Applicability of Satellite SAR Imagery for Estimating Reservoir Storage

DOI:http://dx.doi.org/10.5389/KSAE.2011.53.6.007

저수지 저수량 추정을 위한 위성 SAR 자료의 활용성

Applicability of Satellite SAR Imagery for Estimating Reservoir Storage

장민원

․이현정

․김이현

․홍석영

Jang, Min-Won․Lee, Hyeon-Jeong․Kim, Yi-Hyun․Hong, Suk-Young

ABSTRACT

This study discussed the applicability of satellite SAR (Synthetic Aperture Radar) imagery with regard to reservoir monitoring, and tried the extraction of reservoir storage from multi-temporal C-band RADARSAT-1 SAR backscattering images of Yedang and Goongpyeong agricultural reservoirs, acquired from May to October 2005. SAR technology has been advanced as a complementary and alternative approach to optical remote sensing and in-situ measurement. Water bodies in SAR imagery represent low brightness induced by low backscattering, and reservoir storage can be derived from the backscatter contrast with the level-area-volume relationship of each reservoir. The threshold segmentation over the routine preprocessing of SAR images such as speckle reduction and low-pass filtering concluded a significant correlation between the SAR-derived reservoir storage and the observation record in spite of the considerable disagreement. The result showed up critical limitations for adopting SAR data to reservoir monitoring as follows: the inappropriate specifications of SAR data, the unreliable rating curve of reservoir, the lack of climatic information such as wind and precipitation, the interruption of inside and neighboring land cover, and so on. Furthermore, better accuracy of SAR-based reservoir monitoring could be expected through different alternatives such as multi-sensor image fusion, water level measurement with altimeters or interferometry, etc.

Keywords: RADARSAT; reservoir storage; SAR; water surface

I. 서 론

^*

최근 위성영상을 활용하는 사례가 사회 전반적인 분야로 확대 되고 있는 추세이고 농업분야에서도 기후변화, 농경지관리, 재해 면적 추정 등의 모니터링과 의사결정지원에 광범위하게 이용되 고 있다. 특히 그 동안 광학영상에 의존했던 기술은 레이더 위성 영상으로 확장되어 작물생육 및 수량, 토양수분, 재해관측 등 여 러 분야에서 새로운 대안이 되고 있다. 레이더 위성은 광학위성 과는 달리 전자파를 이용하는 능동센서로 비, 구름, 안개 등 기 상조건이나 주야간, 역광 등 일조현상에 관계없이 전처후로 광 범위한 지역에 대한 주기적인 모니터링이 가능하고 주파수에 따

* 경상대학교 지역환경기반공학과, 경상대학교 농업생명과학연구원

** 경상대학교 지역환경기반공학과 학부과정

*** 국립농업과학원 농업환경부, USDA ARS Hydrology & Remote Sensing Laboratory

****국립농업과학원 농업환경부

† Corresponding author Tel.: +82-31-290-0344 Fax: +82-31-290-0105

E-mail: [email protected] 2011년 8월 25일 투고 2011년 10월 5일 심사완료 2011년 10월 6일 게재확정

라 지표면 투과탐지도 가능하다는 장점이 있다. 주로 홍수, 지 진, 해상오염과 같은 자연재해와 환경감시 분야와 지구탐사, 농 작물 작황 등의 자원탐사 분야에 널리 사용되고 있고 고해상도 영상 촬영과 식별기술이 발전함에 따라 국방 분야에서도 활용도 가 높아지고 있다 (Kwag and Jung, 2006).

영상레이더 기술인 SAR (Synthetic Aperture Radar)는 지상 에 전파를 쏘아 그 반사파를 포착해 영상을 얻는 기술이다. 레이 더는 안테나가 클수록 공간해상도가 높아져서 관측지점을 자세 히 파악할 수 있지만 인공위성에 실을 수 있는 안테나의 크기에 한계가 있기 때문에 개발된 기술이다. SAR는 물리적으로 큰 안 테나를 설치하는 대신에 작은 안테나가 고속으로 움직여 마치 커다란 안테나를 흉내 내는 방식으로서 각 위치에 따라 포착된 영상을 합성해서 하나의 큰 영상을 만드는 기술이다 (Freeman, 1996). 최초의 SAR 위성은 1978년에 미국에서 발사된 SEASAT 이고 그 후 NASA (National Aeronautics and Space Admini- stration) 우주왕복선에 탑재된 SIR-A/B/C/X와 2000년 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), 유럽우주국 ESA (European Space Agency)의 ERS-1/2와 ENVISAT, 캐나다우주국 CSA (Canadian Space Agency)의 RADARSAT-1/2, 그리고 일본우 주국 JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)의 JERS-1

