농림업 중형위성 탑재체 개발을 위한 기술 사양 및 활용 분석
김범승
*, 김현철
*, 송경민
*, 홍석영
**, 이우경
***Analysis on Technical Specification and Application for the Medium-Satellite Payload in Agriculture and Forestry
Bumseung Kim
*, Hyeoncheol Kim
*, Kyoungmin Song
*, Sukyoung Hong
**, Wookyung Lee
***요 약
최근 국내외에서 폭넓게 개발되어 활용되고 있는 지구관측용 위성 탑재체에 대한 개발과 연구는 영상 활용분야에서 활발하게 진행 되고 있다. 또한 위성에 광학센서 및 영상 레이더 등을 장착하여 다양한 지역의 영상을 수집하고 분석함과 동시에 기반 기술들의 비약적인 발전이 이루어졌다. 국내에서 추진 중인 차세대 중형위성 개발 사업은 국내 독자기술로 탑재체를 개발할 목표에 있고 농촌 진흥청, 기상청, 환경부, 국토교통부 등에서 공동으로 활용할 계획에 있다. 본 논문에서는 국내 농림업 환경에 적합한 위성 탑재체 기술사양을 제안하기 위해 위성 영상을 활용한 농림업 연구사례를 조사하여 농림업 세부 활용 분야에 따른 위성 탑재체 기술 사양을 분석하였다. 국내 위성영상 활용 전문가를 대상으로 실시한 설문 및 자문조사 결과를 바탕으로 국내외 지구관측 농림업 활용 위성의 탑재체 개발 현황, 계획 그리고 활용 등을 분석하여 독자적인 농림업 중형위성 탑재체 개발을 위한 기술사양을 제안하였다. 또한 한반도 농경지를 대상으로 위성 모의 운용실험 수행을 통해 위성 탑재체의 관측 성능을 검증하였다. 본 논문에서 제안한 결과는 향후 농림업 중형위성 탑재체 개발에 있어 적합한 사양을 제공하고 사용자들이 위성영상을 효율적으로 사용할 수 있는 방향으로서 기술적 기초 정보로 활용될 것으로 기대된다.
Key Words : Agriculture, Forestry, Application, Remote Sensing, Coverage Performance
ABSTRACT
Recently, research and development on satellite payloads are being developed such as the optical sensor, SAR etc. Satellite image for earth observation is being utilized both domestically and abroad. Advanced satellite payload technology has led to the collection and analysis of satellite images relying on the optical sensor. Currently, related organizations such as RDA(the Rural Development Administration) are collectively collaborating to plan a national project to develop a medium-sized satellite based on Korea’s domestic technology independently. This paper investigated the cases of the past research on application of satellite images for agriculture and analyzed the technical specifications for satellite payload in each area of such application. Based on the results of the past surveys and consultation studies among local experts in satellite image application, we analyzed the current trends, plans and applications of domestic and overseas R&D in satellite payloads for earth observation in agriculture, and proposed the appropriate technical specifications for developing a future medium-sized satellite for agriculture. The proposed specifications were then incorporated into a simulated satellite to examine its performance to observe the Korean farming areas. The authors anticipate that the findings of this paper will form a useful technical basis for providing the appropriate specifications for developing future medium-sized satellite payloads to be used in agriculture and forestry, and enabling the end users to efficiently utilize the satellite.
※ 본 성과물(논문)은 농촌진흥청 연구사업(세부과제번호:PJ00997805)의 지원에 의해서 이루어진 것임.
*한국항공대학교 항공전자공학과 위성전자 시스템 연구실 ([email protected])
**농촌진흥청 국림농업과학원 ([email protected])
***한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학부 ([email protected]) 접수일자 : 2015년 11월 25일, 최종게재확정일자 : 2015년 12월 24일
I. 서 론
인공위성을 이용한 농림업 원격탐사는 1970년대부터 미
국, 유럽 등 선진국에서 주요 농산물의 작황을 판독하고 단 수를 산출하는데 활용해 왔다[1]. 또한, 짧은 시간 내에 비교 적 넓은 면적에 대한 정밀한 자료를 획득할 수 있어 선진국
위성 (탑재체)
공간
해상도 관측폭 분광
밴드 관측 주기
활용 분야
위성 (탑재체)
공간
해상도 관측폭 분광
밴드
관측 주기
활용 분야
Terra Aqua (MODIS)
500m 2330km Green
SWIR 1-2d 적설분포추출 Landsat8
(OLI) 30m 185km VNIR
SWIR 16d 식생 피복지 수 분석
250m 2330km Blue
Red NIR
16d
식생지수 분 석
RapidEye
(REIS) 6.5m 77km
Blue Green Red Edge
NIR
5-6d 불투수 지역 추정 대기특성 분
석
Landsat5 (TM)
30m
185km Red NIR
단일영
상 식생지수 분
석
Blue Green
Red NIR
2-3m 논벼 재배지 10y 역 추출
VNIR
SWIR 16d 토지피복분류 Kompsat2
(MSC) 4m 15km Red
NIR
단일영 상
식생 지수 분 석
120m TIR 1y 지표온도추정
Spot5 (HRG)
5m
10m 60km
PAN
VIS 1-2d 산불 피해분 석
Landsat7 (ETM+)
30m
185km
VNIR 1y 갯벌면적산출 10m VIS 1y 해안선
추출 VNIR
SWIR 16d 식생지수산출 Ikonos2
(OSA) 4m 11.3km VIS 단일영
상 토지피복분류
60m TIR 1y 지표온도추정 QuickBird2
(BGIS2000) 2.4m 16.5km Red NIR
단일영
상 식생지수분석
표 1. 위성 탑재체의 활용분야
에서는 이미 오래 전부터 주요 농산물의 재배면적과 작황을 산출하는데 활용되어 왔다[2]. 이러한 위성 탑재체 기술의 비 약적인 발전에 따라 다양한 위성영상 정보의 획득이 가능해 졌다. 또한 접근이 불가능한 지역을 관측하고 광범위한 지역 에 대한 자료를 신속하게 획득하여 효율적인 활용이 가능해 졌다. 현재 농림업분야에서 위성영상 자료의 활용은 시간적, 공간적, 비용적 측면에서 많은 이점을 가지고 있으며, 다양한 분야에서 위성영상을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다 [3]. 특히, 현장을 방문하여 조사하기 어려운 재난 지역처럼 접근하기 어려운 지역에 대한 자료 획득이 필요한 경우에 매 우 유용하게 활용될 수 있다.
