[논문]한국형 코즈믹 레이 토양수분 관측 시스템을 위한 국내 적용성 연구

정재환; 조성근; 이슬찬; 김기영; 이용준; 이충대; 이신재; 최민하

doi:10.7780/kjrs.2023.39.2.9

한국형 코즈믹 레이 토양수분 관측 시스템을 위한 국내 적용성 연구
A Study on Domestic Applicability for the Korean Cosmic-Ray Soil Moisture Observing System 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.39 no.2, 2023년, pp.233 - 246

정재환 (성균관대학교 건설환경연구소) , 조성근 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 이슬찬 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 김기영 (한국수자원조사기술원 수자원조사본부 조사기획실) , 이용준 (한국수자원조사기술원 수자원조사본부 조사기획실) , 이충대 (한국수자원조사기술원 수자원조사본부 조사기획실) , 이신재 (한국수자원조사기술원 수자원조사본부) , 최민하 (성균관대학교 건설환경공학부)

초록
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수문순환의 이해와 효율적 수자원 관리의 측면에서 토양수분의 중요성이 조명되고 있으나, 국내에는 양질의 지점 토양수분 자료의 부재로 그 활용도가 매우 낮은 실정이다. 때문에 인공위성 기반의 토양수분을 적용할 때에도, 기준자료가 되는 지상 관측자료가 없어 객관적인 평가 및 교정이 어려운 실정이다. 코즈믹 레이 중성자 탐지센서(cosmic-ray neutron probe, CRNP)를 활용한 토양수분 관측소는 위성 자료의 검보정을 위한 기준 자료 생산에서 핵심적인 역할을 수행할 수 있다. CRNP는 비침습식으로 설치가 가능하여 토양층 교란과 식생 환경의 피해를 최소화할 수 있고, 공간 대표성을 가진 중간 규모의 관측 범위를 가지고 있다는 장점이 있다. 이러한 특징은 지형이 복잡하고 식생이 우거진 지형이 많은 우리나라에서의 활용이 용이하다는 장점으로 이어진다. 따라서 본 연구는 한국형 코즈믹 레이 토양수분 관측 시스템(Korean cOsmic-ray Soil Moisture Observing System, KOSMOS) 구축의 일환으로, CRNP를 활용한 토양수분 관측소의 국내 적용성을 평가하고자 수행되었다. CRNP 관측소는 전력 및 설치 부지 확보의 용이성과 추후 타 수문기상 인자와의 효율적 활용을 고려하여, 한강홍수통제소의 홍천군 군업리 관측소에 병행 설치되었다. CRNP 토양수분 자료의 평가를 위해 12개소의 지점 토양수분 센서를 추가로 설치하였으며, 시간 안정성 분석을 통해 공간적 대표성을 평가하였다. CRNP에서 생성되는 중성자는 평균 1,087 counts per hour 정도로 설마천 관측소에 비해 낮게 나타나 홍천 관측소의 환경이 더 습윤한 환경임을 알 수 있었다. 관측된 중성자 자료의 중성자 보정과 초기교정을 통해 토양수분을 산정하였으며, 산정된 토양수분 자료는 짧은 교정 기간에도 지점 자료와의 검증에서 r=0.82로 높은 상관성을 보여주었고, root mean square error=0.02 m³/m³의 높은 정확도를 보여주었다. 추후 계절성을 반영할 수 있도록 연간 자료가 축적된 후 재교정을 수행하면 보다 높은 정확도를 보여줄 것으로 판단된다. 이러한 결과는 CRNP 토양수분 자료의 우수성을 검증한 선행연구들과 더불어, KOSMOS 구축 시 양질의 토양수분 자료를 생산할 수 있음을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In terms of understanding the water cycle and efficient water resource management, the importance of soil moisture has been highlighted. However, in Korea, the lack of qualified in-situ soil moisture data results in very limited utility. Even if satellite-based data are applied, the absence of ground reference data makes objective evaluation and correction difficult. The cosmic-ray neutron probe (CRNP) can play a key role in producing data for satellite data calibration. The installation of CRNP is non-invasive, minimizing damage to the soil and vegetation environment, and has the advantage of having a spatial representative for the intermediate scale. These characteristics are advantageous to establish an observation network in Korea which has lots of mountainous areas with dense vegetation. Therefore, this study was conducted to evaluate the applicability of the CRNP soil moisture observatory in Korea as part of the establishment of a Korean cOsmic-ray Soil Moisture Observing System (KOSMOS). The CRNP observation station was installed with the Gunup-ri observation station, considering the ease of securing power and installation sites and the efficient use of other hydro-meteorological factors. In order to evaluate the CRNP soil moisture data, 12 additional