[논문]GOCI-II를 활용한 단기 연안지형변화 모니터링 가능성 평가 연구

이진교; 김근용; 유주형

doi:10.7780/kjrs.2021.37.5.2.10

GOCI-II를 활용한 단기 연안지형변화 모니터링 가능성 평가 연구
A Study on the Possibility of Short-term Monitoring of Coastal Topography Changes Using GOCI-II 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.37 no.5 pt.2, 2021년, pp.1329 - 1340

이진교 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 김근용 (한국해양과학기술원 해양위성센터) , 유주형 (한국해양과학기술원 해양위성센터)

초록
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해양과 육상사이의 전이지대인 조간대는 인위적 활동과 자연적 교란에 의해 다양한 변화가 빠르게 일어나 지속적인 모니터링이 필요하다. 원격탐사 방법을 활용한 연안지형변화 모니터링은 조간대 접근성에 대한 한계를 극복하고, 조간대의 장기적인 지형변화를 관측하는데 효과적인 것으로 평가된다. 원격탐사를 이용한 기존 연안지형 모니터링연구는 대부분 Landsat 위성시리즈와 Sentinel 위성 영상 분석을 통해 수행되었다. 본 연구는 GOCI-II(천리안 해양위성 2호)영상에서 NDWI 지수를 이용해 수륙경계선을 추출한 후 다양한 조위에 따른 경기만 일대 조간대 면적 변화를 파악하고 짧은 기간 동안 DEM제작과 지형고도변화 관측의 유용성에 대해 살펴보았다. 2020년 10월 8일부터 2021년 8월 16일까지 경기만 일대에서 획득된 영상은 GOCI-II 249장, Sentinel-2A/B 39장, Landsat 8 OLI는 7장이었다. 조간대 DEM을 제작할 경우, Sentinel과 Landsat 영상은 최소 3개월에서 1년 이상의 자료수집이 필요했지만, GOCI-II 위성은 단 하루의 자료를 이용해서 조위에 따른 경기만 일대 조간대 DEM생성이 가능하였고 조간대 노출빈도 계산을 통해 지형고도변화도 관측하였다. GOCI-II 위성을 활용해 연안지형변화를 관측시 짧은 주기의 높은 시간해상도로 지형 변화를 조기 감지하고 부족한 공간해상도는 고해상도의 다중복합자료를 이용해 정밀하게 보간하여 활용하는 방안이 좋을 것으로 생각된다. 향후, 위 결과들을 바탕으로 연구 영역을 확대하고, 자동 분석 및 탐지 가능한 기술 개발을 통해 한반도 연안의 최신 지형도와 연안관리에 필요한 정보를 빠르게 제공 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The intertidal zone, which is a transitional zone between the ocean and the land, requires continuous monitoring as various changes occur rapidly due to artificial activity and natural disturbance. Monitoring of coastal topography changes using remote sensing method is evaluated to be effective in overcoming the limitations of intertidal zone accessibility and observing long-term topographic changes in intertidal zone. Most of the existing coastal topographic monitoring studies using remote sensing were conducted through high spatial resolution images such as Landsat and Sentinel. This study extracted the waterline using the NDWI from the GOCI-II (Geostationary Ocean Color Satellite-II) data, identified the changes in the intertidal area in Gyeonggi Bay according to various tidal heights, and examined the utility of DEM generation and topography altitude change observation over a short period of time. GOCI-II (249 scenes), Sentinel-2A/B (39 scenes), Landsat 8 OLI (7 scenes) images were obtained around Gyeonggi Bay from October 8, 2020 to August 16, 2021. If generating intertidal area DEM, Sentinel and Landsat images required at least 3 months to 1 year of data collection, but the GOCI-II satellite was able to generate intertidal area DEM in Gyeonggi Bay using only one day of data according to tidal heights, and the topography altitude was also observed through exposure frequency. When observing coastal topography changes using the GOCI-II satellite, it would be a good idea to detect topography changes early through a short cycle and to accurately interpolate and utilize insufficient spatial resolutions using multi-remote sensing data of high resolution. Based on the above results, it is expected that it will be possible to quickly provide information necessary for the latest topographic map and coastal management of the Korean Peninsula by expanding the research area and developing technologies that can be automatically analyzed and detected.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. GOCI-II Slot 7 (band 12 (865 nm)) image including the Korean peninsula. Blue square box indicated the research area, acquired on May 9, 2021.
그림 Fig. 2. Geostationary Ocean Color Imager-II coverage area (modified from Webpage of Korea Ocean Satellite Center, KIOST) with sequence of slot acquisition starting from Slot 0. Yellow box indicated the research area slot 7.
표 Table 1. The GOCI-II data used in this study obtained from October 8, 2020 to August 16, 2021 and The tidal height was based on ALLW (Approximate Lowest Low Water)
표 Table 1. Continued
표 Table 2. Specification about GOCI-II, Landsat 8 OLI and Setinel-2B
그림 Fig. 3. The number of satellite images available by the 3 satellites (data obtained from October 8, 2020 to August 16, 2021).
그림 Fig. 4. Comparing the area of the intertidal zone estimated by the 3 satellites ((a) GOCI2, (b) Landsat 8 OLI, (c) Sentinel-2B).
그림 Fig. 5. Tide timetable from Incheon tide station acquired February 4, 2021.
그림 Fig. 6. Daily variation of tidal flat area from GOCI-II acquired at (a) 10:25, (b) 11:25, (c) 12:25, (d) 13:25, (e) 14:25, (f) 15:25 local time on February 4, 2021.
그림 Fig. 7. Total stacking tidal flat area from GOCI-II acquired February 4, 2021.
그림 Fig. 8. Changes in tidal flat topography by month according to exposure frequency.
그림 Fig. 9. Tide timetable from Incheon tide station. Image acquisition time marked as red circle.
그림 Fig. 10. Monthly maximum tidal area.
그림 Fig. 11. Correlation analysis between tidal heights and tidal flat area (n=73).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 세계최초정지궤도 천리안 해양위성인 GOCI보다 시간해상도와 공간해상도가 향상된 GOCI-II의 영상과 경기만 일대 관측된 조위자료를 이용해 1) 조석 단계별 광역적 조간대의 면적을 파악하고, 2) 조간대 지형도 제작 및, 3)단기 조간대 지형변화 등에 대한 가능성을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 세계최초의 정지궤도 해양관측 위성인 천리안 해양위성 1호(GOCI)의 후속 위성으로 GOCIII가 발사되었고, 시공간 해상도 향상에 따른 연안 지형 변화 관측에 대한 활용 가능성을 확인하고자 하였다. 그 결과 GOCI-II 의 높은 시간해상도는 단기간 지형의 표고변화를 관측 가능하였고, 장기적으로는 월별 및 연별 최대 면적 관측이 가능하였다.

