[논문]다중 원격탐사 플랫폼 기반 곰소만 갯벌 정밀 지형변화 연구

황득재; 김범준; 최종국; 유주형

doi:10.7780/kjrs.2020.36.2.2.4

다중 원격탐사 플랫폼 기반 곰소만 갯벌 정밀 지형변화 연구
Precise Topographic Change Study Using Multi-Platform Remote Sensing at Gomso Bay Tidal Flat 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.36 no.2 pt.2, 2020년, pp.263 - 275

황득재 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 김범준 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 최종국 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 유주형 (한국해양과학기술원 해양연구기반부)

초록
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이 연구에서는 무인항공기, LIDAR, TanDEM-X 자료 기반 DEM을 사용하여 곰소만 갯벌의 다년간의 지형 변화를 분석하였다. LIDAR 기반 DEM은 2011년 국립해양조사원에서 관측한 유인항공기 관측 자료를 활용하였으며, TanDEM-X 기반 DEM은 2015년 6월 영상을 활용하여 제작된 자료를 사용하였다. 무인항공기 자료는 주진천을 중심으로 만 바깥쪽에 위치한 고창군 만돌리 해안의 갯벌지역인 KM 지역과 하전리 연안의 갯벌지역인 KH 지역을 대상으로 각각 2019년 5월과 8월, 2018년 4월과 2019년 5월에 관측한 영상을 DEM으로 제작하여 비교하였다. KM 지역에서는 2011년에서 2019년 8월 사이에 평균 0.24 m 의 표고가 감소하였고, 셰니어가 육지 쪽으로 약 130 m 후퇴하였다. KH 지역에서는 연구 기간인 2011년에서 2019년 5월 사이에 평균 0.16 m의 표고가 증가하였다. 다중 플랫폼에 기반한 원격탐사 자료를 활용을 통해 갯벌의 정밀한 지형변화를 연구할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, DEMs (Digital elevation model) based on LIDAR, TanDEM-X and UAV (Unmanned Aerial Vehicle) are used to analyze topographic change of Gomso tidal flat during a few years. DEM from LIDAR data was observed at 2011 by KHOA (Korean hydrographic and oceanographic agency) and DEM based on TanDEM-X data was generated at Lee and Ryu (2017). UAV data was observed at KM and KH area of Gomso tidal flat. KM area was surveyed at MAY and AUG 2019, and KH area was surveyed at APR 2018 and MAY 2019. During research period, 2011 to AUG 2019, elevation of KM area is decreased 0.24 m in average, and Chenier is retreat to landward about 130 m. In KH area, elevation is increased 0.16 m in average during research period, 2011 to MAY 2019. It is expected that multi-platform remotely sensed data can help to study accurate topographic change of tidal flat.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. (a) Map of Gomso tidal flat at Gochang, Jeollabukdo. Landsat-8 image that observed at 3 Mar. 2017 is used. Jujin stream is located at middle of southern tidal flat. KH and KM area is located at west part from Jujin stream. Transect topographic change during 3 years is analyzed at Line A to G, (b) orthomosaic image of KM area from UAV observation at 10 May 2019, (c) orthomosaic image of KH area from UAV observation at 10 May. Topographic change is analyzed at white area of (b) and (c). Black dots are GCPs (Ground Control Points) that are used to process UAV images.
그림 Fig. 2. Elevation measurement using RTK-GPS at tidal flat.
표 Table 1. Information of platform and sensor which are used in this study
그림 Fig. 3. Validation between RTK-GPS ellipsoid and UAV DEM ellipsoid (N = 62).
표 Table 2. Validation of each platform data from DEM
그림 Fig. 4. DEM that based on UAV imagery at KM area.
그림 Fig. 5. Topographic change of KM area.
그림 Fig. 6. DEMs of KH area at each time.
그림 Fig. 7. Elevation difference between Apr. 2018 and May.
그림 Fig. 8. DEM generated from LIDAR and TanDEM-X data.
그림 Fig. 9. Elevation of transect A to G.
그림 Fig. 10. Time series of elevation change at KM area.
그림 Fig. 11. Time series of elevation change at KH area.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문에서는 기존의 원격탐사 연구가 가지는 한계를 극복 하고 보다 정밀한 곰소만 갯벌의 지형변화를 연구하기 위하여, 다중 플랫폼을 활용하여 곰소만 갯벌의 지형변 화를 분석하고자 한다.
이 연구에서는 다중 플랫폼에 기반하여 획득한 시계열 DEM을 활용하여 곰소만 갯벌의 정밀지형변화를 연구하였다. LIDAR, TanDEM-X, 무인항공기 자료가 사용되었으며, 2011년, 2015년, 2018년 4월, 2019년 5월, 2019년 8월의 곰소만 갯벌의 지형을 비교하였다.

