[논문]고해상도 다분광 인공위성영상자료 기반 시화 간척지 갯골 변화 양상 분석

정용식; 이광재; 채태병; 유재형

doi:10.7780/kjrs.2020.36.6.2.10

초록
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갯골은 갯벌 퇴적의 형성과 발달에 가장 핵심적인 구실을 하는 해안퇴적지형으로써, 갯벌 퇴적/침식 지형의 이해와 분포 파악에 있어 매우 중요한 지표로 여겨진다. 본 연구는 KOMPSAT 고해상도 위성영상자료를 활용하여 시화호 간척지의 방조제 수문 개방 이후 시기별 갯골 변화 양상을 파악하고, 고해상도 위성 영상의 활용 가능성 및 효율성 평가하는데 목적을 가진다. 갯골 선 추출을 위해 2009년, 2014년, 2019년 세 시기를 대상으로 KOMPSAT 2, 3 영상을 활용하였으며, 각 4개의 분광 밴드를 활용한 주성분 분석 및 기본 신경망 기반 감독 분류와 Normalized Difference Water Index, Matched Filtering 및 Spectral Angle Mapper 감독 분류 기반의 밴드 비연산 기법을 적용하였다. 추출한 갯골 정보의 검증을 위해 국토지리정보원 수치지도정보 및 중해상도 Landsat 7 ETM+ 영상자료를 활용하였다. 검증 결과, 갯골 선의 방향성 및 분포 양상 변화 감지 부분에서 KOMPSAT 영상 자료가 Landsat 7 영상과 비교하여 검증자료와 큰 일치성을 나타냈다. 하지만 갯골 선 밀도 분포 파악 및 퇴적 지형 발달과 관련된 유의미한 정보의 제공에 있어서는 한계를 가질 것으로 확인되었다. 본 연구는 국내 조간대 환경 이슈에 대응하는 방안으로써 KOMPSAT 영상 기반 고해상도 원격 탐사의 활용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대되며, 조간대 환경 일대를 대상으로 하는 다종 플랫폼 영상 기반 융·복합 주제도 작성을 위한 기초연구자료로써 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The tidal channel is a coastal sedimentary terrain that plays the most important role in the formation and development of tidal flats, and is considered a very important index for understanding and distribution of tidal flat sedimentation/erosion terrain. The purpose of this study is to understand t...

The tidal channel is a coastal sedimentary terrain that plays the most important role in the formation and development of tidal flats, and is considered a very important index for understanding and distribution of tidal flat sedimentation/erosion terrain. The purpose of this study is to understand the changes in tidal channels by a period after the opening of the floodgate of the seawall in the reclaimed land of Sihwa Lake using KOMPSAT high-resolution multispectral satellite image data and to evaluate the applicability and efficiency of high-resolution satellite images. KOMPSAT 2 and 3 images were used for extraction of the tidal channels' lineaments in 2009, 2014, and 2019 and were applied to supervised classification method based on Principal Component Analysis (PCA), Artificial Neural Net (ANN), Matched Filtering (MF), and Spectral Angle Mapper (SAM) and band ratio techniques using Normalized Difference Water Index (NDWI) and MF/SAM. For verification, a numerical map of the National Geographic Information Service and Landsat 7 ETM+ image data were utilized. As a result, KOMPSAT data showed great agreement with the verification data compared to the Landsat 7 images for detecting a direction and distribution pattern of the tidal channels. However, it has been confirmed that there will be limitations in identifying the distribution of tidal channels' density and providing meaningful information related to the development of the sedimentary process. This research is expected to present the possibility of utilizing KOMPSAT image-based high-resolution remote exploration as a way of responding to domestic intertidal environmental issues, and to be used as basic research for providing multi-platform-image-based convergent thematic maps and topics.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Location map and satellite image of the study area.
그림 Fig. 2. Tidal channel distribution processes of the study area in KOMPSAT images for three different periods: (a) KOMPSAT 2 image at May 2009; (b) and (c) KOMPSAT 3 image at September 2014 and November 2019.
그림 Fig. 3. Overall workflow used in this study. The blue blocks are related to the pre-processing of the satellite image for extracting tidal channels extraction.
표 Table 1. Specification of KOMPSAT imageries and sea-level conditions used in this study
표 Table 2. Information on the validation datasets used in this study
그림 Fig. 4. Rose Diagrams for directional distribution of tidal channels: (a to c) Digital-Map-based; (d to f) KOMPSAT image-based; (g to i) Landsat 7 image-based results in 2009, 2014, and 2019, respectively.
그림 Fig. 5. Tidal channel distribution and density map (shown by percent clip): (a to c) Digital-Map-based; (d to f) KOMPSAT image-based; (g to i) Landsat 7 image-based results in 2009, 2014, and 2019, respectively.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 KOMPSAT 고해상도 위성영상 자료를 기반으로 시화호 간척지 방조제 개방 이후 시기별 갯골 선 정보를 다수의 감독 분류 방법 및 밴드비 연산기법을 활용해 추출하고, 효율성 및 활용 가능성을 평가하는 데 목적을 가진다. 검증 결과 고해상도 KOMPSAT 영상이 국토지리정보원 수치 지도정보와 비교하여 갯골의 분포지역과 방향성 변화 양상을 추적하고 파악하는데 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였으며, 중 해상도 위성 영상과 비교하여 갯골 방향성 양상 변화 감지부분에 큰 효율성을 나타내었다.
본 연구에서는 고해상도 KOMPSAT 다분광 영상자료를 활용하여, 시화 간척사업지의시기별 갯골 변화 양상을 분석하고, 조간대 및 갯벌 환경 대상의 아리랑 영상 활용 가능성에 대해 고찰하고자 한다.

