[논문]GOCI-II 대기보정 알고리즘의 소개 및 초기단계 검증 결과

안재현; 김광석; 이은경; 배수정; 이경상; 문정언; 한태현; 박영제

doi:10.7780/kjrs.2021.37.5.2.4

GOCI-II 대기보정 알고리즘의 소개 및 초기단계 검증 결과
Introduction of GOCI-II Atmospheric Correction Algorithm and Its Initial Validations 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.37 no.5 pt.2, 2021년, pp.1259 - 1268

안재현 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 김광석 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 이은경 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 배수정 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 이경상 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 문정언 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 한태현 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 박영제 (한국해양과학기술원 해양위성센터)

초록
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'천리안 해양위성 2호(2nd Geostationary Ocean Color Imager: GOCI-II)는 천리안 해양위성 1호(GOCI)의 후속위성으로 1개의 근자외 채널(380 nm), 8개의 가시광 채널(412, 443, 490, 510, 555, 620, 660, 680 nm), 3개의 근적외 채널(709, 745, 865 nm)의 총 12개 파장대에서 다분광 관측을 하며, 1시간 간격의 시간 해상도로 한반도 주변 동북아 해양, 1일 간격으로 반구(full disk)영역의 해양 환경 자료를 생산한다. 해색 자료처리의 첫 단계로 대기 상층 복사휘도에서 해수표면 반사도를 계산하는 대기보정을 수행하며, GOCI-II의 표준 대기보정은 GOCI 대기보정 방법에 이론적인 기반을 두고 있으며, GOCI-II에 새로 추가된 밴드 중 620, 709 nm를 이용하여 탁도가 높은 해역에서의 대기보정 성능을 향상시켰다. 본 연구에서는 GOCI-II 지상국 시스템에 구현 되어있는 대기보정 알고리즘을 우선 소개하고, 현장 측정 원격반사도 자료를 이용하여 초기단계 검증을 수행하였다. 검증은 1차적으로 대양에서 수집된 현장 자료와의 비교를 통해 수행하였으며 여기서의 대기보정 정확도는 대양 대기보정 정확도 요구범위인 청색 파장대 오차율 5% 이내의 범위를 만족시켰다. 그러나 연안의 해양관측타워에 설치된 무인 관측장비인 AERONET-OC로 수집된 원격반사도 자료를 이용한 추가적인 검증결과에서는 대양과 달리 높은 오차율을 보여주었다. 연안에서의 대기보정 정확도는 추후 추가적인 근적외 파장대 대리교정을 통해 보완이 가능할 것으로 보이며, 지속적인 검보정 활동을 통해 수집된 현장자료들을 이용할 경우 연안뿐 아니라 전체적인 대기보정 성능 향상이 가능할 것으로 기대된다. 이후 검보정 활동을 통해 개선된 대기보정은 주기적으로 GOCI-II 지상국 시스템에 반영하여 재처리 및 재 배포를 수행할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The 2nd Geostationary Ocean Color Imager (GOCI-II) is the successor to the Geostationary Ocean Color Imager (GOCI), which employs one near-ultraviolet wavelength (380 nm) and eight visible wavelengths(412, 443, 490, 510, 555, 620, 660, 680 nm) and three near-infrared wavelengths(709, 745, 865 nm) to observe the marine environment in Northeast Asia, including the Korean Peninsula. However, the multispectral radiance image observed at satellite altitude includes both the water-leaving radiance and the atmospheric path radiance. Therefore, the atmospheric correction process to estimate the water-leaving radiance without the path radiance is essential for analyzing the ocean environment. This manuscript describes the GOCI-II standard atmospheric correction algorithm and its initial phase validation. The GOCI-II atmospheric correction method is theoretically based on the previous GOCI atmospheric correction, then partially improved for turbid water with the GOCI-II's two additional bands, i.e., 620 and 709 nm. The match-up showed an acceptable result, with the mean absolute percentage errors are fall within 5% in blue bands. It is supposed that part of the deviation over case-II waters arose from a lack of near-infrared vicarious calibration. We expect the GOCI-II atmospheric correction algorithm to be improved and updated regularly to the GOCI-II data processing system through continuous calibration and validation activities.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Flow chart of the turbid water ρ_wn(NIR) correction scheme for the GOCI-II atmospheric correction process. In the figure, ρ_TOA represents the topof- atmosphere reflectance from satellite level, ρ_r represents the Rayleigh multiple-scattering reflectance in the absence of aerosols, ρ_am represents the aerosol multiple-scattering reflectance in the presence of airmolecules, and ρ_wn represents normalized-water reflectance at the sea surface. The terms t_d^v and t_d^s are the downward and upward diffuse transmittances, respectively.
표 Table 1. Mean absolute percentage errors (MAPE), and RMSEs of GOCI-II R_rs and in-situ measurements at each wavelength of GOCI-II during a cruise in the Philippine Sea for a period of 3-15 July 2021
그림 Fig. 2. Validation of the GOCI-II retrieved R_rs and in-situ R_rs. The red diamonds represent R_rs spectrum retrievals through the GOCI-II atmospheric correction algorithm. The gray lines represent R_rs spectra obtained from in-situ above water radiometry in Philippine Sea.
그림 Fig. 3. Validation of the GOCI-II atmospheric correction with AERONET-OC R_rs obtained during Oct./ 2020~Mar./2010. The AERONET-OC sites are located at Socheongcho (124.738°E, 37.423°N) and Ariake (130.272°E, 33.104°N) observation tower, respectively.
표 Table 2. Mean absolute percentage errors (MAPE), and RMSEs of GOCI-II R_rs and AERONET-OC measure - ments at each wavelength of GOCI-II obtained during Oct./2020~Mar./2010. AERONET-OC sites are located at Socheongcho (124.738°E, 37.423°N) and Ariake (130.272°E, 33.104°N) observation tower, respectively