제안 방법

5월을 봄철, 8월을 여름철로 구분하여 계절 간의 지형변화를 분석하기 위하여 두 DEM 간의 차이를 계산해 주었다[Fig. 5].
각 시기별 자료에서 공통된 지역인 KH, KM 지역의 시계열 지형변화를 분석하였다. 각 플랫폼 별 DEM의공 간 해 상 도 가 서 로 다 르 기 때 문 에 , 모 든 DEM은 TanDEM-X의 공간해상도인 5 m 로 resampling 하였다.
경사도의 차이를 정량적 으로 분석하기 위하여 Fig. 1의 Line A ~ G과 같이 7개측선을 설정하여, 각 측선의 표고 변화를 분석하였다 [Fig. 9].
1(b), (c)에서 흰색 실선으로 표시된 지역 이다. 관측 시기 별로 DEM의 공간해상도가 다르게 나타나 정확한 비교를 위하여, KM 지역은 0.25 m 로, KH 지역은 0.15 m 로 통일하였다.
TanDEM-X 기반 DEM은 2015년 6월 촬영한 영상을 활용하여 제작되었다. 두 자료 간의 비교를 위하여 LIDAR 기반 DEM의 공간해상도를 5 m 로 낮추어 비교하였다. 무인항공기 영상을 포함한 모든 자료의 좌표계는 북반구 UTM(Universal Transverse Mercator Coordinate System) 52 zone 좌표계를 WGS84(World Geodetic System 1984) 측지계(Datum)로 정의하여 통일하였다.
또한, 2011년 LIDAR 자료 기반 DEM과 2015년 TanDEM-X 영상 기반 DEM을 비교하여 4년여간의 변화를 분석하였다.
또한, 2011년 LIDAR 자료 기반 DEM과 2015년 TanDEM-X 영상 기반 DEM을 비교하여 4년여간의 변화를 분석하였다. 마지막으로 2011년, 2015년, 2018년 4월, 2019년 5월, 2019년 8월 까지의 변화를 KM 지역과 KH 지역으로 나누어 비교하였다.
각 플랫폼 별 DEM의공 간 해 상 도 가 서 로 다 르 기 때 문 에 , 모 든 DEM은 TanDEM-X의 공간해상도인 5 m 로 resampling 하였다.먼저 KM 지역의 경우, 2011년, 2015년, 2019년 5월, 2019년 8월의 각 기간별 변화를 표현하였고, 2019년 8월과 2011년의 차이를 계산하여 전체 기간 동안의 표고 변화를 분석하였다[Fig. 10]. KM 지역에서 관측할 수 있는 가장 큰 변화는 셰니어의 이동이다.
무인항공기 기반 DEM을 비교하여, 2019년 5월과 8월에 관측한 KM 지역의 계절변화와 2018년 4월과 2019년 5월에 관측한 KH 지역의 연간변화를 분석하였다.
