KR101702187B1 - 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치 및 대리복사 보정방법 - Google Patents
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Abstract
고해상도 광학위성의 대리복사 보정에 있어서, 자연체 대신 표적을 관측함으로써, 시간 및 비용면에서 효율적인 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치 및 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법을 개시한다. 본 발명에 따른, 표적은 등방성 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 하고, 대리복사 보정장치는 디지털 신호를 출력하는 광센서, 표적의 반사도를 측정하는 측정부, 복사전달모델을 이용하여 복사변환계수를 산출하는 프로세서를 포함한다.
대리복사 보정방법은 광센서가 디지털 신호를 출력하는 단계, 표적의 반사도를 측정하는 단계, 복사전달모델을 이용하여 복사변환계수를 산출하는 단계를 포함한다.
대리복사 보정방법은 광센서가 디지털 신호를 출력하는 단계, 표적의 반사도를 측정하는 단계, 복사전달모델을 이용하여 복사변환계수를 산출하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치 및 보정방법에 관한 것으로, 상세하게는 광학위성의 센서에서 관측된 값을 물리적 의미를 지닌 값으로 바꾸어 광학위성을 보정하는 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치 및 보정방법에 관한 것이다.
위성 센서는 빛의 세기를 측정하여, 디지털 신호(Digital Number; DN)값으로 나타내는데, 이 측정 값을 활용하기 위해서는 물리적인 값인 복사 휘도(radiance)로 변환하는 복사 보정(radiometric calibration)이 필요하다.
위성이 발사되기 전에, 실험실 환경 하에서 복사량 관측에 영향을 주는 요소들을 조정하여 안정적인 복사 보정이 수행된다. 다만, 발사 이후 겪게 되는 가스방출(outgassing)현상, 우주 극 환경, 및 센서의 노후화로, 발사 전 실험실 환경에서 산출된 복사변환계수는 변경이 필요하다. 따라서 대부분의 위성은 정확한 복사정보 산출을 위해 지속적인 복사 보정을 수행한다.
복사 보정의 경우, 교차복사 보정, 대리복사 보정, 온보드(Onboard) 보정, 달을 이용한 보정이 있다. 교차보정은 두 위성 센서의 파장역과 폭이 다른 경우 이를 보정해야 하며, 기상상태에 영향을 받는 문제점이 있다. Onboard 보정의 경우, 보정장치를 위성에 탑재해야 하고, 보정장치 노후화의 문제점이 있다. 대리복사 보정은 기본적으로 안정적으로 복사량을 관측할 수 있는 밝은 사막, 어두운 해양, 두껍고 균질한 구름 지역 등의 자연체를 활용한다. 다만, 자연체를 관측하는 경우 관측 범위가 넓고, 비용이 많이 들어서 비효율적인 문제가 있다. 복합적인 물리적 특성을 가지고 있는 자연체 특성을 반영하기 위해 다양한 분광밴드자료도 필요하다. 중저해상도 광학위성의 경우 자연체를 지속적으로 관측할 수 있는 특성을 가지지만, 관측 폭이 좁은 고해상도 광학위성의 경우 자연체를 선정하기 쉽지 않다. 또한, 위성의 재방문 주기가 긴 경우 자연체의 지표 특성이 변화 할 가능성이 큰 문제점이 있다. 고해상도 광학위성의 경우, 지속적인 자연체 관측이 어렵기 때문에, 대리복사 보정으로 초기에 신속하게 복사변환계수를 산출하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 기존의 방법과 달리 자연체를 이용하지 않고 고해상도 광학위성의 특성에 맞춘 표적 관측을 통한 대리복사 보정이 필요하다.
본 발명은 종래의 대리복사 보정에서 관측범위가 넓은 자연체를 관측할 때 발생하는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자연체를 이용하지 않고 고해상도 광학위성의 특성에 맞춘 표적 관측을 통한 대리복사 보정장치 및 보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
자연체를 지속적으로 관측할 때 발생하는 시간 및 비용의 비효율을 개선하기 위해, 본 발명은 관측 폭이 좁은 고해상도 광학위성의 특성에 맞춘 표적을 관측하여, 신속하게 대리복사 보정을 할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
복합적인 물리적 특성 때문에 다양한 분광밴드자료를 활용해야 하는 자연체의 관측 대신 안정적인 분광 반사도를 갖는 표적을 관측하여 정확성이 담보되면서 신속하게 복사변환계수를 산출하는 대리복사 보정장치 및 보정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루기 위하여, 본 발명에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치는 광센서, 측정부 및 프로세서를 포함한다. 광센서는 지상에 위치하는 적어도 3개 이상의 표적을 관측하고, 상기 표적으로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 상기 측정된 빛의 세기를 나타내는 디지털 신호(Digital Number; DN)를 출력한다. 측정부는 각각의 표적의 반사도를 측정한다. 표적은 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 한다. 프로세서는 반사도를 복사전달모델에 입력하여 대기상단 복사휘도를 산출하고, DN 및 대기상단 복사휘도를 비교하여 복사 변환 계수를 산출한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법은 광센서가 지상에 위치하는 적어도 3개 이상의 표적을 관측하고, 표적으로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 측정된 빛의 세기를 나타내는 디지털 신호를 출력하는 단계; 표적은 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 하고, 각각의 표적의 반사도를 측정하는 단계; 및 반사도를 복사전달모델에 입력하여 대기상단 복사휘도를 산출하고, 디지털 신호와 대기상단 복사휘도를 비교하여 복사변환계수를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치 및 보정 방법은 고해상도 광학위성의 특성에 맞춘 표적 관측을 통해 관측범위가 넓은 자연체를 관측할 때 발생하는 시간 및 비용의 비효율을 개선한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 복합적인 물리적 특성을 갖는 자연체 관측 대신 안정적인 분광 반사도를 갖는 표적을 관측하여 정확성이 담보되면서 신속하게 복사변환계수를 산출할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법을 도시한 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 표적이 설치된 지역을 고해상도 광학위성이 관측한 이미지의 일례를 도시한다.
