초록 ▼

I.제 목
OSMI (LRC) 보정/검증 및 해양 응용 연구
II.연구개발의 목적 및 필요성
해양환경변화를 관측하기 위한 OSMI센서의 보정과 검증은 위성으로부터 획득된 자료의 활용을 위해 매우 중요하다. 1997년 SeaWiFS (Sea-Viewing Wide-Field-of-view Sensor)의 성공적인 발사 이후 관측자료의 분석과 이를 이용한 과학적, 상업적 응용에 많은 관심을 기울이고 있는 것이 국제적 현실이다. 그러나 해색 센서의 이용은 측정 광량의 보정과 검증, 엽록소 알고리듬 적용에 의한 엽

I.제 목
OSMI (LRC) 보정/검증 및 해양 응용 연구
II.연구개발의 목적 및 필요성
해양환경변화를 관측하기 위한 OSMI센서의 보정과 검증은 위성으로부터 획득된 자료의 활용을 위해 매우 중요하다. 1997년 SeaWiFS (Sea-Viewing Wide-Field-of-view Sensor)의 성공적인 발사 이후 관측자료의 분석과 이를 이용한 과학적, 상업적 응용에 많은 관심을 기울이고 있는 것이 국제적 현실이다. 그러나 해색 센서의 이용은 측정 광량의 보정과 검증, 엽록소 알고리듬 적용에 의한 엽록소 추출 농도와 현장실측치의 검증, 대기보정 등이 절대적이므로 이의 연구가 요망된다.
일본 ADEOS/OCTS의 경험을 볼 때 실측 자료에 의한 검-보정은 자료 활용의 전제조건이며, 궁극적으로 지구관측위성사업의 성패를 좌우할 만큼 중요하다.
검.보정 기술의 확립과 함께 필요한 것은 한국해역에서의 OSMI 자료 활용에 관한 사전 연구이다. 현재 OSMI와 유사한 SeaWiFS와 같은 해색센서가 작동 중이므로 이들 자료를 이용하여 한국근해의 제반문제에 어떻게 적용할 것인가를 예시하여 OSMI 자료의 광범위한 활용을 촉진하는 것이 바람직하다.
III.연구개발의 내용 및 범위
OSMI의 검.보정과 해양활용을 위한 연구로서 3 년에 걸쳐 다음과 같은 연구 내용이 수행되었다.
첫째, 생물광학 파라미터 측정은 현장관측장비의 운용과 실험방법의 프로토콜을 확립하고 이를 바탕으로 한 검/보정의 측정항목과 생물광학 데이터 확보를 위한 기반 연구를 수행하였다.
둘째, OCTS, SeaWiFS 자료를 한국 근해에 적용하여 기존의 해색센서를 활용한 한국근해의 해양관측을 실시하고, 현장관측 자료와 비교하여 OSMI 자료를 적용하는데 따른 문제점과 OSMI 자료의 해양응용을 위한 활용 방안을 제시하였다.
셋째, OCTS, SeaWiFS 대기알고리듬 분석을 분석하고 동아시아 대기의 특성을 현장관측 자료를 바탕으로 분석하여 황사의 문제를 포함한 표준 대기보정 알고리듬의 개선 방안을 제시하였다
연구개발 내용을 구체화하고 체계적인 연구수행을 위해 단계적으로 다음과 같은 연구범위의 내용이 수행되었다.
1 차년도는 황해의 생물광학적 데이터 베이스 구축을 위해 MER2040에 의한 수중광학 측정과 엽록소, 부유사 등의 현장샘플에 의한 데이터베이스를 구축하고 수중광학 측정에 따른 측정방법의 제안과 현장샘플의 분석 방법에 대한 기준안을 제시하였다. 또한, 1 차년도 연구기간 중 일본의 OCTS 해색자료를 확보하여 한반도 주변해역의 해양 응용 연구를 위해 OCTS 자료를 분석하였고, 해색관측자료와 현장관측자료에 의한 해양환경관측에 응용분야 연구를 수행하였다.
대기보정 알고리듬 개발을 위한 현장관측자료 확보와 표준알고리듬 분석은 해색관측에 있어서 매우 중요한 분야이며 동아시아 대기의 특성상 황사에 의한 대기보정 알고리듬의 개선은 해양응용을 위해 반드시 요구되는 연구로 안면도에서 현장 관측된 자료를 바탕으로 대기보정 방안을 제시하였다.
