[논문]가뭄 모니터링을 위한 인공위성 원격탐사자료의 활용 가능성 평가

원정은; 손윤석; 이상호; 강임석; 김상단

doi:10.7780/kjrs.2021.37.6.2.3

가뭄 모니터링을 위한 인공위성 원격탐사자료의 활용 가능성 평가
Evaluation of Utilization of Satellite Remote Sensing Data for Drought Monitoring 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.37 no.6 pt.2, 2021년, pp.1803 - 1818

원정은 (부경대학교 지구환경시스템과학부(환경공학전공)) , 손윤석 (부경대학교 환경공학과) , 이상호 (부경대학교 토목공학과) , 강임석 (부경대학교 환경공학과) , 김상단 (부경대학교 환경공학과)

초록
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기후변화로 인해 가뭄의 발생 빈도가 증가함에 따라 광범위하게 발생하는 가뭄의 상황을 정확하게 판단할 수 있는 모니터링 체계를 갖추는 것이 매우 중요하다. 그러나 지상 관측 기상자료만으로는 한국의 전 지역에 대한 복잡한 가뭄을 모두 파악하기에는 한계가 존재하는 반면, 인공위성 원격탐사자료는 광범위한 지역에서의 가뭄의 공간적 특성을 파악하고 가뭄을 탐지하는 데 효과적으로 이용될 수 있다. 본 연구에서는 남한의 가뭄 식별을 위한 원격탐사자료의 활용 가능성을 분석하고자 하였다. 다양한 측면의 가뭄을 모니터링하기 위해 가뭄에 영향을 미치는 주요 변수인 강수량과 잠재증발산량의 원격탐사 및 지상 관측자료를 수집하였다. 원격탐사자료의 적용성 평가는 관측자료와의 비교를 중심으로 수행하였다. 먼저 원격탐사자료의 적용성과 정확성을 평가하기 위하여 관측자료와의 상관관계를 분석하고, 기상학적 가뭄 모니터링을 위해 강수량과 잠재증발산량을 이용하여 다양한 측면의 가뭄지수들을 산정하였다. 이후 원격탐사자료의 가뭄 모니터링 능력을 평가하기 위해 가뭄지수에 대한 ROC 분석을 적용하여 과거 가뭄 재현성을 확인하였다. 마지막으로 원격탐사자료를 이용한 고해상도의 가뭄 지도를 작성하여 남한의 실제 가뭄에 대한 원격탐사자료의 모니터링 활용 가능성을 평가하였다. 원격탐사자료의 적용을 통해 향후 미 계측 유역을 포함한 남한 전 지역에서 다양하게 발생하는 가뭄 상황을 파악하고 이해할 수 있을 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the frequency of drought increases due to climate change, it is very important to have a monitoring system that can accurately determine the situation of widespread drought. However, while ground-based meteorological data has limitations in identifying all the complex droughts in Korea, satellite remote sensing data can be effectively used to identify the spatial characteristics of drought in a wide range of regions and to detect drought. This study attempted to analyze the possibility of using remote sensing data for drought identification in South Korea. In order to monitor various aspects of drought, remote sensing and ground observation data of precipitation and potential evapotranspiration, which are major variables affecting drought, were collected. The evaluation of the applicability of remote sensing data was conducted focusing on the comparison with the observation data. First, to evaluate the applicability and accuracy of remote sensing data, the correlations with observation data were analyzed, and drought indices of various aspects were calculated using precipitation and potential evapotranspiration for meteorological drought monitoring. Then, to evaluate the drought monitoring ability of remote sensing data, the drought reproducibility of the past was confirmed using the drought index. Finally, a high-resolution drought map using remote sensing data was prepared to evaluate the possibility of using remote sensing data for actual drought in South Korea. Through the application of remote sensing data, it was judged that it would be possible to identify and understand various drought conditions occurring in all regions of South Korea, including unmeasured watersheds in the future.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Summary of the remote sensing data used in this study
그림 Fig. 1. Location of study area and meteorological stations.
표 Table 2. Drought classification of drought indices
표 Table 3. ROC Model
그림 Fig. 2. Monthly cross-correlation coefficients between remote sensing data and observation data at 60 stations.
그림 Fig. 3. Cross-correlation coefficients of drought indices based on remote sensing data and observation data.
그림 Fig. 4. Results of ROC analysis of SPI.
그림 Fig. 5. Results of ROC analysis of EDDI.
그림 Fig. 6. Results of ROC analysis of SPEI.
그림 Fig. 7. ROC scores of SPI.
그림 Fig. 8. ROC scores of EDDI.
그림 Fig. 9. ROC scores of SPEI.
표 Table 4. Average ROC scores of drought indices
그림 Fig. 10. Drought severity map of drought indices based on remote sensing data on past drought events.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 원격탐사 자료의 가뭄 모니터링 능력을 확인하기 위해 Receiver Operating Characteristics (ROC) 분석을 적용하여 원격탐사 자료의 가뭄 모니터링 분야에서의 활용 가능성을 평가하였다. 마지막으로 고해상도의 가뭄 지도를 작성하여 한반도 전 지역에서 다양하게 발생하는 가뭄 상황을 판단하고자 하였다.
본 연구에서는 다양한 측면의 가뭄 모니터링을 위한 RS 자료의 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 기상학적 가뭄에 영향을 미치는 주요 변수인 강수량과 Eo의 원격탐사자료 CHIRPS와 MODIS 자료가 활용되었다.
, 2018), 대기의 수분 수요 측면의 가뭄을 해석하기 위한 원격탐사 자료의 활용이 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 SPI, EDDI 및 SPEI를 이용하여 다양한 측면의 가뭄을 모니터링하기 위한 원격탐사 자료의 활용 가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 한반도를 대상으로 강수량 및 기준 증발산량(Reference Evapotranspiration, Eo)에 대한 원격탐사 자료와 관측자료 사이의 상관성 분석을 수행하여 원격탐사 자료의 적용성을 평가하였다.

