[논문]수직 축 회전형 측각기 제작 및 야외 지표면 반사도 관측 시험: 타프와 잔디에서

문현동; 조은이; 김현기; 조유나; 김보경; 안호용; 류재현; 조재일

doi:10.7780/kjrs.2022.38.6.1.17

수직 축 회전형 측각기 제작 및 야외 지표면 반사도 관측 시험: 타프와 잔디에서
Observation Test of Field Surface Reflectance Using Vertical Rotating Goniometer on Tarp Surface and Grass 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.38 no.6 pt.1, 2022년, pp.1207 - 1217

문현동 (전남대학교 응용식물학과) , 조은이 (전남대학교 응용식물학과) , 김현기 (전남대학교 응용식물학과) , 조유나 (전남대학교 응용식물학과) , 김보경 (전남대학교 응용식물학과) , 안호용 (국립농업과학원 기후변화평가과) , 류재현 (국립농업과학원 기후변화평가과) , 조재일 (전남대학교 응용식물학과)

초록
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농업의 새로운 패러다임인 디지털 농업에서는 원격탐사 기법을 이용하여 작물 생육을 지속으로 감시하며 상태를 신속히 정보화하고 있다. 대표적으로 작물의 생육·생리적 변화에 대한 선택적인 파장 반사도 변화를 기반으로 한 식생지수가 주로 사용되어진다. 하지만 식생 표면의 분광 반사도는 이방성을 갖기 때문에 태양 위치와 지면 관측 방향에 따라 변할 수 있어 식생지수 값이 작물의 상태를 나타내지 못하고 왜곡될 수 있다. 본 연구에서는 야외용 측각기를 제작하여 타프(tarp)와 잔디 식생에서 시험 운영하였다. 램버시안 표면과 유사한 성질의 타프에서는 Blue, Green, Red, 근적외선 파장에 대해 대체적으로 타프의 속성 반사도와 유사하게 측정되었다. 하지만, 흐린 날은 센서 천정각이 커질수록 반사도가 과대 측정되는 경향을 보였다. 잔디에서 주요 식생지수의 상대 차잇값을 보았을 때, 태양과 센서 천정각에 대해 visible atmospherically resistant index (VARI)와 vegetation index green (VIgreen),simple ratio (SR), normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI) 순으로 민감하였다. 측각기를 통해서 직접 관측된 자료들은 원격탐사 기반의 반사도 기반 식생지수를 보다 정확하게 산출하는데 기여할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vegetation indices using the reflectance of selected wavelength, associating with the monitoring purpose such as identifying the progress of crop growth, on the vegetation canopy surface is widely used in the digital agriculture technology. However, the surface reflectance anisotropy can distort the true value of vegetation index related to the condition of surface, even though the surface property be unchanged. That causes difficulty to observe accurately crop growth on the monitoring system. In this study, a simple type goniometer was designed to measure the reflectance from the anisotropic surface according to various zeniths and azimuths of sun and viewing sensor in the field. On the tarp like as Lambertian surface, the reflectance of Blue, Green, Red, Near-Infrared band was similar to the tarps' reflectance properties. However, the reflectance was slightly overestimated in the cloudy day. The relative difference values of vegetation indices on grass were overestimated for the forward viewing and underestimated for the backward viewing. In addition, enhanced vegetation index (EVI) showed less sensitive according to the positions of sun and sensor viewing. Field observation with a goniometer will be helpful to understand the anisotropy characteristics on the vegetation surface.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Simplified mobile goniometer (a), observation of the tarp reflectance on the roof top (b) and grass reflectance in backyard (c).
그림 Fig. 2. Time series of solar radiation, air temperature, and relative humidity on observation days: Apr. 5th (a), Apr. 6th (b), and Apr. 20th (c).
그림 Fig. 3. Mental image of the isotropic reflection on Lambertian surface associated with different sensor zenith angle (θ).
그림 Fig. 4. Observed reflectance associated with different solar and sensor zenith angles on tarp on April 5th at 12PM (a), April 6th at 12PM (b), and 15PM (c). Solar azimuth angles for 12PM and 15PM are 162° and 237° where north is zero degree.
그림 Fig. 5. Observed reflectance associated with different solar and sensor zenith angles on grass.
그림 Fig. 6. The relative difference (%) of the vegetation index associated with solar and sensor zenith angles on grass. (a) NDVI, (b) SR, (c) EVI, (d) VARI, and (e) VIgreen.