선진국에 비해 원격탐사 기술이 비교적 활발하게 적용되 지 못했던 국내 농업분야에서는 최근 들어 위성영상 자료를 이용한 연구와 시범사업이 추진되고 있다[4]. 한반도의 경우 국토의 85%가 산림과 농경지로 분포되어 있기 때문에 위성 영상을 활용하는데 있어서 농림업 분야에서의 적용이 가장 활발할 것으로 예측된다.
본 논문에서는 사용자들이 국내외 위성영상을 통해 농림 업분야에 활용한 사례를 조사하고, 농림업 활용 분야에 따른 위성 탑재체 기술 사양을 분석하였다. 국내 위성 영상 활용 전문가를 대상으로 실시한 설문 및 자문조사 결과를 바탕으 로 국내외 농림업 분야 활용 위성의 탑재체 개발 현황과 계 획 등을 분석하여 독자적인 농림업 중형위성 탑재체 개발을 위한 기술사양을 제안하였다. 이러한 제안 사양의 결과를 바 탕으로 위성 모의 운용 실험을 수행하여 한반도 농경지를 대 상으로 관측 성능을 검증하였다.
Ⅱ. 국내 농림업분야 위성 활용 현황
현재 미국, 유럽 등 선진국에서는 관측위성을 발사하여 위 성영상을 획득하고 이를 활용하여 전 지구 차원의 농림 관측 체계를 구축하고 있다. 국내에서도 위성영상을 활용하여 객 관적이고 과학적인 농정 체계를 마련하기 위해 농촌진흥청 에서는 Smart Farm Map을 구축하는 사업을 진행하고 있다.
본 논문에서는 국내 사용자들이 위성영상을 농림업분야에 활용한 사례를 조사하여 세부 활용분야에 따른 위성 탑재체 사양을 분석하였다. 2011년부터 2014년까지 총 71건의 활용 사례를 수집하였으며 농림업에 활용된 위성 탑재체는 표 1 과 같다. MODIS가 탑재된 Aqua·Terra 위성의 경우 지역 단 위가 아닌 국가 단위의 관측지를 대상으로 적설분포, 대기특 성 등을 분석한 것으로 나타났다. 또한, Landsat5·7위성에 탑재된 TM 및 ETM+는 TIR 분광밴드를 활용하여 백두산 의 지표온도차를 추정하는 연구를 수행하였다. 이는 거시적 인 관점에서 수행한 사례로서 저해상도의 위성영상으로 농 림업분야에 활용할 수 있는 것으로 분석된다. 갯벌, 논벼 재 배지역 등과 같은 특정 대상지역의 면적을 추정하는 연구는 중간 해상도의 위성영상으로 활용한 것을 알 수 있다. 식생 지수를 분석하는 경우 작물의 종류에 따라 위성영상의 해상 도를 다양하게 활용하는 것으로 나타났고 토지피복 분류를 수행하는 것도 지표면의 특성에 따라 고·중간해상도의 영상 을 활용하는 것으로 분석된다.
표 1과 같이 농림업 분야에 활용된 실제 위성 탑재체의 사 양을 기반으로 농촌진흥청과 산림청으로부터 자문을 받아
농업 세부 분야 공간해상도(m) 관측 범위(km) 관측주기(day) 분광 파장 영역
채소 맥류 벼 채소 맥류 벼 채소 맥류 벼 VNIR SWIR TIR PAN
작물 구분 < 1 10-30 250 < 0.1 15-185 77-1650 1-7 7-30 1-7 √ √ √ -
곡물 바이오매스 - - 250 - - 77-1650 1-7 7-30 1-7 √ √ √ -
식생·생육 < 1 10-30 250 < 0.1 15-185 77-1650 1-7 7-30 1-7 √ √ √ - 병충해 파악 < 1 10-30 250 < 0.1 15-185 77-1650 1-7 7-30 1-7 √ √ √ - 곡물 수량 파악 < 1 10-30 250 < 0.1 15-185 77-1650 1-7 7-30 1-7 √ √ √ -
토양수분 추정 30 1450 1 - √ √ -
홍수 탐지 10 - 30 15 - 185 7 - 30 √ √ - -
증발산량 추정 10 - 30 15 - 185 7 - 30 √ √ - -
수치표고 모델 1 - 30 < 15 7 - 30 - √ √ √
표 3. 농림업 세부 활용 분야에 따른 위성 탑재체 사양 분석
산림 세부 분야 공간해상도(m) 관측 범위(지역) 관측주기(day) 분광 파장 영역
VNIR TIR PAN
토지이용변화 10 - 30 남한 30 √ - -
산림바이오매스평가 5 - 30 남한 30 √ - -
식생·생장 5 - 30 남한 30 √ - -
생물 계절 모니터링 5 - 30 남한 1 - 7 √ - -
산림피해지현황파악 1 - 30 산사태 지역 즉시 - 30 √ √ √
산불 지역 모니터링 2 - 1000 한반도 < 1 √ √ -
산림 복원 모니터링 10 - 30 남한 30 √ - -
고사목 및 피해목 모니터링
< 3 기후변화취약지역 30 √ - -
< 3 병해충 발생지역 30 √ - -
산림 수종 상세 분류 < 1 남한 < 1 √ - -
산림 임분 특성 구분 < 1 남한 180 √ - -
산림 구조 구분 < 1 남한 180 √ - -
농림관측에 활용한 탑재체 사양을 표 3과 같이 농림업 세부 활용분야별로 재분류하였다. 농업분야에서는 국내 채소, 맥 류, 벼 등의 작물구분, 바이오매스 추정, 생장 모니터링, 병충 해 탐지 등에 활용하고 있으며 임업분야에서는 산림지형의 이용변화, 산림 특성구분, 산림 바이오매스 평가, 산림 생장 모니터링 등과 같이 산림 이용 및 특성 파악에 활용하고 있 다.
