위성영상의 수집과 처리를 위해서는 측지/측량 및 대기물리학적 지식 등과 관련한 다양한 학문적 지식이 필요하다. 일반적으로 위성영상 처리 및 분석과 관련한 독립적인 학문분야를 원격탐사학(Remote Sensing)이라 한다. 원격 탐사란 물리적인 접촉이나 탐사 없이 지상물체의 특성을 파악하고자 하는 모든 활동을 의미하며, 지상, 항공기 및 인공위성 등에 설치된 다중분광센서나 광학카메라를 이용하여 지표면 대상물에서 반사되거나 방사된 에너지를 탐지, 기록하고 토지, 환경 및 자원 등에 대한 정보를 얻고 해석하는 기법을 말하는 것이다. 우리가 영화 또는 TV News, 일기예보 등에서 흔히 접하게 되는 위성 영상은 바로 이러한 원격탐사 기술을 이용한 것이라고 볼 수 있다.
이러한 원격탐사 기술은 인력에 의한 지상실측에 비해 자료취득 비용이 훨씬 저렴하며 광범위한 영역의 동시적인 자료 취득이 가능하고, 실제로 사람이 갈 수 없는 오지나 적성국 같은 곳의 자료를 원격취득이 가능하다는 장점이 있다. 또한 데이터베이스화 할 경우 현재의 정보뿐 만 아니라 과거의 정보를 추출해볼 수도 있고, 모델링을 통해 미래의 예측도 가능 하며 실시간에 가까운 대상물의 분석 및 감시가 가능하다는 장점도 있다.
원격탐사 기술이 인간의 생활저변에 도입되기 시작한 것은 1858년 프랑스의 뚜르나숑(Tournacheon)이 열기구를 이용하여 인류 최초의 공중사진을 촬영한 것이 시초라고 할 수 있다. 그 이후 1909년에는 근대화된 항공기를 이용해 최초의 항공사진 촬영이 시작되었고, 세계 대전을 거치면서 적국의 군사현황을 효율적으로 탐지해내기 위한 첩보용 항공사진 촬영기술이 큰 진보를 이루게 되었다. 이렇게 주로 항공기에 의존하던 지상정보의 취득기술은 동서 군비 경쟁이 한창이던 1960년대 들어 미국과 구 소련의 첩보위성발사 경쟁에 힘입어 본격적으로 우주선에 카메라를 장착함으로써 지상을 관측하는데 까지 이르게 되었다. 이때까지만 해도 원격탐사 기술은 주로 군사적인 목적이나 지도를 제작하기 위한 목적으로만 이용되었고, 탐사체(platform)에 의해 취득 되는 정보들도 디지털이 아닌 아나로그형 사진필름이 주종을 이루고 있었다. 그러나 컴퓨터 기술의 급속한 발전에 따라 단순히 시각적 판독에만 의존하던 취득
정보들을 컴퓨터를 이용해 보다 체계적이고 분석적으로 판독해야 할 필요성이 대두되게 되었으며, 1970년대 초반에는 미국의 본격적인 지구 탐사 위성인 ERTS(이후에 Landsat으로 개명)가 발사 되어 디지털 지상정보를 수집하기에 이른다.
또한 이러한 디지털 위성영상정보를 보다 효율적으로 가공하고 분석하기 위한 DIP(Digital Image Processing) 기술이 급속하게 발전되기 시작하였고, 그 결과를 데이터베이스화하여 체계적으로 관리하고 각종 어플리케이션에 기본도(Base Map) 또는 속성정보로 활용하기 위한 GIS(Geographic Information System, 지리정보시스템) 개념이 태동되게 되었다.
이렇게 원격탐사와 지리정보시스템에 관한 이론과 방법론이 정형화되고 발전되어 오면서 이 기술들의 상업적 가치가 새롭게 인식되게 되었고, 1980 년대에 들어 본격적인 상용탐사위성의 발사가 이루어지면서 주로 군사적인 목적에만 이용되어오던 원격탐사 기술이 지도제작, 도시계획, 농임업, 게임, 방송, 물류, 관광, 건설 환경, 기상, 지질, 해양 등 실로 다양한 민간산업분야에 응용되게 되었다. 급기야 최근에는 동서냉전 당시 군사첩보용의 목적으로 개발 되었던 최첨단 지구탐사 센서 기술들이 속속 상용화되어 지상 700km 높이에서 1m 미만 크기의 지상물체까지도 식별 가능한 초고해상도 위성탐사 센서까지도 민간이 이용할 수 있게 되었다.
일반적인 원격탐사 기술의 처리, 분석 체계는 문제의 핵심을 파악하기 위해 가설을 설정하며, 귀납적 또는 연역적 추론을 통해 적절한 기술적 로직을 세우는 데서부터 시작된다. 두 번째로 현장조사 또는 각종 현상들에 대한 통계 자료를 수집함과 동시에 항공사진이나 위성영상과 같은 원격탐사자료를 수집 하게 된다. 세 번째로는 수집된 자료를 DIP 기술이나 지리정보시스템 구현 기술을 이용해 처리 및 분석하고 모델링 함으로써 1차 결과를 도출하게 되며, 첫 단계에서 설정된 가설을 검증하는 과정을 진행하게 된다. 마지막으로, 도출된 결과를 실생활에 이용이 가능하도록 2/3차원 기본도나 주제도 혹은 통계자료의 형태로 가공하는 과정을 거치게 된다.
