원격탐사와 고해상도 위성영상(IKONOS, RapidEye, WorldView)

고해상도 위성영상

Landsat 이후 다양한 종류의 위성영상이 공급되었으나, 항공사진에 버금가는 고해상도 영상의 필요성은 꾸준히 제기되었다. 민간 분야에서 고해상도 영상의 요구를 반영하여 1992년 미국에서는 육상원격탐사법(Land Remote Sensing Act)을 제정하여, 정찰위성에서 사용했던 고해상도 영상기술을 민간에서 사용하도록 허용했다. 이에 따라 1990년대부터 여러 분야에서 활용되기 시작한 지리정보체계(GIS) 시장 및 인터넷기반 지도서비스에 필요한 수치지도 및 고해상도 영상지도의 수요를 반영하여, 민간기업에서 고해상도 영상을 공급하기 위한 위성 사업을 시작했다. 1999년 최초의 상업용 고해상도 위성영상을 촬영할 수 있는 IKONOS 위성이 발사된 이후 많은 민간업체 및 국가에 의하여 고해상도 영상을 촬영할 수 있는 위성들이 운영되고 있다.

고해상도 상업위성영상

IKONOS를 비롯한 모든 상업위성 사업은 위성의 제작 및 발사부터 탑재체 개발과 위성영상의 수신 및 공급에 이르기까지 모두 민간자본으로 이루어진다. 한국에서도 IKONOS 사업에 참여한 업체가 있었으며, 국내에 수신소를 설치하여 최초의 상업용 위성영상을 수신 판매했다. 1990년대 후반부터 여러 다국적 기업에서 시작한 상업용 지구관측위성은 정찰위성에 사용되는 전자광학카메라에 버금가는 고해상도 영상을 제공하고 있다. 고해상도 위성영상으로 구분하는 명확한 기준은 없지만, 대략 전정색영상은 1m 그리고 컬러영상은 4m 정도의 해상도를 가진 영상을 말한다. 기본 사양을 보여주는데, 종주사 방식의 전자광학센서는 하나의 전정색 밴드와 네 개의 다중분광밴드로 촬영한다. 고해상도 상업위성영상은 판매가 주목적이므로 고객이 요구하는 지역 또는 판매 가능성이 높은 지역을 선택적으로 촬영한다. 영상의 촬영폭은 11km로 한 번에 좁은 지역만을 촬영할 수 있으므로 관측각을 최대 26°까지 기울여 사각촬영하면 촬영주기를 3일로 단축할 수 있다. IKONOS 위성은 2015년 3월 업무를 종료할 때까지 15년 동안 고해상도 위성영상을 공급하여, 지도제작뿐만 아니라 언론 농업. 수송, 재해재난, 인터넷포털 서비스에 많이 활용했다.

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고해상도 위성영상의 특성

IKONOS 이후 많은 고해상도 위성영상이 촬영되고 있으며, 현재 수십 기 이상의 위성에서 해상도가 1m 이하의 고해상도 영상을 공급하고 있다. 고해상도 위성영상은 자료의 양이 대용량이기 때문에 주로 고객이 요청하는 지역을 주문 촬영하거나, 판매 가능성이 높은 관심 지역을 선택적으로 촬영한다. 대부분의 고해상도 위성영상은 고해상도 전정색영상과 공간해상도는 다소 희생하되 자연색 및 컬러적외선 영상을 얻기 위하여 네 개의 다중분광영상으로 구성된다.

고해상도 위성영상은 SPOT 위성영상에 적용했던 pan-sharpening 처리를 통하여 고해상도 전정색영상과 저해상도 다중분광영상의 장점을 결합하여 고해상도 컬러영상을 제작할 수 있다. IKONOS 다중분광영상과 전정색영상을 합성하여 제작한 1m 해상도의 컬러영상 (a)과1:15000 축적으로 촬영한 흑백 항공사진(b)의 차이를 보여준다. 컬러합성영상의 해상도는 흑백 항공사진과 큰 차이가 없지만, 근적외선 밴드에서 나타나는 논, 밭, 침엽수림, 활엽수림 등 식생의 종류 및 지표물의 세부적인 차이를 잘 보여준다.