제안 방법

추출한 갯골 선 정보를 기반으로 선 밀도 분포와 방향성 분석을 수행하였으며, 각각의 결과를 비교 평가하였다. 더불어 KOMPSAT 영상 시기에 대응하는 중해상도 위성 영상과의 결과 비교를 통해 활용 가능성에 대한 고찰을 수행하였다.
본 연구에서는 고해상도 다분광 인공위성 영상을 활용하여 연구지역 내 분포하는 갯골 정보를 추출하고, 분석 및 검증수행을 실시하였다(Fig. 3).
3, Table 1). 영상 내 남아있는 구름 및 구름 그림자에 대한 요인을 제거한 후 해당 픽셀에 대해서는 세 시기의 모든 영상에 적용하였으며, 4개의 분광 밴드를 활용한 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 및 기본 신경망(Artificial Neural Net, ANN) 기반의 감독 분류, NDWI(Normalized Difference Water Index), MF(Matched Filtering) 및 SAM(Spectral Angle Mapper) 감독 분류기반의 밴드 비연산 기법을 적용하고, 갯골에 대한 픽셀 정보를 각각 폴리곤(Polygon)의 형태로 추출하였다(Fig. 3).
활용한 감독 분류의 경우 갯골에 해당되는 다분광 픽셀 위치정보를 반자동으로 선정하였으며, 이들의 분광 정보를 훈련데이터로 활용 및 적용하였다. 형성된 Polygon은 일반화(Generalization 및 Aggregation)와 평활화(Smoothing) 처리를 통해 하나의 갯골을 대표할 수 있도록 단순화시켰으며, 이를 선형화하여 갯골에 해당하는 선(Lineaments) 정보로 변환 및 획득하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 총 3시기에 대한 갯골 분포 변화를 파악하기 위해 KOMPSAT2 와 3 영상을 각각 활용하였다. 2009년 5월, 2014년 9월, 2019년 11월에 촬영된 영상을 활용하였으며, 각 영상 획득시기는 안산 및 인천 송도 조위 관측소 자료의 일(Day) 조위 분포를 고려했을 때만 조기에 해당된다(Table 1). 갯골 선 정보 추출을 위해서 각각 RGBN4개의 다분광 밴드영상을 이용하였다 (Table 1).
본 연구에서는 총 3시기에 대한 갯골 분포 변화를 파악하기 위해 KOMPSAT2 와 3 영상을 각각 활용하였다. 2009년 5월, 2014년 9월, 2019년 11월에 촬영된 영상을 활용하였으며, 각 영상 획득시기는 안산 및 인천 송도 조위 관측소 자료의 일(Day) 조위 분포를 고려했을 때만 조기에 해당된다(Table 1).
중해상도 위성영상과의 검증비교를 위해 Landsat7 ETM+ 다분광 영상자료 (Level1)를 활용하였으며, 가시광-근적외선-단파 적외선(VNIR-SWIR) 다분광 영역을 대표하는 6개 밴드 영상을 활용하였다 (Table 2)

데이터처리

3). 추출한 갯골 선 정보를 기반으로 선 밀도 분포와 방향성 분석을 수행하였으며, 각각의 결과를 비교 평가하였다. 더불어 KOMPSAT 영상 시기에 대응하는 중해상도 위성 영상과의 결과 비교를 통해 활용 가능성에 대한 고찰을 수행하였다.

이론/모형

검증에 활용한 국토지리정보원 수치 지도는 약 1년의 갱신 주기를 가지고 있는 자료에 해당되며, 고해상도 항공 사진(cm급)을 기반으로 지역의 다양한 객체(예: 건물, 논, 밭, 지형, 갯벌, 등)에 대한 정밀수치 정보(Vector)를 제공한다. KOMPSAT영상의 획득시기에 대응될 수 있는 수치 지도를 각각 활용하였으며, 갯골 및 하천에 해 당하는 세부 수치 항목(선, polyline)을 활용하여 검증자료로써 이용하였다 (Table 2). 중해상도 위성영상과의 검증비교를 위해 Landsat7 ETM+ 다분광 영상자료 (Level1)를 활용하였으며, 가시광-근적외선-단파 적외선(VNIR-SWIR) 다분광 영역을 대표하는 6개 밴드 영상을 활용하였다 (Table 2).
3). 갯골 정보 추출을 위해 KOMPSAT 영상을 활용하였으며, 추출한 결과 검증을 위해 국토지리정보원에서 제공하는 수치 지도(Digital Map) 를 적용하였다(Fig. 3).
추출한 갯골 선 정보를 기반으로 각 시기별 선 성분들이 가지는 밀도 분포도(Density Map)를 구성하였으며, 장미 도표(Rose Diagram)를 작성하였다.

