Issue
전 지구 범위의 토양수분 데이터 산출 인공위성 현황 01
1. 서론
토양수분(Soil Moisture)은 토양에 존재하는 물로 서 에너지 변화의 영향으로 토양 또는 식물로 이동
하거나 대기로 이동하게 된다. 이와 같이 지표-대기 상호작용에 있어 주요한 변수일 뿐 아니라 전 지구 적 기상 기후, 농업환경 및 수문학 분야에서 중요한 요소로서 역할을 하고 있다. 또한 수문학적 관점에 서 지구상에 존재하는 97%의 해수를 제외한 3%의 담수 중 약 0.15%의 작은 구성비를 차지하고 있지만 증발산, 침투, 유출, 저류 등의 수분 이동을 결정하 여 지상과 대기, 물과 에너지 상호작용을 연계하는 주요 수문 기상변수이기 때문에 그 역할을 결코 작 지 않다. 이러한 특성 때문에 물순환(Water cycle) 과 식생(Vegetation)모니터링, 기상/기후 모델링에 있어서 시공간적으로 토양 수분의 변화양상을 파악 하는 것은 필수적이다.
하지만 현재 우리나라의 토양수분 관측은 주로 TDR(Time Domain Reflectometry)방법과 중성자 탐사법(Neutron probe) 등을 이용한 지점관측을 수 행하는 단계로 미국, 유럽, 일본 등의 광역적인 토 양수분 네트워크 구축 및 데이터 공유 등이 선진국 에 비해 그리 활발하지 못한 실정이다. 현장 관측의 경우 토양수분을 측정할 수 있는 지점의 수가 제한 적이며, 토양수분이 측정되는 관측 환경과 방법으 로 인한 불확실성이 발생하기 때문에 정확한 토양수 분 데이터를 획득하는데 있어 어려움이 따른다. 또 한 국내 토양수분 지점관측은 일부 관측지점을 시작 으로 2002년부터 부분적으로 구축되어 왔기 때문에 광역적인 데이터 확보가 어려우며, 유역조건을 반영 백 종 진 ●●●
성균관대학교 건설환경시스템공학과 박사과정 [email protected]
정 재 환 ●●●
성균관대학교 수자원전문대학원 수자원학과 석사과정
최 민 하 ●●●
성균관대학교 수자원대학원 수자원학과 부교수 [email protected] 선우우연 ●●●
성균관대학교 수자원대학원 수자원학과 박사과정 [email protected]
할 수 있는 신뢰도 높은 토양수분 관측 자료가 미흡 한 점이 있다. 따라서 보다 정확한 토양수분 데이터 를 획득하기 위한 다양한 방법이 모색되고 있으며, 인공위성을 통한 데이터 산출 방법이 대안으로 제시 될 수 있다. 최근 항공관측 및 인공위성을 이용한 원 격탐사기법 등의 선진 기술이 여러 연구에서 채택되 고 있어 효율적인 수자원관리를 위한 원격탐사 기술 활용이 적극적으로 모색되고 있다.
원격탐사위성(Remote Sensing Satellite)은 지구 관측위성이라고도 불리며 지구표면과 대기 및 해양 관측 등의 목적으로 사용되고 있다. 빠른 시간동안 넓은 범위를 관측하기 위해 효율적으로 이용되고 있 으며 이러한 원격탐사 기술로 전 세계가 하나로 연 결된 세계전도가 등장하였다. 현재는 기후변화를 비 롯한 각종 지구 환경을 관측뿐 아니라 특히, 토양수 분 측정만을 목적으로 하는 위성이 등장하면서 수자 원 분야뿐 아니라 지구과학 및 기상, 환경을 하나의 연결고리로 묶어주는 과학-융복합 시대의 전기를 마련하고 있다. 이러한 위성들은 전지구 범위의 토 양수분 데이터를 산출하고 있으며 무료로 되고있어
누구나 데이터를 확보할 수 있는 장점이 있다. 본고 에서는 전지구 범위의 토양수분 데이터를 제공하는 국외 인공위성 시리즈의 제반사항 및 현황에 대하여 소개하고자 한다.
