원격탐사와 복사해상도

복사해상도(radiometric resolution)는 영상 신호값의 범위를 나타내며, 단위 해상 공간에서 반사 또는 방출된 빛에너지를 세분하여 감지할 수 있는 민감도를 표시하는 적도다. 영상 신호를 세분하여 기록할 수 있으면, 반사율이 미세하게 차이나는 물체를 구분할 수 있다. 예를 들어, 소나무와 신나무의 잎은 색이나 명암에 큰 차이가 없지만, 근적외선 또는 단파적외선 밴드에서 미세한 반사율의 차이가 있을 수 있다. 이와 같이 육안으로 식별이 어려운 미세한 반사 신호의 차이를 구분하기 위해서는 검출기에서 감지한 전자기에너지를 최대한 세분화하여 기록할 수 있는 높은 복사해상도가 필요하다.

영상신호의 세분화 정도가 1bit, 3bit, 6bit인 세 영상을 비교한다. 화소의 값을 0과 1로 기록한 1hit 영상은 대략적인 지표물의 분포를 구분할 수 있을 뿐이다. 화소의 값을 8가지로 표시한 3hit 영상에서는 대략적인 토지피복과 주택의 지붕 형태를 구분할 수 있지만, 세부적인 지표 상태를 구분하기 어렵다. 화소값을 가지로 표시한 6bit 영상에서는 3bit 영상에서 구분하기 어려운 세부적인 영암의 차이가 있는 지점을 볼 수 있다. 사람의 눈으로 식별할 수 있는 명암의 정도는 고작 스무 가지 내외에 불과하므로 과거 필름 항공사진에서는 복사해상도의 중요성이 크게 강조되지 않았다. 그러나 디지털 영상에서 화소의 값은 숫자(digital number, DN)로 표시되며, 비록 육안으로는 구분이 어려운 명암이라도 컴퓨터는 미세한 밝기 값의 차이를 구분할 수 있다. 원격탐사영상에서 추출하고자 하는 정보의 많은 부분이 육안 분석으로는 불가능한 미세한 분광특성의 차이를 이용하므로 복사해상도의 가치는 더욱 중요하다.

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전자광학영상의 복사해상도는 흔히 화소의 밝기 값 범위를 표시하므로 화소깊이(pixel depth)라고도 한다. 초기 지구관측위성인 Landsat-1의 MSS영상의 복사해상도는 6bit 이었으나, 이후 TM영상부터는 8bit의 복사해상도를 가졌다. 현재 전자광학영상의 복사해상도는 대부분은 10-12bit 이상으로 영상신호를 충분히 세분화할 수 있을 만큼 센서의 성능이 개선되었다.

해양 및 대기 관측을 위한 다중분광영상은 특히 복사해상도가 중요한 역할을 한다. 해양 원r격 탐사에서 주된 관측 대상은 해수면의 색과 온도 등이 있다. 해색 센서의 주요 관측 대상은 해수면의 엽록소 농도인데, 전 지구 해수면에서 엽록소 함량에 따른 복사휘도의 차이는 크지 않다. 따라서 엽록소 농도의 변이에 따라 해수면에서 반사되는 복사에너지의 차이를 정밀하게 관측하기 위해서는 높은 복사해상도가 요구된다. 육상관측이 주된 목적이었던 초기 Landsat 위성영상의 복사해상도가 6~8bit 이었지만, 거의 같은 시기에 운영했던 해양 관측 목적의 AVHRR 영상은 10bit의 높은 복사해상도를 가졌다.

복사해상도를 높이기 위해서는 검출기에서 감지하는 전자기 에너지앙이 충분해야 하며 잡음의 비율이 낮아야 한다. 영상신호에 포함된 잡음의 비율을 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratin, SNR)라고 하며, SNR은 영상의 복사해상도와 직접 연관된다. 육안의 명암 식별 능력의 한계를 감안하면 단순한 판독을 목적으로 하는 영상의 복사해상도는 중요하지 않다. 그러나 전자광학영상의 활용이 점차 지표물의 생물리적 특성과 관련된 정량적 정보 추출에 치중하기 때문에 과거에 비하여 SNR이 높은 영상을 필요로 한다.

SNR은 검출기에서 감지된 복사휘도에 비례하여 발생한 전기신호와 잡음에 의한 전기신호의 비율이다. 영상에 포함된 잡음은 센서 및 신호처리 과정에서 무작위로 발생하는 잡음과 온도의 변화에 따라 발생하는 잡음이 합해진 결과다. SNR을 높게 하려면 검출기에서 감지되는 전자기 에너지양이 최대한 많아야 한다.