국내 다목적위성의 경우 공간해상도는 1m 이하로 초고해 상도급 위성영상을 제공하지만 관측폭은 줄어들게 되며 세 부사양은 표 2와 같다. 국내 사용자들은 채소와 같은 작물의 구분 및 수량 파악, 식생지수 분석, 병충해 파악 그리고 재해 및 재난지역 모니터링, 산림 수종 및 임분 특성 분류 등에서 고해상도 영상을 필요로 하고 있으며 다목적위성을 활용하 여 효율적으로 활용할 수 있을 것으로 분석된다. 반면에 맥 류, 벼 등과 같은 작물의 구분과 수량 파악, 식생지수 분석, 병충해 파악 그리고 산림 토지이용변화, 산림 바이오매스 평 가 등과 같은 분야는 해상도보다는 넓은 관측폭이 우선적으 로 고려되어야 한다. 그 밖에도 시공간적 해상도의 한계로 인해 농작물의 생육시기에 대한 시계열 영상의 확보가 어려 운 것으로 나타났다[4]. 특히, 해외 위성을 활용하는 경우 방 문주기가 짧지만 국내로 영상을 입수하는 과정에서 보안 관 련 문제로 인해 60일 이상이 소요된다는 단점이 발생한 것으 로 분석되었다[6]. 국내 위성영상은 중·저해상도의 위성영상 을 짧은 주기로 확보할 수 있는 요구를 충족시켜주어야 할 것으로 보인다.
위성 공간
해상도 관측폭 분광
밴드
관측 주기 kompsat 2 1m(PAN)
4m(MS)
15km
PAN Blue Green
Red NIR
3 kompsat 3 0.7m(PAN) days
2.8m(MS) kompsat 3A 0.5m(PAN)
2.0m(MS) 12km 표 2. 다목적 실용위성 탑재체 사양
Ⅲ. 농림업 중형위성 탑재체 주요 요구사양
1. 위성영상 활용 전문가 자문조사
본 연구에서는 국내 독자적 농림업 중형위성 개발의 요구 사항을 수렴하기 위해 농림업분야에서 위성영상을 활용하여 연구를 수행하고 있는 전문가들을 대상으로 설문 및 자문조 사를 실시하였다. 농림업분야에서 위성영상을 활용하는 경 우, 농경지의 곡물을 유형별로 파악할 수 있어야 하고 혼재 되어 있는 산림의 형태와 관련하여 산림의 수종별로 세분화 하여 분석할 필요가 있는 것으로 나타났다. 이는 농림지형을 보다 다양한 관점에서 파악하기 위해 위성 관측 탑재체의 분 광파장 대역을 다수의 채널로 개발하여 보다 향상된 영상의 품질을 제공하는 것을 선호하는 것으로 분석된다. 따라서 국 내 지형 조건을 만족하는 고해상도 영상과 시기별 영상획득 이 용이한 시계열 영상이 필요하며 단일 영상에 다양한 정보 를 포함할 수 있도록 넓은 관측폭을 보유한 위성 탑재체에 대한 의견이 수렴되었다. 향후 개발될 농림업 중형위성 탑재
그림 1. 위성영상 활용 전문가 대상 설문조사 결과
위성
사양 SPOT 4 SPOT 5 SPOT 6 SPOT 7
공간 해상도
10m(PAN) 20m (MS/SWIR)
5m(PAN) 10m(MS)
20m (SWIR)
2m(PAN) 8m(MS)
관측폭 60km
분광대역 Panchromatic Green/Red/NIR/SWIR
Panchromatic Blue/Green/Red/NIR
관측주기 5 days 1 day
발사년도 1998 2002 2012 2014
비고 종료 -
·2기 군집운용
·Pleiades 1A·B위성 연계 운용(총 4기) 표 4. SPOT 위성 개발 현황
체의 공간해상도에 관해 설문을 조사한 결과, 5m 이내의 공 간해상도 영상을 필요로 하는 것으로 나타났고, 60km 이상 의 넓은 지역을 관측할 수 있는 탑재체를 필요로 하고 있다.
분광해상도의 경우, 설문 응답자의 41%가 6~10개의 채널을 갖는 다중분광계가 필요할 것으로 나타났다. 주기해상도의 경우, 1~5일을 선택한 응답자의 비율이 51%를 차지함으로써 농림업분야의 특성상 빠른 주기의 시계열 데이터 영상을 필 요로 하는 것을 알 수 있다. 그림 1은 향후 독자적인 농림업 중형위성 탑재체를 국내 지형에 적합한 사양으로 개발하기 위한 설문조사 결과를 나타낸다. 다음 장에서는 차별성이 부 각되는 농림업 중형위성 탑재체 기술사양을 제안하기 위해 향후 해외 위성 탑재체의 개발 계획 현황을 분석하였다.
2. 해외 농림업 활용 위성 탑재체 기술개발 현황 국내 독자적인 농림업 중형위성 탑재체 개발 사양을 제안 하기 위해 해외에서 농림업으로 활용되고 있는 위성을 대상 으로 개발된 현황과 계획에 있는 시리즈 위성의 탑재체 사양 변화를 분석하였다. 농림업에 활용되고 있는 해외 위성 탑재 체는 미국, 유럽 등의 NASA, ESA, EO Portal 웹기반으로부 터 수집하였다. 그림 2는 본 논문에서 수집한 1000kg급 이하 의 농림에 활용된 위성 탑재체의 공간해상도와 관측폭에 대 한 개발 현황을 나타낸다.