대부분의 고해상도 위성영상센서는 지형도 제작에 필요한 입체영상 촬영 능력을 갖고 있다. 입체영상은 SPOT과 같이 다른 궤도에서 위성의 자세를 기울여 동일 지역을 다른 각도로 촬영하거나, 위성에 탑재된 센서의 관측각을 다르게 고정한 두 줄 이상의 검출기 선형배열을 장착하여 동시에 입체영상을 촬영하는 방법이 있다. 물론 한 쌍의 입체영상을 동시에 촬영하는 후자의 방식이 양질의 입체영상 획득과 정확한 3차원 지형정보 추출에 유리하다.

현재 고해상도 영상을 공급하는 대표적인 상업용 또는 공공 위성의 목록을 보여주고 있는데, 민간기업의 합병과 소유권 이전 등으로 인공위성의 이름이 변경되는 경우가 종종 있다. 예를 들어 Geoeye-2 위성이 해당 기업의 사정으로 인하여 나중에 WorldView-4로 변경되기도 했다. 대부분의 고해상도 위성영상은 IKONOS와 비교하여 분광밴드의 구성, 공간상도 촬영폭 등에 큰 차이가 없다. 예외적으로 WorldView-2, 3, 4호 위성은 공간해상도를 점차 높이고 있으며, 8개 다중분광밴드 영상을 제공한다. WorldView 다중분광영상은 가시광선 및 근적외선 영역을 8개의 밴드로 나누어 촬영하는데, 특히 연안지역 해수면의 엽록소 함량에 민감한 청색광 밴드(400~450nm)와 식물의 생리적 특성에 민감한 적색경계밴드 (705-745nm)를 포함한다. 고해상도 위성영상은 주로 지도제작 또는 관측 목적에 활용되었으나, 토지피복 분류 또는 식물의 생물리적 정보 추출 등의 활용 범위가 넓어지고 있다. 그러나 3차원 지형 자료 획득이 최우선 목표라면, 항공사진측량과 마찬가지로 다중분광밴드 없이 하나의 전선정색영상을 촬영하는 센서도 있다. WorldView-1과 인도의 Cartosat-2 위성은 지형도 제작이 주목적이기 때문에 공간해상도를 50~80km로 높인 전정색영상을 촬영한다.

고해상도 위성영상의 해상도는 점차 높아져서 과거 정찰위성영상에 근접하고 있다. 현재Cartosat-3 와 WorldView-4의 전정색영상은 20~30cm 정도의 높은 해상도를 갖는다. 현재 고해상도 위성영상의 공간해상도는 항공영상과 거의 대등한 수준이며, 분광밴드의 구성 역시 근적외선 및 가시광선 영역을 포함하는 4개 밴드로 비슷하다. WorldView와 같이 분광밴드 구성을 세분화하여 지형도 제작과 함께 수질과 식물과 관련된 추가적인 정보 추출을 위한 용도로 확장하는 경우도 있다. 고해상도 위성영상은 항공영상과 다르게 장소에 제한을 받지 않고 촬영이 가능하다는 장점이 있다.

대부분의 고해상도 위성영상의 촬영은 20km 미만으로 상대적으로 좁은 지역만을 촬영할 수 있기 때문에, 동일 지역을 반복하여 촬영할 수 있는 촬영주기에 한계가 있다. 촬영주기를 단축하기 위하여 연직촬영이 아닌 위성을 자세를 기울여 촬영할 경우 동일 지역에 대한 재방문 주기를 3~5일 정도로 단축하기도 한다. 고해상도 위성영상은 대용량 자료이므로 자료 전송 및 저장의 한계로 하루에 촬영할 수 있는 면적이 제한되어 있다. 초기 IKONOS는 하루에 촬영 가능한 면적이 150000km 이었으나, 최근 WorldView위성은 이를 1500000km까지 확대했다.

