KR101184017B1 - 해빙표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템 및 방법 - Google Patents
해빙표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 표면 성질에 따른 전자기파 중 마이크로파의 편광 성질을 이용하기 위해서,인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도의 비율로써 편광된 수직, 수평 두 개의 반사도(Reflectivity)를 계산하고, 물과 눈이나 얼음의 물성이 다르다는 사실을 이용하여, 해빙의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 해빙에 접근하거나 전체적인 면적의 영상측정만으로 관측되던 해빙의 특성조사연구방식에서 벗어나, 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하여 기후변화를 정밀하게 관측할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 해빙에 접근하거나 전체적인 면적의 영상측정만으로 관측되던 해빙의 특성조사연구방식에서 벗어나, 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하여 기후변화를 정밀하게 관측할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 인공위성을 이용한 해빙의 거칠기와 굴절지수 탐지법을 구현하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
해빙(海氷)은 지구 전체 해양의 5~8%를 차지하지만, 지구기후변화 시스템에 가장 중요한 요소 중 하나이다. 항공기를 이용한 해빙관측도 가능하지만, 실제 해빙 전체를 동시에 관측하여 그 변화경향을 알 수 있는 방법은 인공위성이 유일하다. 전 세계적으로 해빙과 물의 물리적 특성 차이 때문에 반사도의 차이가 크고, 또한 이러한 성질을 이용하여 현재 해빙의 면적변화를 감시하고 있다. 즉, 종래에는 해빙에 대한 정보를 얻기 위해서는 직접 해빙을 채취하여 이에 대한 성분이나 표면의 거칠기, 등이 특성을 관측하거나, 전체적인 면적분포를 알아내기 위해 위성관측을 통한 해빙의 면적변화를 통하여 극(極) 지역이 녹고 있음을 확인하는 방식으로 연구가 수행되어 왔다.
그러나 종래의 조사 및 연구 방법은, 실제로 직접적으로 해빙에 접근하여 시료를 채취하거나 연구하는 직접관측은 여러 측면에서 매우 힘들고, 또한 중요한 물리적 특성인 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 인공위성에 기초한 기술은 아직까지 존재하지 않는다. 인류의 생존에 중요한 기후변화 특성을 알아내는 중요한 기여를 할 수 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 방법으로 해결할 수 없었던 인공위성을 이용한 극지방 해빙의 거칠기와 굴절지수 탐지를 해결하는 방법 및 시스템이다. 특히 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하여 기후변화를 증명하는 방법과 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 구성은 인공위성의 관측센서부에서 측정되는 측정정보를 이용하여 임의의 해빙지역의 편광된 수평(Horizontal)반사도 또는 수직(Vertical)반사도를 결정하는 반사도결정부; 상기 반사도결정부에서 제공되는 수직/수평 편광반사도를 이용하여 해빙표면의 거칠기를 결정하는 해빙거칠기연산부; 상기 반사도결정부에서 제공되는 수평 또는 수직반사도를 이용하여 해빙의 굴절지수를 결정하는 해빙굴절지수연산부;를 제공할 수 있도록 한다.
아울러, 상술한 본 발명에 따른 해빙표면의 거칠기와 굴절지수의 탐지시스템 또는 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수 탐지 방법은, 이를 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현할 수도 있다.
아울러, 상술한 본 발명에 따른 해빙표면의 거칠기와 굴절지수의 탐지시스템 또는 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수 탐지 방법은, 이를 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 해빙에 접근하거나 전체적인 면적의 영상측정만으로 관측되던 해빙의 특성조사연구방식에서 벗어나, 인공위성 자료를 바탕으로 전자기파의 편광적 성질을 이용하여 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하여 기후변화를 정밀하게 관측할 수 있는 효과가 있다.
특히, 인공위성 관측을 바탕으로 해빙의 거칠기와 굴절지수를 알 수 있게 되어서, 해빙의 녹는 정도를 정확하게 관측할 수 있게 되며, 이에 따라 기후변화 감시에 아주 유용하게 사용될 수 있고, 특히 북극해가 가장 많이 녹는 여름철에 북극을 가로지르는 항로 개발에 유용하게 사용될 수 있어서, 산업적, 경제적 운송 비용 절감에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템을 적용하여 해빙의 특성을 결정하는 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템 및 방법을 바탕으로 해빙의 거칠기를 적용한 결과와 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 4는 도 1과 같은 날짜의 같은 위성 자료를 이용하여 발생한 해빙의 굴절지수 값을 계산한 것으로, 본 발명에 따른 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 시스템 구성을 소프트웨어적으로 구현한 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템을 적용하여 해빙의 특성을 결정하는 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템 및 방법을 바탕으로 해빙의 거칠기를 적용한 결과와 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 4는 도 1과 같은 날짜의 같은 위성 자료를 이용하여 발생한 해빙의 굴절지수 값을 계산한 것으로, 본 발명에 따른 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 시스템 구성을 소프트웨어적으로 구현한 일례를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 굴절지수와 표면 거칠기 특성을 이용하여 얼음이 물로, 눈이 물로 녹거나 얼고, 또한 그로 인한 표면의 거칠기가 증가하거나 줄어드는 물리적 현상을 직접 관측할 수 있도록, 표면 성질에 따른 전자기파 중 마이크로파의 편광 성질을 이용하기 위하여, 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 해수면 온도의 비율로써 편광별 반사도(Reflectivity), 즉 수직편광 반사도 및 수평편광 반사도를 계산하고, 물과 눈이나 얼음의 성분이 다르다는 사실을 이용하여, 해빙의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 요지로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 해빙의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템(이하, '본 시스템'이라 한다.)을 개략적으로 도시한 구성도이다.