두 자료 간의 비교를 위하여 LIDAR 기반 DEM의 공간해상도를 5 m 로 낮추어 비교하였다. 무인항공기 영상을 포함한 모든 자료의 좌표계는 북반구 UTM(Universal Transverse Mercator Coordinate System) 52 zone 좌표계를 WGS84(World Geodetic System 1984) 측지계(Datum)로 정의하여 통일하였다.
변화의 장기적인 추세나 소축척 단위의 변화들에 대해서만 분석이 가능하였던 기존의 원격탐사 연구를 다중 원격탐사 플랫폼을 활용하여 수행한 갯벌의 지형변화 연구를 통해 단기간의 대축척 단위의 변화를 관측할수 있게 되었다. 추가적인 연구를 통하여 이러한 대축척 단위의 지형들에 대해서 여러 시간 간격으로 정밀한 변화를 관측할 수 있다면, 갯벌의 생태나 지형변화의 메커니즘을 연구하는데 있어서 도움이 될 것으로 기대된다.
따라서 이 논문에서는 기존의 원격탐사 연구가 가지는 한계를 극복 하고 보다 정밀한 곰소만 갯벌의 지형변화를 연구하기 위하여, 다중 플랫폼을 활용하여 곰소만 갯벌의 지형변 화를 분석하고자 한다. 유인항공기에 탑재한 LIDAR 자료, SAR 위성인 TanDEM-X 영상 자료, UAV에 탑재한 DSLR 영상 자료를 활용하여 여러 기간에 걸쳐 제작된 DEM을 비교하여, 곰소만 갯벌의 계절별, 연간, 다년 간의 변화를 정밀하게 비교하였다
RTK-GPS의 운용은 기준국과 이동국을 동시에 사용하며, 기준국은 국토지 리정보원에서 제공하는 국가수준점의 좌표를 이용하였다. 지상기준점은 흰색이나 파란색 8절지를 갯벌에 고정하여 8절지 중심부의 표고를 이동국을 활용하여 측정하였다. 이동국은 2 m 길이의 폴대를 활용하며, 폴대 끝부분이 갯벌에 묻혀 오차가 생기지 않도록 바닥에 평평한 물체를 받치고 측량을 수행하였다[Fig.
무인항공기는 한국해양과학기술원 해양위성센터에서 직접 제작한 고정익 무인항공기와DJI 사에서 제작한 MAVIC 2 PRO 기체를 사용하였다[Table 1]. 탑재된 센서는 광학 카메라이며, 배터리와 비행시간 등을 지형요 소와 함께 고려하여 KM 지역과 KH 지역의 경계를 설정하였다. 획득한 개별 영상은 Lowe(2004)에서 소개된 SIFT 알고리즘을 기반으로 항공삼각측량법을 적용하 였고, 상용 영상처리 소프트웨어인 Photoscan을 사용하여 정사영상과 DEM을 제작하였다.