그림 2. 공간해상도 및 관측폭의 기술 현황
위성영상 활용이 활발해지기 위해서는 국내 농림지의 세 부적인 형태 및 정보를 표현할 수 있는 고해상도 영상과 국
내 농경지 및 산림지역을 넓게 관측할 수 있는 광역관측이 필요할 것이다. 하지만 적색 곡선과 같이 공간해상도와 관측 폭은 서로 상충되는 사양으로서 고해상도와 광역관측을 동 시에 만족하는 위성은 운용되지 않으며 농림업분야 위성으 로는 중간 정도의 해상도와 관측폭을 동시에 갖춘 위성이 우 선적으로 고려될 수 있을 것이다. 농림업에 활용된 해외 위 성 탑재체 개발 계획 현황을 살펴보면 유럽의 SPOT-6·7 위 성은 2m, 8m의 공간해상도와 60km의 관측폭의 탑재체를 개 발하였으며 표 4와 같이 SPOT-4·5 위성의 서비스를 이어가 기 위해 Pleiades-1A·B위성과 군집으로 운용되고 있다. 이 전 SPOT 시리즈 위성과 비교한 결과, 관측폭과 분광대역의 변화는 없으나 공간해상도와 관측주기가 향상된 것을 알 수 있다.
일본 ALOS(Advanced Land Observing Satellite) 위성은 2006년부터 광학센서 및 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 탑재해오고 있다. 표 5와 같이 기존 ALOS 위성은 전정색 광 학 탑재체와 다중분광 탑재체를 개발하여 2.5m, 10m 해상도 와 70km의 관측폭의 사양을 갖고 있다. 반면 2016년에 발사 예정인 ALOS-3위성은 전정색 광학 탑재체로서 0.8m의 해 상도와 50km의 관측폭 그리고 다중분광 탑재체로서 5m 해 상도와 90km 관측폭의 사양을 목표로 탑재체 개발 중에 있 다. 분광대역에서도 이전 시리즈보다 단파장 적외선을 추가 로 탑재할 계획에 있다. 이처럼 일본에서는 농림 활용 위성 탑재체의 공간해상도, 관측폭 그리고 분광대역을 모두 개선
위성
사양 CBERS 1 CBERS 2 CBERS 3 CBERS 4
공간 해상도
20m(HRCC) 80m(PAN/SWIR)
160m(TIR) 260m(WFI)
20m(MUXCam) 5m(PAN) 10m(MS) 40m(NIR/SWIR)
80m(TIR) 64m(WFI)
관측폭
113km(HRCC) 120km(IRMSS) 890km(WFI)
120km(MuxCam) 60km(Pan/MS) 120km(NIR/SWIR)
866km(WFI)
분광대역 Panchromatic
Blue/Green/Red/NIR/SWIR/TIR
관측주기 3-5days(WFI) 26days(HRCC/IRMSS)
3days(Pan/MS) 5days(WFI) 26days(TIR)
발사년도 1999 2003 2013 2014
비고 종료 - 발사실패 -
표 6. CBERS 위성 개발 현황
위성
사양 ZY-1-02C ZY-3A
공간 해상도
5m(PAN) 10m(MS)
2.1m(PAN) 5.8m(MS)
관측폭 60km 50km
분광대역 Panchromatic Green/Red/NIR
Panchromatic Blue/Green/Red/NIR
관측주기 - 5days
발사년도 2011 2012
비고 - -
표 7. ZiYuan 위성 개발 현황 위성
사양 ALOS ALOS 3
공간 해상도
2.5m(PAN) 10m(MS)
0.8m(PAN) 5m(MS) 30m(Hyperspectral)
관측폭 70km
50km(PAN) 90km(MS) 30km(Hyperspectral) 분광대역 Panchromatic
Blue/Green/Red/NIR
Panchromatic Blue/Green/Red/NIR/SWIR
관측주기 46 days -
발사년도 2006 2016
비고 종료 예정
표 5. ALOS 위성 개발 현황
하여 개발하고 있는 것으로 나타났다.
중국과 브라질에서 공동으로 개발한 CBERS(China and Brazil Earth Resource Satellite) 위성은 1999년 발사를 시작 으로 2014년에 CBERS-4위성을 발사하였다. CBERS-3·4위 성은 중국에서 개발한 전정색(Pancromatic) 탑재체의 해상 도가 이전 시리즈보다 5m로 개선되었고 근적외선 및 단파장 적외선채널을 갖는 탑재체의 해상도도 40m가 되었다. 브라 질에서 개발한 MuxCam탑재체는 64m의 해상도를 가지고 있다. 또한, 60km부터 866km까지 넓은 지역을 다양하게 관 측할 수 있으며 표 6과 같이 CBERS-1·2 위성과 비교한 결 과, 관측폭과 분광대역의 변화는 크게 향상된 것이 없으나 공간해상도는 향상된 것을 알 수 있다.
중국은 CBERS위성을 개발할 때, 2011년과 2012년도에 독자적으로 ZiYuan 위성을 개발하였다. ZiYuan-3A위성의 관측폭은 60km에서 50km로 좁아졌으나 공간해상도는 약 2 배정도 성능이 향상되었다. 이는 해상도와 관측폭이 서로 상 충되는 것으로 분석되며 분광대역으로는 기존 ZiYuan-1-02C위성보다 다양한 채널을 구현할 수 있도록 개 발하였다. 표 7은 ZiYuan위성의 개발 현황을 나타낸다.
중국은 ‘국가중장기 과학과 기술발전 계획’사업이 확정됨 에 따라 2013년부터 2018년까지 Gaofen 위성을 개발할 계획 이다. Gaofen-1위성은 2m 해상도의 전정색 탑재체와 8m 해 상도의 다중분광 탑재체 그리고 16m 해상도의 광각 다중분 광 탑재체를 개발하여 2013년에 발사하였다. 차기 위성으로 Gaofen-2위성은 이전 시리즈보다 개선된 0.8m, 3.2m 해상도 의 전정색 및 다중분광 탑재채를 개발하였다. 향후 2017년에 는 Gaofen-1위성의 임무를 이어갈 농림활용 위성인 Gaofen-6가 발사 예정에 있다. 표 8은 Gaofen위성의 개발현 황을 보여준다.