이러한 과정 중에 필요한 기반 기술들은 다음과 같다.
에너지(Electromagnetic Radiation Energy)의 반사 값을 수집함으로써 형성되기 때문에 이러한 전자기복사 에너지가 가지는 특성과 메커니즘을 이해하고 있어야만 방사학적 또는 대기학적 왜곡요소를 원격탐사 영상 으로부터 제거하거나 감쇄 시킬 수 가 있다. 즉, 대기분광학적 지식이 요구되며, 이러한 왜곡요소의 보정을 위해 강조처리(Enhancement)라 불리는 일련의 과정이 DIP 기술을 이용하여 수행된다.
② 위성이나 항공기에서 수집된 보정 되지 않은 원격탐사 영상은 지구의 곡률이 감안되지 않은 불규칙한 지표면을 표현하고 있다. 그러므로 지구의 기하학적 왜곡을 제거 혹은 감쇄시킴으로써 기존의 지도투영 시스템에 일치하도록 지리좌표를 가진 지도의 형태로 표현하여야 한다.
즉, 기하학적 지식이 요구된다. 일반적으로 이 과정은 항공사진측량학 (Air-Photogrammetry)적 범주 내에서 다루어진다.
③ 상기의 과정들을 전처리(preprocessing)의 범주에 포함시킬 수 있다면 분류(Classification)처리는 전처리가 끝나 원격탐사 영상이 가지는 왜곡 요소 들이 일정부분 제거되고 난 후 각각의 분광학적 특성을 가지는 원격탐사 영상 내 화소(pixel)들을 서로 유사한 것들끼리 군집화 시킴 으로써 토지이용현황도이나 지질도, 식생도, 수질현황도 등과 같은 어떤 주제를 다루는 산출물을 얻을 수 있게 한다.
④ 이 이외에도 다시기(Multi-temporal) 원격탐사 영상 사이의 변화량을 추적하기 위한 적용 기법 등이 널리 이용되며, 분석결과의 정확도를 평가하기 위한 기법들이 이용된다. 이러한 과정들을 수행하기 위해 다양한 수학적, 통계학적 지식이 요구된다.
5. 위
위의 과정들을 거침으로써 얻어진 최종 결과물들을 데이터베이스화하고 시스템화 함으로써 효율적인 의사결정 자료로 이용하고 일반에게 서비스하기 위해서는 데이터베이스 구축기술, 지리정보시스템 구현기술 등과 같은 종합적 IT 기반기술이 요구된다. 특히, 도시/환경/농업/삼림/국방 등과 같은 주요 현안 들의 감시 및 해결을 위해 엄청난 양의 원격탐사 자료가 지속적으로 수집되어 축척 되고 있다. 지리적인 속성을 가지는 대부분의 이러한 공간 정보들을
관리하기 위해 컴퓨터를 기반으로 한 지리정보시스템이 개발되었다. 지리 정보시스템은 원격탐사로써 얻어진 공간 또는 속성자료를 효율적으로 검색, 저장, 관리가 가능하게 하며, 여러 저장공간에 흩어져있는 데이터베이스를 효과적으로 조합함으로써 올바른 의사결정을 내리는데 도움을 준다. 서두에 언급한 바와 같은 여러 가지 장점 덕분에 원격탐사 기술은 지리정보시스템 에서 이용할 수 있는 매우 함축성 있는 정보를 수집하기 위해 가장 자주 이용 되는 방법이다. 이러한 원격탐사 자료의 특성을 이용한다면 지상현상의 감시 뿐 아니라 여러 가지 연구활동에도 이용할 수 있는 매우 효과적인 수단이 된다. 더 나아가, 원격탐사는 여러 가지 환경모델링 기법을 이용하여 지도정보 만을 이용한 지리정보시스템 분석만 가지고는 얻을 수 없거나 측정이 어려운 생태물리학적 현상들에 대한 가치 있는 정보들을 실시간으로 제공할 수 있게 한다. 그러나 이러한 가치 있는 원격탐사 정보들이 여러 가지 다른 형태의 공간정보 들과의 상호 호환성 문제 때문에 이용되지 못하는 경우도 종종 발생 한다. 그러므로, 지리정보시스템과 원격탐사자료를 통합하여 그 장점만을 이용 하였을 경우 최선의 결과를 가져올 수 있을 것이다. 이렇게 원격탐사와 지리 정보시스템를 통합한 형태를 통합지리정보시스템(IGIS, Integrated GIS) 이라 고도 부르기도 한다.
현재 외국의 영상처리 개발업체들은 초기단계의 일반 영상처리 기술개발을 완료한 상태이며, 레이더 영상 및 고해상도 영상처리의 정확도 향상을 통한 고부가 가치 정보추출 기술개발에 집중 투자하고 있고, 아울러 디지털 항공사진, 항 공Lidar 영상, 극다중분광영상 등과 같이 다양한 종류의 영상처리를 지원 할 수 있도록 노력하고 있다. 특히 고해상도 위성영상의 경우 상세한 센서정보가 블랙박스로 공개되지 않고 있으며, 극다중분광 영상처리는 새로운 영역이기 때문에 관련 기술개발이 한창이다.
본 장에서는 새롭게 각광받고 있는 위성영상처리기술에 대한 기술동향과 활용현황을 알아보고자 한다.
2. LiDAR(Light Detection And Ranging)