도 3b 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 광학위성이 관측한 표적의 다중분광이미지의 일례를 도시한다.
도 4a은 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 분광반응함수의 일례를 도시한다.
도 4b 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 측정부가 측정한 표적의 반사도 그래프의 일례를 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라, 분광 디지털 신호 및 분광 대기상단 복사휘도의 산점도의 일례를 도시한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따라 제1 광학위성의 표적 반사도 및 제2 표적 관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도의 일례를 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따라, 제2 표적 관측에서 산출된 분광 대기상단 복사휘도 및 광학위성의 디지털 신호사이의 산점도의 일례를 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따라 제2 광학위성의 표적반사도 및 제2 표적관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도의 일례를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법을 도시한 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 표적이 설치된 지역을 고해상도 광학위성이 관측한 이미지의 일례를 도시한다.
도 3b 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 광학위성이 관측한 표적의 다중분광이미지의 일례를 도시한다.
도 4a은 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 분광반응함수의 일례를 도시한다.
도 4b 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 측정부가 측정한 표적의 반사도 그래프의 일례를 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라, 분광 디지털 신호 및 분광 대기상단 복사휘도의 산점도의 일례를 도시한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따라 제1 광학위성의 표적 반사도 및 제2 표적 관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도의 일례를 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따라, 제2 표적 관측에서 산출된 분광 대기상단 복사휘도 및 광학위성의 디지털 신호사이의 산점도의 일례를 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따라 제2 광학위성의 표적반사도 및 제2 표적관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도의 일례를 도시한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 표적 관측을 통한 복사변환계수 산출을 2회 수행하였고, 이하 각각 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측이라 한다. 제1 표적 관측을 통해 복사변환계수가 산출되었고, 제2 표적 관측을 통해서는 제1 표적관측을 통해 산출된 복사변환계수의 검증 및 개선된 복사변환계수 산출이 이루어졌다. 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측을 통해 산출된 복사변환계수를 각각 제1 복사변환계수 및 제2 복사변환계수라 하고, 이하 같다. 복사 휘도는 빛의 세기의 물리적인 값이고, 대기상단 복사휘도는 복사전달모델을 통해 광학위성의 센서에 도달하는 복사휘도를 모의한 값이고, 이하 같다. 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서 산출된 대기상단 복사휘도를 각각 제1 대기상단 복사휘도 및 제2 대기상단 복사휘도라 하고, 이하 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치(100)는 광센서(110), 측정부(120) 및 프로세서(130)를 포함한다.
광센서(110)는 지상에 위치하는 적어도 3개 이상의 표적을 관측하고, 표적으로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 측정된 빛의 세기를 나타내는 디지털 신호(Digital Number; DN)를 출력한다. 광센서(110)가 출력하는 디지털 신호 및 프로세서(130)에 의해 산출된 대기상단 복사휘도는 선형성의 관계를 갖고, 이를 회귀분석하여 복사변환계수를 산출한다. 따라서, 광센서(110)는 3개 이상의 표적으로부터 디지털 신호를 출력하고, 측정부(120)는 3개 이상의 동일한 표적으로부터 표적의 반사도를 측정 한다.
제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서의 고해상도 광학위성의 일례로서, 광학위성은 다목적실용위성 3호(아리랑 3호)(Korea Multi-Purpose SATellite-3; KOMPSAT-3)를 포함할 수 있다. 이는 한국항공우주연구원(Korea Aerospace Research Institute; KARI)에 의해 개발되고 2012년 5월 18일 일본 다네가시마 발사장에서 발사되어 운용중이다. KOMPSAT-3는 2.8 m 공간해상도로 청색(blue)(450-520 nm), 녹색(green)(520-600 nm), 적색(red)(630-690 nm), 근적외선(Near InfraRed; NIR)(760-900 nm)의 분광영역을 포함하고, 팬크로매틱(panchromatic) 이미지(450-900 nm)는 0.7 m 공간해상도를 갖는다. 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서, KOMPSAT-3의 광센서는 지상에 설치된 표적을 관측하였고, 관측을 통해 출력된 디지털 신호를 이용하여 복사변환계수를 2회 산출 하였다.