대상 데이터

소하천인 주진천을 중심으로 서쪽에 위치한 고창군 만돌리 인근의 KM 지역과 하전리 인근의 KH 지역을 대상으로 무인항공기 비행과 표고 측량을 수행하였다.KM 지역은 2019년 5월과 8월에, KH 지역은 2018년 4월과 2019년 5월에 자료를 획득하였다. 지형변화를 분석한 부분은 Fig.
다년간의 변화 및 곰소만 전체지역의 변화를 분석하기 위하여 LIDAR 자료와 TanDEM-X 자료를 이용하 였다. LIDAR 자료는 국립해양조사원에서 2011년에 유인항공기를 이용하여 획득한 자료로 XYZ 좌표로 관측된 점자료 제공 받았으며, 이를 3차원 보간하여 DEM을제작하였다. LIDAR 기반 DEM의 공간해상도는 XY 좌표의 간격과 동일한 1 m로 설정하였다.
이 연구에서는 다중 플랫폼에 기반하여 획득한 시계열 DEM을 활용하여 곰소만 갯벌의 정밀지형변화를 연구하였다. LIDAR, TanDEM-X, 무인항공기 자료가 사용되었으며, 2011년, 2015년, 2018년 4월, 2019년 5월, 2019년 8월의 곰소만 갯벌의 지형을 비교하였다. 무인항 공기 기반 DEM을 활용하여 분석한 2019년 5월과 8월사이에 KM 지역의 표고는 평균 0.
01 m 이내가 되도록 설정하였고, 측량은 무인항공기 비행과 동일한 날짜에 수행하였다. RTK-GPS의 운용은 기준국과 이동국을 동시에 사용하며, 기준국은 국토지 리정보원에서 제공하는 국가수준점의 좌표를 이용하였다. 지상기준점은 흰색이나 파란색 8절지를 갯벌에 고정하여 8절지 중심부의 표고를 이동국을 활용하여 측정하였다.
, 2007). TanDEM-X 기반 DEM은 2015년 6월 촬영한 영상을 활용하여 제작되었다. 두 자료 간의 비교를 위하여 LIDAR 기반 DEM의 공간해상도를 5 m 로 낮추어 비교하였다.
LIDAR 기반 DEM의 공간해상도는 XY 좌표의 간격과 동일한 1 m로 설정하였다. TanDEM-X 자료는 Lee and Ryu(2017)에서 제작된 곰소만 지역의 DEM을사용하였다. TanDEM-X 위성은 TerraSAR-X와 한 쌍을 이루며 전지구 DEM을 제작할 수 있도록 설계된 SAR 위성 이 다 (Krieger et al.
다년간의 변화 및 곰소만 전체지역의 변화를 분석하기 위하여 LIDAR 자료와 TanDEM-X 자료를 이용하 였다. LIDAR 자료는 국립해양조사원에서 2011년에 유인항공기를 이용하여 획득한 자료로 XYZ 좌표로 관측된 점자료 제공 받았으며, 이를 3차원 보간하여 DEM을제작하였다.
20 m 로 나타났다. 무인항공기 기반 DEM의 수직정확도는 2019년 8월 현장조사를 통해 획득한 62 개의 검증점 자료를 사용하였고, R 2 은 0.92, RMSE는 0.29 m 로 계산되었다[Fig. 3]. 수평정확도는 시기별로 2018년 4월에는 0.
무인항공기는 한국해양과학기술원 해양위성센터에서 직접 제작한 고정익 무인항공기와DJI 사에서 제작한 MAVIC 2 PRO 기체를 사용하였다[Table 1]. 탑재된 센서는 광학 카메라이며, 배터리와 비행시간 등을 지형요 소와 함께 고려하여 KM 지역과 KH 지역의 경계를 설정하였다.
소하천인 주진천을 중심으로 서쪽에 위치한 고창군 만돌리 인근의 KM 지역과 하전리 인근의 KH 지역을 대상으로 무인항공기 비행과 표고 측량을 수행하였다.KM 지역은 2019년 5월과 8월에, KH 지역은 2018년 4월과 2019년 5월에 자료를 획득하였다.
갯벌은 주로 남쪽 고창군 해안에 발달해 있으며, 갯벌 북쪽에 위치한 주조류로의 깊이는 약 15 m, 폭은 저조시 약 900 m에 달한다(Lee, 2010). 조석은 반일주조이며 평균조차는 약 4.33 m로 관측된다. 조류의 속도는 주조류로에서 창조류가 1.

이론/모형

탑재된 센서는 광학 카메라이며, 배터리와 비행시간 등을 지형요 소와 함께 고려하여 KM 지역과 KH 지역의 경계를 설정하였다. 획득한 개별 영상은 Lowe(2004)에서 소개된 SIFT 알고리즘을 기반으로 항공삼각측량법을 적용하 였고, 상용 영상처리 소프트웨어인 Photoscan을 사용하여 정사영상과 DEM을 제작하였다. DEM 제작에 입력할 지상기준점과 검증에 사용할 검증점의 측량은 Leica 사의 RTK-GPS(Real Time Kinetic - Global Positioning System) 장비를 사용하였다.