위성
사양 Gaofen 1 Gaofen 2
공간 해상도
2m(PAN) 8m(MS) 16m(Wide Swath MS)
0.8m(PAN) 3.2m(MS)
관측폭 68km(PAN/MS)
800km(Wide Swath MS) 45km 분광대역 Panchromatic
Blue/Green/Red/NIR
Panchromatic Green/Red/NIR
관측주기 2-5 days 5 days
발사년도 2013 2014
비고 농업 및 환경보호 목적 산림 및 환경보호 목적 표 8. Gaofen 위성 개발 현황
3. 농림업 중형위성 탑재체 사양 제안
본 논문에서는 국내 사용자들이 위성영상을 활용하여 농 림업분야에 연구를 수행한 사례를 기반으로 농림업 중형위
성 탑재체로서 주요 사양을 제안하기 위해 자문조사 및 해외 위성 탑재체의 개발 현황을 분석하였다. 고해상도의 영상을 필요로 하는 농림업활용은 국내에서 이미 개발한 다목적위 성으로 충분히 사용할 수 있는 것으로 나타났지만 국내 사용 자들이 필요로 하는 광역관측 기술에 대해 국내 위성을 개발 한 사례가 전무하다. 유럽, 일본 중국 등의 농림업에 활용하 기 위해 개발되고 있는 위성의 개발 동향을 기반으로 탑재체 사양을 분석한 결과, 그림 3과 같이 관측폭 60km 전·후반에 상응하는 중간 해상도의 위성 탑재체를 개발하는 것으로 나 타났다.
그림 3. 농림업 활용위성 탑재체 사양(공간,관측폭) 변화
농림업에 활용하기 위해 개발하고 있는 위성 탑재체로부 터 분광 파장대역의 사양을 분석한 결과, 유럽, 일본 중국 등 에서 개발하고 있는 위성은 전정색(Panchromatic) 영상과 다중분광 영상을 이용하여 농림업분야에 다양하게 활용한 것으로 나타났다. 특히, 다중분광의 경우에는 Blue, Green, Red의 파장 대역과 근적외, 단파장 그리고 열 적외선까지 넓 은 분광 대역으로 다양하게 활용되고 있다. 그림 4는 1972년 부터 현재까지 개발되어 농림업에 활용되고 있는 Landsat 위성으로서 다양한 분광파장대역의 위성 탑재체를 개발하는 것을 알 수 있다.
그림 4. 농림업 활용위성 탑재체 사양(분광) 변화
농림업 중형위성 탑재체 사양을 제안하기 위해 유사 활용 위성의 탑재체 개발 동향을 분석한 결과, 공간해상도, 관측폭 등 사양의 변화가 있었음을 확인하였다. 특히, 해외에서는 이 미 농림업 활용에 더욱 더 적합할 수 있도록 다양한 분광 대
역의 탑재체 센서를 적용하고 있는 것을 알 수 있었다. 표 9 는 Landsat 위성에 탑재된 분광기의 파장 영역별 특성을 나 타내고 있으며 이는 농림업 세부 활용분야마다 다양한 분광 대역을 활용하고 있다. 하지만 국내에서 개발되어 운용 중인 다목적위성의 경우 고해상도의 영상을 제공하고 있지만 좁 은 관측폭으로 인해 농림업분야에서 위성영상을 활용한 응 용연구를 진행하는데 제약이 따른다. 국내 농림업 중형위성 으로서 개발사업 현황과 예산, 위성 규모 등을 고려할 때, 관 측폭이 넓으며 이에 상응하는 고성능의 공간해상도를 가진 탑재체 기술이 필요할 것으로 보인다. 특히 분광대역의 경우 NIR, TIR, SWIR 등의 다양한 분광대역의 탑재를 통한 타 위성과의 차별성이 제시되어야 한다.
분광밴드 특성
Blue ·식생과 토양, 암석의 경계면 구분 Green ·식생의 발육상태 분석
Red ·식생의 종류 구분 가능
·토양과 수목지역 구분 가능 NIR ·식생의 종류 및 상태 파악 가능
·토양의 수분함량 구분 가능 SWIR ·토양의 수분함량 산출
·수목의 종류 및 수분상태 구분 가능 TIR ·지표면 온도측정 가능
·수분함량 측정 가능 표 9. Landsat TM 분광파장 영역별 특성
Ⅳ. 농림업 중형위성 모의 운용 및 검증
농림업 중형위성 운용 시 발생할 수 있는 직·간접적인 영 향 요소를 고려한 모의 운용을 통해 한반도의 관측 커버리지 (Coverage)에 대해 분석하였고 국내 농경지의 재방문주기에 대해 분석하였다. 모의 위성의 관측폭을 10km, 30km 그리고 60km로 가정하였고, 단일위성과 180°의 위상차를 갖는 군집 위성에 대해서 위성의 운용에 따른 관측 성능에 대해 분석하 였다. 모의 운용을 수행하기 위한 모의 위성은 그림 5와 같이 504km의 고도에서 태양 동기궤도 방식으로 운용하며 모의 위성 탑재체의 관측 유형은 Rectangular Type으로 가정하였 다. 모의 위성은 궤도에 따라 지구 주위를 돌게 되는데 관측 대상지에 따라 위성 탑재체의 기동 방식이 달라진다. 표 10 은 모의 운용을 수행하기 위한 모의 위성 탑재체의 제원을 나타낸다. 위성 탑재체의 Roll각도에 대해 ±45°의 범위를 설 정하고 궤도 이동 시간에 따라 간격으로 조절하여 관측 성능 을 분석하였다.