제안 방법

가뭄 모니터링을 위한 RS 자료의 활용성은 과거 가뭄 재현 능력으로 평가되었다. RS 자료를 이용한 세 가뭄지수의 과거 가뭄 재현성을 평가하기 위해 남한의 가뭄 기록을 이용하여 ROC 분석을 수행하였다. EDDI의 경우 관측자료와 RS 자료 모두 낮은 재현성을 나타내었다.
이를 위해 한반도를 대상으로 강수량 및 기준 증발산량(Reference Evapotranspiration, Eo)에 대한 원격탐사 자료와 관측자료 사이의 상관성 분석을 수행하여 원격탐사 자료의 적용성을 평가하였다. 또한 원격탐사 자료의 가뭄 모니터링 능력을 확인하기 위해 Receiver Operating Characteristics (ROC) 분석을 적용하여 원격탐사 자료의 가뭄 모니터링 분야에서의 활용 가능성을 평가하였다. 마지막으로 고해상도의 가뭄 지도를 작성하여 한반도 전 지역에서 다양하게 발생하는 가뭄 상황을 판단하고자 하였다.
본 절에서는 한국의 6개 지역을 대상으로 각 가뭄지수(SPI, EDDI 및 SPEI)의 과거 가뭄 재현성을 평가하였다. 6개 지역의 관측자료 기반의 가뭄지수(DI-obs)를 산정하기 위해 티센망을 이용하여 각 지역의 면적평균 월 강수량 및 Eo를 구축한 후 각 지역별 가뭄지수를 산정하였다.
이에 따라 본 연구에서는 SPI, EDDI 및 SPEI를 이용하여 다양한 측면의 가뭄을 모니터링하기 위한 원격탐사 자료의 활용 가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 한반도를 대상으로 강수량 및 기준 증발산량(Reference Evapotranspiration, Eo)에 대한 원격탐사 자료와 관측자료 사이의 상관성 분석을 수행하여 원격탐사 자료의 적용성을 평가하였다. 또한 원격탐사 자료의 가뭄 모니터링 능력을 확인하기 위해 Receiver Operating Characteristics (ROC) 분석을 적용하여 원격탐사 자료의 가뭄 모니터링 분야에서의 활용 가능성을 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용되는 원격탐사자료는 5 km×5 km의 공간해상도를 가지지만, 지상 관측자료는 60개의 기상관측소로부터 수집된다
본 연구에서는 다양한 측면의 가뭄 모니터링을 위한 RS 자료의 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 기상학적 가뭄에 영향을 미치는 주요 변수인 강수량과 Eo의 원격탐사자료 CHIRPS와 MODIS 자료가 활용되었다. RS 자료와 지상 관측자료와의 상관성 분석을 진행한 결과, 강수량의 RS 자료와 관측자료는 서로 상관성이 매우 높은 것으로 나타났으나, Eo는 다양한 기후변수들의 불확실성이 중첩되어 RS 자료와 관측자료의 상관성이 낮게 나타났다.