AI 본문요약
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문제 정의

국내의 식생지수 연구는 위성 뿐만 아니라 드론과 고정식 지상 관측 등의 기술을 이용하여 활발하게 수행되고 있으나, 지면 식생 반사도의 이방성 특성 연구는 미비하며 더욱이 야외에서 측각기를 이용한 관측자료 분석은 거의 전무한 실정이다. 본 연구에서는 국내의 노지 작물을 대상으로 활용이 가능한 측각기를 제작하여 4종의 반사도 보정 타프(tarp)와 잔디 식생에서 시험 운영한 결과를 보고하였다.
본 연구에서는 야외에서 활용이 가능한 측각기를 제작하여 등방성이라고 알려진 4종류 반사도의 타프 표면과 이등방성인 잔디에서 반사도를 측정하였다. 해외 선행연구 사례를 참고하여 제작한 측각기는 매우 안정적으로 이동, 설치, 각도 변환이 이루어졌으며, 향후 다양한 작물에서의 활용 가능성을 보여줬다.

대상 데이터

관측 장소는 광주광역시 북구 용봉로 77의 전남대학교 농업생명과학대학 1층 건물 옥상(위도: 35°10′30.0″N, 경도: 126°53′56.4″E)과 농업생명과학대학 4호관 잔디밭(위도: 35°10′33.6″N, 경도: 126°54′03.6″E)으로 두 장소에서 각각 반사도 타프와 잔디를 관측하였다
반사도 타프는 항공우주연구원의 협조로 위성 검보정에 사용하던 5×20 m 크기로써 그 중 일부분만 펴서 측각기로 관측하였다(Fig
1(b), (c)). 사용된 타프 종류는 총 4가지로 각각 3%, 25%, 35%, 53%의 반사도를 가지고 있다. 측각기 방향은 정남향으로 위치시키고 중심 암을 좌우 동-서 방향으로 회전시켰다.
제작한 측각기 중심에서 위로 뻗어 있는 중심 암(main boom arm)은 각도조절 브라켓에 연결되어 좌우 180°로 회전하며 주먹핸들로 원하는 각도에 고정이 가능하다. 중심 암의 길이는 우리나라 주요 작물인 벼와 콩의 크기, 그리고 측각기 구조의 안정성을 고려하여 188 cm로 하였다(Fig. 1(a)).
측각기는 관측지 간 이동 설치가 용이하며 현장에서 쉽게 수평을 잡을 수 있도록, 내구성이 우수하고 가벼운 알루미늄 재질의 프로파일이 각 마디 마다 분리되게 제작하였다. 지표면 반사도 관측에 영향을 주지 않도록 사용된 골격 재료는 모두 검은색 프로파일을 사용하였다. 측각기 하부 골격이 뒤틀리지 않게 밑 바닥에 철판을 깐 뒤 흔들리지 않도록 하중이 나가는 물건(e.
측각기에 설치한 분광계는 FloX (JB Hyperspectral Devices, Düsseldorf, Germany)로 400 nm와 950 nm 사이 파장의 입사와 반사된 복사 에너지를 측정한다
타프 관측은 2022년 4월 5일 12시와 6일 12시, 15시이며, 잔디 관측은 2022년 4월 20일 10시, 12시, 15시에 이루어졌다. 해당 시간에 이루어지는 관측은 5개의 센서 각도에서 순차적으로 이루어졌고, 각 다섯 지점의 센서 천정각은 동쪽 방향에서 –50°와 –25°, 지면을 수직으로 내려보는 0°, 그리고 서쪽 방향에서 25°과 50°이다.