측정부(120)는 각각의 표적의 반사도(reflectance)를 측정한다. 표적은 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 한다.
표적은 등방성 반사 특성을 갖기 때문에, 램버시안(Lambertian) 반사율의 특성을 갖는다. 표적의 램버시안 특성 때문에, 양방향성 반사 분포 함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function; BRDF)를 복사전달모델에 입력할 필요 없다. BRDF의 입력 없이 복사전달모델 활용함으로써 발생하는 복사 보정의 불확실성(uncertainty)은 무시할 수 있는 정도이다.
표적이 일정한 분광 반사도를 특성을 갖기 때문에, 측정부(120)에서 측정한 반사도는 파장별로 일정하다. 표적으로부터 측정되는 반사도를 나타내는 분광곡선(spectral curve)은 안정적인(stable) 패턴으로 도시된다. 따라서, 표적에서 측정된 분광 반사도의 데이터는 복사전달모델에 입력되어 보다 정확한 대기상단 복사휘도를 산출할 수 있다.
대리복사 보정은 기본적으로 안정적으로 복사량을 관측할 수 있는 밝은 사막, 어두운 해양, 두껍고 균질한 구름 지역 등의 자연체를 활용한다. 자연체를 관측하는 경우 관측 범위가 넓고, 비용이 많이 들어 비효율적인 문제가 있다. 복합적인 물리적 특성을 가지고 있는 자연체 특성을 반영하기 위해 다양한 분광밴드자료도 필요하다. 중저해상도 광학위성의 경우 자연체를 지속적으로 관측할 수 있는 특성을 가지기 때문에 특정 시간 내에 안정적인 참조 영상 정보를 획득 할 수 있다. 하지만, 관측 폭이 좁은 고해상도 광학위성의 경우 자연체를 선정하기 쉽지 않다. 위성의 재방문 주기가 긴 경우 자연체의 지표 특성이 변화 할 가능성이 큰 문제점이 있다. 고해상도 광학위성의 경우, 지속적인 자연체 관측이 어렵기 때문에, 대리복사 보정을 이용하여 신속하게 복사변환계수를 산출하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 복잡한 물리적 특성을 반영해야 하는, 자연체 관측에서는 신속한 대리복사 보정이 어렵고, 시간 및 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 자연체 대신에 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 표적을 활용하여, 시간, 비용 면에서 효율적인 고해상도 광학위성의 대리복사 보정이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따라, 표적은 타프(tarp)를 포함할 수 있다. 타프에서 측정되는 반사도는 파장별로 일정한 특성을 갖기 때문에, 복사 보정모델을 활용하기 위한 데이터로 유용하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 광학위성의 대리복사 보정방법은 지상에 위치하는 적어도 3개 이상의 표적을 관측하고, 표적으로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 측정된 빛의 세기를 나타내는 디지털 신호를 출력하는 단계(S301)를 포함한다.
표적은 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 하고, 광학위성의 대리복사 보정방법은 각각의 표적의 반사도를 측정하는 단계(S302)를 포함한다. 자연체를 대신하여, 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 표적을 관측한 이유는 상술한 바와 같다.
표적의 반사도 측정(S302)을 통한 반사도를 복사전달모델에 입력하고(S303), 복사전달모델을 이용하여 대기상단 복사휘도를 산출(S304)한다. 광센서의 관측을 통해 출력한 DN 과 복사전달모델을 이용하여 산출된 대기상단 복사휘도를 비교하여 복사변환계수를 산출(S305)한다.
도 2에 도시된, 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법은 상술한 도 1의 대리복사 보정장치에서 구현되는 방법과 주요 기술적 구성을 공통으로 한다. 따라서, 이하에서, 설명되는 실시예들은 도 1의 대리복사 보정장치와 도 2의 대리복사 보정방법에 모두 공통된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 표적 관측에서 표적이 설치된 지역을 광학위성이 관측한 이미지이다.
본 발명에 따른 실시예로서, 2회의 표적 관측이 수행된 지역은 대한민국의 전라남도 고흥 항공센터(34.60ㅀ N, 127.20ㅀ E)에 위치한다. 상기 지역은 지난 30년간의 기후관측에 기초하여, 온화한 해양기후이고, 연평균온도는 13.6ㅀC이고, 연간 강 강수량 및 습도는 각각 1,453.4 mm 및 69%이다.
도 3b 및 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따라 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서 표적으로 이용된 타프를 광학위성이 2013년4월12일 04:34(UTC) 및 2014년2월21일 04:41(UTC)에 각각 관측한 다중분광이미지(multispectral image)이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 표적 관측에는 광학위성의 센서는 총 8개의 타프(각 면적은 10 X 10 m)를 관측하였고, 도 3a의 사각형 표시에 위치한다. 타프의 분광반사도 측정시간 및 광학 위성의 위성통과시간(satellite overpass time)의 차이를 30분 이하로 하는 것이 바람직하고, 이는 대기 상태값 및 기하학적 상태값의 차이를 최소화하기 위함이다.