성능/효과

본 연구는 KOMPSAT 고해상도 위성영상 자료를 기반으로 시화호 간척지 방조제 개방 이후 시기별 갯골 선 정보를 다수의 감독 분류 방법 및 밴드비 연산기법을 활용해 추출하고, 효율성 및 활용 가능성을 평가하는 데 목적을 가진다. 검증 결과 고해상도 KOMPSAT 영상이 국토지리정보원 수치 지도정보와 비교하여 갯골의 분포지역과 방향성 변화 양상을 추적하고 파악하는데 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였으며, 중 해상도 위성 영상과 비교하여 갯골 방향성 양상 변화 감지부분에 큰 효율성을 나타내었다. 하지만 시화호 간척지의 개발 진행과 조수 발생에 따른 조간대 퇴적환경의 변화 감지 및 모니터링을 위해서는 보다 조밀한 시계열분석 및 Radar-LiDAR 자료기반 고해상도 DEM 영상검증이 요구될 것으로 사료되며, 갯골 선 밀도정보의 효율적 제공에 있어서는 한계를 가지는 것으로 판단된다.
수치지도 기반의 분포와 비교하여 KOMPSAT 영상 결과 대부분의 주요 갯골 분포 지역에 대한 일치성을 보이고 있으며, KOMPSAT 영상 결과 내에서 소규모의 갯골 분포에 대한 정보가 북동부, 서부, 동부지역 전반적으로 확인된다(Fig. 5(a), 5(f)).
5(a), 5(c), 5(g), 5(i)). 이러한 결과는 실제 굉장히 작은 규모에서부터 큰 규모까지 다양하게 발생하는 갯골의 발달 및 변화양상을 감지하는데 있어 중해상도 영상보다 고해상도 KOMPSAT 영상이 더 정확하고 많은 갯골 정보 제공성을 지닐 수 있음을 의미한다. 더불어 중해상도 위성영상이 가지는 공간적 바이어스에 의해 영상 내에서 정확하게 구분하지 못한 도로, 바다와 육지 경계, 불분명한 객체 등의 정보가 갯골 정보로써 함께 제공된 오류의 영향도 존재할 것으로 판단된다.

후속연구

더불어 중해상도 위성영상이 가지는 공간적 바이어스에 의해 영상 내에서 정확하게 구분하지 못한 도로, 바다와 육지 경계, 불분명한 객체 등의 정보가 갯골 정보로써 함께 제공된 오류의 영향도 존재할 것으로 판단된다. 나아가 간척지 개발과 조석 발생에 따른 갯골 퇴적 지형 변화 양상 파악을 위한 목적을 성공적으로 수행하기 위해서는 보다 더 조밀한 시계열분석과 고해상도 DEM 기반(Radar, LiDAR 등)의 검증이 요구될 것으로 판단된다.
본 연구가 조간대 환경 모니터링에 있어 항공, UAV, LiDAR 플랫폼 등의 영상자료와 함께 융·복합적 분석 결과를 산출하는데 있어 유용하게 이용될 수 있는 활용 가능성을 제시할 수 있는 기초자료가 될 것으로 기대되며, 고해상도 위성영상 활용 분야로써 지속될 수 있는 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
검증 결과 고해상도 KOMPSAT 영상이 국토지리정보원 수치 지도정보와 비교하여 갯골의 분포지역과 방향성 변화 양상을 추적하고 파악하는데 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였으며, 중 해상도 위성 영상과 비교하여 갯골 방향성 양상 변화 감지부분에 큰 효율성을 나타내었다. 하지만 시화호 간척지의 개발 진행과 조수 발생에 따른 조간대 퇴적환경의 변화 감지 및 모니터링을 위해서는 보다 조밀한 시계열분석 및 Radar-LiDAR 자료기반 고해상도 DEM 영상검증이 요구될 것으로 사료되며, 갯골 선 밀도정보의 효율적 제공에 있어서는 한계를 가지는 것으로 판단된다. 본 연구가 조간대 환경 모니터링에 있어 항공, UAV, LiDAR 플랫폼 등의 영상자료와 함께 융·복합적 분석 결과를 산출하는데 있어 유용하게 이용될 수 있는 활용 가능성을 제시할 수 있는 기초자료가 될 것으로 기대되며, 고해상도 위성영상 활용 분야로써 지속될 수 있는 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

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