in-situ soil moisture sensors were installed, and spatial representativeness was evaluated through a temporal stability analysis. The neutrons generated by CRNP were found to be about 1,087 counts per hour on average, which was lower than that of the Solmacheon observation station, indicating that the Hongcheon observation station has a more humid environment. Soil moisture was estimated through neutron correction and early-stage calibration of the observed neutron data. The CRNP soil moisture data showed a high correlation with r=0.82 and high accuracy with root mean square error=0.02 m3/m3 in validation with in-situ data, even in a short calibration period. It is expected that higher quality soil moisture data production with greater accuracy will be possible after recalibration with the accumulation of annual data reflecting seasonal patterns. These results, together with previous studies that verified the excellence of CRNP soil moisture data, suggest that high-quality soil moisture data can be produced when constructing KOSMOS.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Study area of the present study. The locations of the cosmic-ray neutron probes observatory and spatial distribution of in-situ soil moisture sensors are shown.
표 Table 1. Information about eddy covariance flux tower, cosmic-ray, and in-situ sensor
그림 Fig. 2. Temporal variations of neutron counts, air pressure, relative humidity, and air temperature measured from cosmic-ray neutron probe and automatic weather station.
표 Table 2. Locational information of 12 in-situ soil moisture sensors
그림 Fig. 3. Relative difference results from the temporal stability analysis of each station.
그림 Fig. 4. Comparison of soil moisture between S2 and the others. (a) Time series of soil moisture from September to December. (b) Scatter plot between them.
그림 Fig. 5. Time series of absolute humidity, air pressure, and respective correction factors.
그림 Fig. 6. Time series of raw neutron count and corrected neutron count.
그림 Fig. 7. Relationship between neutron count and soil moisture. (a) Calibration curves and interval before correction. (b) Calibration curves and interval after correction.
그림 Fig. 8. Result of CRNP calibration. (a) Time series of averaged in-situ soil moisture and soil moisture estimated from CRNP. (b) Scatter plot between them.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 설마천 CRNP 관측소에 이어 국내 산지에서 CRNP를 활용한 토양수분 관측소구축에 관한 두 번째 시도이다. 앞서 언급된 바와 같이, CRNP는 해외의 토양수분 관측망을 구축하기 위해 활용되고 있으며, 국내에서도 토양수분 관측망을 구축하기 위한 유망한 기술로 거론되고 있다.
홍천 CRNP 관측소는 CRNP를 활용한 관측망 설계의 시범 단계로, 추후 CRNP 관측소의 확대 설치를 위해서는 생산자료의 보다 정확한 검증과 평가가 요구된다. 이를 위해 FDR 센서를 활용한 소규모 토양수분 관측망을 설계함으로써, CRNP 교정에 활용되는 지점 자료를 확보하고, 간접적으로 공간 토양수분량을 추정하여 검증에 활용하고자 하였다. 설계 지점은 총 12개소이며, 표층 토양수분량에 따라 유효 깊이에 영향을 받는 중성자 강도의 특성을 고려하여 수평 설치방식을 채택하여 10, 20, 30 cm 깊이로 설치하였다.
앞서 언급된 바와 같이, CRNP는 해외의 토양수분 관측망을 구축하기 위해 활용되고 있으며, 국내에서도 토양수분 관측망을 구축하기 위한 유망한 기술로 거론되고 있다. 이에 본 연구는 KOSMOS의 구축에 앞서 CRNP를 활용한 산지에서의 토양수분 관측소 구축과 그 활용성을 평가하고자 수행되었으며, 2022년 8월 말 홍천 지역에 CRNP 관측소 구축을 완료하였다. 산지에서의 수문 기상 인자의 복잡성을 고려하여 CRNP와 AWS를 함께 설치함으로써, 보다 정확한 토양수분을 산정하도록 설계하였다.