2 차년도에는 황해에서 2 회에 걸쳐 생물광학 측정을 완료하였고, 광학 자료의 분석을 위한 프로그램도 IDL 언어로 작성하여 분석자료의 데이터 베이스가 용이하도록 하였다. 또한, 현장에서 측정된 자료를 분석하여 황해의 광학적 성격을 규명하였으며, CZCS, OCTS의 해색센서에서 분석된 황해의 수중 광학적 특성을 비교 연구하였다
표준 대기보정 알고리듬의 개선을 위해서는 동아시아 지역 (위도 30N - 45N, 경도 115E - 150E)을 선택하여 기존의 기후자료와 미량기체의 관측자료를 종합하여 동아시아 평균대기를 구성하였으며, 이를 대기복사전달 모델 (MODTRAN)의 입력자료로 이용하여 OSMI의 각 밴드를 시뮬레이션 하였다.
3 차년도에는 황해에서 관측된 생물측정자료의 분석과 해색자료 응용에 관한 연구를 계속 진행하여 SeaWiFS 자료를 확보하고, 이를 분석하여 한반도 주변서 SeaWiFS에 의한 한반도 해양환경관측으로 OSMI 자료의 해양응용을 위한 활용분야를 제시하고 가능성을 평가하였다.
동해의 해양관측을 통하여 황해와는 다른 해양환경 특성을 지니는 동해의 수중광학 분석과 해양환경 관측을 위한 활용연구를 수행하였다.
IV.연구개발 결과
OSMI 검정 및 보정을 위한 수중광학 자료의 획득과 분석방법에 대한 기준안을 제시하고 이를 바탕으로 하여 한반도 주변해역의 수중광학 관측자료를 분석하였다. 또한, 표준 대기보정 알고리듬 개선에 필요한 현장 조사 및 연구를 수행하였고, 해색자료의 활용을 위해 기존의 CZCS, OCTS, SeaWiFS 자료를 분석하여 OSMI 자료의 한국근해 활용을 예시하여 연구개발 목표를 달성하였다
검증 및 보정을 위한 분석 기초 확립
OSMI 검증 및 보정을 위한 생물광학 자료를 획득할 수 있는 현장조사 항목에 대한 실험방법 및 MER2040, OCP, PRR600과 같은 수중 광학 관측장비에 의한 광학자료의 획득 방법에 대한 프로토콜을 확립하였다.
SeaWiFS 프로그램에서 제시하고 있는 검증 및 보정에 관한 31개 관측항목을 바탕으로 OSMI 검증 및 보정을 위한 측정항목과 수중 광학 관측방법 중 한반도 주변해역에서 요구되는 최소한의 14개 검.보정 항목을 제시하고 이를 분석 평가하는 방법을 본 연구에서 제시하였다. 각각의 항목은 현장에서 수중광학 장비를 통해 얻어진 자료를 OSMI 자료와 비교 검증할 수 있는 방법을 제시하였고, 현장 샘플의 운반, 보관 및 시료분석 과정의 기준안을 프로토콜로 작성하였다.
이러한 OSMI의 검증 및 보정에 필요한 관측 항목의 생물광학 자료를 획득하기 위해 다음과 같은 현장조사가 수행되었다
1) 황해 전역에서 1997년과 1998년 5월에 생물광학 조사 항해를 수행하여 MER2040 장비를 이용한 생물광학 측정을 완료하였다. 또한, 1999년 10월 동해에서 22개 정점에 대한 현장조사가 수행되었다.
2) 동해의 수중 광학 특성을 분석하기 위해 1999년 10월 22개 정점에서 이루어진 동해의 현장 관측은 표층에서의 용존유기물의 흡광계수를 각 정점별로 분석하여 수층에서의 수중 광학적 특성을 분석하고 탁도와 형광성을 수심별로 해석하여 동해에서의 생물광학 자료를 확보하였다
3) 황해와 동해의 경우 용존유기물과 부유사에 의한 엽록소 알고리듬의 오차를 보정하고 지역 알고리듬으로 개발할 수 있는 엽록소 알고리듬에 필요한 흡광계수 등 수중광학 특성의 조사와 분석을 수행하였다.
1, 2 차년도에 수행한 생물광학 측정을 토대로 OSMI의 검증 및 보정기술 확보를 완료하여 OSMI 발사후의 현장 검증 및 보정에 필요한 준비를 완료하였다.
OSMI 대기보정 알고리듬 개선
한국 표준대기에 기초한 대기보정 알고리듬의 개선을 시도하였다. 대기보정 알고리듬의 수정과 개선의 연구목적을 위한 현장조사가 안면도에서 실시되었고, 한반도 표준대기와 황사 발생시의 대기 특성을 현장관측자료를 바탕으로 비교하였다.