Parameter Substance Orbit Sun-synchronous
Mean Altitude 504 km
Inclination 97.4°
LTAN 11:00 hour
Nodal Period approx. 95 min Sensor Type Rectangular Type
Swath 10, 30, 60 km
Spacecraft Body Pointing Capability ±
표 10. 모의 위성 제원
1개월의 시나리오 설정 기간 동안 한반도 영역을 관측하 는데 차지하는 비율을 분석하기 위해 모의 위성의 탑재체 관 측폭을 각각 다르게 설정하여 관측 성능을 비교하였다. 그리 고 모의 위성이 한반도 상공을 지나갈 때 시간이 흐를수록 지구를 돌며 순환하는 궤도가 달라지므로 탑재체의 기동각 도를 시간에 따라 Tilting하여 한반도 전체 영역을 관측하는 데 차지하는 비율을 분석하였다. 모의 위성이 한반도 상공에 머무르는 시간이 길수록 관측시간은 길어지게 되므로 관측 궤도 구간이 가장 길 때 관측방향에 따른 기동각도의 변화를 주었다.
1. 한반도 커버리지(Coverage) 분석
미리 설계된 모의 위성을 이용하여 모의 운용을 수행하기 전에 위성 탑재체의 Tilting 변화가 없을 때를 가정하여 모의 운용을 수행하였다. 모의 위성 탑재체의 관측폭을 최소 10km부터 최대 60km까지 설정하여 설정 기간 동안 한반도 영역의 관측 면적을 백분율로 환산하였고, 그 중 한반도 전 체 영역을 관측하였을 때 발생하는 각 관측폭의 관측소요 시 간을 분석하였다. 그 결과, 관측폭을 10km로 설정한 경우 한반도 전체 영역 중 27.56%를 관측할 수 있었고, 30km에서 는 69.47%정도 관측할 수 있었다. 또한, 60km에서는 1개월 동안 94.02%정도 관측하는 것으로 나타났다. 모의 위성을 10km 관측폭으로 설정한 경우와 30km 관측폭으로 설정한 경우를 비교한 결과, 한반도를 관측한 커버리지는 동일 기간 에 약 2.5배가 증가한 것을 알 수 있다.
모의 위성에 탑재된 센서의 Tilting 각도에 따른 최적 Scheduling을 반영하여 한반도 영역의 관측 성능을 분석하 였다. 표 11과 같이 관측폭이 10km인 경우, 한반도 전체 영 역 중 77.51%를 관측 할 수 있었으며 30km의 경우에는 97.56%를 관측 할 수 있었다. 그리고 관측폭이 60km인 경우, 100%의 관측 성능을 보였다.
Non-Tilting Roll Angle Tilting Roll Angle Swat
h
Max Coverage During 1 month
Max Coverage During 1 month
10km x 10km
27.56 % 77.51 %
30km x 30km
69.47 % 97.56 %
60km x 60km
94.02 % 100 %
표 11. 한반도 커버리지 결과(단일위성)
태양동기궤도로 운용 중인 단일위성을 위성군집궤도 방 식으로 전환하여 한반도 커버리지 관측에 대한 성능을 분석 하였다. 군집위성의 운용 형태는 180° 의 위상차를 갖는 방 식으로 시나리오를 작성하였다.
모의 운용을 수행하기 전, 군집위성은 단일위성의 입력 제 원과 동일하게 설정하였고 관측폭에 따른 한반도 커버리지 를 표 12와 같이 나타냈다. 그 결과, 군집위성의 관측폭이 10km일 때 91.15%의 높은 관측 성능이 나타났으며 관측폭 이 30km 그리고 60km인 경우에는 10km의 관측폭의 경우보 다 관측성능이 향상된 것으로 나타났다. 이는 군집 운용 방 식을 따르는 위성 탑재체의 기동각도 변화를 적용한 결과로 서 단일 운용위성의 각 관측폭에 따른 한반도 관측 성능과 비교하였을 때 군집 운용위성은 30km를 갖는 관측폭으로 한 반도 영역을 100% 관측할 수 있는 것으로 분석할 수 있다.
Operation
Type Tilting Roll Angle (2 Satellite Constellation) Swath 10km x 10km 30km x 30km 60km x 60km
Max Coverage
91.15
%
100
%
100
% 표 12. 한반도 커버리지 결과(군집위성)
한반도의 영역 중 100%이상의 커버리지를 관측할 때 60km의 관측폭에서 약 18일이 소요된 것을 알 수 있다. 반 면, 10km와 30km의 관측폭의 경우에는 100%에 못 미치는 결과로서 한반도 영역을 한 달 이내에 관측할 수 없었다. 하 지만 위성 탑재체에 관측 방향에 대한 Tilting 변화를 주지 않고 단일 위성으로 관측 커버리지를 분석한 결과와 비교해
남한
지역 좌표(deg) 면적() 재방문주기
단일 군집
제천 37.6/128.3 153.70 2일 1일 밀양 35.4/129.0 152.68 1.5일 1일 남원 35.6/127.0 153.94 2.5일 1일 봉화 37.1/128.9 156.17 1.5일 1일 구례 35.3/127.7 155.68 2.5일 1일
북한
지역 좌표(deg) 면적() 재방문주기
단일 군집
개천 39.9/125.6 176.00 3일 1일 금천 38.1/126.6 176.00 1.5일 1일 연안 37.9/126.1 176.00 1.5일 1일 벽성 37.9/125.5 176.00 3일 2일 신의주 39.9/124.4 176.00 2일 2일 표 14. 단일 및 군집위성 남·북한 재방문주기(관측폭:30km)
남한
지역 좌표(deg) 면적() 재방문주기
단일 군집
제천 37.6/128.3 153.70 1일 1일
밀양 35.4/129.0 152.68 1.5일 1일
남원 35.6/127.0 153.94 1일 1일
봉화 37.1/128.9 156.17 1.5일 1일
구례 35.3/127.7 155.68 1일 1일
북한
지역 좌표(deg) 면적() 재방문주기
단일 군집
개천 39.9/125.6 176.00 1일 1일
금천 38.1/126.6 176.00 1일 1일
연안 37.9/126.1 176.00 1일 1일
벽성 37.9/125.5 176.00 1일 1일
신의주 39.9/124.4 176.00 1일 1일
표 15. 단일 및 군집위성 남·북한 재방문주기(관측폭:60km)
볼 때 약 35%이상 더 많은 영역을 관측할 수 있다. 이를 통 해 표 13과 같이 Tilting 변화로 인한 위성 탑재체 관측 성능 의 효과를 확인할 수 있다.