제2 표적 관측의 경우, 제1 표적 관측보다 면적이 큰 4개의 타프(각 면적은 10 X 20 m)를 이용하였다. 타프상에 반사되는 복사휘도에 대해 밀접하게 위치한 타프사이의 인접효과(adjacent effect)를 제거하기 위해, 제1 표적관측보다 면적이 큰 타프를 이용할 수 있다. 제2 표적 관측의 경우 제1 표적 관측보다 면적이 큰 타프를 이용하였다.
제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서, 측정부의 일례로서 휴대용 ASD FieldSpec 3 전역(full-range) 분광복사기를 포함할 수 있다. 이를 통해 타프의 분광 반사도를 측정할 수 있다. ASD FieldSpec 3는 3 nm 분광 해상도를 갖고, 350 to 1000 nm를 포함하고, 1000-2500 nm 의 분광범위에서는 10 nm 분광해상도를 갖는다. 정확한 표적의 반사도 측정을 위해, ASD FieldSpec 3는 최적화 조정(optimization adjustment), 암 교정 수집(dark correction collection), 백색기준스캔(white reference scan)이 수행될 수 있다. ASD FieldSpec 3는 ASD 디폴트(default) 소프트웨어를 이용하여 전 분광영역에 대해 관측된(observed) 분광해상도를 1nm로 보간(interpolate)할 수 있다.
프로세서(130)는 반사도를 복사전달모델에 입력하여 대기상단 복사휘도(radiance)를 산출하고, 디지털 신호 및 대기상단 복사휘도를 비교하여 복사 변환 계수(DN to radiance coefficient)를 산출한다.
표적은 적어도 3개 이상이다. 광센서(110)가 출력하는 디지털 신호 및 프로세서(130)에 의해 산출된 대기상단 복사휘도는 선형성의 관계를 갖는다. 디지털 신호 및 대기상단 복사휘도가 선형성의 관계를 갖기 때문에, 프로세서(130)는 이를 회귀분석하여 복사변환계수를 산출한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 복사전달모델은 6S(The Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum) 복사전달모델일 수 있다. 프로세서(130)는 6S 복사전달모델에 기하학적 상태값(geometry conditions), 대기 상태값(atmospheric conditions) 및 광학위성의 분광반응함수(Spectral Response Function; SRF)를 입력하여 대기상단 복사휘도를 산출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 기하학적 상태값은 광학위성의 메타(meta)파일에 저장될 수 있고, 기하학적 상태값은 태양 천정각(solar zenith), 태양 방위각(solar azimuth), 위성 천정각(viewing zenith) 및 위성 방위각(viewing azimuth)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 대기 상태값은 기상위성으로부터의 관측값일 수 있고, 에어로졸 광학두께(aerosol optical depth), 에어로졸 타입(standard aerosol model), 수증기량(water vapor) 및 총 오존량(ozone)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 대기 상태값을 제공하는 기상위성은 중간해상도 영상분광계(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer; MODIS) 위성을 포함할 수 있다.
제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서, 프로세서는 광학위성의 분광반응함수, 대기 상태값, 기하학적 상태값 및 표적인 타프의 분광 반사도를 입력값으로 하는 6S 복사전달모델을 통해 대기상단 복사휘도를 산출하였다.
| 관측일 | 위성통과시간 (UTC) |
태양 천정각 | 태양 방위각 |
위성 천정각 | 위성 방위각 |
| 2013년4월12일 | 04:34:52 | 26.32 | 178.06 | 10.34 | 112.01 |
| 2014년2월21일 | 04:41:20 | 45.97 | 174.7294 | 1.319 | 137.47 |
표 1은 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서 복사전달모델에 입력한 기하학적 상태값을 표시한 표이다.
표 1에 기재된 바와 같이, 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서의 광학위성의 기하학적 상태값은 데이터 취득일, 태양 천정각, 태양 방위각, 위성 천정각, 위성 방위각이고, KOMPSAT-3의 meta파일로부터 취득하였다. 표 1에 기재된 값에 의하면, 제1 표적 관측보다 제2 표적 관측에서 위성 천정각이 감소하여 분광 해상도를 증가시키고, 이로 인해 타프의 인접효과를 감소시킨다. 따라서, 제2 표적 관측에서는 제1 복사변환계수보다 정확도가 높은 제2 복사변환계수가 산출된다.
| 관측일 | 에어로졸 광학두께 (550 nm) |
에어로졸 타입 |
수증기량 (g/cm2) |
총 오존량 (cm-atm) |
| 2013년4월12일 | 0.061 | 해상 타입 | 0.718 | 0.5353 |
| 2014년2월21일 | 0.088 | 해상 타입 | 0.292 | 0.3640 |
표 2는 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서 복사전달모델에 입력된 대기 상태값들을 나타낸 표이다.