본 시스템은, 인공위성의 관측센서부(100)에서 측정되는 측정정보를 이용하여 임의의 해빙지역의 수평 편광반사도 또는 수직 편광반사도를 결정하는 반사도결정부(200)와 상기 반사도결정부에서 제공되는 수직 편광반사도 또는 수평 편광반사도를 이용하여 해빙표면의 거칠기를 결정하는 해빙거칠기연산부(300), 그리고 상기 반사도결정부(200)에서 제공되는 정반사성(Specular) 수직 및 수평 편광 반사도를 이용하여 해빙의 굴절지수를 결정하는 해빙굴절지수연산부(400)를 포함하여 이루어진다.
상기 인공위성의 관측센서부(100)는, 인공위성으로서 지구의 극 지역 해빙에 관한 적용이므로, 극 궤도 위성을 이용한다. 특히, 관측 채널로는 6.9 GHz 또는 10 GHz 채널을 이용하기도 하는데 본 방법에서는 6.9 GHz 휘도 온도에 대한 위성영상 자료를 이용하는 것을 일례로 설명하기로 한다.
상기 반사도결정부(200)는 기본적으로 인공위성에서 관측되는 휘도 온도와 연산 되는 해빙의 표면온도를 이용하여 수평 편광반사도 또는 수직 편광반사도를 결정할 수 있도록 한다. 이 경우 관측되는 휘도 온도는 다양한 인공위성 자료를 이용할 수 있으나, 여기에서는 세계적으로 널리 이용되는 AQUA라는 미국의 극 궤도 위성 자료를 이용한다.
해빙 표면 온도는 광대한 영역에 대한 직접적 관측이 어려워, 하기의 {식 1}과 같은 실험식을 이용한다. 이 {식 1}은 해빙표면 온도 연구분야에서 대표적으로 쓰이는 방법이다.
{식 1}
여기에서, TS는 해빙면의 온도, TB,V는 AQUA AMSR-E의 마이크로파 채널 6.9GHz에서 관측된 수직편광된 (아래첨자 V)휘도 온도이고, RR,V은 6.9 GHz에서의 거친 해빙표면에서의 수직 편광반사도이다. 첨자 R은 거친(Rough)표면를 의미한다.
거친 해빙표면에서의 수직 편광반사도 RR,V는 여기 직접적 관측이 불가능하여 {식 2}와 같이 정의되어 방법을 이용한다. 미국 우주항공국 (NASA)에서 제공하는 방법으로써, 물과 얼음의 기여도의 비율로써 계산된다.
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{식 2}
(단, 아래 첨자 R은 거친 표면 (Rough)를 의미하고, V는 수직 편광, ice는 얼음, water은 물, IC(%)는 얼음농도이다. 따라서, RR,V는 해빙의 거친(Rough) 표면에 대한 수직 편광반사도를 의미한다.괄호안의 6.9는 6.9 GHz를 의미한다.)
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상기 해빙거칠기연산부(300)은 해빙의 거칠기를 산출하는 기능을 수행하며, 구체적으로 해빙의 거칠기를 산출하는 방법은 상기 측정부에서 산출된 비편광된 반사도를 이용하여 관측 채널의 파장길이, 위성천정각, 두 수직 편광반사도, 수평 편광반사도들로 구성되는 아래의 {식 3}에 의하여 측정된다.