과 ALOS 등이 SAR 과학 및 환경 탐사를 이끌었다. 최근에는 독 일의 TerraSARX, SAR-Lupe, 이스라엘의 TecSAR, 이탈리아의 COSMO-SkyMed 등 소형 경량의 군용 및 민수용의 저궤도, 고해 상도 원격탐사 위성들이 경쟁적으로 개발되고 있다 (Kwag, 2011).

우리나라에서도 X밴드 SAR를 탑재한 인공위성 KOMPSAT-5의 발사가 2011년에 계획되어 있어 국방뿐만 아니라 농업, 해양, 환경 등 다양한 분야에서 활용하기 위한 준비가 진행 중이다.

SAR 기술은 수자원의 조사와 관리 분야에서 유용성이 입증되 고 있는데 지하수뿐만 아니라 호수나 저수지의 위치와 용량, 하 천 형태와 유량 등의 지표수 관측에 관한 연구들이 수행되고 있 다. Singhroy (1998)은 RADARSAT 영상으로부터 남아메리카 가이아나 (Guyana)에 있는 농업용 저수지의 수표면 면적을 추출 하여 관개계획에 활용하는 작업을 하였고, 유엔난민기구 UNHCR (United Nations High Commissioner for Refugees)은 난민캠 프의 최적지 선정에 필요한 가용수자원을 조사하는데 있어서 위 성 SAR영상과 SRTM을 활용하는 WATEX (WATer EXploration) 프로젝트를 수행 중이라고 밝혔다. Liebe et al. (2009)은 C 밴 드 ENVISAT ASAR더 영상을 이용하여 저수면적을 추출하는 기 술을 반건조지역의 소규모 저수지들에 적용하였고 바람의 영향 을 적게 받는 야간에 촬영된 영상의 사용을 권하였다. Annor et al. (2009)은 반건조지대인 가나 (Ghana)에서 수표면적 100 ha 미만의 저수지 현황과 수표면적과 저수량 조사를 위해 ENVISAT ASAR 영상을 활용하였고, NASA JPL (Jet Propulsion La- boratory)은 해양과 내륙의 수자원 조사를 위해서 2013년부터 약 450백만불이 투입되는 SWOT (Surface Water and Ocean Topography) 프로젝트를 기획하고 있는데 고해상도의 수위 측 정이 가능한 Ka-band Radar Interferometer (KaRIN)의 활용을 고려하고 있다 (Fu et al., 2009). 국내에서는 아직 위성 SAR 영상을 이용한 직접적인 수자원 연구는 수행된 결과가 없으며 다 만 재해관리와 농업관측에 일부 관련된 사례가 발견된다. Kim et al. (2007)은 RADARSAT-1 SAR영상을 이용하여 삽교천의 홍 수에 의한 침수구역을 추출하고 이를 현지 조사자료와 수문모델 결과로 비교함으로써 레이더 영상의 활용성을 검토하였다. Lee et al. (2006) 또한 RADARSAT-1 SAR영상을 1998년 8월의 안성천 홍수지역에 적용하고 홍수 전, 직후, 후의 세 시기 영상 간 Ratio 방법으로 침수지역을 추출한 바 있다. Hong and Rim (2000)은 논벼의 생육관측을 위해서 기존의 LANDSAT TM 광 학영상과 함께 C밴드 RADARSAT-1 SAR 영상을 같이 사용하 여 현장 적용성을 평가한 바 있다.