제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서 대기 상태값은 MODIS값을 활용하였다. 표 2에 기재된 바와 같이, 에어로졸 광학두께, 에어로졸 타입, 총 오존량, 및 수증기량이 복사전달모델의 입력값으로 이용되어, 프로세서는 대기상단 복사휘도를 산출한다. 표적 관측에서의 MODIS값은 정확하지만 고비용인 지상 관측 자료대신에 복사전달모델의 입력값으로 이용되어, 신속하고 효율적으로 대기상단 복사휘도를 산출할 수 있도록 한다. 표적관측에서, Rayleigh 산란, 에어로졸에 의한 산란, 오존에 의한 가스흡수(gaseous absorption), 물에 의한 가스흡수(gaseous absorption)를 고려하기 위해, MODIS/Terra daily Level 2 및 Level 3의 대기 상태값들을 이용하였다. 이는 MOD04_L2(data field of "Optical_Depth_Land_And_Ocean", and "Aerosol_Type_Land"), MODI05_L2 (data field of "Water_Vapor_Near_Infrared"), 및 MOD07_L2(field of "Total_Ozone")이다. 이러한 MODIS 대기 상태값은 다른 공간해상도를 갖기 때문에, 표적 관측 지역에서 가장 가까운 픽셀(pixel)이 선택되어 복사전달모델에 입력되었다. 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측 동안, 550 nm 에서의 에어로졸 광학두께는 각각 0.061 및 0.088이고, 에어로졸 타입에 해상타입(maritime type)이 선정되었고, 이는 디폴트 표준 에어로졸(default standard aerosol) 6S 복사 보정모델이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 표적 관측 및 제2 표적관측의 광학위성의 분광반응함수의 그래프를 도시한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서, KOMPSAT-3의 다중분광밴드(multi-spectral band) 특성 고려를 위해 분광반응함수는 2.5 nm 단계로 정규화된다. 이는 IKONOS, Geoeye, 및 KOMPSAT-2와 같은 고해상도 위성에서 사용되는 절차와 유사하다. 도 4의 분광반응함수는 대기상단 복사휘도를 산출하는 복사전달모델의 입력값으로 활용될 수 있다.
도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 제1 표적 관측 및 제2 표적 관측에서, 측정부가 측정한 각각의 타프의 분광 반사도의 그래프를 도시한다.
도 3b 및 도 3c의 타프상에 기재된 숫자는 각각 도 4b 및 도 4c의 분광곡선의 수와 일치한다. 분광곡선은 분광반사도를 파장별로 나타낸 곡선이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 표적 관측에서는 8개의 타프들로부터 1 nm 해상도의 안정적인(stable) 분광곡선이 약간 기울어진 패턴으로 도시된다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2 표적 관측에서는 4개의 타프에 대한 분광 곡선이 제1 표적 관측에서 보다 안정적이다. 이는 제2 표적 관측의 4개의 타프가 대한민국에서 최근 사용을 승인받은 다른 화학적 화합물(chemical compound)을 사용하여 도포(painted)된 것이기 때문이다. 표적 관측에서 측정부가 측정한 1nm 해상도의 분광 곡선은 광학위성의 분광 밴드 파장 범위에 따라 2.5 nm 로 다시 샘플링되어, 복사전달모델에 입력값으로 활용되었다. 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 광학위성의 다중분광파장영역(multi-spectral wavelength ranges)에서의 분광 반사도 값은 안정적으로 측정될 수 있다. 타프 표적을 통한 데이터가 정확한 복사변환계수 산출을 위한 입력값으로 매우 신뢰할 수 있다는 점을 나타낸다. 타프 표적은 램버시안 반사율 특성을 갖는다. 타프의 램버시안 특성 때문에, 양방향성 반사 분포 함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function; BRDF)를 복사전달모델에 입력할 필요 없다. BRDF의 입력 없이 복사전달모델 활용함으로써 발생하는 복사 보정의 불확실성(uncertainty)은 무시할 수 있는 정도이다.
본 발명의 일실시예에 따라, 프로세서(130)는 표적의 반사도를 파장별로 분리한 분광 반사도를 6S 복사전달모델에 입력하여, 분광 대기상단 복사휘도를 산출할 수 있다. 프로세서(130)는 디지털 신호를 파장별로 분리한 분광 디지털 신호와 분광 대기상단 복사휘도를 회귀분석하여 분광 복사변환계수를 산출할 수 있다. 분광 복사변환계수로서 이득(gain) 및 오프셋(offset)을 고려할 수 있다. 광학위성의 센서가 측정한 디지털 신호를 산출된 분광 복사변환계수인 이득(gain) 및 오프셋(offset)을 통해 분광 복사휘도로 변환하는 복사 보정을 할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라 제1 표적 관측에서 산출된 분광 대기상단 복사휘도 및 광학위성의 디지털 신호 사이의 산점도를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 각각 청색 밴드, 녹색 밴드, 근적외선(Near InfraRed; NIR) 밴드, 적색 밴드에 해당하는 산점도이다. 제1 표적 관측에서 산출된 대기상단 복사휘도 및 광학위성의 디지털 신호는 선형의 최소 자승법(linear least square fit)에 기반하여 회귀분석을 통해 복사보정계수 산출에 이용될 수 있다. 제1 표적 관측에서, 8개의 타프에 대한 디지털 신호 및 대기상단 복사휘도 사이의 산점도의 대부분은 선형 최소 자승법 선에 가까이 위치하고, 모든 밴드에 대해 0.9 R2 이상의 결정(determination) 계수를 갖는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 적색 밴드는 가장 높은 R2 값을 갖고, 청색 밴드는 가장 낮은 값을 갖는다.
