[논문]복사전달모델을 이용한 KOMPSAT-3A 중적외선 데이터의 복사보정계수 산출: 탐구적 사례

김용승

doi:10.7780/kjrs.2020.36.6.2.12

초록
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위성데이터 처리과정에서 지표온도와 같은 지구물리변수를 산출하려면 위성에서 관측한 수치 값(Digital Number, DN)을 물리적 변수인 복사량(Radiance)으로 변환시키는 과정이 필수적이다. 본 연구의 목적은 위성발사 전에 실험실 측정치로 수립된 DN·Radiance 관계식을 KOMPSAT-3A 중적외선 데이터와 MODTRAN 복사전달모델을 이용하여 개선하는데 있다. 연구결과는 개선된 DN Radiance 관계식이 현실적인 복사량 값을 제공할 수 있음을 보였다. 후속연구에서는 이들 복사량에 대해 지상관측과 복사전달모델을 이용해 보다 정량적인 검증이 이루어지기를 기대한다.

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It is essential to convert the Digital Number (DN) measured from Earth observing satellites into the physical parameter of radiance when deriving the geophysical parameter such as surface temperature in the satellite data processing. The purpose of this study is to update the DN·Radiance equati...

It is essential to convert the Digital Number (DN) measured from Earth observing satellites into the physical parameter of radiance when deriving the geophysical parameter such as surface temperature in the satellite data processing. The purpose of this study is to update the DN·Radiance equation established from lab measurements, using the KOMPSAT-3A mid-wave infrared data and the MODTRAN radiative transfer model. Results of this study show that the improved DN·Radiance equation allows us to produce the realistic values of radiance. We expect in the forthcoming study that the radiances calculated as such should be more quantitatively validated with the use of relevant in-situ measurements and a radiative transfer model.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. KOMPSAT-3A level-1G image (590 × 685 pixels) data acquired Nov. 14, 2015 over the southernmost part of Salton Sea in California.
표 Table 1. Coordinates of KOMPSAT-3A level-1G image in Fig. 1
표 Table 2. Major components of MODTRAN input data
그림 Fig. 2. Scatter diagram of KOMPSAT-3A DN (x-axis) and TOA radiances (y-axis) calculated by MODTRAN model. The norm of residuals represents (Σ(yMODTRAN – y)²)^1/2.
그림 Fig. 3. KOMPSAT-3A TOA radiances (W·m^-2·sr^-1·μm^-1) calculated by using (a) pre-launch and (b) post-launch radiometric calibration coefficients.
그림 Fig. 4. Distribution of TOA radiances for three (1:1, 1:10, 1:70) spatial scales.
표 Table 3. Radiometric calibration coefficients determined from lab measurements (pre-launch) and this study (post-launch)

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구결과의 확장 적용과 관련하여 KOMPSAT-3A 데이터의 원해상도(5.5 m)에 이 연구에서 도출한 계수를 적용할 수 있는지를 살펴보기 위하여 다음의 테스트를 수행하였다. 연구지역의 KOMPSAT-3A 데이터와 복사전달모델 관련 입력데이터들의 스케일을 조정하여 1:10 스케일과 1:70 스케일의 두 경우에 대해 각각 복사보정계수를 산출하고 이를 적용하여 복사량을 계산하였다.
KOMPSAT-3A 중적외선 데이터를 이용해 지표온도와 같은 지구물리변수를 산출하려면 위성에서 관측한 수치 값을 물리적 변수인 복사량으로 변환시키는 복사 보정 과정이 필요하다. 본 연구에서는 이들 두 변수 간 의 관계식에 사용될 계수(복사보정계수)를 산출하기 위해 위성데이터와 MODTRAN 복사전달모델을 이용하는 방법을 제시하였다. 위성발사 전 측정된 복사보정계 수로 계산된 복사량이 비현실적임에 비해 본 연구를 통해 도출된 복사보정계수로 변환된 복사량이 합리적이었고 비록 본 논문에서는 제시하지 않았지만 이 계수 값으로 지표온도를 계산하는 후속 연구에서도 그 타당성을 확인할 수 있었다.
5 m)에 이 연구에서 도출한 계수를 적용할 수 있는지를 살펴보기 위하여 다음의 테스트를 수행하였다. 연구지역의 KOMPSAT-3A 데이터와 복사전달모델 관련 입력데이터들의 스케일을 조정하여 1:10 스케일과 1:70 스케일의 두 경우에 대해 각각 복사보정계수를 산출하고 이를 적용하여 복사량을 계산하였다. 이들 두 경우와 본 연구 데이터 30 m 해상도(1:1 스케일) 경우에 대한 개별 복사량 히스토그램이 Fig.