OSMI의 밴드별 대기광량 특성을 파악하고 SeaWiFS 대기보정 알고리듬을 적용하여 SeaWiFS 표준 대기보정 알고리듬이 황사를 해석할 수 있는지 여부와 황사모델을 개발하기 위해 필요한 자료의 확보 등 소기의 연구목표도 달성되었다.
해양 활용 사례연구
CZCS, OCTS, SeaWiFS 등 기존의 해색센서에서 얻어진 해색자료를 이용하여 한반도 주변해역에서 해색자료를 이용한 해양응용연구를 수행하여 다음과 같은 분야에서의 활용 가능성을 예시하였다.
1) 적조관측기술 : 적조는 남해연안에서 빈번히 발생하고 있으며, 수산자원에 막대한 손실을 입히고 있다. 본 연구에서는 AVHRR을 이용한 적색밴드 알고리듬을 고찰하였고, 1998년 군산해역에서 발생한 적조를 SeaWiFS 관측자료를 활용하여 각 밴드에서 나타나는 반사도 특성을 분석하였다. 443 밴드와 555 밴드가 적조 화소를 추출하는데 적합하다는 결과를 얻었다.
2) 황해의 엽록소 분포 : CZCS, OCTS, SeaWiFS를 이용하여 황해의 엽록소 분포를 분석하였고 부유사 영향을 평가하였다. 황해의 높은 부유사 농도에 의해? 농도가 과대추정되므로 이를 고려한 황해의 엽록소 알고리듬이 개발되어야 한다
또한, CZCS, OCTS, SeaWiFS 해색자료를 분석한 결과 황해는 춘계에 중국으로부터 유입되는 황사의 영향으로 해양에서 얻어지는 엽록소 농도에 오차가 발생할 수 있음을 알 수 있다.
3) 동해의 엽록소 분포 : 황해의 엽록소 분포 관측과 같이 동해에서의 엽록소 분포관측을 CZCS, OCTS, SeaWiFS 해색자료를 분석하여 제시하였다. 특히, 동해에서 나타나는 전선역에서의 엽록소 농도 분포와 AVHRR에 의한 해수면 온도를 비교 분석하였고, 동해의 엽록소 관측을 통해 표층수온과 엽록소 농도의 분포에 따른 장기적인 해양환경변화 관측의 가능성을 제시하였다.
4) 해양투기지역의 대증식 관측 : 황해에서 이루어지고 있는 해양투기에 의한 해양환경의 변화를 CZCS, OCTS 자료를 분석하여 해양투기 지역에서의 엽록소 농도 증가와 분포범위를 분석하였고, 황해에서 일어나는 해양투기지역의 해양환경변화를 OSMI 관측자료를 활용하여 모니터링할 수 있음을 파악하였다.
5) 한반도 주변해역의 부유사 분포 : 황해는 양자강 하구 해역과 한반도 경기만과 목포 앞바다 해역에서 높은 부유사가 관찰되고 있다. 본 연구에서는 경기만에서 관측된 수중광학 자료를 바탕으로 부유사 검출 알고리듬을 제시하였고, 황해에서 관측된 현장자료를 바탕으로 황해의 부유사 분포를 예시하였다.
V.연구개발결과의 활용계획
당 연구에서 확립된 검.보정 프로토콜을 OSMI 발사후 검.보정에 활용한다.
당 연구에서 얻어진 실측자료들을 case-2 및 대기 알고리듬 개발에 활용한다.
한국 근해 활용 사례들을 예로하여 적조관측, 황해의 엽록소 분포, 동해의 엽록소 분포, 해양투기지역의 대증식 관측, 한반도 주변해역의 부유사 분포, 해양환경변화와 기후변동, 해양의 일차생산력 추정과 수산자원 변동 등과 같은 분야에 있어 광범위한 사용자들이 OSMI 자료를 활용할 수 있다.

Abstract ▼

I.Title of the project
Calibration/Validation and marine application of OSMI (LRC)
Ⅱ.Objectives and significance
Calibration and validation (hereafter, Cal/Val) is very important for the utilization of OSMI data for the monitoring of marine environmental changes. Since the successful lau

I.Title of the project
Calibration/Validation and marine application of OSMI (LRC)
Ⅱ.Objectives and significance
Calibration and validation (hereafter, Cal/Val) is very important for the utilization of OSMI data for the monitoring of marine environmental changes. Since the successful launch of SeaWiFS(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) in 1997, international efforts have been made for the scientific and commercial utilization of the satellite data. However, use of ocean color sensors requires Cal/Val of measured radiances, atmospheric correction, and final marine products such as chlorophyll-a concentration. Experiences of Japanese ADEOS/OCTS re-emphasized that in-situ Cal/Val activities are prerequisites for applications and success of earth observing satellite projects.