우리나라에는 전국적으로 약 18,000여개의 저수지가 있지만 수위나 저수량 관측은 매우 제한적이다. 일부 저수지에 대한 자 동계측시설이 운영되고 있지만 대부분의 저수지는 관리범위 밖 에 있어 가뭄이나 홍수 등 위급상황뿐만 아니라 평상시에도 정

확한 저수량을 파악하고 관리하기 어려운 실정이다. 따라서 광 범위한 지역을 촬영한 위성영상을 이용하여 저수면적으로 추출 하고 저수량을 추정하는 기술이 있다면 현장 실측을 대체하거나 적어도 보완할 수 있는 대안이 될 것이다. 또한 저수위별 수표면 적 자료를 축적함으로써 저수지별 수위-내용적 관계를 갱신할 수 있는 기회를 만들 수도 있다. 그러나 기상과 이수에 따라 변 화하는 저수량에 대응하는 위성영상을 광학영상에만 의존하여 확 보하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 전천후 센서인 SAR 위 성영상을 이용하여 정기적인 저수지 모니터링을 함으로써 저수 지 운영의 시급성도 만족하고 장기적으로 저수지 내용적의 변화 를 현장실측이 없이도 어느 정도 추정할 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 농업부분에서 레이더 위성영상을 활용하기 위한 기초연구로서 SAR 영상자료를 이용하여 저수지 저수량을 추정 하는 기술을 제안하고 그 활용성과 문제점들을 검토함으로써 장 래 실용화를 위해 필요한 기술과 과제를 제시하고자 한다.

II. 재료 및 방법 1. 기본원리

SAR 자료를 분류에 이용할 때 가장 기본적인 입력 특징은 후 방산란계수 (backscattering coefficient)이다 (Park et al., 2007). SAR 영상을 이용한 저수지 모니터링의 기본 개념은 고 여 있는 물의 표면에 대한 마이크로파의 산란 특성, 즉 후방산란 계수를 이용하여 수표면적을 추출하는 것이다. 레이더 영상은 안 테나에서 방출한 마이크로파가 지상에 도달하여 반사하는 신호 를 기록함으로써 영상자료를 생성하게 되는데 지표면에서 반사 되는 레이더 반사 신호의 강약은 지표물의 특성, 즉 표면의 조도 (surface roughness)와 유전율 (dielectric constant)에 영향을 받는다.

Fig. 1에서 보듯이 물과 같이 매끈한 (smooth) 표면을 가지고 있는 지표물은 측면에서 입사하는 마이크로파가 물 표면에서 안

Fig. 1 Imaging different types of surface with radar (http:

//jpl.nasa.gov)

(a) May 17 (b) July 03 (c) July 27

(d) August 20 (e) October 17 (f) October 31

Fig. 3 RADARSAT-1 backscatter images of the study area acquired in 2005 (C-band, HH-polarization, 20 m spatial resolution)

으로 반송되는 신호는 거의 없게 되므로 검게 보이게 된다. 따라 서 저수지에 물이 차 있을 경우와 그렇지 않을 경우의 드러난 지 표 상태에 따라 다르게 나타나는 레이더 산란계수를 구함으로써 수표면적의 변화를 추정할 수 있다. 물론 바람에 의한 파랑이나 강우에 의한 영향이 강할 경우에는 다른 피복과 구분이 쉽지 않 다. 일반적으로 수계는 상대적으로 낮은 값을 보이지만, 표면 거 칠기에 따라 큰 폭의 값을 가진다. 저수지 바닥이 드러나도 표면 조도와 지형 굴곡, 식생의 차이에 따라 수체 표면과 혼동될 수 있는 것도 고려되어야 한다 (http://southport.jpl.nasa.gov). 그 러므로 정확한 수체분류를 위해서는 수면과 유사한 반사특성을 갖는 피복들에 대한 고려가 필요하다 (Kim et al., 2007).

SAR 영상의 기본 원리에 따라 본 연구에서는 영상처리 및 저수지 저수율 추정을 위한 절차를 Fig. 2와 같이 정리하였다 (Abhyankar et al., 2007; Medina et al., 2010; Oberstadler et al., 1997) 저수량을 관측할 대상 저수지가 결정되면 해당 지 역을 촬영한 SAR 위성영상을 확보하고 후방산란계수를 산출한 다. 그리고 영상에서 수표면적 분류를 용이하게 하기 위하여 필 터링을 통하여 노이즈 (noise)와 주변에 비하여 튀는 신호를 보 이는 픽셀 (pixel)을 제거하고 평활화 (smoothing)를 시행한다.