제안 방법

평균해수면 고도에 위치한 평지에서 CRNP의 일반적인 측정 반경은 300 m이나, 센서가 위치한 고도와 지형의 복잡성에 의해 측정 반경은 줄어들게 된다. 본 연구지역의 고도 및 복잡한 지형에 의한 영향으로 CRNP 관측반경이 감소하더라도 각 지점 센서가 항상 관측범위 내에 위치할 수 있도록 CRNP로부터 150 m 내외로 지점 센서 관측망의 반경을 결정하였다. 또한 각 지점은 연구 지역의 다양한 특성을 반영할 수 있도록, CRNP와 FDR 간의 거리 및 방향이 다양하게 분포할 수 있도록 설계하였다(Fig.
이에 본 연구는 KOSMOS의 구축에 앞서 CRNP를 활용한 산지에서의 토양수분 관측소 구축과 그 활용성을 평가하고자 수행되었으며, 2022년 8월 말 홍천 지역에 CRNP 관측소 구축을 완료하였다. 산지에서의 수문 기상 인자의 복잡성을 고려하여 CRNP와 AWS를 함께 설치함으로써, 보다 정확한 토양수분을 산정하도록 설계하였다. 아울러, 구축된 CRNP 관측소에서 생산되는 토양수분을 효과적이고 체계적으로 평가하기 위해 지점 토양수분 관측망을 구축하였다.
이를 위해 FDR 센서를 활용한 소규모 토양수분 관측망을 설계함으로써, CRNP 교정에 활용되는 지점 자료를 확보하고, 간접적으로 공간 토양수분량을 추정하여 검증에 활용하고자 하였다. 설계 지점은 총 12개소이며, 표층 토양수분량에 따라 유효 깊이에 영향을 받는 중성자 강도의 특성을 고려하여 수평 설치방식을 채택하여 10, 20, 30 cm 깊이로 설치하였다. 평균해수면 고도에 위치한 평지에서 CRNP의 일반적인 측정 반경은 300 m이나, 센서가 위치한 고도와 지형의 복잡성에 의해 측정 반경은 줄어들게 된다.
산지에서의 수문 기상 인자의 복잡성을 고려하여 CRNP와 AWS를 함께 설치함으로써, 보다 정확한 토양수분을 산정하도록 설계하였다. 아울러, 구축된 CRNP 관측소에서 생산되는 토양수분을 효과적이고 체계적으로 평가하기 위해 지점 토양수분 관측망을 구축하였다.

대상 데이터

본 시험 관측소에는 측정 자료의 전력 및 부지를 확보하기 위해 한강홍수통제소의 홍천군(군업리) 관측소와 병행하여 설치하였으며 플럭스 타워(flux tower)의 기상 자료를 공유하여 자료의 다양화를 모색하였다(Table 1). 추가적으로 CRNP 토양수분의 정확한 검증과 평가를 위해 지점 토양수분 센서를 설치하였으며, 각 센서에 대한 설계 및 구축 과정은 3.

이론/모형

1). 각 센서의 설치 지점은 Real Time Kinematic을 활용하여 고도 및 Bessel 타원체 중부원점 기반 transverse mercator 좌표계의 위경도를 측정하였다(Table 2). 지점 관측망에 활용된 FDR에서 관측되는 지점 토양수분은 ZENTRA Cloud 서비스를 통해 준 실시간으로 수집 및 모니터링이 가능하다.