성능/효과

하지만, 등방성의 이론적 모습과 다른 점도 보였는데, 반사를 많이 시키는 속성을 갖는 타프일수록 파장 간 관측 반사도 차이가 컸다. NIR, Red, Green, Blue 순서로 관측 반사도가 낮아졌으며, 그 차이는 53% 타프에서 가장 크게 나타났다. 사용된 분광계는 실험 전에 이미 보정되었으므로 관측된 값 자체가 타프의 실제 속성으로 보아도 무방할 것으로 사료된다.
이렇게 태양과 센서 위치에 따른 NDVI와 SR의 변화 패턴은 동일했으나 변화 폭은 SR에서 더 컸다. 따라서 NDVI보다 SR이 식생 표면 거칠기에 민감한 것으로 평가된다.
6은 정오에 측각기 0°일 때를 기준으로 태양과 센서 위치에 따른 잔디 식생지수의 상대 차잇값을 보인 것이다. 사용한 파장 밴드가 동일한 NDVI와 SR은 반사도의 상대 차잇값의 패턴도 유사했는데, 전방산란복사를 관측할 때 차잇값이 가장 크게 발생했고, 정오 관측이라고 하더라도 센서 천정각이 커지면 NDVI와 SR 값이 작아지는 경향을 보였다. 이렇게 태양과 센서 위치에 따른 NDVI와 SR의 변화 패턴은 동일했으나 변화 폭은 SR에서 더 컸다.
4은 4종류의 반사도 보정 타프에서 Blue (475 nm), Green (531 nm), Red (668 nm), Near-infrared (NIR, 800 nm) 파장을 측각기로 관측한 결과이다. 측각기 관측 결과는 대체적으로 각 밴드 반사도는 타프의 속성 반사도와 유사하였고, 태양과 센서 위치에 따라 반사도의 큰 차이를 보이지 않았다.
Blue, Green, Red는 주로 살아 있는 잎에, NIR은 잔여물 잎에 흡수되는데, 관측일의 잔디는 새로운 잎이 수직형으로 올라와 있었으며 전년도에 깎여진 잔여물 잎이 상층 표면에 수평으로 누여져 퍼져 있는 상태였다. 태양과 센서 위치와는 별개로 Blue, Green, Red 반사도보다 NIR의 반사도가 두드러지게 높은 식물의 전형적인 반사도 모습을 보였다. 하지만, Green보다 Red 반사도가 다소 낮은 일반적 모습과는 반대로 Red가 Green보다 반사도가 높은 것은 잔여물의 영향으로 있었던 것으로 추정된다.

후속연구

측각기를 통해서 직접 관측된 자료들은 식생 지표면에서의 반사도 보정을 위한 BRDF 모델의 모수화 및 검증에 이용될 수 있다. 모든 식생을 대상으로 측각기 관측을 수행하는 것은 한계가 있기 때문에 측각기 관측 자료 기반으로 BRDF 모델 예측력을 향상시키면 위성, 항공기, 드론 등의 반사도 기반 식생지수를 보다 정확하게 산출하는데 기여할 수 있을 것으로 본다.
측각기를 통해서 직접 관측된 자료들은 식생 지표면에서의 반사도 보정을 위한 BRDF 모델의 모수화 및 검증에 이용될 수 있다. 모든 식생을 대상으로 측각기 관측을 수행하는 것은 한계가 있기 때문에 측각기 관측 자료 기반으로 BRDF 모델 예측력을 향상시키면 위성, 항공기, 드론 등의 반사도 기반 식생지수를 보다 정확하게 산출하는데 기여할 수 있을 것으로 본다.
본 연구에서는 야외에서 활용이 가능한 측각기를 제작하여 등방성이라고 알려진 4종류 반사도의 타프 표면과 이등방성인 잔디에서 반사도를 측정하였다. 해외 선행연구 사례를 참고하여 제작한 측각기는 매우 안정적으로 이동, 설치, 각도 변환이 이루어졌으며, 향후 다양한 작물에서의 활용 가능성을 보여줬다.

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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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