성능/효과

2011년부터 2019년 5월까지 KH 전체지역에서 통계적으로 약 0.16 m의 고도가 상승하였고, 약 230,000 m3 의 퇴적물이 퇴적되었다.
4에 표현하였다. 5월과 8월의 DEM 에서 전체적인 표고 분포는 유사한 형태를 보였으나, 검은색 상자 지역들에서 약 0.5 m의 표고 차이를 보였다.특히 Fig.
2019년 8월과 5월 사이에는 셰니어 중심부에서는 이동이 없지만 호 양 끝 단에서 소폭 후퇴하여 최대 10 m 육지 쪽으로 이동하였다. 결과적으로 연구기간 전체인 2011년과 2019년 8월 사이에 약 120 m가 육지 쪽으로 후퇴하였다. 위 결과를 통하여, KM 지역의 셰니어는 연구 기간 내에 지속적으로 후퇴해왔으며, 2015년 이후보다 이전에 그 후퇴속도가 더 빠름을 알 수 있다.
8 m 이상의 표고가 증가하였다. 만 안쪽은 표고가 전체적으로 증가하 였고, 만 바깥쪽은 감소하는 경향이 관측되며, 전체적으로 조류로와 조석 사주에서의 변화가 크게 나타났다. 조석사주의 변화는 만 가장 바깥쪽의 입구에 위치한 셰니어 및 조석사주 부근에서 가장 높게 관측되며, 최대 0.
LIDAR, TanDEM-X, 무인항공기 자료가 사용되었으며, 2011년, 2015년, 2018년 4월, 2019년 5월, 2019년 8월의 곰소만 갯벌의 지형을 비교하였다. 무인항 공기 기반 DEM을 활용하여 분석한 2019년 5월과 8월사이에 KM 지역의 표고는 평균 0.30 m 감소하였으며, 셰니어의 표고가 최대 0.7 m 감소하였다. 2018년 4월과 2019년 5월 사이에는 KH 지역의 표고가 평균 0.
8 m의 표고 변화를 보였다. 영상 통계 결과 연구지역 전체에서 평균 0.082 m의 표고가 상승한 것으로 나타났다.
결과적으로 연구기간 전체인 2011년과 2019년 8월 사이에 약 120 m가 육지 쪽으로 후퇴하였다. 위 결과를 통하여, KM 지역의 셰니어는 연구 기간 내에 지속적으로 후퇴해왔으며, 2015년 이후보다 이전에 그 후퇴속도가 더 빠름을 알 수 있다. 그러나 셰니어 안쪽의 표고는 2011년과 2015년 사이 보다 2019년 5월과 2015년 사이에 증가폭이 더 크다.
정량적인 분석을 위하여 두 DEM 의 차이를 계산한 결과[Fig. 7], 2019년 5월에 표고가 높게 관측된 하단 부분에서 가장 높은 편차를 보였고, 그 외의 지역에선 -0.2~ 0.2 m 사이의 편차를 보였다.
만 안쪽은 표고가 전체적으로 증가하 였고, 만 바깥쪽은 감소하는 경향이 관측되며, 전체적으로 조류로와 조석 사주에서의 변화가 크게 나타났다. 조석사주의 변화는 만 가장 바깥쪽의 입구에 위치한 셰니어 및 조석사주 부근에서 가장 높게 관측되며, 최대 0.8 m의 표고 변화를 보였다. 영상 통계 결과 연구지역 전체에서 평균 0.
결과적으로 2019년 5월에는 최대 폭 5 ~ 10 m의 조류로가 분포하게 되었다. 지형은 연구기간 내에 KH 지역 전체에 걸쳐 소폭 상승하였고, 영상 하단 조간대 상부 근처에서 표고가 급격하게 상승한 것으로 관측되었다. 2011년부터 2019년 5월까지 KH 전체지역에서 통계적으로 약 0.