성능/효과

짧은 연구기간에 의해 특별한 변동 패턴은 확인되지 않았다. 두 보정계수를 적용한 결과, 중성자 강도 자료의 변동성이 크게 감소하였다(Fig. 6).
본 연구의 대상 지역은 산지이므로 복잡한 지표, 대기, 식생 환경을 보유하고 있을 뿐만 아니라, 인근 관측소에서 관측되는 수문 인자를 적용하기에 한계가 있을 수 있다. 따라서 보다 정확한 토양수분을 얻기 위해 CRNP 관측소의 설계에 automatic weather station (AWS)를 함께 설치하는 것이 유리하다고 판단하였다. CRNP에서는 중성자 강도를 매시간 관측할 수 있으며, AWS에서 이에 직접적인 영향을 미치는 대기온도(air temperature), 대기압(air pressure), 상대습도(relative humidity)를 매시간 정각마다 관측한다.

후속연구

이러한 결과를 바탕으로, CRNP 기반의 토양수분 관측소가 국내 산지에서 신뢰도 높은 양질의 토양수분 자료를 생산할 수 있음을 알 수 있었으며, CRNP 관측소의 확대를 통해 KOSMOS를 구축한다면 매우 정밀한 토양수분 관측망을 구축할 수 있을 것으로 기대된다. KOSMOS에서 생산하는 양질의 토양수분 자료는 국가 물 관리를 위한 기초 수문조사 자료로 활용될 수 있으며, 산지에서 산사태와 산불 등의 재난 모니터링을 위한 자료로 활용될 수 있다. 또한 인공위성과 같은 원격 탐사 자료의 교정을 위한 기준 자료나, 수치예보모델 등 수문기상 분야의 다양한 모델에서 초기 입력 자료로도 활용될 수 있는 잠재력이 있다.
본 연구의 대상 지역은 산지이므로 복잡한 지표, 대기, 식생 환경을 보유하고 있을 뿐만 아니라, 인근 관측소에서 관측되는 수문 인자를 적용하기에 한계가 있을 수 있다. 따라서 보다 정확한 토양수분을 얻기 위해 CRNP 관측소의 설계에 automatic weather station (AWS)를 함께 설치하는 것이 유리하다고 판단하였다.
지점 관측망에서는 12개소의 지점 관측 센서에서의 토양수분을 획득할 수 있으며, 시간 안정성 분석을 통해 연구 지역의 토양수분 변동을 잘 나타내는 지점으로 S2를 선정하였다. 이는 지점 관측망을 구성하고 있는 지점 센서들이 일부 지역의 토양수분 변동에 편중되지 않고 고르게 설계되었음을 의미하므로, CRNP 토양수분 자료를 평가할 수 있는 기준 자료로 활용할 수 있음을 보여주었다.
이러한 결과를 바탕으로, CRNP 기반의 토양수분 관측소가 국내 산지에서 신뢰도 높은 양질의 토양수분 자료를 생산할 수 있음을 알 수 있었으며, CRNP 관측소의 확대를 통해 KOSMOS를 구축한다면 매우 정밀한 토양수분 관측망을 구축할 수 있을 것으로 기대된다. KOSMOS에서 생산하는 양질의 토양수분 자료는 국가 물 관리를 위한 기초 수문조사 자료로 활용될 수 있으며, 산지에서 산사태와 산불 등의 재난 모니터링을 위한 자료로 활용될 수 있다.
다양한 연구에서 언급되고 있는 토양수분의 중요성이나 잠재력에 비해, 국내 토양수분 자료의 활용도는 매우 낮은 실정이다. 하지만, CRNP를 활용한 KOSMOS는 국내 토양수분 자료의 관측 및 품질관리 기준을 새로이 확립하고, 다양한 분야의 연구자에게 안정적으로 높은 정확도의 토양수분 자료를 제공할 수 있는 방안이 될 것이다.
홍천 CRNP 관측소는 CRNP를 활용한 관측망 설계의 시범 단계로, 추후 CRNP 관측소의 확대 설치를 위해서는 생산자료의 보다 정확한 검증과 평가가 요구된다. 이를 위해 FDR 센서를 활용한 소규모 토양수분 관측망을 설계함으로써, CRNP 교정에 활용되는 지점 자료를 확보하고, 간접적으로 공간 토양수분량을 추정하여 검증에 활용하고자 하였다.

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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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