산점도 결과는 타프 표적을 관측 대상으로 하는 것이 복사변환계수를 산출하는 데 유용하다는 점을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 선형관계에 불구하고 유사 분산된 패턴(similar scattered pattern)이 전 분광밴드에 대해 있음이 분명하다. 이는 제1 표적 관측에서, 10 X 10 m 의 타프 크기에 불구하고, 가까이 위치한 타프들에 의해 발생한 인접효과 때문인 것으로 추정된다. 타프의 인접효과를 감소시키기 위해, 제2 표적 관측에서는 다른 화합물이 도포되고 면적이 더 큰 타프로 측정을 하였다.
| 분광 밴드 | 이득(gain) | 오프셋(offset) | 평균 제곱근 오차(RMSE) | 퍼센트 평균 제곱근 오차(percentage RMSE)(%) |
| 청색 밴드 | 0.0297 | -27.5427 | 0.0315 | 10.494 |
| 녹색 밴드 | 0.0386 | -12.2069 | 0.0299 | 10.028 |
| 근적외선 밴드 | 0.0183 | 0.0007 | 0.0251 | 8.649 |
| 적색 밴드 | 0.0290 | -4.8767 | 0.0329 | 11.170 |
표 3은 제1 표적 관측을 통해 산출된 광학위성의 제1 복사변환계수 값을 기재한 표이다.
표 3에 기재된 바와 같이, 청색 밴드는 가장 높은 네거티브 offset 값을 갖고, NIR은 0에 가깝다.
제1 복사변환계수의 정확도를 검증하기 위해, 제2 표적 관측에서는 4개의 타프의 분광반사도를 측정하였다. 제2 표적 관측을 통해 4개의 타프를 관측한 광학위성의 디지털 신호를 제1 복사변환계수를 이용하여 대기상단 복사휘도로 변환하고, 변환된 대기상단 복사휘도와 6S 복사전달모델을 이용하여, 4개의 타프의 분광 반사도를 산출하였다. 산출된 타프의 분광반사도는 제1 광학위성의 표적 반사도라 하고, 이하 같다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따라 제1 광학위성의 표적 반사도 및 제2 표적 관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도를 도시한다.
도 6에 도시된 바에 의하면, 참조선은 기울기가 1이다. 제1 복사변환계수를 이용하여 측정된 제1 광학위성의 표적 반사도를 검증하기위해 제2 표적 관측에서 측정된 타프의 반사도와 비교한다. 참조선의 기울기가 1이기 때문에, 대응점들이 참조선에 가까이 위치할수록 제1 복사변환계수 신뢰도가 높다는 것을 확인 할 수 있다. 광학위성의 다중분광밴드에서, 대응점들의 대부분은 참조선 가까이 위치한다. 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error; RMSE) 및 퍼센트 평균 제곱근 오차(percentage RMSE)는 표 3에 기재된다. 가장 정확한 RMSE는 NIR밴드의 0.0329이고, 적색밴드는 가장 큰 불일치(discrepancy)를 갖는다. 제1 광학위성의 표적 반사도 및 제2 표적 관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도에 대해, 대부분 percentage RMSE값은 11% 이하이다. 적색밴드에서 11.17%이지만, 제1 복사변환계수는 복사 보정으로 유용하다는 점을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따라, 제2 표적 관측에서 산출된 분광 대기상단 복사휘도 및 광학위성의 디지털 신호사이의 산점도를 도시한 것이다.