이런 전처리 과정을 통하여 수표면과 육지면의 영상 대비 (con- trast)를 강조함으로써 임계값 이진화 (binary segmentation)에 의한 수표면 분류를 완성하도록 하였다. 마지막으로 대상 저수

지의 수위-내용적 관계를 이용하여 SAR 영상에서 추출된 저수 지 수표면적에 저수량과 저수율을 계산하게 된다.

Fig. 2 Procedure for the extraction of reservoir storage

from SAR imagery

2. SAR 영상의 수집과 전처리

농업용 저수지를 포함한 시계열 레이더 영상 자료를 찾아 국 립농업과학원에서 처리한 C밴드 RADARSAT-1 후방산란영상 을 시험자료로 선정하였다 (Fig. 3). 대상 영상은 경기도 남부와 충청남도 일대를 촬영한 2005년 자료로서 저수율 관측자료가 있는 농업용 저수지들을 포함하고 있다. RADARSAT-1은 1995 년 발사된 캐나다 지구관측위성으로 고도 798 km에서 운용되는 태양 동기 극궤도를 사용하고 경사각 98.6°, 100.7분의 주기를 가진다. 안테나 주파수는 C밴드인 5.3 GHz이고 HH 단일 편파 를 사용하는데 촬영모드에 따라 10∼50 m의 공간해상도를 제 공한다 (Kwag, 2011).

본 연구에 사용된 자료는 Standard 모드에서 취득된 공간해상 도 20 m, 주사폭 (swath width) 100 km의 여섯 시기 영상을 사용하였다. 그리고 각 영상은 기존에 구축된 저수지 경계 수치 지도와 정합하기 위하여 Image to Map 정합방법으로 기하보정 한 후 다시 영상간 Image to Image 장법으로 중첩할 수 있도록 처리하였다. 기하보정이 된 영상은 저수지 제체의 선형 부분과 저수지 경계 수치지도의 폴리곤과의 일치 여부를 육안으로 판단 하고 최종적으로 잘라내기 (subset)를 하였다. 그리고 SAR 영상 에서 스페클 노이즈 (speckle noise)를 제거하는 처리를 수행하 였다. SAR 영상은 영상 전체에 스페클 노이즈가 분포하며 영상 의 분류 정확도를 향상시키기 위해서는 반드시 이 노이즈를 제 거하여야 한다. 스페클 노이즈를 제거하는 필터로는 Lee, Gamma Map, Frost, Median 필터 등 여러 가지가 존재하지만 본 연구 에서는 수계지역의 분류를 위한 목적으로 스페클 노이즈를 제거 하는데 적합한 3×3크기의 Lee 필터를 2번 반복 적용하였다 (Lee, 2009; Sohn et al, 2004)

3. 대상 저수지 선정

연구 대상을 선정하는데 있어서 고려한 것은 지상 자료와 레 이더 위성영상을 동시에 확보할 수 있어야 한다는 것이다. 저수 지 사양뿐만 아니라 시기별 저수율 변화가 모니터링 된 저수지 들 중에서 레이더 영상 획득 여부를 조사하여 최종 선정을 하였 다. 지상 데이터에는 저수지 사양, 저수율 및 수표면적 변화, 수 위-내용적 곡선, 저수지 바닥의 모양과 표면조도 등이 있으며 특히 수위-내용적 곡선과 저수율은 반드시 포함되어야 한다. 후 보 저수지는 한국농어촌공사의 농업기반시설관리시스템 RIMS (Rural Infrastructure Management System)에 등록되어 있고 일저수율 자료가 누적되고 있는 저수지 중에서 선택하였으며 위 성영상 촬영시기별 저수율 차이가 큰 저수지를 우선하였다. 그 리하여 수집된 RADARSAT-1 영상에서 과거 2005년의 저수율

Table 1 Specification of the study reservoirs

Name

Levee body form

Total storage (×1,000 ton)

Area of full water (×1,000 m²)

Drainage area (ha)

Irrigation area (ha) Yedang Earth-fill 47,103 10,887 37,360 7,373 Goongpyeong Earth-fill 7,030 1,117 4,333 1,108

과 수위-내용적 곡선 등 저수지 속성정보가 있는 저수지를 탐색 하여 예당저수지와 궁평저수지를 최종적으로 선정하였다 (Table 1). 그리고 선정된 저수지의 만수시 경계 폴리곤 (polygon)에 따 라 각 영상에 대한 잘라내기 (subset)를 시행하였다.