Sensor Swath
Max Coverage
During 1 Month
100%
Coverage Satisfied by
Time
Remark
Non- Tilting
10km x
10km 27.56 % - Single Mode 30km x
30km 69.47 % - Single Mode 60km x
60km 94.02 % - Single Mode
Tilting
10km x
10km 77.51 % - Single Mode 30km x
30km 97.56 % - Single Mode 60km x
60km 100 % 18 Days Single Mode 10km x
10km 91.15 % - Constellation 30km x
30km 100 % 20 Days Constellation 60km x
60km 100 % 10 Days Constellation 표 13. 단일 및 군집위성의 커버리지 비교
2. 한반도 대표 농경지역 재방문주기(Revisit time)검증
단일위성 및 군집위성으로 한반도 관측 커버리지에 대하 여 비교 수행한 결과, 위성 탑재체가 관측 대상지역을 향해 Tilting변화를 주었을 때 관측 성능이 향상된 것을 확인하였 다. 이를 바탕으로 단일 및 군집위성의 탑재체가 한반도 전 역을 관측할 때의 성능을 검증한 결과, 그림 5와 같이 약 1일 에서 2일 사이의 재방문 주기를 갖는 관측성능을 보이기 위 해서는 단일 위성의 경우 최소 60km의 관측폭이 요구되고 군집위성의 경우 최소 30km의 관측폭이 요구 되는 것으로 나타났다.
앞 절에서는 한반도 전역에 대해서 위성 탑재체가 매일 또는 격일로 재방문하기 위해 요구되는 최소 관측폭을 확인 하였다. 한반도 전역 관측 성능 검증 결과를 바탕으로 본 절 에서는 농촌진흥청에서 제공한 실제 농경지역 지형 데이터 를 기반으로 10개의 샘플 지역에 대한 재방문주기를 단일위 성과 군집위성의 경우로 비교하여 검증하였다. 그 결과, 표 14와 같이 최소 30km 관측폭의 단일위성의 경우에는 약 1.5 일에서 3일 주기로 관측하였고 군집위성의 경우에는 약 1일 에서 2일 주기로 관측하였다. 최소 60km 관측폭의 단일위성 의 경우에는 표 15와 같이 약 1일에서 1.5일 주기로 관측하는
그림 5. 단일 및 군집위성 한반도 관측성능 결과 것으로 나타났고 군집위성의 경우에는 약 1일의 주기로 관측 하였다. 이는 본 논문에서 제안한 60km 관측폭의 사양으로 농림업 분야의 특수성을 고려할 때 위성영상의 정밀한 자료 획득에 있어 시계열 영상 확보가 용이한 것으로 분석된다. 또 한, 위성의 관측 기동 각도의 변화 및 여러 대의 군집 위성을 운용함에 따라 재방문 주기가 향상된 것을 검증하였다.
3. 농림업 중형위성 탑재체 사양 제안
본 논문에서는 농림업 중형위성 탑재체의 성능 요구사양 을 정의하기 위해 모의 운용 검증을 수행하였으며 유사 활용 위성 적용기술을 분석하고 탑재체 개발 동향을 통한 사양 변 화를 고려하여 농림업 중형위성 탑재체의 성능 요구사양을 표 16과 같이 제안하였다. 본 논문에서 제안한 사양에 따르 면 제안 1을 통해 채소와 같은 작물을 분류하고 식생 및 병 충해 파악이 가능하다. 산림 분야에서는 산사태와 같은 산림 피해지 현황 파악이 가능하며 수종 분류 및 구조에 대한 구 분이 가능하다. 이는 60km의 관측폭을 갖는 높은 공간해상 도로 미세 작물을 구분할 수 있고 산림 수종에 대해 분류하 는 것이 가능하다. 제안 2를 통해 기후변화에 취약한 지역을 파악하는 것이 가능하고, 산림 바이오매스 평가 및 수치 표 고모델 작성이 가능하다. 또한, 계절에 따른 생물의 상태를 파악하는 것이 가능하다. 그리고 제안 3의 사양을 통해 농림 바이오매스 평가하는 것이 가능하며 맥류, 벼 등의 식생 및 병충해 파악이 가능하다. 또한, 홍수 탐지가 가능하고 산림 재해로 인한 복원 모니터링이 가능하며 농림의 토지 이용변 화에 대한 분석이 가능하다. 이는 농경지 분포 등과 같은 조
사 및 분석 목적을 위해 넓은 관측폭과 낮은 해상도 영상의 활용이 가능하다. 분광대역의 경우, 근적외선 분광기술은 780~2500nm의 광파장 영역에서 작물 및 수목 등의 성질을 신속하고 간편하게 분석할 수 있어 다양한 농림업 분야에서 활용이 가능하다. 특히 SWIR은 단파장 적외선으로 대상물 의 수분정보 및 지질특성, 재질식별에 유용주로 산림(나뭇잎 수분함량, 소나무 재선충병), 지질, 농업토양 해양(갯벌 모니 터링, 해안 토질)분야에 많이 사용할 수 있고, 작물 및 수목 등의 화학적 구조에 따라 서로 다른 형태의 흡수현상을 나타 내므로 측정하고자 하는 관측대상의 분석이 가능하다. TIR 은 열적외선으로 산불 피해로 인한 지표면 온도 측정이 가능 하며 토지의 수분함량을 분석하는데 활용할 수 있다.
