- 행복바다 – 재밌는 해양상식 인공위성으로 바다를 보면?
안녕하세요 한국해양과학기술원 KIOST입니다.지표면의 70% 이상을 차지하며 많은 수자원의 대부분을 포함하는 해양! 이 해양의 중요성은 나날이 높아지고 있습니다. 해양을 연구하고 개발하려면 먼저 해양을 알아야겠죠? 오늘은 해양원격탐사의 정의와 종류에 대해 공부한 후 이 원격탐사가 어떻게 활용되고 있는지 알아보겠습니다.해양 원격 탐사란.원격 탐사란? 전자기 방사 에너지를 이용하여 조사하고 싶은 대상과 지역, 현상에 직접적인 접촉을 하지 않고 정보를 수집하는 것을 말합니다. 즉 반사 또는 복사된 전자파 에너지를 측정하고 기록하여 대기와 환경 특성에 대한 정보를 파악하는 모든 수단과 기술을 총체적으로 의미하는 것입니다.
해양은 광범위하고 시·공간적으로 변화가 심하기 때문에 위성을 이용한 원격 탐사를 이용한 조사가 일반화되고 있습니다. 해양 원격 탐사에서 최초로 실용화된 것은 해수면 온도 관측이었고, 이후 현재는 해류, 해양 대순환, 조석 등 다양한 해양 현상을 관측할 수 있게 되었습니다. 이와 관련된 자료는 한국해양과학기술원을 비롯하여 국립수산과학원, 국립해양조사원 등의 홈페이지에서 실시간으로 위성영상을 매일 확인할 수 있습니다.
▲ 19.03.26 천리안 GOCI 클로필 a 위성영상(검은색은 구름/출처: KIOST 해양위성센터) – 해양원격탐사의 종류 해양원격탐사는 여러 종류가 있는데, 그 중 가장 대표적인 세 가지에 대해 알아보겠습니다.첫 번째는 해색 원격 탐사입니다. 햇빛이 바다에서 반사되어 나오면 가시광이 발생합니다. 이 가시광은 다양한 물질의 영향을 받아 시간과 장소에 따라 달라집니다. 바다에서 반사되어 나오는 가시광을 센서로 감지하면 여러 가지 유용한 정보를 얻을 수 있습니다. 해색원격탐사는 가시광의 변화, 즉 해색(바다색)의 변화를 탐지하는 것을 기본으로 하는 원격탐사입니다. 해색원격탐사를 이용하여 해수의 수질을 관측할 수 있고 적조감시 등에 활용할 수 있으며 해양의 1차 생산량을 파악하여 해양 생물자원 평가 등에 활용할 수 있습니다. 나는 지구적으로 봤을 때 장기적인 지구 기후변화에서 해양의 역할 규명에 기여할 수 있을 것입니다.
▲ NASA와 Orbital Sciences Corporation의 합작으로 만들어진 Seawifis 위성, 해색 센서 탑재(출처: 위성해양정보시스템_위성과학교실)
두 번째, 적외선 원격 탐사입니다. 적외선 지구 관측은 원격 탐사 역사에서 최초로 개발된 것으로 지표면, 해수면, 구름 온도를 측정하는 것이 가장 중요한 목표입니다. 적외선 파장대를 감지할 수 있는 센서를 위성에 탑재해 해양에서 방사되는 에너지의 양을 관측하고 이 자료를 이용해 반대로 해양 표면의 수온 정보를 얻을 수 있습니다. 적외선 센서는 해양의 미세한 온도 분포를 관측하기 위해 공간 분해능이 좋고 구름, 눈, 빙하의 분포를 알아보기 위해 가시광 영역의 추가 밴드를 갖추고 있습니다. 이 적외선 센서의 활용에서는 미세한 해양 환경 감시, 기후 및 지구 규모의 해양 변화 관측에 이용되고 있습니다. 해양 표면의 온도를 정밀하게 관측할 수 있게 됨으로써 바닷물의 운동, 전선, 소용돌이 등을 연구할 수 있게 되었습니다. 아래 사진은 미국 해양대기청(NOAA)의 극궤도 위성으로 한반도 주변 온도 분포를 파악할 수 있습니다.
▲ 미국해양대기청(NOAA) 극궤도위성, 한반도 주변 온도분포 파악할 수 있다(출처:위성해양정보시스템_위성과학교실)
마지막으로 마이크로파 원격 탐사입니다. 모든 개체는 자체 온도에 비례하는 전자파를 복사하고 있습니다. 이러한 전자파 중에는 파장이 긴 마이크로파 영역의 에너지도 포함되어 있습니다. 해양 표면에도 미약하지만 이러한 마이크로파가 복사되어 있는데, 이 영역의 에너지를 위성에 탑재된 센서로 감지하여 원격 탐사에 활용하는 기술을 마이크로파 원격 탐사라고 합니다. 마이크로파 원격 탐사는 날씨의 영향을 받지 않고 지구 표면 관측이 가능하다는 장점을 가지고 있지만 자료 처리가 복잡하다는 단점도 가지고 있습니다.