후속연구

그러나 이러한 오차에도 불구하고 무인항공기를 활용한 갯벌 연구는 갯벌의 낮은 접근성을 해결하고, 높은 시공간해상도를 제공할 수 있기 때문에 지속적으로 연구할 필요가 있다.
추후 연구에서는 무인항공기에 추가적인 장비의 부착 이나 개별 영상의 후처리 등을 통하여, 갯벌 환경 요인에 의한 영향을 최소화한 지형 변화 연구가 필요하다.
앞서 설명한 단일 플랫폼 기반의 원격탐사 연구에 비하여 다중 플랫폼을 활용할 경우, 다양한 시공간해상도와 분광해상도를 갖는 원격탐사 자료를 활용하여 연구 지역의 지형 및 특성을 보다 유연하게 분석할 수 있다.Park(2019)에서는 국내 안면도의 바람아래 갯벌을 대상으로 광학위성인 KOMPSAT-2 다분광 영상 자료와 COSMO-SkyMed 초분광 영상자료를 활용하여 표층퇴 적상을 분석한 바 있다.
변화의 장기적인 추세나 소축척 단위의 변화들에 대해서만 분석이 가능하였던 기존의 원격탐사 연구를 다중 원격탐사 플랫폼을 활용하여 수행한 갯벌의 지형변화 연구를 통해 단기간의 대축척 단위의 변화를 관측할수 있게 되었다. 추가적인 연구를 통하여 이러한 대축척 단위의 지형들에 대해서 여러 시간 간격으로 정밀한 변화를 관측할 수 있다면, 갯벌의 생태나 지형변화의 메커니즘을 연구하는데 있어서 도움이 될 것으로 기대된다.
특히 ①, ② 지역에서 감소폭이 크게 나타나 평균 표고 감소에 영향을 미쳤다. 추후 잔존수와 sun glint의 영향을 최소화하여 무인항공기 관측을 수행하면 보다 정밀한 표고 변화를 관측할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	곰소만이란 무엇인가?	곰소만은 전라북도 부안과 고창 사이에 위치하고, 반폐쇄 형태의 만 지형을 가지고 있으며, 파랑에 비해 조류가 우세한 연안지역이다(Yang et al., 2007; Lee, 2014).
	우리나라 갯벌의 가치는?	갯벌은 연안지역에서 다양한 생물의 서식지, 태풍, 해일 등 해양 재해의 완충지, 수산자원의 보고이자, 정화조 역할을 하고 있다. 특히 우리나라 갯벌은 단위면적당 63억원 이상의 가치를 가지고 있다고 보고되었다 (MOF, 2013). 그러나 1987년 총 3,203.
	원격탐사 기반의 갯벌 연구들이 겪는 어려움은?	원격탐사 기반의 갯벌 연구들은 주로 인공위성 원격 탐사를 활용하여 이루어지며, 이는 곰소만과 같은 방대한 지역을 대상으로 효율적인 결과를 보인다. 그러나 관측 시간 및 재방문 주기가 일정하게 고정되어 있어, 갯벌을 연속적으로 관측하는데 어려움이 있다. 또한 갯벌 원격탐사에 주로 활용되어온 Landsat 등의 위성영상 자료는 30 m 혹은 그 이상의 해상도를 갖고 있으며, waterline 추출기법 기반의 DEM은 연변화 이상의 시간 간격을 가지고 제작되기 때문에, 그보다 작은 규모의 변화를 정밀하게 감지하지 못한다는 단점이 있다. 최근에는 무인항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle) 를 활용한 연안 지형 연구의 활용도가 증가하고 있으며, 다른 원격탐사 자료에 비해 높은 시공간해상도를 갖고 있어 중소규모의 지역을 연구하는데 유리하다.

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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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