Variation Characteristics of Vegetation Index(NDVI) Using AVHRR Images and Spectral Reflectance Characteristics

韓國環境復元綠化技術學會誌 8(2)：33～40(2005) J. Korean Env. Res. & Reveg. Tech. 8(2)：33～40(2005)

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AVHRR영상과 분광반사특성을 이용한 식생지수(NDVI)의 변동특성

박종화¹⁾․류경식¹⁾

1)충북대학교 농업생명환경대학 지역건설공학과

Variation Characteristics of Vegetation Index(NDVI) Using AVHRR Images and Spectral Reflectance Characteristics

Park, Jong-Hwa

and Ryu, Kyong-Shik

1)Department of Rural Engineering, Chungbuk National University.

ABSTRACT

The objective of this research was to find an indirect method to estimate spectral reflectance and NDVI(Normalized Difference Vegetation Index) efficiently, using the spectroradiometer and NOAA AVHRR satellite data. For collecting RS base data, used spectro-radiometer that measures reflection characteristics between 300～1,100nm was used and measured the reflection of vegetation from paddy rice during the growing season at Chungbuk national university's farm in 2002. The feasibility of detecting the temporal variation in the spectral reflectance and NDVI in paddy rice were conducted on eight growth stages. AVHRR data were collected in eight different months over a one year period in 2002. The results were compared with those obtained by analyzing NDVI characteristics.

The spectral reflectance and NDVI of paddy rice have a great effect on the growth condition.

Considerably, NDVI was increased by developing muscle fiber tissue at the near infrared wavelength until the Booting stage. Then the NDVI increased until the Maturity stage and then decreased until harvest. The highest month was at July and the lower month was at March. The difference NDVI analysis using March and another months data was conducted, the results were provided information on the growth condition of crops.

Key Words：NDVI, Vegetation index. AVHRR, Spectral reflectance, Paddy rice.

Ⅰ. 서 론

최근 들어 지구규모의 환경문제에 대한 관심 이 높아지면서 교토의정서의 실현문제 등이 크 게 대두되고 있다. 이와 같은 지구환경문제는 엘

니뇨현상에 의한 해수온도의 상승, 프롬가스 등 에 의한 오존층의 파괴, 산업화와 공업화에 따른 대기중의 이산화탄소 증가에 의한 지구온난화 등 여러 가지가 있다(Asrar, 1989).

이렇게 지구규모로 발생하는 문제를 모니터링

박종화․류경식

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하고 분석하기 위해서는 광역성, 동시성, 반복성 을 갖는 위성으로부터의 관측이 효과적인 방법 으로 제시되고 있다. 이와 같은 지구관측위성으 로부터의 데이터는 지구환경변동 관측 등에 다 양하게 응용되고 있다. 특히 기상위성 NOAA에 탑재된 AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer：개량형 초고해상도 복사계) 화상 데 이터는 관측 주기가 짧고 관측 폭이 넓어 육지와 해양의 광역현상 변화의 관측에 적합하도록 설 계되어 있어 대규모 지역의 환경관측에 이용되 고 있다(Cracknell, 1997).

지금까지 식물 분광반사율의 특징을 살려서 위성 데이터의 밴드를 조합하여 간단한 연산에 의해 식생의 특성을 추출하는 식생지수는 여러 연구자들에 의해 약 50여 종류가 개발되어 제안 되었다. 이 중 가장 널리 이용되고 있는 식생지 수는 Rouse 등(1974)이 제안한 정규화 식생지수 (Normalized Difference Vegetation Index, 이후 NDVI)가 있다. 이 NDVI는 작물의 파장대별 분 광반사특성 조사를 위해 가시광대의 빨강(Red) 파장과 근적외선 파장을 선택 조합하여 사용하 고 있다.

한편 우리나라의 경우 지구관측위성의 통과 시간에 맞추어 현지관측과 조사를 위한 검증기 관과 시설이 적어 위성자료를 농업분야 등의 고 부가가치 농산물생산에 효율적으로 적용하지 못하고 있는 실정에 있다. 따라서 앞으로 환경 변동에 따른 식생변화의 예측과 영향 조사를 위 해서는 다양한 작물에 대한 정확하고 비교 가능 한 현장 식생 등의 모니터링 자료취득과 정보파 악이 필요할 것이다(Bannari 등, 1995).

또한 지구온난화와 도시화의 진전에 따른 농지 와 산림의 감소는 식생지수나 엽면적지수(LAI)의 변화로 나타난다. 이러한 환경변화의 대응책 마 련과 옥상녹화 등의 환경복원과 녹화 계획을 위 해서는 식생지수의 연간변화특성을 파악하고 대 응책을 마련할 필요성이 있다.

기존 연구에서는 토양의 분광반사특성과 식생 피복특성(박종화, 2003a, 2003b)을 검토하였으며 본 논문에서는 작물의 피복특성으로 벼의 식생 정보를 취득하여 검토하였다. 산림에 대한 조사

와 측정은 측정기기 등의 제한으로 실시되지 못 했으며 논․밭작물의 특성파악 후속작업으로 계 속할 예정에 있다. 지금까지 우리나라의 경우 환 경복원사업에 적용하기 위해 작물의 식생지수를 월별로 지속적으로 실측한 자료가 거의 없다. 그 러나 앞으로 도시의 고온화와 열섬현상 완화를 위한 녹화와 옥상녹화를 위해서는 작물이 성장 단계별로 갖는 분광반사특성과 식생지수의 파악 은 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 본 논문에 서는 이 점에 주안점을 두어 작물이 갖는 성장단 계별 분광반사와 식생지수에 대해 먼저 도시 주 변에 많이 분포하는 논을 연구 대상으로 조사하 였다.