제2 표적 관측은, 제1 표적 관측에서 수행한 방법 및 모델을 이용하여, 광학위성의 대기상단 복사휘도를 산출하고, 개선된 복사변환계수를 산출하였다. 더 큰 타프 및 감소된 위성 천정값은 인접효과를 감소시키기 때문에, 제2 표적 관측을 통해 제1 복사변환계수보다 정확한 복사변환계수를 산출한다. 도 7을 참조하면, 제1 표적 관측의 산점도(도 5)보다 선형성이 크다는 점을 알 수 있다. 도 7을 참조하면, 청색밴드는 가장 작은 R2 값 (0.9977)을 갖고, NIR은 가장 큰 R2 값 (0.9996)을 갖는다. 제2 표적 관측에 대해 다중분광 밴드의 모든 R2 값들은 제1 표적 관측과 비교하여 향상되었고, 이는 감소된 위성천정각 및 큰 타프의 사용으로 인한 인접효과의 감소가 정확한 복사변환계수를 결정하는데 더 효과적이라는 점을 나타낸다.
| 분광 밴드 | 이득(gain) | 오프셋(offset) | 평균 제곱근 오차(RMSE) | 퍼센트 평균 제곱근 오차(percentage RMSE)(%) |
퍼센트 평균 제곱근 오차 차이(percentage RMSE difference) |
| 청색 밴드 | 0.0326 | -53.8382 | 0.0093 | 3.112 | 7.3825 |
| 녹색 밴드 | 0.0398 | -26.6608 | 0.0087 | 2.932 | 7.0962 |
| 근적외선 밴드 | 0.0195 | -9.3276 | 0.0041 | 1.421 | 7.2284 |
| 적색 밴드 | 0.0293 | -16.1866 | 0.0044 | 1.485 | 9.6858 |
표 4는 제2 표적 관측을 통해 산출된 제2 복사변환계수를 기재한 표이다.
제2 복사변환계수의 정확도를 검증하기 위해, 제2 표적 관측을 통해 4개의 타프를 관측한 광학위성의 디지털 신호를 제2 복사변환계수를 이용하여 대기상단 복사휘도로 변환한다. 변환된 대기상단 복사휘도와 6S 복사전달모델을 이용하여, 4개의 타프의 분광반사도를 산출하고, 산출된 타프의 분광반사도는 제2 광학위성의 표적 반사도라 하고, 이하 같다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따라 제2 광학위성의 표적반사도 및 제2 표적관측에서 측정된 타프의 반사도 사이의 산점도를 도시한다.
이는 산점도(도 6)과 비교할 때, 제2 복사변환계수가 제1 복사변환계수와 비교하여 개선되었음을 알 수 있다. percentage RMSE 및 RMSE 또한 정확도의 향상을 나타낸다. 표 4에 기재된 percentage RMSE 차이에 의하면, 적색밴드의 정확도는 가장 큰 향상(9.6858%)을 보이고, 반면에 녹색밴드는 7.0962%를 보인다. 모든 밴드에 대해, percentage RMSE는 3%이하이고, NIR이 가장 작은 값(1.421)을 갖는다. 이는 제2 복사변환계수가 표적의 반사도 측정을 위해 신뢰할 만한 것이고, 정량적 응용을 필요로 하는 위성자료의 유저그룹에 유용함을 나타낸다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100 : 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치
110 : 광센서
120 : 측정부
130 : 프로세서
110 : 광센서
120 : 측정부
130 : 프로세서
Claims (14)
- 고해상도 광학위성의 대리복사 보정장치로서,
지상에 설치된 서로 동일한 3개 이상의 표적을 관측하고, 제1 표적 관측의 표적보다 면적이 큰, 제2 표적 관측의, 상기 3개 이상의 표적으로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 상기 측정된 빛의 세기를 나타내는 디지털 신호(Digital Number; DN)를 출력하는 광센서-상기 제1 표적 관측 및 상기 제2 표적 관측은 복사변환계수 산출을 위한 관측임-;
상기 3개의 이상의 표적은 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도의 서로 같은 특성을 갖고, 상기 3개 이상의 표적의 각 반사도를 측정하는 측정부;
상기 반사도를 복사전달모델에 입력하여 대기상단 복사휘도를 산출하고, 상기 디지털 신호와 상기 대기상단 복사휘도를 비교하여 복사 변환 계수를 산출하는 프로세서
를 포함하고,
상기 복사전달모델은 6S 복사전달모델이고,
상기 프로세서는
상기 6S 복사전달모델의 입력 변수인 기하학적 상태값, 대기 상태값, 상기 광학위성의 분광반응함수(Spectral Response Function; SRF) 및 양방향성 반사 분포 함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function; BRDF) 중 상기 BRDF의 입력 없이, 상기 기하학적 상태값, 상기 대기 상태값 및 상기 SRF를 상기 6S 복사전달모델에 입력하고,
상기 3개 이상의 각 반사도를 파장별로 분리하여 복수의 분광 반사도를 생성하고,
상기 복수의 분광 반사도를 상기 6S 복사전달모델에 입력하고,
상기 입력결과에 기초하여, 상기 파장별로 분리된 복수의 분광 대기상단 복사휘도를 산출하고,
상기 디지털 신호를 상기 파장별로 분리한 복수의 분광 디지털 신호 및 상기 복수의 분광 대기상단 복사휘도를 회귀분석하여, 상기 파장별로 분리된 복수의 복사 변환 계수를 산출하고,
상기 기하학적 상태값 중 상기 관측시 상기 고해상도 광학위성의 위성 천정각은 상기 제1 표적 관측의 위성 천정각보다 작은,
광학위성의 대리복사 보정장치.