RapidEye 및 Planet 위성영상

고해상도 위성영상의 공급이 확대되었지만, 여전히 사용자가 요구하는 지역을 원하는 시기에 촬영할 수 있는 촬영주기에는 다소 한계가 있었다. 특히 불특정 시기에 발생한 재해 재난 정보를 신속하게 얻기 위해서는 빠른 촬영기가 필요하다. 따른 촬영기를 갖춘 고해상도 위성영상을 얻기 위하여 여러 기업에서는 다수의 인공위성을 동시에 운영하여 사용자가 원하는 시기의 영상을 가능한 빨리 촬영할 수 있는 공급체계를 갖추고 있다.

독일의 RapidEye사에서는 2008년에 동일한 전자광학카메라를 탑재한 5기의 위성을 발사했다. 위성에 탑재한 전자광학카메라의 공간해상도는 5m로 대부분의 고해상도 위성영상보다 다소 낮지만, 촬영폭을 77km로 넓혀 한 번에 넓은 지역을 촬영할 수 있다. 상대적으로 넓은 촬영폭에 사각 촬영 기능을 적용하여 동일 지역을 매일 촬영할 수 있도록 했다. 연직촬영의 경우에도 5기의 위성을 동시에 운영함으로써, 촬영주기를 5일로 단축하여 사용자가 원하는 지역의 영상을 최대한적기에 공급하도록 했다. RapidEye는 기존의 고해상도 위성영상의 4개 다중분광밴드에 추가하여 적색경계밴드(690-730nm)를 추가했다.

RapidEye는 식물의 생물리적 특성에 민감하게 반응하는 적색경계밴드 영상을 제공한 최초의 민간위성이다. 적색경계밴드를 추가하여 식물의 분류와 생육 상태를 분석할 수 있는 영상을 제공함으로써 농업 및 산림 분야에서 많이 활용되고 있다. RapidEye 이후 발사된 WorldView 위성 및 다른 위성의 전자광학탑재체도 적색경제밴드를 포함하는 사례가 늘고 있다. 한국에서도 농업 및 산림 분야에서 RapidEye의 활용 빈도가 상대적으로 높으며, 향후 발사 예정인 차세대 중형 위성4호인 농림위성의 전자광학탑재체 역시 RapidEye와 동일하게 적색경계밴드를 포함한 5개의 분광밴드 영상을 촬영할 예정이다.

극궤도 소형 위성으로 수명이 거의 다한 RapidEye를 대신하여 원하는 시기의 고해상도 광학영상을 공급할 수 있는 Planet 위성이 있다. Planet 위성은 중량이 10kg 미만인 초소형 위성(cubesats)으로 지금까지 동일한 사양의 전자광학카메라를 탑재한 위성을 300여 기 이상 발사했다. 발사 후 궤도에 안착하지 못하거나 손실된 위성을 감안해도 현재 약 200여 기의 위성을 동시에 운영하여, 사용자가 원하는 지역을 3일 이내에 촬영이 가능하도록 했다. Planet 위성은 가시광선과 근적외선 영역의 4개 분광밴드에서 3.7m 공간해상도의 다중분광영상을 촬영한다. 기존의 전자광학센서가 줄 단위로 영상을 촬영하는 선주사기(line scanner)지만, Planet 위성의 탑재체는 디지털카메라와 같이 한 번에 24.6×16.4km²에 해당하는 면적을 촬영하는 CMOS 배열 검출기를 이용한다. RapidEye 및 Planet과 같이 여러 기의 위성을 동시에 운영함으로써 높은 공간해상도와 빠른 촬영주기를 동시에 제공하는 위성영상사업은 향후 빠른 속도로 확대될 것이다.