{식 3}
(단, σ는 해빙표면의 거칠기를 의미하며, 아래 첨자 R은 거친 표면 (Rough)를 의미하고, 첨자V는 수직(vertical) 편광, H는 수평(horizontal) 편광을 의미하고, θ는 위성의 천정각을 의미한다. λ는 전자기파의 파장을 의미한다. 따라서, RR,V는 해빙의 거친(Rough) 표면에 대한 수직 편광반사도 그리고 RR,H는 해빙의 거친(Rough) 표면에 대한 수평 편광반사도를 의미한다)
삭제
상기 해빙굴절지수연산부(400)은 해빙의 굴절지수를 산출하는 기능을 수행하며, 구체적으로는 해빙의 굴절지수를 산출하는 방법은 {식4(이를, 홍 근사법, 'hong approximation' 이라 정의한다.)}을 이용하여 퀘리(Querry, 1969) 에 의해 제시된 {식 5}에 의하여 산출된다.
{식 4}
(단, 첨자 S는 정반사성(specular)을 의미하며, 첨자 V는 수직 편광, 첨자 H는 수평편광, θ는 위성이 천정각을 의미한다. 따라서, RS,H는정반사성(Specular) 표면에 대한 수평반사도, RS,V는 정반사성(Specular) 표면에 대한 수직반사도를 의미한다.)
{식 5}
이상의 본 시스템의 구성 및 기능을 도 1 및 도 2를 통하여 종합하면, 인공위성의 관측 센서에서 측정되는 편광별휘도 온도와 표면 온도를 이용하여, 편광별방출율을 구한다. 반사도(R)는 1-방출율(E)이므로, 구한 방출율로부터편광별 반사도가 다시 계산된다. 편광 성분별반사도는물질별로 다르게 나타난다. 따라서 다르게 나타나는 물질별반사도를 이용하여 해빙의 거칠기와 굴절지수를 구하게 된다.
보다 구체적으로는 본 발명에 따른 본 시스템을 이용하여, 다음과 같은 단계의 해빙표면의 거칠기 및 굴절지수 등의 특성을 탐지할 수 있게 된다.
즉, 인공위성의 관측센서로 관측한 해빙의 휘도 온도들과 해수면 온도를 이용하여, 거친 표면에 대한 수직편광반사도, 수평 편광반사도를 결정하는 1단계와 상기 결정된 거친 표면에 대한 수직, 수평 반사도들을 이용하여 정반사성표면에 대한수직 및 수평 편광 반사도들을 구하는 2단계, 상기 수평, 수직성분의 반사도들을 이용하여 해빙 표면의 거칠기를 결정하는 3단계, 상기 수평, 수직성분의 정반사성반사도들을 이용하여 굴절지수를 결정하는 4단계 포함하는 단계로 구현될 수 있다.
이 경우, 상기 1단계의 해빙의 거칠기와 굴절지수는 극지 지역에서 위성 천정각 별로 마이크로파 채널 6.9GHz으로 관측한 휘도 온도들과, 상술한 {식 1} 에의해 산출되는 해수면 온도를 이용하여 수평 및 수직 편광 반사도를 구할 수 있다. 이 경우 수평, 수직 편광반사도는 상술한 {식 2}를 이용하여 산출할 수 있다.
아울러, 상기 3단계의 해빙표면의 거칠기는 산출된 비편광 반사도를 이용하여 관측채널의 파장길이, 위성천정각, 두 개의 수직, 수평반사도로 구성되는 상술한 {식 3}에 의해 도출될 수 있으며, 상기 4단계의 해빙의 굴절지수는 상술한 {식 4} 및 {식 5}에 의해 산출될 수 있다.
도 3은 본 시스템을 실제로 적용한 사례를 도시한 것으로, 인공위성 마이크로파 센서를 이용한 해빙의 거칠기 탐지에 대한 예이고, 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다. 미국 극 궤도 위성인 AQUA를 이용하여 발생한 해빙의 거칠기를 적용한 결과와 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다.
실제 사례로, 2007년 2월1일, 2007년 8월 1일 두 사례를 분석하여, 결과를 보였다. 해빙의 가장자리 부분들이 중심부에 비하여 작은 거칠기를 보이고, 이는 가장자리 부분들이 더 녹고 있음을 제시한다.
도 4는 도 3에서 제시한 해빙에 대하여, 같은 날짜의 같은 위성 자료를 이용하여 발생한 해빙의 굴절지수 값을 계산한 것으로, 위에 제시된 방법을 검증한 결과를 도시한 것이다. 굴절지수 값이 1에 가까울수록 얼음이고, 1.8에 가까울수록 물임을 의미한다. 따라서 여름에 가장자리부분이 먼저 녹고 있음을 알 수 있다.