III. 적용 및 결과

1. 전처리

저수지 경계에 따라 잘라내기한 예당저수지와 궁평저수지의 후방산란 영상은 Fig. 4와 Fig. 5와 같다. 대체적으로 ＋5 dB

∼ －35 dB 정도의 범위를 나타냈는데 밝은 부분이 후방산란 계수가 큰 부분이고 어두운 부분이 후방산란계수가 낮은 경우이 다. 후방산란계수가 높은 부분은 수위가 낮아져 지면이 드러난 것으로 구분할 수 있는데 그 차이를 탐지함으로써 저수면적을 추출한다. 전처리 과정을 통하여 스페클 노이즈를 감소 혹은 제 거한 영상에서 수표면과 지표면의 경계를 매끄럽고 분명하기 하 기 위하여 영상별로 3×3 median filter와 5×5 Gaussian filter 를 선택적으로 사용하였다.

2. 저수지 저수면 분류

Fig. 4와 Fig. 5의 전처리된 후방산란계수 영상에 감독분류에 통한 이진화 작업을 수행하여 저수지의 저수면 경계를 작성하면 각각 Fig. 6, Fig. 7과 같다. 예당저수지의 경우에 제체가 위치한 상단의 저수면 경계는 변화가 거의 보이지 않으나 저수지로 상 류의 두 하천, 무한천과 신양천이 유입되는 입구부분에서 저수 면의 변화가 보였다. Table 2에서 보듯이 저수면적이 최소, 최 대인 시기와 실제 관측저수율이 최소, 최대인 시기가 일치하였 고 Fig. 8(a)에서 보듯이 상관계수 0.85의 높은 상관성을 보였 다. 만수시 면적이 112 ha인 궁평저수지의 경우도 최대저수율과 최소저수율이 나타낸 시기에 맞춰 저수면적이 각각 최대, 최소 값이 나왔다. 8월 이후의 세 영상들은 실제 저수율이 서로 1 % 정도의 차이만 보인 반면 분류된 수표면적의 차이는 매우 크게 나타났다. 2차 함수 회귀모델에서 Fig. 8(b)에서 보는 바와 같이 결정계수 0.78, 상관계수 0.81의 강한 상관성을 보였다.

(a) 2005-05-17 (b) 2005-07-03 (c) 2005-07-27

(d) 2005-08-20 (e) 2005-10-17 (f) 2005-10-31

Fig. 4 RADARSAT-1 backscattering coefficient images for Yedang reservoir

(a) 2005-05-17 (b) 2005-07-03 (c) 2005-07-27

(d) 2005-08-20 (e) 2005-10-17 (f) 2005-10-31

Fig. 5 RADARSAT-1 backscattering coefficient images for Goongpyeong reservoir

(a) 2005-05-17 (54 %) (b) 2005-07-03 (50 %) (c) 2005-07-27 (61 %)

(d) 2005-08-20 (60 %) (e) 2005-10-17 (62 %) (f) 2005-10-31 (72 %)

Fig. 6 Classification of reservoir water surface from RADARSAT-1 SAR for Yedang reservoir (the observed storage rate)

(a) 2005-05-17 (67 %) (b) 2005-07-03 (37 %) (c) 2005-07-27 (80 %)

(d) 2005-08-20 (89 %) (e) 2005-10-17 (90 %) (f) 2005-10-31 (89 %)

Fig. 7 Classification of reservoir water surface from RADARSAT-1 SAR for Goongpyeong reservoir (the observed storage rate)

(a) Yedang (b) Goongpyeong

Fig. 8 Correlation between SAR-derived water surface area and reservoir storage rate