▲ NOAA 위성 AVHR 자료를 이용한 동북아 해역의 해수면 온도 분석 예(출처:위성해양정보시스템_위성과학교실)-해양원격탐사 활용 해양원격탐사는 최초로 해수면 온도 분포를 파악할 수 있습니다.해수면에서는 수온에 비례하는 열 적외선 영역의 전자파를 방사합니다. 따라서 이를 감지할 수 있는 센서를 인공위성에 탑재함으로써 해수면의 수온 정보를 획득할 수 있습니다. 적외선 센서를 탑재한 위성으로 NOAA, GMS, 테라, Aqua 등이 있으며 NOAA 위성 AVHRR에 의해 수집된 수온 자료가 가장 널리 활용되고 있습니다. 이 해수면 온도 분포를 응용하여 해류의 이동, 시공간 수온 변화 분석 등도 연구할 수 있습니다.
▲ NOAA 위성 AVHR 자료 해수면 온도 분석에 의한 남 동해안 냉수대 발생 감시 예 (출처 : 위성해양정보시스템_위성과학교실)
둘째, 해색, 식물성 플랑크톤 분포 및 적조 감시가 가능합니다.바다 표면에서 반사된 가시광선은 바다에 포함된 다양한 물질의 영향을 받아 시간과 장소에 따라 달라집니다. 이를 센서로 감지하면 바다에 대한 다양한 유용한 정보를 얻을 수 있습니다. 바다색(Ocean Color) 센서를 탑재한 위성으로는 OrbView-2의 SeaWiFS, Terra-1과 Aqua-1의 MODIS, KOMPSAT-1의 OSMI 등이 있습니다. 해색 센서를 응용하여 사용할 수 있는 분야로는 수질 관측, 클로로필 농도, 부유 물질 농도, 용해 유기물 농도, 적조 감시 등이 있습니다.
▲ Terra-1 위성 MODIS 자료를 이용한 한반도 주변 해역 부유물질 농도 분석 예 (출처 : 위성해양정보시스템_위성과학교실)
▲ Orb View-2 위성 SeaWiPS 자료를 이용한 한반도 근해 클로로필-a 농도 분포 분석 예(출처:위성해양정보시스템_위성과학교실)-해양자료처리시스템 GOCI Data Processing System 이렇게 위성을 사용하여 얻은 영상은 어떻게 처리할 수 있습니까? KOST에서는 해양환경의 다양한 분석을 위해 GDPS라는 세계 최초의 정지해양위성자료처리시스템을 사용하여 자료의 처리, 디스플레이, 검증, 분석을 수행하고 있습니다. 이 시스템은 기하 보정된 GOCI(천리안(COMS)의 해양탑재체) 데이터를 이용하여 해양환경 및 해수광 특성을 분석하기 위해 이차 결과물(Level 2)을 생산하기 위해 개발되었으며, 사용자의 연구 목적에 따라 다양한 분석이 가능합니다.
▲ GOCI Data Processing System (출처: KIOST 해양위성센터)
GDPS는 old/New 알고리즘을 활용한 해양 환경 분석 자료 생성이 가능하기 때문에 기존 해양 위성에 적용된 알고리즘과 GOCI 알고리즘을 모두 사용할 수 있습니다. 그리고 대기 보정을 통한 순수 해양 신호 추출이 가능할 뿐만 아니라 위성 기하학적 위치에 따른 해양 신호 보정도 가능합니다. 세계 최초로 정지궤도에서 해양관측위성이 운영됨에 따라 매 촬영 시 태양과 위성의 상대적 위치가 변경되는 이유로 해양신호 왜곡이 발생하는데, 이를 해결하기 위해 미리 태양과 위성의 상대적 위치에 따른 신호 왜곡에 대한 연구를 수행하고 그 연구결과를 바탕으로 해양신호 보정을 수행하고 있습니다.
과거에는 광범위한 해양을 탐사하기 어려웠지만 최근에는 해양 원격 탐사를 이용해 얻을 수 있는 해양 정보가 정말 많아졌습니다. 앞으로 해양의 중요성이 더욱 높아지고 해양을 개발하기 위한 노력이 증가하고 있지만 KIOST만의 과학기술로 해양을 개발하는 데 앞장설 것입니다.
참고자료·해양원격탐사, 4차 산업혁명과 해양원격탐사 빅데이터 활용 / 저자 : 윤홍주 국립수산과학원 위성해양정보시스템(위성과학교실)·KIOST 해양위성센터