2. 토양수분 데이터 산출 인공위성 2.1 Passive Microwave Sensor 인공위성
■ Advanced Microwave Scanning Radiometer- Earth Observing System (AMSR-E)
Advanced Microwave Scanning Radiometer E(AMSR-E)는 일본 우주항공 연구개발기구 (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) 에 의해 개발되고 미항공우주국의 EOS에 의해 2002년 5월 4일에 발사된 Aqua 위성에 탑재된 센 서이다. 다양한 식생 피복 조건에서 토양수분을 측 정하기 위한 가장 유용한 기기로 수동마이크로웨이 브 관측시스템에서 지표면의 밝기온도를 측정하며, 표 1. AMSR-E 관련 제원
5~50 km 격자스케일에서 토양수분 복원 알고리즘 (Retrieval Algorithm)에 의해 체적 토양수분을 일 단위로 제공한다. 2 cm 깊이인 비교적 얇은 깊이에 서 관측되는 점, 비교적 큰 공간해상도로 인해 변동 성이 높은 토양수분의 특성을 나타내는데 어려운 점 등의 한계점을 가지고 있다. 그러나 AMSR-E 복사 계는 타 수동 마이크로파 센서에 비해 다양한 주파 수와 높은 해상도의 영상을 제공하는 장점이 있어 많은 연구에 활용되어 왔으며, 6.9 GHz(C band)와 10.7 GHz(X band)의 토양수분 자료가 가장 유용하 게 사용 되고 있다. 현재는 센서 고장으로 작동이 멈 추었으나, 2002년부터 2011년 10월까지의 토양수분 데이터 확보가 가능하다.
■ The Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2)
AMSR2는 AMSR-E 제원을 계승하여 발전된 센서로 Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)에서 개발되었으며, 2012년 5월 18일에 발사된 Global Change Observation Mission (GCOM)의 첫 번째 인공위성에 탑재되어 있
다. AMSR-E의 주요한 한계점 중 하나인 Radio Frequency Interference(RFI)에 의한 영향을 개 선하기 위해 7.3GHz 밴드가 추가되었고, 반사판 의 크기를 56% 가량 증가시켜 공간 해상도가 향상 되었다. 2013년 1월부터 Level 1B Product인 밝기 온도 제공을 시작으로 Level 2 Product인 토양수 분, 강수량 등에 대한 관측 자료 및 10 km 해상도 의 Level 3 Product를 순차적으로 제공하고 있다.
01:30 pm(Ascending)과 1:30 am(Descending) 의 local solar time에서 자료를 측정하고 있으며 AMSR-2 토양수분 자료는 각각 United States Department of Agriculture (USDA), Vrije Universiteit Amsterdam (VUA), National Snow and Ice Data Centre (NSIDC), JAXA에서 제공하 고 있다.
■ Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis (MIRAS)
Euroupean Space Agency(ESA, 유럽우주국) 의 두번째 Earth Explorere Opportunity Mission 으로 2009년 11월 발사되었다. Soil Moisture and Ocean Salinity(SMOS)는 토양수분과 해양 염 표 2. AMSR2 관련 제원
2.1 Active Microwave Sensor 인공위성
■ Advanced SCATterometer (ASCAT)
유럽우주기구의 극궤도 기상위성인 Metorological Operational Satellite (Metop-A)에 탑재되어 2006년 10월 19일 발사된 능동형 마이크로파 복사
계 센서이다. ASCAT은 수직으로 위치한 레이더 에서 5.255 Ghz(C 밴드)의 전파를 능동적으로 방 출하고 지면에서의 반사 값을 수신하여 복첩(de- chirping)과정을 통해 수신된 신호를 분석한다.