따라서 본 연구에서는 현지관측 데이터의 동시 성 실현을 위해 벼의 분광반사데이터를 취득하고 NOAA AVHRR 위성 데이터를 이용하여 월별 식 생지수인 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index：정규화 식생지수)의 월별 변동특성을 분 석하여 제시하였다.

Ⅱ. 실험 및 화상해석 방법

1. 실험 방법과 조사지역의 특징

실험은 충북대학교 농장에 위치한 실험포장 (동경 127°27‘2“, 북위 36°37‘19“)에서 Spectro- radiometer(LI-1800, LI-Cor.사, 분광복사계, 측정파장 범위：300～1,100nm, 측정간격：2nm)에 Telescope/

Microscope을 연결하여 벼의 분광반사에너지를 측정하였다.

측정은 구름이 없고 기후변화가 적은 맑은 날 을 선정하고 태양고도의 영향을 최소로 하기 위 해 오전 12시부터 오후 2시에 실시하였다.

분광반사율은 식 (1)과 같이 계산하였다.

R (λ) = Rad

( λ)

Rad

( λ) ×100

R(λ)

λ

Rad

(λ)

λ

W․cm

sr

nm

Rads(λ)

λ

W․cm

sr

nm

조사지역의 논토양은 사양토(Sandy loam)이

AVHRR영상과 분광반사특성을 이용한 식생지수(NDVI)의 변동특성

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2002년 5월 22일에 13×30cm의 평균 재식간격으 로 실시하였으며, 수확은 2002년 10월 9일에 하 였다.

현지조사의 어려움으로 8～9월에는 계속된 흐른 날씨로 많은 관측은 실시할 수 없었다. 그 러나 벼의 생육단계로 크게 구분되는 이앙기(5 월 22일 전후), 분얼기(6월 26일 전후), 유수형성 기(7월 10일 전후), 수잉기(7월 24일 전후), 출수 기(8월 20일 전후), 성숙기(9월 29일 전후)에 해 당하는 8회의 데이터를 취득하였다.

2. 화상해석 방법

NOAA AVHRR 위성은 고도 833km에서 6밴드 로 데이터를 취득하여 전송하고 있다. 이 중 식 생지수와 관계되는 밴드 1(파장 0.58～0.68um, 공간해상도 0.5km, 주사 폭 2700km)과 밴드 2(파장 0.82～0.87um, 공간해상도 1km, 주사 폭 2700km)를 취득하고 두 밴드의 공간해상도 차이를 보정하였 다. 식생지수는 식(2)와 같이 보정한 밴드 1과 2 의 데이터를 조합하여 계산하였다.

NDVI

= Ch.2 - Ch.1 Ch.2 + Ch.1

여기서,

NDVI

정규화 식생지수이며,

Ch.

680㎚의 가시광선 빨강 파장 밴드,

Ch.2

800nm의 근적외선 파장 밴드이다.

NDVI

NDVI

데이터의 해석범위는 동서방향으로 동경 124°

37‘5“～129°37‘5“, 남북방향으로 북위 33°55‘1“～

41°24‘29“의 600화소×900줄로 구성된 한반도 데 이터에 관해 해석하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 벼의 분광반사특성

위성의 광학센서가 취득한 정보는 지표면에서 반사되는 분광복사 에너지의 데이터이다. 이와 함께 대기를 통과하여 지표면에 도달한 분광복 사 에너지의 분광특성을 조사하는 것은 위성 데

Figure 1. The relationship between spectral reflectance and wavelength for paddy rice field.

이터의 효율적인 활용에 매우 중요하다(박종화, 2003a, 2003b).

따라서 지표면의 분광반사특성 조사는 2002년 5월부터 10월까지 벼의 성장단계별로 8회 동안 분광반사 조사를 실시하였으며, 그 결과는 Figure 1과 같다. 5월 22일 모의 이앙기에는 가시광선 파 장에서 논토양의 분광반사 영향으로 다른 시기보 다 분광반사율이 높고, 960nm부근에서는 논에 저 류된 물의 분광반사의 영향으로 반사율이 매우 낮다. 이는 물의 분광 흡수층이 이 파장영역에 존 재하기 때문에 나타나는 특징이다. 이후 벼의 성 장과 함께 수잉기(7월 20일)전까지는 광합성에 의 한 클로로필의 증가로 가시광선 파장의 430～

450nm와 650～660nm영역의 반사율은 낮아지고, 근적외선 파장영역은 근섬유조직의 발달로 수잉 기까지 반사율이 높아진다. 이후 근적외선영역의 분광반사율은 벼 알곡에 의한 에너지흡수로 유숙 기까지 낮아지다가 추수 전에는 다시 높아지는 경향을 보인다. 이와 같이 벼의 성장에 따라 각 파장에서의 분광반응 변화는 민감하게 반응하는 파장과 거의 변화가 없는 파장으로 구분된다. 여 기서 식물생산량과 식생의 바이오매스 추정 등 식생의 정량적 파악에 영향을 주는 파장은 분광 반사율 곡선 기울기의 변화에서 찾을 수 있다는 점에 착안하여 반사율곡선의 도함수에 대해 검토 하였다(Waltershea and Biehl, 1990).

2. 1차와 2차 도함수법

Figure 1에서 토양과 벼가 갖는 분광반사의 차이 파악을 위해 두 곡선의 1차와 2차 도함수 를 이용하여 나타내면 Figure 2와 같다.