Also needed are pre-launch studies for application of OSMI in korean waters. At present, similar sensors such as SeaWiFS are in operation and exemplifying the utility of these data would facilitate wide applications of OSMI after launch.
Ⅲ.Contents and scope
For the three years of this project, studies have been made in the following directions.
Firstly, protocols for bio-optic measurements and instrumentation have been established. Basic variables and methodical problems have been identified and documented.
Secondly, OCTS and SeaWiFS data have been analyzed for korean waters. Also, comparison with field data has been made. Future applications are suggested.
Thirdly, atmospheric correction algorithms of OCTS and SeaWiFS have been studied. Standard atmosphere of the East Asia has been constructed with observation data. Suggestions are made for standard atmospheric correction algorithms including the Yellow Sands.
These activities were carried out in three years by a step-by-step approach as follows.
In the first year, studies were made to select a minimum set of observational items for Cal/Val of OSMI. In-water optical measurements and biochemical analysis on water samples were made in the Yellow Sea. Japanese OCTS data were analysed for the application studies. In-situ observations were made for atmospheric correction in Anmyun-Do. Based on this suggestions were made for atmospheric correction.
In the Second year, bio-optical measurements were made in the Yellow Sea. An IDL program was written to analyse the optical data. Optical properties of the Yellow Sea were characterized by the Yellow Sea were studied by comparing CZCS and OCTS data.
A standard atmosphere of the East Asia(30N-45N, 115E-150E) was constructed using the data of trace gases. This was used as an input to the radiative transfer made(MODTRAN) to simulate the radiances at each OSMI band.
In the third year, bio-optical surveys and application studies were continued. Field surveys were made in the East Sea, which has very different optical properties from the Yellow Sea. SeaWiFS data with the same bands as OSMI were analysed for possible applications in the korean Waters.
Ⅳ.Results
Methodologies of measurement and analysis for the Cal/Val variables have been set by conducting bio-optical surveys. Field surveys and analysis were also carried out for standard atmospheric correction algorithm. Finally, CZCS, OCTS and SeaWiFS have been analyzed for the applications in the korean waters.
Establishment of measurement protocols for Cal/Val
Measurement protocols of optical equipments and laboratory analysis for Cal/Val variables of OSMI has been established. Such equipments include MER2040, OCP and PRR600.
The list of variables for the Cal/Val of SeaWiFS have been revised to establish a minimal set of Cal/Val measurement items for OSMI. 14 items out of 31 SeaWiFS Cal/Val variables were selected. The methods of equipment deployment and collection, transport and analysis of the water samples were documented.
To identify the methodological problems of Cal/Val activities field surveys were conducted as follows
1) Bio-optical surveys were made using MER2040 in May 1997 and 1998.
2) In Oct. 1999, a similar survey using OCP was made in the East Sea.
Atmospheric correction algorithm
Efforts were made to improve the atmospheric correction algorithm by constructing a standard atmosphere of East Asia. In-situ surveys were made in Anmyun-Do. The data from the surveys were used in evaluating the SeaWiFS algorithm for atmospheric correction. Expected atmospheric radiances in the OSMI bands were simulated. Applying the SeaWiFS algorithm showed that it cannot deal with the Yellow Sand. The in-situ data will be used in developing a Yellow Sand model in the future
Case-studies of marine applications
Applications are exemplified by analysing CZCS, OCTS and SeWiFS data in the korean waters as follows;
1) Detection of red tides : Red tides occur frequently in the Southern Coastal area causing a huge damage every year. Red band algorithm was applied to AVHRR. So, SeaWiFS data was analyzed for the red tide that occurred off the Gunsan coast in 1998. The analysis on the reflectance in every band showed the 443 and 555 bands were very useful in identifying the red tide pixels.
2) Chlorophyll distribution in the Yellow Sea :Chlorophyll distribution was analysed and the influence of suspended sediments was evaluated. The high suspended sediment concentration in the Yellow Sea results in an overestimation of Chlorophyll concentration as applied. Therefore, case-2 algorithm must be developed. In addition, the Yellow Sand also causes errors in the estimation of chlorophyll concentrations.
