상 정보가 포함된 지역을 위한 현장 분광 측정 자료가 없기 때문에 직접 비교는 수행하지 못했고 향후 이러한 자료가 있는 지역의 KOMPSAT 영상을 처리하고 결과를 분석하는 추가 연구를 수행할 계획이다. 이 연구에서 구현된 KOMPSAT 3/3A호 영상의 절대 대기 보정 자동화 처리도구 차세대 중형 국토 위성 정보를 이용한 지표면 반사도 산출물 제작 도구로도 활용될 것으로 기대한다.

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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