대상 데이터

각 위성의 공간해상도 차이 비교를 위해 인천 옹진군 장봉도 조간대 지역을 대상으로 GOCI-II 와 상대적으로 고해상도인 Sentinel-2B 와 Landsat8 OLI의 영상을 사용하였다(Table 2). 각 위성영상의 공간해상도를 10 m로 재조정한 뒤 NIR밴드의 Histogram Density Slice 방법을 통한 임계값을 기준으로 육지부분을 마스킹 하였다.
획득된 위성영상은 연구지역에서 구름 덮개 30% 이하의 영역으로만 선정되었으며 강화도 남단과 영종대 일대 조간대가 명확히 드러난 영상만을 나열하였다. 정지궤도 위성인 GOCI-II의 획득영상은 249장으로 최소 일 1회에서 최대 일 8회씩 연구지역을 촬영하였으며 극궤도위성인 Sentinel-2 A/B와 Landsat 8 OLI는 동일 기간에 각각 39장, 7장 촬영되었다. 각 위성별로 수륙경계선 방법을 이용해 DEM을 생성하기 위해서는 Landsat 8 OLI 의 경우 최소 1년 이상의 자료 수집이 필요하고, Sentinel-2A/B의 경우 최소 3개월 이상의 자료 수집이 필요하였다.
해당 연구지역의 연안지형 변화를 모니터링하기 위하여 2020년 10월 8일부터 2021년 8월 16일까지 획득된 GOCI-II 영상을 사용하였다. 이번 연구에서 사용한 영상 리스트는 Table 1과 같다.

이론/모형

연구지역의 연안지형 일 변화 모니터링을 관측을 위해 2020년 2월 19일에 발사된 GOCI-II 위성을 사용하였다. GOCI-II는 GOCI와 비교하여 관측밴드가 8개에서 13개, 관측 횟수가 8회에서 10회로 증가하였고, 공간 해상도는 500 m에서 250 m로 4배 향상되었다.

성능/효과

본 연구에서는 세계최초의 정지궤도 해양관측 위성인 천리안 해양위성 1호(GOCI)의 후속 위성으로 GOCIII가 발사되었고, 시공간 해상도 향상에 따른 연안 지형 변화 관측에 대한 활용 가능성을 확인하고자 하였다. 그 결과 GOCI-II 의 높은 시간해상도는 단기간 지형의 표고변화를 관측 가능하였고, 장기적으로는 월별 및 연별 최대 면적 관측이 가능하였다. 특히, 기존의 고해상도 영상을 활용한 조간대의 지형변화 관측을 위해 수 개월 동안의 다양한 조위에서 획득된 영상이 필요했던 기존 연구들과 비교하여 짧은 기간에 지형변화 관측이 가능한 수준의 영상을 획득할 수 있다는 장점을 보여주었다.
본 연구는 경기만 일부의 조간대 면적 변화와 단기 지형 변화를 보여주었다. 이를 확대하여 국내 전체 연안지형변화의 장단기 분석이 가능할 것으로 사료된다.
그 결과 GOCI-II 의 높은 시간해상도는 단기간 지형의 표고변화를 관측 가능하였고, 장기적으로는 월별 및 연별 최대 면적 관측이 가능하였다. 특히, 기존의 고해상도 영상을 활용한 조간대의 지형변화 관측을 위해 수 개월 동안의 다양한 조위에서 획득된 영상이 필요했던 기존 연구들과 비교하여 짧은 기간에 지형변화 관측이 가능한 수준의 영상을 획득할 수 있다는 장점을 보여주었다. 다만 고해상도 영상과 비교하여 조간대 면적 추정 결과의 정확도가 다소 낮았고, 250 m의 공간해상도로 제한이 있지만, 넓은 면적의 조간대 지형의 고도변화나 퇴적활동이 활발한 하구 지역에 대한 신속한 지형 변화 정보를 제공하는 등 광범위한 지역을 대상으로 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다.