Table 2 Water surface area and storage rate extracted from RADARSAT-1 SAR imagery

Date

SAR-derived Observed

storage rate (%) Water surface

area (×1,000 ㎡)

Water level (m)

Storage (×1,000 ㎥)

Storage rate (%) Yedang reservoir

2005-05-17 7,082.4 19.7 20,458 44 54 2005-07-03 6,615.6 19.3 17,809 39 50 2005-07-27 7,355.6 19.9 22,094 48 61 2005-08-20 7,050.0 19.7 20,268 44 60 2005-10-17 7,273.2 19.9 21,594 47 62 2005-10-31 7,419.2 20.0 22,484 49 72

Goongpyeong reservoir

2005-05-17 791.2 60.8 3,172 48 67

2005-07-03 672.4 59.8 2,423 36 37

2005-07-27 734.8 60.3 2,814 42 80

2005-08-20 790.4 60.8 3,167 47 89

2005-10-17 852.8 61.3 3,563 53 90

2005-10-31 787.2 60.8 3,146 47 89

3. 저수지 저수량 추정

예당저수지의 수위-내용적 관계를 이용하여 구하여진 수표면 적에 대한 시기별 추정 저수율을 계산하면 Table 2와 같다. 각 저수지의 수위-내용적 관계를 이용하여 분류된 수표면적으로부 터 해당 저수위를 추정하고 저수량과 저수율을 계산하였다.

RIMS에 따르면 예당저수지의 총저수량은 47백만 ton이고 만 수지 수표면적은 1,088 ha 에 달한다. 대상기간 중 저수율은 농 업용수 수요가 가장 큰 모내기시기를 지난 7월초에 50 %의 낮 은 저수율을 보였고 뒤로 저수율이 상승하고 농번기가 끝난 후 72 %까지 상승하였다. 반면에 RADARSAT-1 SAR 영상에서 추정한 저수율은 최소 39 %에서 최대 49 %의 범위를 보이며

관측 저수율과 최대 23 %까지 차이를 보였다. 즉 예당저수지의 관측 저수율을 신뢰할 수 있고 사용된 수위-내용적 관계가 허용 할 수 있는 정확성을 갖는다고 할 때 SAR 영상을 이용한 저수 량 추정 결과는 만족할만한 수준이라 할 수 없었다. 다만 Fig.

9(a)에서 보는 것처럼 영상에서 추정한 저수율과 관측 저수율 사이에는 상관계수가 0.86으로 매우 높게 분석되었다. 이것은 간단한 회귀방법으로 SAR 영상으로부터 저수율 추정이 가능함 을 시사한다. 그러나 추정치와 실제치의 차이가 크게 나타난 것 은 고민해야 할 문제이다. 궁평저수지의 경우엔 대상기간 중 저 수율은 농업용수 수요가 가장 큰 모내기시기를 지난 7월초에 37

%로 낮았고 10월엔 90 %에 도달하였다. Fig. 9(b)에서 보는 것 처럼 관측 저수율과 영상에서 유도된 저수율이 두 배 이상 차이 를 보였다. 선형회귀모델의 결정계수는 0.65, 상관계수는 0.80 으로 대체적으로 양호한 상관성을 나타냈다 (Fig. 9(b)).

4. SAR 영상의 활용성과 한계

SAR 위성영상으로부터 분류한 수표면적을 이용하여 추정한 저수율과 지상 관측된 저수율 사이에 상관관계가 있음을 확인할 수 있었지만 추정치와 관측치의 차이가 커서 SAR 기술을 이용 한 저수율 조사를 실용화하는 것은 몇 가지 기술적 문제들을 극 복해야 함을 확인할 수 있었다.