5.255 GHz(C-band) 극초단파를 사용하는 레이더 로 전 지구적 토양수분을 포함하여 해수면 풍향 및 표 3. SMOS 관련 제원
도를 집중적으로 관측하기 위해 개발되었으며, 2-D Interferometric Radiometer를 1.43 GHz의 L-Band로 채택하였다. 특히 1.43 GHz의 L-Band 는 protected Band로 국가적 차원에서 연구 분야의 용도 외에 그 사용을 제한하고 있다. 공간해상도는 35-50 km이며 1~3 일의 시간 해상도의 데이터를 제공하고 있다. 평균적인 SMOS 토양수분의 오차 는 약 ±4 m3m-3%로 목표 오차에 거의 근접하는 것 으로 보고되고 있으며, 미국에서 연구된 4개의 지역 중 한 곳을 제외하고는 SMOS의 오차가 AMSR-E 의 오차와 거의 비슷하거나 낮은 결과를 보였다 (Jackson et al. 2012). 하지만 SMOS의 밝기온 도 및 토양수분 자료가 상당한 bias를 가지는데, 이 는 SMOS의 가장 큰 문제점인 Radio Frequency가 L-band의 토양수분 측정에 큰 영향을 미치기 때문
이다(Montzka et al. 2013). 이러한 전파간섭(RFI) 의 영향은 현재 학계에서 큰 관심의 대상이 되고 있 다. 한반도의 경우 전파간섭의 영향으로 상대적으 로 긴 파장대를 채택한 L-band(1.43 GHz) 기반 SMOS의 MIRAS 센서의 Tb(Bright Temperature) 값은 크게 오염되기 때문에 SMOS 데이터의 사용은 매우 제한적이다. 또한, 현재 국내의 활용할 수 있 는 토양수분 지점 데이터는 SMOS 데이터의 수득률 한계로 인해 지점 데이터와 위성 데이터의 동시간대 데이터를 분석하는데 어려움이 따른다. 그러나 추가 적으로 제공되는 전파간섭 지수 및 데이터 품질 지 수의 조정을 통해 데이터 수득률 증가를 달성할 수 있을 것으로 예상되기 때문에 SMOS의 국내 적용을 위한 추가적인 연구가 필요하다.
■Soil Moisture Active Passive (SMAP)
SMAP은 2015년 1월에 발사된 미국 항공 우주국 (NASA)의 가장 최근에 발사된 토양수분 측정 위성 이다. SMAP 개발의 주 목적은 4m3m-3%로 목표 오 차로 전 지구적인 토양수분을 산출하고 integrated vegetation-soil continuum에 내포된 수분이 결빙 되고 해빙되는 상태를 측정하는 것이다. NASA에서 는 SMAP 위성이 global scale의 물순환 연구 뿐 아 니라 기상 및 재난 예측이 가능하도록 하는 것이 궁 극적 목표라고 소개하고 있다. 또한 에너지와 탄소 순환의 분석에도 사용되어 지구온난화 등에 의한 기
후변화를 이해하는데 크게 도움을 줄 것으로 기대된 다. 또한 측정 swath은 1,000 km이고 적도에서는 3일의 주기로, 기타 지역에서는 2일 주기로 토양수 분 데이터를 제공하게 되어 효율적인 시간주기를 기 대할 수 있다. SMAP은 능동 및 수동형의 역할을 할 수 있는 복합적인 1.20-1.41 Ghz (L-band)를 활용 하는 센서가 탑재 되어 있어 세계최초 수동/능동 복 합형 토양수분 측정이 가능한 시스템으로 운영될 예 정이였으나 지난 7월 센서 이상 문제로 현재는 수동 형 센서만 운영되고 있다. 밝기온도(Level-1), 수동 형 센서를 이용한 토양수분(Level-2) 그리고 모델 표 4. ASCAT 관련 제원
풍속을 측정한다. ASCAT은 837 km 고도에서 지표 면으로 극초단파 에너지로 특성화된 파장을 전송하 고, 지표에서 다시 굴절된 신호는 스펙트럼으로 탐 지된다. 이 파워 스팩트럼을 통해 주파수는 무선 연 결정도와 도플러 주파수를 경사범위 내에서 일련의 처리과정을 거쳐 유효 범위 해상도를 갖는 격자값으 로 제공된다. ASCAT는 3개씩 두 집합으로 구성된 안테나로 구성되어 있으며, 위성으로 트랙의 각 측 면에 위치한 두 개 의 안테나가 550 km 폭으로 극
초단파에 대한 전자 후방 산란을 측정하여 순차적으 로 각 지점의 후방산란계수의 관측값을 측정한다.
후방산란계수는 지표면의 일정 넓이로부터 되돌아 오는 극초단파 에너지에 대한 정량적인 측정값으로 토양 지표층, 표면정도, 식물의 유전체적인 속성에 따라 다양한 값을 나타내게 된다. 이를 이용하여 빙 하의 규모, 영구동토층의 범위, 사막화 추이 등 시공 간적 지표변화 양상을 파악하는데 유용한 정보를 제 공하여 폭넓은 연구에 활용되고 있다.