전자광학영상의 SNR은 지표물의 복사휘도(L) 와 센서의 해상도에 따라 결정된다. 지표물에서

반사 또는 방출되는 복사휘도(L)는 직접 제어할 수 없다. 해양 영상은 주로 복사휘도가 낮은 수면을 관측하므로, SNR을 향상시키기 위해서는 센서의 촬영조건을 육상과 다르게 설정해야 한다. SNR은 순간시야각(IFOV), 밴드의 파장폭, 검출기 감지시간에 비례한다. 즉 높은 SNR을 얻기 위해서는 순간시야각(IFOV)를 크게 하여 넓은 면적에서 충분한 에너지를 수집해야 하며, 파장폭을 넓게 하여 충분한 양의 빛이 검출기에 입사되도록 분광해상도를 떨어뜨리거나, 검출기의 감지시간을 길게 해야 한다. 검출기의 감지시간 쓰는 이미 종주사 방식이 횡주사 방식보다 월등히 길어졌지만, 나머지 순간시야각(IFOV)와 파장폭을 모두 충족하는 영상을 얻는 데는 현실적으로 어려움이 있다.

영상신호의 품질을 나타내는 최소 SNR을 미리 설정하고 이에 준하는 복사해상도가 결정되면 나머지 공간해상도와 분광해상도 사이에는 상충(trade-off) 효과가 발생한다. 즉 미리 설정한 복사해상도 조건을 만족하기 위해서는 하나의 해상도를 높이려면 다른 해상도를 희생해야 한다. 주어진 SNR 조건에서 공간해상도를 높게 하려면 순간시야각을 낮게 설정해야 하는데, 그럴 경우 감소하는 SNR에 상응하는 만큼 분광해상도를 희생하여 파장폭를 넓게 하여 입사되는 광량을 증가시켜야 한다. 반대로 여러 분광밴드에서 영상을 얻기 위해서 파장 폭을 좁게 해야 하는데, 그러기 위해서는 보다 넓은 면적에서 빛에너지를 수집해야 하므로 순각시야갹 크게 하여 공간해상도를 희생하여야 한다.

현재 위성 탑재 다중분광센서의 대부분은 이러한 해상도 상충효과를 감안하여 공간해상도와 분광밴드가 다른 촬영모드를 병용하고 있다. 공간해상도와 분광해상도 조합을 다르게 시도한 것 번째 사례로서, SPOT-1호 위성의 HRV 센서를 꼽을 수 있다. HRV 위성영상은 모두 4개 분광밴드로 촬영되는데, 컬러영상을 얻기 위한 다중분광영상은 3개 분광밴드에서 20m 공간해상도로 촬영하며, 10m 고해상도 영상을 얻기 위해서는 파장폭이 넓은 전정색 밴드를 이용하여 분광해상도를 낮추었다. 이러한 조합은 이후 많은 다중분광센서에서 널리 채택한 촬영 방식이다. 한국의 KOMPSAT-3 위성과 상업위성에 탑재된 고해상도 다중분광센서의 분광밴드 구성과 공간해상도를 보여준다. 고해상도 전자광학센서는 공통적으로 공간해상도가 높은 한 개의 진정색 밴드와 공간해상도는 다소 낮지만 파장폭을 좁게 한 4개의 분광밴드로 구성되었다. KOMIPSAT-3A 전자광학센서는 55cm의 고해상도 영상을 얻기 위해서는 과장폭이 0.45μm인 전정색 밴드로 촬영한다. 그러나 자연색 및 적외선 컬러영상을 얻기 위해서는 파장폭이 0.07~0.14m로 좁혀진 4개의 다중분광밴드가 필요하지만 공간해상도는 2.2m로 낮추어야 한다. 이와 같이 두가지 촬영 모드에서 분광밴드와 공간해상도를 다르게 촬영하는 이유는 바로 위에서 설명한 해상도의 상충효과 때문이다. 영상의 품질을 유지하기 위한 최소 기준인 SNR과 복사해상도를 만족하기 위하여 전정색영상은 높은 공간해상도를 얻는 대신 분광해상도를 희생했고 4개 분광밴드 영상을 얻는 대신 공간해상도를 희생한 결과다.

물론 센서 및 검출기 기술의 발달로 55cm 공간해상도를 갖는 4개 다중분광밴드 영상을 얻을 수 있는 전자광학센서의 개발이 가능하다. 그러나 이렇게 통합된 센서 구조를 채택한다면, 촬영모르가 구분된 센서보다 제작비용이 높아지고 자료량이 증가하여 전송 및 수신처리에 어려움이 있을 수 있다. 사용자 입장에서는 당연히 좋은 공간해상도의 다중분광밴드 영상을 선호하므로 이러한 사용자의 요구를 충족하기 위하여 두 가지 촬영모드로 얻어진 고해상도 전정색영상과 저해상도 다중분광영상을 합성하여, 고해상도 컬러영상을 제작한다.