- 제1항에 있어서,
상기 표적은 타프(tarp)를 포함하는,
광학위성의 대리복사 보정장치.
- 제1항에 있어서,
상기 복사전달모델은 6S 복사전달모델이고,
상기 프로세서는 상기 6S 복사전달모델에 상기 기하학적 상태값, 상기 대기 상태값, 및 상기 광학위성의 분광반응함수(Spectral Response Function; SRF)를 입력하여 상기 대기상단 복사휘도를 산출하는,
광학위성의 대리복사 보정장치.
- 제3항에 있어서,
상기 기하학적 상태값은 상기 광학위성의 메타(meta)파일에 저장되고,
상기 기하학적 상태값은 태양 천정각, 태양 방위각, 상기 위성 천정각 및 위성 방위각 중에서 적어도 하나를 포함하는
광학위성의 대리복사 보정장치.
- 제3항에 있어서,
상기 대기 상태값은 기상위성으로부터의 관측값으로서,
상기 대기 상태값은 에어로졸 광학두께, 에어로졸 타입, 수증기량 및 총 오존량 중에서 적어도 하나를 포함하는
광학위성의 대리복사 보정장치.
- 제5항에 있어서,
상기 기상위성은 중간해상도 영상분광계(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer; MODIS) 위성을 포함하는
광학위성의 대리복사 보정장치.
- 삭제
- 고해상도 광학위성의 대리복사 보정방법으로서,
광센서는 지상에 설치된 서로 동일한 3개 이상의 표적을 관측하고, 제1 표적 관측의 표적보다 면적이 큰, 제2 표적 관측의, 상기 3개 이상의 표적으로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 상기 측정된 빛의 세기를 나타내는 디지털 신호(Digital Number; DN)를 출력하는 단계-상기 제1 표적 관측 및 상기 제2 표적 관측은 복사변환계수 산출을 위한 관측임-;
상기 3개의 이상의 표적은 등방성 반사 특성 및 일정한 분광 반사도의 서로 같은 특성을 갖고, 상기 3개 이상의 표적의 각 반사도를 측정하는 단계;
프로세서는 상기 반사도를 복사전달모델에 입력하여 대기상단 복사휘도를 산출하고, 상기 디지털 신호와 상기 대기상단 복사휘도를 비교하여 복사 변환 계수를 산출하는 단계
를 포함하고,
상기 복사전달모델은 6S 복사전달모델이고,
상기 프로세서는
상기 6S 복사전달모델의 입력 변수인 기하학적 상태값, 대기 상태값, 상기 광학위성의 분광반응함수(Spectral Response Function; SRF) 및 양방향성 반사 분포 함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function; BRDF) 중 상기 BRDF의 입력 없이, 상기 기하학적 상태값, 상기 대기 상태값 및 상기 SRF를 상기 6S 복사전달모델에 입력하고,
상기 3개 이상의 각 반사도를 파장별로 분리하여 복수의 분광 반사도를 생성하고,
상기 복수의 분광 반사도를 상기 6S 복사전달모델에 입력하고,
상기 입력결과에 기초하여, 상기 파장별로 분리된 복수의 분광 대기상단 복사휘도를 산출하고,
상기 디지털 신호를 상기 파장별로 분리한 복수의 분광 디지털 신호 및 상기 복수의 분광 대기상단 복사휘도를 회귀분석하여, 상기 파장별로 분리된 복수의 복사 변환 계수를 산출하고,
상기 기하학적 상태값 중 상기 관측시 상기 고해상도 광학위성의 위성 천정각은 상기 제1 표적 관측의 위성 천정각보다 작은,
광학위성의 대리복사 보정방법.
- 제8항에 있어서,
상기 표적은 타프(Tarp)를 포함하는,
광학위성의 대리복사 보정방법.
- 제8항에 있어서,
상기 복사전달모델은 6S 복사전달모델이고,
상기 6S 복사전달모델에 상기 기하학적 상태값, 상기 대기 상태값, 및 상기 광학위성의 분광반응함수(spectral response function, SRF)를 입력하여 상기 대기상단 복사휘도를 산출하는,
광학위성의 대리복사 보정방법.
- 제10항에 있어서,
상기 기하학적 상태값은 상기 광학위성의 메타(meta)파일에 저장되고,
상기 기하학적 상태값은 태양 천정각, 태양 방위각, 상기 위성 천정각 및 위성 방위각 중에서 적어도 하나를 포함하는
광학위성의 대리복사 보정방법.
- 제10항에 있어서,
상기 대기 상태값은 기상위성으로부터의 관측값으로서,
상기 대기 상태값은 에어로졸 광학두께, 에어로졸 타입, 수증기량 및 총 오존량 중에서 적어도 하나를 포함하는
광학위성의 대리복사 보정방법.
- 제12항에 있어서,
상기 기상위성은 중간해상도 영상분광계(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer; MODIS) 위성을 포함하는
광학위성의 대리복사 보정방법.
- 삭제
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