데이터처리

본 절에서는 강수량 및 Eo에 대한 원격탐사(Remote sensing, RS) 자료의 적용성이 검증된다. RS 자료의 적용성 평가를 위해 첫 번째로, 남한의 기상관측소 60개 지점에서 획득된 지상 관측자료와 60개 지점이 위치한 격자의 RS 자료 사이의 상관관계를 분석하였다. Fig.
가뭄 모니터링을 위해 RS 및 지상 관측자료를 이용하여 SPI, EDDI 및 SPEI를 산정하였다. 각 가뭄지수는 시간척도 1-12개월에 대해 산정되었다.
본 연구에 사용되는 원격탐사자료는 5 km×5 km의 공간해상도를 가지지만, 지상 관측자료는 60개의 기상관측소로부터 수집된다. 따라서 원격탐사자료의 적용성을 평가하기 위해, 60개의 관측소가 위치한 격자의 RS 자료를 이용하여 관측자료와의 상관관계 분석을 수행하였다. 관측자료가 위치한 격자 자료의 상관성에 기반하여 이외의 격자 자료의 적용성을 확보하고자 하였다.
원격탐사자료의 적용성을 평가하기 위해 지상 관측 자료와의 비교를 수행하였다. 본 연구에 사용되는 원격탐사자료는 5 km×5 km의 공간해상도를 가지지만, 지상 관측자료는 60개의 기상관측소로부터 수집된다.
관측자료가 위치한 격자 자료의 상관성에 기반하여 이외의 격자 자료의 적용성을 확보하고자 하였다. 이때 상관관계 분석은 기상 변수 (강수량 및 Eo)와 가뭄지수 (SPI, EDDI 및 SPEI)에 대한 관측자료와 원격탐사자료 사이의 상관계수를 산정하였다.

이론/모형

원격탐사 및 지상 관측된 강수량 자료는 높은 상관관계가 나타났으나, Eo와 Eo 기반의 EDDI는 그렇지 못하였다. 본 연구에 적용된 원격탐사 및 지상 관측 Eo 자료는 모두 Penman-Monteith 방법으로 추정되었다. Penman-Monteith 방법은 매우 다양한 기후변수를 필요로 하며, 따라서 다양한 기후변수들로부터 산정되는 Eo는 불확실성이 클 수 밖에 없다.
원격탐사 기반의 가뭄지수(DI-rs)는 각 지역에 위치하는 격자들을 이용하여 평균 월 강수량 및 Eo를 구축한 후 각 지역별 가뭄지수를 산정하였다. 산정된 가뭄 지수(DI-rs 및 DI-obs)의 과거 가뭄 재현성을 평가하기 위하여 ROC 분석을 적용하였다(Table 3). 지역별 가뭄 지수들(각각 SPI, EDDI 및 SPEI)의 ROC 분석 결과는 Fig.