먼저 후방산란을 이용하는 레이더의 특성상 바람에 의한 파랑, 수풀, 부유물 등 매끈하지 않은 수표면의 영향이 있다. 앞서 밝 혔듯이 매끈한 수표면은 후방산란을 억제하나 바람에 의한 파랑 이나 강우타격에 의한 물결이 거친 표면을 만들어 후방산란계수 를 높일 수 있다. 식생도 계절과 저수위 변동에 따라 수면 위아 래로 오르내리면서 수위에 상관없이 수표면적 추출에 방해를 일 으킬 수 있다. 식생이 자라지 않던 곳이라도 장기간 저수위를 유 지하거나 수위 변동이 적절하면 자연스럽게 식물이 자라게 되고

(a) Yedang (b) Goongpyeong

Fig. 9 Correlation between SAR-derived reservoir storage rate and observed reservoir storage rate

(a) Trees and plants submerged (b) Floating fishing bungalows and plants

(http://www.wetland.go.kr) (http://www.yesan.go.kr)

Fig. 10 Vegetations affecting backscatter on the water surface of Yedang reservoir

물이 차더라도 후방산란에 영향을 줄 수 있는 정도가 되기도 한 다. 예당저수지의 경우 Fig. 10에서 보는 바와 같이 물에 잠긴 식물체나 부유식물, 또는 수상좌대와 같은 시설에 의하여 발생 한 높은 후방산란 때문에 수표면 분류의 정확도가 내려갔을 수 있다. 그리고 저수지 둘레에 있는 가로수 등 식생과 도로, 건물 등 구조물도 명확한 경계 구분을 방해하는 요소가 된다. 일반적 으로 레이더 위성은 광학위성과 달리 지상을 side-looking으로 촬영하므로 방향에 따라 수표면과 SAR 안테나 사이의 나무나 구조물은 장애가 된다. 한편 일반적인 부유물 이외에도 부유사 (suspended sediments), 탁도 (turbidity)와 같은 수질도 후방 산란에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Derrow et al., 1998;

Zawada et al., 2007).

다음, 사용된 RADARSAT-1 영상의 낮은 공간해상도에서 문 제를 찾을 수 있다. 수표면적이 변하여 저수율이 달라진다고 해 도 20 m의 낮은 공간해상도는 수표면 경계의 변화를 제대로 분 류할 수 없다. 예를 들어 추정 저수율이 49 %인 예당저수지 10

월 31일 영상에서 수표면 경계가 반 픽셀만이라도 이동된다면 수표면적이 25만 ha까지 줄거나 늘어날 수 있고 저수율은 ±4

∼6 %의 불확실성을 안게 된다. KOMPSAT-5 영상을 사용한 경우에는 일반모드에서 3 m, 고해상도모드에서 1 m의 높은 공 간해상도를 제공하는 만큼 혼합픽셀 (mixed pixel) 문제는 완화 될 수 있을 것으로 기대된다. 높은 공간해상도를 사용하는 것 이 외에도 주파수대나 편파모드와 같은 영상의 사양에 따라 수표면 분류의 정확도가 달라질 수 있는 만큼 적절한 영상의 확보가 주 효하다 (Park et al., 2007).

셋째, 영상에서 분류된 수표면적은 저수지 고유의 수위-내용 적 관계에 따라 저수량과 저수율로 계산하게 되는데 대부분 저 수지가 설계시의 기준을 그대로 사용하고 있기 때문에 실제 내 용적과 다르게 된다. 위성영상을 사용하였지만 결국 저수지 내 용적 측량 등 현장조사 수준에 따라 정확도가 크게 좌우된다고 할 수 있으며, 역으로 위성영상 촬영시의 현장 수위자료가 있다 면 위성영상에서 분류한 수표면적으로 저수지 수위-내용적 곡선

을 갱신하여 저수량 모니터링의 신뢰를 높일 수 있을 것으로 생 각된다. 한편 기록으로 남아있는 관측 저수율의 신뢰도 검토해 볼 문제다. 자동화된 수위관측시설이 없는 저수지의 경우에 해 당 물관리 담당자의 기록에 의존하게 되는데 충분한 신뢰를 받 지 못할 경우가 많다. 애매한 목측뿐만 아니라 극심한 가뭄이 진 행되고 있음에도 저수율이 변하지 않거나 오히려 높아지는 사례 들이 왕왕 발견되는 현실이다. 그러므로 SAR 영상의 활용을 위 해서는 우선 현장자료의 검토가 수행될 필요가 있다.