AI 본문요약
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제안 방법

대리교정이 적용된 대기보정 시스템은 1형수 해역인 필리핀해 및 2형수 연안해역(한국 소청초 과학기지, 일본 아리아케 관측타워)에서 수집된 현장 수집 원격반사도 자료를 이용하여 초기단계 검증이 수행되었다. 검증 결과 대양에서는 380, 412, 443, 490, 510, 555, 620, 660, 680 nm 밴드에서 순서대로 7.

이론/모형

마지막으로, 본 연구에서는 복사전달 시뮬레이션을 위해 Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum vector code (6SV)를 이용하였으며 처리속도의 향상을 위해 계산결과 및 계산에 필요한 상수 값들을 미리 조견표(look-up table)에 저장 후 내삽하여 계산하였다.

성능/효과

대리교정이 적용된 대기보정 시스템은 1형수 해역인 필리핀해 및 2형수 연안해역(한국 소청초 과학기지, 일본 아리아케 관측타워)에서 수집된 현장 수집 원격반사도 자료를 이용하여 초기단계 검증이 수행되었다. 검증 결과 대양에서는 380, 412, 443, 490, 510, 555, 620, 660, 680 nm 밴드에서 순서대로 7.5, 3.5, 3.9, 5.7, 7.7, 8.9, 150.5, 167.8, 183.1%의 오차율(MAPE)을 보여주었고 이는 대양을 대상으로 하는 대기보정 정확도 요구사항을 만족하고 있다(청색 파장대에서 평균 5% 이내의 오차율). 그러나 연안에서의 정확도 검증 결과 412, 443, 490, 510, 555, 620, 660, 680 nm 밴드에서 순서대로 88.
1%의 오차율(MAPE)을 보여주었고 이는 대양을 대상으로 하는 대기보정 정확도 요구사항을 만족하고 있다(청색 파장대에서 평균 5% 이내의 오차율). 그러나 연안에서의 정확도 검증 결과 412, 443, 490, 510, 555, 620, 660, 680 nm 밴드에서 순서대로 88.7, 73.6, 48.2, 61.2, 36.2, 52.5, 56.0, 33.0%의 오차율로 대양에서의 검증 결과보다 낮은 정확도를 보여주었는데 이는 GOCI-II의 NIR밴드 대리교정의 부재가 원인인 것으로 판단된다. 대기보정의 일반적이고 가장 중요한 과정은 대기 광 산란에 의한 영향 보정이지만 탁도가 높은 연안해역에서는 탁수에 의한 NIR 파장대 해수 반사도 영향을 보정하는 과정이 대기보정 결과를 더 크게 좌우하기 때문이다.

후속연구

GOCI-II 등의 일반적인 해색 임무에서는 지속적인 검보정 활동을 통해 대리교정 계수 및 대기보정 알고리즘 업데이트를 수행하고 있다. 본 연구의 대기보정 알고리즘도 추가적으로 확보된 위성자료를 적용하여 현재 해양조사원을 통해 배포되고 있는 산출물(2021년 1월자, 배포용 버전)보다 대리교정 상수가 일부 개선된 버전이며(2021년 6월, 연구용 개선 버전) 추후 검보정을 통해 주기적으로 업데이트 내용이 자료처리 시스템에 반영되어 공지 후 재처리 및 재배포가 될 예정이다.
대기보정의 일반적이고 가장 중요한 과정은 대기 광 산란에 의한 영향 보정이지만 탁도가 높은 연안해역에서는 탁수에 의한 NIR 파장대 해수 반사도 영향을 보정하는 과정이 대기보정 결과를 더 크게 좌우하기 때문이다. 탁수의 영향의 보정에 중요한 역할을 하는 NIR밴드 대리교정이 수행되지 않을 경우 탁수 대기보정 과정에서 전체적으로 오차가 더 발생할 수 있으며 이는 추후 대리교정 상수 업데이트를 통해 개선되어야 할 것이다.

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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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