본 발명은 기상, 기후, 환경, 방재 등 다양한 산업 분야 전반에 크게 응용될 수 있다. 왜냐하면, 극지방 해빙의 녹는 정도와 위치 등을 알 수 있어서 해빙정보에 대한 경보나 예보를 하는데 매우 유용한 정보를 제공할 것이기 때문이다. 즉 인공위성 관측을 바탕으로 해빙의 거칠기와 굴절지수를 알 수 있게 되어서, 해빙의 녹는 정도를 정확하게 관측할 수 있게 되며, 따라서 기후변화 감시에 아주 유용하게 사용될 수 있고, 특히 북극해가 가장 많이 녹는 여름철에 북극을 가로지르는 항로 개발에 유용하게 사용될 수 있어서, 산업적, 경제적 운송 비용 절감에 기여할 것으로 예상된다.
아울러, 상술한 인공위성의 관측센서부에서 측정되는 측정정보를 이용하여 임의의 해빙지역의 수평 또는 수직 편광반사도를 결정하는 반사도 결정부나, 해빙표면의 거칠기를 결정하는 해빙거칠기연산부, 해빙의 굴절지수를 결정하는 해빙굴절지수연산부 등은 소프트웨어를 통해 구현될 수 있다. 따라서, 상술한 본 발명에 따른 시스템과 방법은 소프트웨어적인 구성이 가능하여 이를 실행하기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 형태로 제조 가능함은 물론이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 인공위성 관측센서부
200: 반사도 결정부
300: 해빙거칠기연산부
400: 해빙굴절지수연산부
200: 반사도 결정부
300: 해빙거칠기연산부
400: 해빙굴절지수연산부
Claims (10)
- 인공위성의 관측센서부에서 측정되는 측정정보를 이용하여 임의의 해빙지역의 수평 편광반사도 또는 수직 편광반사도를 결정하는 반사도결정부;
상기 반사도결정부에서 제공되는 수직 편광반사도 또는 수평 편광반사도를 이용하여 해빙표면의 거칠기를 결정하는 해빙거칠기연산부; 및
상기 반사도결정부에서 제공되는 수평 편광반사도 또는 수직 편광반사도를 이용하여 해빙의 굴절지수를 결정하는 해빙굴절지수연산부;
를 포함하여 이루어지는 해빙표면의 거칠기와 굴절지수의 탐지시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 해빙거칠기연산부는,
상기 반사도결정부에서 산출된 편광된 반사도를 이용하여, 하기의 {식 3}에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수의 탐지시스템.
{식 3}
(단, σ는 해빙표면의 거칠기를 의미하며,아래 첨자 R은 거친 표면 (Rough)를 의미하고, V는 수직 편광, H는 수직편광, θ는 위성 천정각을 의미한다. λ는 전자기파장을 나타낸다. 따라서, RR,V는 해빙의 거친(Rough) 표면에 대한 수직편광반사도 그리고 RR,H는 해빙의 거친(Rough) 표면에 대한 수평편광반사도를 의미한다)
- 청구항 4에 있어서,
상기 해빙굴절지수연산부는,
하기의 {식 4} 및 {식 5}에 의해 해빙의 굴절지수를 결정하는 것을 특징으로 하는 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수의 탐지시스템.
{식 4}
(단, S는 정반사성(specular)을 의미하며, 첨자 V는 수직 편광, 첨자 H는 수직편광, θ는 위성천정각을 의미한다. 따라서, RS,H는정반사성(Specular) 표면에 대한 수평 편광반사도, RS,V는 정반사성(Specular) 표면에 대한 수직 편광반사도를 의미한다.)
{식 5}
(단, 여기서 이고, 이며, 계수 a와 b는 반사도들의 조합으로, 으로 주어진다.)
- 인공위성의 관측센서로 관측한 해빙의 휘도 온도들과 해수면 온도를 이용하여 임의의 해빙지역의 편광된 수직 편광반사도와 수평 편광반사도를 결정하는 1단계와;
상기 결정된 수직 편광반사도와 수평 편광반사도를 이용하여 정반사성 편광반사도를 산출하는 2단계;
상기 수평 편광반사도와 수직 편광반사도를 이용하여 해빙 표면의 거칠기를 결정하는 3단계;
상기 수평 편광반사도와 수직 편광반사도를 이용하여 굴절지수를 결정하는 4단계;
포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수 탐지 방법.
- 청구항 1의 해빙표면의 거칠기와 굴절지수의 탐지시스템 또는 청구항 6의 해빙 표면의 거칠기와 굴절지수 탐지 방법을 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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KR1020100020077A KR101184017B1 (ko) | 2010-03-05 | 2010-03-05 | 해빙표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템 및 방법 |
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KR1020100020077A KR101184017B1 (ko) | 2010-03-05 | 2010-03-05 | 해빙표면의 거칠기와 굴절지수를 탐지하는 시스템 및 방법 |
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2010
- 2010-03-05 KR KR1020100020077A patent/KR101184017B1/ko active IP Right Grant
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Publication number | Publication date |
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KR20110100972A (ko) | 2011-09-15 |
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