3) Chlorophyll distribution in the East Sea :CZCS, OCTS and SeaWiFS data were analysed. The chlorophyll distribution and SST were compared at the frontal regions. This kind of analysis will be useful in the climate change studies
4) Monitoring of the dump site :The range of eutrophication due to Ocean dumping can be monitored by ocean color. Comparison of CZCS and OCTS data clearly showed the change before and after the dumping activities.
5) The distribution of suspended sediments :Very high suspended sediments are present in the Changjiang river mouth region, Gyung-Gi Bay, and Mogpo region. A suspended sediment algorithm is proposed based on the bio-optical data from the Gyung-Gi bay. Suspended sediment distribution on a large scale is depicted.
Ⅴ.Future utilization of the results
The protocols of Cal/Val activities established in this study will be used for post-lanuch Cal/Val OSMI.
The in-situ data collected will be utilized in the future development of algorithms case-2 and atmospheric correction.
The examples of application(red tide, dump site monitoring, productivity monitoring, etc) can be used by oceanographic community for wide application.

목차 Contents

• 제 1 장 서론
  2 장 OSMI 보정 및 검증
  제 1 절 해색자료 보정 및 검증의 이론적 배경
  1. 해색원격탐사 이론
  OSMI 센서 검증을 위한 Radiance model
  2. CZCS, OCTS, SeaWiFS 검·보정 방법
  1) 센서 보정
  2) 생물 광학 알고리듬 검증
  제 2 절 CZCS, OCTS, SeaWiFS 자료 획득 및 영상분석
  1. CZCS, OCTS, SeaWiFS 해색자료 획득
  1) CZCS 자료확보
  2) OCTS 자료확보
  3) SeaWiFS 자료확보
  2. CZCS, OCTS, SeaWiFS 영상분석
  1) CZCS자료에 의한 영상분석
  2) OCTS에 의한 영상분석
  3) SeaWiFS에 의한 영상분석
  제 3 장 검·보정 기술개발을 위한 프로토콜
  제 1 절 수중 광학 관측장비
  1. MER 2040 (Biospherical Co.)
  현장관측시 주의사항 프로토콜
  MER 2040 관측장비의 Software
  현장에서의 광학측정기 운용
  현장관측 후 장비관리 (Post Processing)
  현장에서 얻어진 자료처리 (Data Processing)
  2. PRR-600 (Biospherical Co.)
  현장관측 전 점검사항 (Previous Check Point)
  PRR-600 관측장비의 Software
  현장에서의 광학측정기 운용
  현장관측 후 장비관리 (Post Processing)
  현장에서 얻어진 자료처리 (Data Processing)
  3. OCP (Satlantic Co.)
  장비운용 이전에 점검사항 (Previous Check Point)
  장비 운용방법 (Casting)
  Post Processing
  Software Requirements
  제 2 절 현장조사 항목과 방법
  1. 엽록소와 식물색소량 (Chlorophyll a and Pigment ; extraction method)
  2.부유물질 (Total Suspended Sediment; TSS, Suspended Sediment; SS)
  3. 용존유기물 (CDOM : Colored dissolved organic matter)
  현장 실험 과정
  흡광계수 (Absorption coefficient) 측정
  4. 입자상 물질의 흡광 (Particulate absorption)
  현장 실험 과정
  흡광계수 (Absorption coefficient) 측정
  5. SBE 25 CTD
  Previous Check Point
  CTD의 운용 (Casting)
  Upload ＆ Data Processing
  6. 현장관측자료 확보를 위한 준비물과 분석시료
  제 3 절 OCTS 관측자료의 검증
  제 4 장 한국 근해 생물광학적 특성
  제 1 절 현장관측 생물광학 자료
  제 2 절 검증 및 보정을 위한 생물광학 자료
  제 3 절 황해의 광학적 특성
  1. 황해의 광 특성 규명
  2. 황해의 해수의 광 흡수 특성
  제 5 장 OSMI 대기보정에 관한 표준 알고리듬
  제 1 절 동아시아 표준대기
  1. 자료 및 방법
  2. 동아시아 표준대기의 특징
  3. 동아시아 표준대기의 광학적 성질
  제 2 절 황사의 대기보정
  1. 자료 및 방법
  2. 대기보정 알고리듬
  2.1 CZCS 알고리듬
  2.2 SeaWiFS 알고리듬
  2.3 OCTS 알고리듬
  3. 황사의 광학적 성질
  3.1 에어로졸 광학적 두께
  3.2 일기도 분석