대상 데이터

물론, 지역 내에 현장관측 데이터가 있으면 결과의 비교검증에 더욱 도움이 될 것이다. 이 점들을 고려하여 이 연구에서는 미국 서부 캘리포니아의 남쪽에 위치한 Salton Sea 지역을 연구지역으로 선정하였다(Fig. 1).

이론/모형

TOA 복사량과 수치 값과의 관계는 흔히 선형관계식으로 수립되지만 상관계수를 조금 더 향상시키기 위해 본 연구에서는 2차 다항식을 사용하였다. 위성발사 전 실험실의 계수를 사용한 결과와 비교하기 위해 관련 계수들을 Fig.

성능/효과

본 연구에서는 이들 두 변수 간 의 관계식에 사용될 계수(복사보정계수)를 산출하기 위해 위성데이터와 MODTRAN 복사전달모델을 이용하는 방법을 제시하였다. 위성발사 전 측정된 복사보정계 수로 계산된 복사량이 비현실적임에 비해 본 연구를 통해 도출된 복사보정계수로 변환된 복사량이 합리적이었고 비록 본 논문에서는 제시하지 않았지만 이 계수 값으로 지표온도를 계산하는 후속 연구에서도 그 타당성을 확인할 수 있었다. 다만, 전지구적으로 적용하기에는 동적 범위가 다소 제한적임을 유의해야 하겠다.
3(b))와 약 2배 ~ 4배의 복사량 값의 차이가 있다. 이 계수들을 이용한 후속연구인 지표온도 산출에 대한 예비결과(투고 준 비 중)를 통해 Pre-launch 계수를 이용한 지표온도에서 자릿수 차이 이상의 매우 비현실적인 결과를 확인하였다. 따라서 Pre-launch 계수는 향후 복사 검보정을 통해 보다 정확히 개선되어야 한다.

후속연구

KOMPSAT-3A 중적외선 데이터를 이용해 지표온도와 같은 지구물리변수를 산출하려면 위성에서 관측한 수치 값을 물리적 변수인 복사량으로 변환시키는 복사 보정 과정이 필요하다. 본 연구에서는 이들 두 변수 간 의 관계식에 사용될 계수(복사보정계수)를 산출하기 위해 위성데이터와 MODTRAN 복사전달모델을 이용하는 방법을 제시하였다.
위성발사 전 측정된 복사보정계 수로 계산된 복사량이 비현실적임에 비해 본 연구를 통해 도출된 복사보정계수로 변환된 복사량이 합리적이었고 비록 본 논문에서는 제시하지 않았지만 이 계수 값으로 지표온도를 계산하는 후속 연구에서도 그 타당성을 확인할 수 있었다. 다만, 전지구적으로 적용하기에는 동적 범위가 다소 제한적임을 유의해야 하겠다. 산출한 TOA 복사량을 실제로 검증하는 일은 지상관측과 복 사전달모델링을 통해 향후 연구에서 이루어지기를 바라며, 저자는 본 연구결과가 KOMPSAT-3A 중적외선 데이터의 분광특성 관련한 정량적 분석 및 연구 활성화에 도움이 되기를 기대해 본다.
이 계수들을 이용한 후속연구인 지표온도 산출에 대한 예비결과(투고 준 비 중)를 통해 Pre-launch 계수를 이용한 지표온도에서 자릿수 차이 이상의 매우 비현실적인 결과를 확인하였다. 따라서 Pre-launch 계수는 향후 복사 검보정을 통해 보다 정확히 개선되어야 한다.
비록 본 연구에서 산출한 복사보정계수가 수치 값을 복사량으로 변환하는데 합리적이기는 하지만, 적용할 때 주의해야 할 점이 있다. 지상실험의 경우에 약 -30°C ~ 40°C에 대해 약 2,700 ~ 10,200 정도의 수치 값에 상응한 실험계수이기 때문에, 본 연구지역의 동적 범위가 약 5,300 ~ 9,400으로 저온지역과 고온지역의 일부가 계수산출에 반영되지 않았다는 것이다.
다만, 전지구적으로 적용하기에는 동적 범위가 다소 제한적임을 유의해야 하겠다. 산출한 TOA 복사량을 실제로 검증하는 일은 지상관측과 복 사전달모델링을 통해 향후 연구에서 이루어지기를 바라며, 저자는 본 연구결과가 KOMPSAT-3A 중적외선 데이터의 분광특성 관련한 정량적 분석 및 연구 활성화에 도움이 되기를 기대해 본다.
지상실험의 경우에 약 -30°C ~ 40°C에 대해 약 2,700 ~ 10,200 정도의 수치 값에 상응한 실험계수이기 때문에, 본 연구지역의 동적 범위가 약 5,300 ~ 9,400으로 저온지역과 고온지역의 일부가 계수산출에 반영되지 않았다는 것이다. 전지구적 적용 시 이들 지역의 복사량 관련한 분광특성 분석에는 제한적일 것으로 보인다.

참고문헌 (10)

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