성능/효과

RS 자료를 이용한 세 가뭄지수의 과거 가뭄 재현성을 평가하기 위해 남한의 가뭄 기록을 이용하여 ROC 분석을 수행하였다. EDDI의 경우 관측자료와 RS 자료 모두 낮은 재현성을 나타내었다. 이는 ROC 분석에 적용된 한국의 가뭄 사상이 대부분 강수 부족으로 기록되었기 때문으로 판단된다.
이를 위해 기상학적 가뭄에 영향을 미치는 주요 변수인 강수량과 Eo의 원격탐사자료 CHIRPS와 MODIS 자료가 활용되었다. RS 자료와 지상 관측자료와의 상관성 분석을 진행한 결과, 강수량의 RS 자료와 관측자료는 서로 상관성이 매우 높은 것으로 나타났으나, Eo는 다양한 기후변수들의 불확실성이 중첩되어 RS 자료와 관측자료의 상관성이 낮게 나타났다. 이러한 결과는 RS 및 관측자료 기반의 가뭄지수 사이에서도 유사하게 나타났다.
주로 강수량에 의존하는 SPI 및 SPEI는 두 자료 사이의 상관성이 높았으나 Eo에 기반하는 EDDI는 그렇지 못하였다. 가뭄 모니터링을 위한 RS 자료의 활용성은 과거 가뭄 재현 능력으로 평가되었다. RS 자료를 이용한 세 가뭄지수의 과거 가뭄 재현성을 평가하기 위해 남한의 가뭄 기록을 이용하여 ROC 분석을 수행하였다.
이는 ROC 분석에 적용된 한국의 가뭄 사상이 대부분 강수 부족으로 기록되었기 때문으로 판단된다. 그러나 관측자료와 비교하였을 때 RS 기반의 가뭄지수들은 대부분 유사한 성능을 보이는 것으로 판단되었으며, RS 자료는 고해상도로 제공되기 때문에 활용이 용이할 것으로 판단하였다. 실제로, 과거 발생했던 가뭄 사상에 대한 RS 기반의 가뭄지수들은 전국적인 가뭄 상황을 적절하게 판단할 수 있었다.
본 연구의 결과를 통해 가뭄 모니터링을 위한 원격탐사 자료의 활용 가능성을 확인할 수 있었다. 광범위한 지역에서의 관측이 가능한 원격탐사 자료의 활용은 미계측 지역에서의 가뭄 모니터링과 다양한 형태의 가뭄 상황 판단이 가능할 것이다.
그러나 관측자료와 비교하였을 때 RS 기반의 가뭄지수들은 대부분 유사한 성능을 보이는 것으로 판단되었으며, RS 자료는 고해상도로 제공되기 때문에 활용이 용이할 것으로 판단하였다. 실제로, 과거 발생했던 가뭄 사상에 대한 RS 기반의 가뭄지수들은 전국적인 가뭄 상황을 적절하게 판단할 수 있었다.
이러한 결과는 RS 및 관측자료 기반의 가뭄지수 사이에서도 유사하게 나타났다. 주로 강수량에 의존하는 SPI 및 SPEI는 두 자료 사이의 상관성이 높았으나 Eo에 기반하는 EDDI는 그렇지 못하였다. 가뭄 모니터링을 위한 RS 자료의 활용성은 과거 가뭄 재현 능력으로 평가되었다.

후속연구

본 연구의 결과를 통해 가뭄 모니터링을 위한 원격탐사 자료의 활용 가능성을 확인할 수 있었다. 광범위한 지역에서의 관측이 가능한 원격탐사 자료의 활용은 미계측 지역에서의 가뭄 모니터링과 다양한 형태의 가뭄 상황 판단이 가능할 것이다. 또한 고해상도를 가지는 다양한 원격탐사자료를 적용한다면 광범위하게 발생하는 가뭄의 상황을 정확하게 판단할 수 있는 모니터링 체계를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.
실제로 강수량만을 이용하는 SPI보다 Eo를 함께 이용하는 SPEI가 더 나은 가뭄 모니터링 능력을 보이는 지역이 존재하였으며, 강수량에만 의존하는 가뭄 모니터링은 다양한 기후 요인들에 의해 발생하는 복잡한 가뭄 현상을 올바르게 표현하기 어렵기 때문이다. 따라서 향후 연구에서는 가뭄의 주요 변수인 강수량과 Eo에 대한 다양한 RS 자료를 평가하여 효과적인 가뭄 모니터링에 접근할 필요가 있다.
광범위한 지역에서의 관측이 가능한 원격탐사 자료의 활용은 미계측 지역에서의 가뭄 모니터링과 다양한 형태의 가뭄 상황 판단이 가능할 것이다. 또한 고해상도를 가지는 다양한 원격탐사자료를 적용한다면 광범위하게 발생하는 가뭄의 상황을 정확하게 판단할 수 있는 모니터링 체계를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의 결과에서, Eo 기반의 가뭄지수인 EDDI가 낮은 재현성을 나타냈지만 Eo와 관련된 다양한 RS 자료의 활용성을 평가하는 것이 중요할 것이다. 실제로 강수량만을 이용하는 SPI보다 Eo를 함께 이용하는 SPEI가 더 나은 가뭄 모니터링 능력을 보이는 지역이 존재하였으며, 강수량에만 의존하는 가뭄 모니터링은 다양한 기후 요인들에 의해 발생하는 복잡한 가뭄 현상을 올바르게 표현하기 어렵기 때문이다.

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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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