후속연구

이를 확대하여 국내 전체 연안지형변화의 장단기 분석이 가능할 것으로 사료된다. GOCI-II 영상 기반의 연안 지형도 정보는 학술적으로는 빠르게 변화하는 연안 지형에 대해 가장 최신의 지도를 제공 가능할 것으로 보인다. 사회적으로는 GOCIII 영상 기반의 연안지형변화 자동 탐지 및 분석 기술 개발을 통해 자연적 또는 인위적으로 발생하는 지형 변화를 빠르게 감지하여 연안관리에 필요한 정보를 신속하게 제공 가능할 것으로 판단된다.
사회적으로는 GOCIII 영상 기반의 연안지형변화 자동 탐지 및 분석 기술 개발을 통해 자연적 또는 인위적으로 발생하는 지형 변화를 빠르게 감지하여 연안관리에 필요한 정보를 신속하게 제공 가능할 것으로 판단된다. 나아가 해수면 상승, 지진 해일, 연안 침식, 연안 개발 등과 같은 사회적 이슈에 대비하기 위한 환경/생태/보전/정책 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 기존의 고해상도 영상을 활용한 조간대의 지형변화 관측을 위해 수 개월 동안의 다양한 조위에서 획득된 영상이 필요했던 기존 연구들과 비교하여 짧은 기간에 지형변화 관측이 가능한 수준의 영상을 획득할 수 있다는 장점을 보여주었다. 다만 고해상도 영상과 비교하여 조간대 면적 추정 결과의 정확도가 다소 낮았고, 250 m의 공간해상도로 제한이 있지만, 넓은 면적의 조간대 지형의 고도변화나 퇴적활동이 활발한 하구 지역에 대한 신속한 지형 변화 정보를 제공하는 등 광범위한 지역을 대상으로 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다. 이후 연구에서는 GOCI-II의 빠른 주기의 연안지형 변화 모니터링 관측으로 시간 해상도를 높이고 GOCI-II의 부족한 공간해상도 부분은 해당시간의 고해상도 Sentinel-2A/B, Landsat 8 OLI, TanDEM-X, UAV 등 다중복합자료를 이용하여 경계선 추출과 같은 정밀도를 보간 후 활용하는 방안이 필요할 것으로 생각된다.
GOCI-II 영상 기반의 연안 지형도 정보는 학술적으로는 빠르게 변화하는 연안 지형에 대해 가장 최신의 지도를 제공 가능할 것으로 보인다. 사회적으로는 GOCIII 영상 기반의 연안지형변화 자동 탐지 및 분석 기술 개발을 통해 자연적 또는 인위적으로 발생하는 지형 변화를 빠르게 감지하여 연안관리에 필요한 정보를 신속하게 제공 가능할 것으로 판단된다. 나아가 해수면 상승, 지진 해일, 연안 침식, 연안 개발 등과 같은 사회적 이슈에 대비하기 위한 환경/생태/보전/정책 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 경기만 일부의 조간대 면적 변화와 단기 지형 변화를 보여주었다. 이를 확대하여 국내 전체 연안지형변화의 장단기 분석이 가능할 것으로 사료된다. GOCI-II 영상 기반의 연안 지형도 정보는 학술적으로는 빠르게 변화하는 연안 지형에 대해 가장 최신의 지도를 제공 가능할 것으로 보인다.
다만 고해상도 영상과 비교하여 조간대 면적 추정 결과의 정확도가 다소 낮았고, 250 m의 공간해상도로 제한이 있지만, 넓은 면적의 조간대 지형의 고도변화나 퇴적활동이 활발한 하구 지역에 대한 신속한 지형 변화 정보를 제공하는 등 광범위한 지역을 대상으로 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다. 이후 연구에서는 GOCI-II의 빠른 주기의 연안지형 변화 모니터링 관측으로 시간 해상도를 높이고 GOCI-II의 부족한 공간해상도 부분은 해당시간의 고해상도 Sentinel-2A/B, Landsat 8 OLI, TanDEM-X, UAV 등 다중복합자료를 이용하여 경계선 추출과 같은 정밀도를 보간 후 활용하는 방안이 필요할 것으로 생각된다.

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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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