이외에도 정체된 물속에서 장기간 퇴적되고 압밀되는 과정에 서 저수지 바닥이 매끈한 표면이 되는 경우에 수위가 내려가더 라도 약한 후방산란이 일어나 수표면과 구분이 어려워질 수도 있다.

IV. 결 론

SAR는 구름이나 비와 같은 기상 조건이나 태양 고도의 제약 을 받지 않는 전천후 고해상도 영상레이더로서 매끈한 물 표면 에서 전자기파가 반사되어서 주위보다 후방산란이 약하게 되는 것을 이용하여 수표면을 분류할 수 있다. 본 연구에서는 C 밴드 RADARSAT-1 SAR 영상을 충남지역의 예당저수지와 궁평저수 지에 시험 적용하여 시기별 저수면적과 저수량의 변화를 추정하 고 관측자료와 비교함으로써 저수지 관측을 위한 SAR 영상 활 용성을 검토하였다. 연구결과는 SAR 위성영상으로 추정한 저수 율과 관측 저수율과 비교적 높은 상관관계를 나타내었지만 현장 에 적용하기에는 몇 가지 기술적 뒷받침이 준비되어야 함을 보 여주었다.

무엇보다 저수지의 규모나 내용적 변화에 맞는 적절한 위성영 상의 공급이 필요하였다. 수자원 모니터링에 적합한 레이더 파장 대, 편파모드, 촬영모드, 그리고 해상도 등의 조건을 갖춘 영상 을 충분히 확보할 수 있다면 상시 저수지 관측뿐만 아니라 가뭄 이나 홍수 등의 재해관련 감시도 충분히 수행될 수 있다. 다음 저수지 내용적 정보의 불확실성과 시기성이 문제가 되었다. 정확 한 저수위-내용적 관계가 조사되어야만 SAR 영상에서 구한 수 위나 수표면 정보로부터 실제 저수량에 근사한 값을 계산할 수 있다. 지상 저수위 자료와 영상이 충분히 축적될 수만 있다면 역 으로 직접 측량이 없이도 바뀐 수위-내용적 곡선을 구할 수도 있다. 그리고 저수지 내부와 주변의 식생 분포나 바람, 강수 등 기 상정보, 수질정보도 정확도를 높일 수 있을 것으로 알려있다. 한 편 기존 문헌조사에 따르면 수표면의 분류 (classification) 방법 이외에도 경계검출 (edge detection) 기술, 하나의 영상을 사용 하는 것보다는 주파수가 다른 SAR 영상을 같이 사용하거나 광학 영상과 융합하는 영상합성 (image fusion) 기술, 그리고 직접 수 위를 측정하는 Radar Altimeter (RA)를 이용하는 방법도 가능하

였다.

SAR 영상을 활용한다면 주기적 자료를 얻기 쉽고 지중을 비 롯한 지표 객체의 형태학적 접근도 가능하기 때문에 정보의 량과 수준면에서 광학영상과 상당한 시너지를 낼 수 있다. 수자원 분 야에서 우리나라의 위성 레이더 활용 수준은 침수지도 작성 등 해외의 보편화된 기술을 재현하는 수준이며 미국이나 유럽, 일본 등처럼 수자원 조사와 변화 모니터링에 실용화하는 단계로는 나 아가지 못하고 있다. 레이더 기술이 전자기학적 지식을 바탕에 두고 있고 처리과정이 복잡한데다가 국내에서 이용할 수 있는 레 이더 영상이 많지 않기 때문에 여전히 광학영상에 높이 의존하고 있는 실정이다. 하지만 SAR 기술의 효용과 잠재력을 생각할 때 서둘러서 관련 기술 도입을 준비할 필요가 있다. 특히 금년부터 우리나라에서도 위성 SAR 시스템인 KOMPSAT-5를 운용할 수 있게 된 만큼 기존의 관련 연구사례와 기술들을 참고하여 독자 적인 기술력과 인력 구축에 관심을 기울여야 할 것이다.

본 연구는 한국항공우주연구원의 다목적실용위성 5호 시스 템 종합개발사업과 농촌진흥청 공동연구사업 (과제번호: PJ0 069092011)의 지원을 받았으며, 이에 감사드립니다.

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