제안 1 제안 2 제안 3
공간해상도 0.5 m (PAN), 2 m (MS)
2 m (PAN), 8 m (MS)
5 m(PAN), 10 m(MS)
관측폭 60 km 70 km 120 km
재방문주기 1 ～ 2 일
분광대역
0.47–0.49 um (Blue), 0.54–0.56 um (Green), 0.66–0.68 um (Red), 0.84–0.86 um (NIR), 1.62–1.67 um (SWIR), 2.09–2.35 um (SWIR)
10.3-11.3 um (TIR), 0.52-0.90 um (PAN) 표 16. 농림업 중형위성 탑재체 사양 제안
농림업 적용 가능 분야
제안 1
Ÿ 채소 작물 수량파악 및 구분 Ÿ 채소 식생 및 병충해 파악 Ÿ 산림 피해지 현황 파악 Ÿ 산불 지역 모니터링
Ÿ 산림 수종 상세 분류 및 구조 구분 Ÿ 산림 임분 특성 구분
Ÿ 대상작물 : 포도, 고추, 배, 벼 등
제안 2
Ÿ 기후변화 취약지역 모니터링 Ÿ 산림 병해충 발생지역 파악 Ÿ 산림 바이오매스 평가 Ÿ 수치 표고모델 작성 Ÿ 생물 계절 모니터링
Ÿ 대상작물 : 포도, 고추, 배, 감자, 옥수수, 마늘, 콩, 벼 등
제안 3
Ÿ 농림 바이오매스 평가
Ÿ 맥류, 벼 등의 식생 및 병충해 파악 Ÿ 토양수분 및 증발산량 추정 Ÿ 농림 식생 및 생육 파악 Ÿ 홍수 탐지 및 산림 복원 모니터링 Ÿ 농림 토지 이용변화 분석 Ÿ 대상작물 : 벼, 귀리, 밀, 보리 표 17. 제안 사양에 따른 농림업 적용 가능 분야
제안 사양을 통해 피복 분류가 가능하며 판독이 가능한 작물로는 제안 3의 경우 논과 미경지정리 지역의 파악이 유 리하며 제안 1의 경우 컬러 융합 영상에서 밭의 작물을 구별
하는데 효과적이다. 제안 2의 경우 논 내에서 이루어지는 비 닐하우스의 파악이 매우 용이하며 고추, 배와 같은 과수작물 의 파악이 가능하다[5]. 표 17은 본 논문에서 제안한 사양에 따른 농림업 적용 가능 분야를 나타낸다. 이와 같이 농림업 분야에서는 고·중해상도의 공간해상도와 광역관측이 가능한 관측폭, 다양한 분석이 가능한 분광대역, 그리고 농림업 특성 상 빠른 주기의 시간해상도가 필요하기 때문에, 향후 농림업 중형위성 탑재체 개발할 때 이러한 사항들이 반드시 필요할 것으로 분석된다.
Ⅴ. 결 론
국내에서는 2013년부터 차세대 중형위성 사업이 진행 중 으로서, 독자적 농림 관측 위성을 개발하기 위해 농진청 및 산림청을 포함한 유관기관들이 독자적 농림업 중형위성 개 발을 위한 연구를 수행 중이다. 본 논문에서는 향후 국내 독 자적으로 개발 예정인 차세대 중형위성을 국가 농림업분야 에 원활히 활용하기 위해 농림업 중형위성의 필요성과 농림 업 세부 활용 분야에 대해 분석하였다. 또한, 농림업분야에서 위성영상을 활용하는 사용자들의 의견을 수렴하고 이를 반 영한 결과로서 현재 국내외 위성 탑재체 기술에 대한 요구 사항을 제안하였다. 해외 농림관측 위성의 기술개발 현황 분 석을 통해 주요 선진국들이 위성영상을 이용하여 짧은 시간 내에 관측 면적에 대한 정밀한 자료를 획득할 수 있어 농림 업분야 관측의 활용도가 증가하고 있는 것을 확인하였다. 국 내에서도 고해상도 위성영상 자료를 이용한 연구가 활발히 추진되고 있지만 농림업 분야의 특수성을 고려할 때 국내에 서는 위성영상의 정밀한 자료 획득에 있어 시계열영상을 적 시에 확보하기 어려운 환경에 있다. 따라서 본 논문에서는 위성 모의 운용 시뮬레이션에서 관측 대상지로 한반도 전역 및 남·북한의 대표 농경지를 설정하였고 적시에 따른 시계열 위성영상을 확보하기 단일 및 군집 운용방식의 한반도 관측 성능을 확인하였다. 이는 향후 농림업 중형위성 개발이 진행 될 때 위성영상을 활용하는 사용자에게 효율적으로 제공할 수 있는 방향으로서 기술적 기초 정보로 활용될 것으로 기대 된다.
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159-188.
저자
김 범 승(Bum-Seung Kim)
․2014년 2월：한국항공대학교 전자 및 항공전자공학과 졸업
․2014년 3월 ～ 현재 : 한국항공대학교 항공전자공학과 대학원 석사과정
<관심분야> : Synthetic Aperture Radar, Satellite
Communication and Application
김 현 철(Hyeon-Cheol Kim)
․2014년 2월：한국항공대학교 전자 및 항공전자공학과 졸업
․2014년 3월 ～ 현재 : 한국항공대학교 항공전자공학과 대학원 석사과정
<관심분야> : Synthetic Aperture Radar, Satellite Communication and Application
송 경 민(Kyoung-Min Song)
․2015년 2월：한국항공대학교 전자 및 항공전자공학과 졸업
․2015년 3월 ～ 현재 : 한국항공대학교 항공전자공학과 대학원 석사과정
<관심분야> : Synthetic Aperture Radar, Satellite Communication and Application
홍 석 영 (Suk-Young Hong)
․1995년 2월 ～ 현재 : 농촌진흥청 국립 농업과학원 농업연구관
<관심분야> : Agriculture Satellite Application
이 우 경 (Woo-Kyung Lee) 정회원
