원격탐사와 레이저 다중반사

라이다에서 송신된 레이저 펄스는 지표면에서 반사되는데, 산림이나 농지 등 식물에서는 입사된 레이저가 식물의 여러 부위에서 순차적으로 반사가 일어난다. 이와 같이 하나의 레이저 측점에서 여러 차례 반사가 일어나는 경우를 다중반사(multiple returns)라고 한다. 다중반사가 발생한 측점에서 반사되는 신호를 시간순으로 구분하여 기록할 수 있는데, 가장 먼저 반사된 신호를 최초반사(first return), 가장 나중에 수신된 신호를 최종반사(Last return)라고 한다. 지표면이 나지 또는 암석지라면 다중반사가 일어나지 않으므로 최초반사와 최종반사 신호가 같으며, 이를 단일 반사(singular return)로 분류하여 사용하기도 한다.

수목에서 다중반사 과정을 보여주는데, 입사된 레이저 펄스는 나무의 꼭대기에서 최초반사가 일어나고, 수관 내부의 잎과 가지에서 두 번째와 세 번째 반사가 발생하고, 마지막으로 숲의 바닥에서 반사한다. 라이다 시스템에 따라 다중반사를 수신할 수 있는 횟수를 설정할 수 있지만, 최초반사와 최종반사는 반드시 수신한다. 두 번째와 세 번째 반사에서 얻어지는 신호의 특성은 입목의 구조와 관련되어 있지만, 아직까지 많이 사용하지 않고 있다. 산림에서 최초반사 신호를 처리하여 얻은 고도와 최종반사 신호를 처리하여 얻은 고도의 차이는 결국 나무의 높이가 된다.

다중반사는 식물 외에도 수직적인 구조를 갖는 건물 등에서도 발생할 수 있는데, 레이저 footprint의 일부분인 건물 모서리에서 최초반사가 일어나고, 나머지는 계속 진행하여 지면에서 최종반사가 된다. 건물 밀집 지역에서 최초반사로 얻은 고도는 대부분 건물의 높이를 포함한 값이며, 최종반사에서 얻어진 고도는 건물 바닥의 지면 고도에 해당한다. 최초반사와 최종반사를 함께 처리하여 건물 꼭대기에 해당하는 레이저 측점과 지면에 해당하는 레이저 측점을 구분하기 위한 여러 처리기법이 개발되었다.

물은 대표적인 전자기에너지 흡수체이므로 전자기파가 수체를 투과하기 어렵기 때문에, 원격탐사에서 강이나 바다의 바닥 상태 및 해저지형에 관한 정보를 얻기 어렵다. 레이저는 비교적 강한 에너지를 가진 광선으로 수십 미터 깊이의 수체를 투과할 수 있다. 레이저 다중반사 특성을 이용하여 항공 라이다로 해안 및 하천의 수심을 측량할 수 있다. 레이저 수심 측량(laser bathymetry)은 그림 5-53c와 같이 물 표면에서의 최초반사와 수면 아래 바닥에서 최종반사 신호를 처리하여 수심을 산출할 수 있다. 레이저 수심 측량은 항공수로측량(Airborne Lidar Hydrography, ALH)으로 지칭되기도 하며, 넓은 수역에서 빠르고 효과적인 수심 측량 기술로 발전하고 있다.

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레이저 반사강도

라이다 시스템에서는 송신된 레이저파가 목표물에서 반사되어 수신되기까지의 레이저 이동시간이 주된 측정 대상이지만, 목표물에서 반사한 레이저파의 강도(laser intensity) 또한 지표물의 특성을 나타낸다. 항공 라이다 시스템은 주로 가시광선 및 근적외선의 특정 파장의 레이저를 이용하는데, 레이저 반사강도는 해당 파장에서 지표물의 반사 특성을 보인다. 즉 900nm의 레이저를 이용한 라이다 반사강도는 900nm 근적외선에서의 지표물 반사 특성과 매우 유사하게 나타난다. 그림 5-54는 1064nm 레이저를 이용한 항공 라이다로 촬영한 경기도 가평 유명산 지역의 레이저 반사강도 영상으로, 근적외선에서 식물은 높은 반사율로 밝게 보이고 물은 매우 낮은 반사율로 어둡게 보인다. 따라서 이 반사강도 영상은 다중분광 센서에서 촬영한 근적외선 밴드 영상과 거의 유사한 신호 특성을 보여준다.

레이저 반사강도는 해당 파장에서 지표물의 반사율 외에도 레이저 footprint, 지표물까지의 거리, 송신하는 레이저파의 강도 수신기의 구경 등에 영향을 받는다. 그러나 레이저 footprint 안에 단일의 지표물이 포함된다면, 레이저 반사강도는 결국 해당 지표물의 반사율과 센서와 지표물의 기하조건에 영향을 받는다. 항공 라이다는 정밀 3차원 지형정보 추출이 주된 관심 분야지만, 레이저 반사강도 영상은 아직까지 부수적인 자료로 취급되고 있다. 그러나 레이저 반사강도 영상은 기상 조건에 관계없이 촬영이 가능하고 정밀 고도 자료와 함께 이용한다면 새로운 정보의 추출이 가능하다. 가령 홍수 피해조사에서 항공 라이다에서 얻어진 근적외선 레이저의 반사강도 영상과 수면의 높이를 함께 활용하면 보다 정확한 침수지 구획이 가능하다. 레이저 반사강도 영상은 향후 다중분광레이저 기술과 함께 새로운 형태의 원격탐사자료로 활용이 기대된다.