그림 1. SMAP mission timeline
그림 2. SMAP 위성 토양수분 데이터의 활용범위 을 이용한 지표-뿌리층 토양수분 및 탄소 교환량 등
의 정보가 제공되고 있다(http://smap.jpl.nasa.
gov/data/). NASA는 SMAP의 토양수분 데이터 안 정화와 SMAP mission의 지속적인 개발계획을 이 어나가기 위해 대체방안을 검토 중이며 향후 좀 더 자세한 발표가 이루어질 것으로 전망된다.
1) 지표수와 에너지, 탄소 사이클의 연결 과정 이해 2) 지표에서의 물과 에너지 플럭스 추정
3) 북반구 지역에서의 탄소 플럭스 정량화 4) 날씨 및 기후 예측 기술 향상
5) 홍수 및 가뭄 모니터링 역량 개발 (출처: SMAP Handbook, 2015)
3. 맺는 글
올 초 정부 발표에 따르면 2014년보다 20.9% 증 가한 6187억원의 예산을 투입해 한국형 발사체 개 발, 다목적실용위성 개발 및 위성정보활용 시스템 구축 사업 추진을 목표로 ‘우주기술 자립으로 우주 강국 실현’을 위한 구체적 실행계획을 추진하고 있 다. 미래부·국토해양부·해양수산부 등 10개 부처 가 참여하는 범부처 협업체계를 통해 그 역량을 집 결하여 한국형 발사체 자력 개발 및 위성정보 활용 등 우주개발 전 분야의 추진계획을 수립하여 적극 시행 중에 있다. 현재 전 세계적으로 우주분야 산업 경쟁력은 꾸준한 증가 추세에 있으며, 인공위성 사 업에 가장 많은 투자를 하고 있는 미국은 정부와 기 업의 투자 목표가 확실하게 구분되어 NASA와 같은 정보기관과 Lockheed Martin과 같은 기업체가 선 두적인 기술개발 및 활용에 주력하고 있다. 특히 주 목할 것은 국외에서는 우주산업 정부예산의 많은 부 분이 인공위성 자료를 이용한 과학연구에 집중되어 있다는 점이다. 시공간 변동성 탐지가 가능한 원격 탐사 기술의 강점을 활용하여 과학연구에 필요한 빅
데이터 구축이 가능하기 때문이다. 이러한 시점에 서, 우리 정부 역시 기후변화에 대비한 기상위성 운 영·활용 기술개발 및 시스템 구축을 추진하며, 원 격관측기술 활용을 통한 기후변화 감시 능력 강화와 정보 산출 제공을 위한 환경감시 기술개발에 나서는 등 국내 위성영상 활용 방안 확대를 모색하고 있다.
토양수분은 물과 에너지 순환에 주요변수로 기능 하며 농업, 수자원 및 생태학 등의 다양한 과학 분야 에서 분석이 필요한 인자이기 때문에 본고에서 소개 한 위성시리즈의 토양수분 데이터가 적극 활용된다 면 국내 위성영상 활용 방안의 성공적인 수행을 위 한 밑거름이 될 것으로 기대된다. 나아가 인공위성 토양수분 정보가 국내 홍수·가뭄 등 물 관련 재해 뿐 아니라 전반적인 물관리 정책수립에 유용한 기술 이 될 수 있도록 많은 노력이 필요할 것으로 본다.
또한 본고에서 소개된 토양수분 인공위성 정보가 국 내 수자원연구의 발전을 더욱 뒷받침하는 것은 물론 한국의 우주과학 기술이 선진적으로 한 걸음 더 발 전될 수 있는 좋은 기회가 되었으면 한다.
표 5. SMAP 관련 제원
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(15AWMP-B079625-02)에 의해 수행되었습니다.
Montzka, C., Bogena, H.R., Weihermuller, L., Jonard, F., Bouzinac, C., Kainulainen, J., Balling, J.E., Loew, A., dall’Amico, J.T., Rouhe, E., Vanderborght, J., Vereecken H. (2013) Brightness temperature and soil moisture validation at different scales during the SMOS validation campaign in the Rur and Erft catchments, Germany
Jackson. T.J., Bindlish, R., Cosh, M.H., Tianjie Zhao., Starks, P.J., Bosch, D.D., Seyfried, M., Moran, M.S., Goodrich, D.C., Kerr, Y.H., Leroux, D. (2012).
Validation of soil moistrue and ocean salinity (SMOS) soil moisture over watershed networks in the U. S. IGeoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 50(5), 1530-1543.
참고문헌
