원격탐사와 초분광 시스템

전자광학 시스템에서 분광해상도를 강조한 센서는 영상분광계(imaging spectrometer) 또는 초분광주사기(hyper-spectral scanner)가 있다. 가장 보편적인 다중분광 센서는 대략 10개 이하의 분광 밴드로 영상을 촬영하지만, 다양한 지표물 및 지표 현상의 완전한 분광 특성을 설명하는 데에는 한계가 있다. 초분광영상은 식물, 암석 토양, 물 등 다양한 지표물의 생물리적 특성과 관련된 보다 정확한 분광정보를 활용하기 위한 원격탐사자료다.

초분광영상 센서는 영상으로부터 지표물의 세부적인 분광정보를 추출할 목적으로 개발했으며, NASA 제트추진연구소(JPL)에서 제작한 항공기 탑재용 영상분광계인 AVIRIS를 이용하여 본격적인 연구가 시작되었다. 현재 여러 종류의 항공기 탑재용 초분광 센서가 개발되어 활용되고 있으며, 인공위성에도 몇몇 실험용 센서가 개발되었고 또한 개발 중이다. 본 장에서는 초분광 영상의 기본적인 특징, 센서의 구조 다중분광영상과 구분되는 초분광영상의 활용 등을 살펴보고자 한다.

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초분광 원격탐사

초분광 영상이 등장한 초기에는 '초분광 원격탐사(hyper-spectral sensing)'보다는 주로 "영상 분광학(imaging spectroscopy)'이란 용어를 많이 사용했다. 이미 화학 생물학, 천문학 등에서 대상 물체의 특성을 구명하기 위하여 물체에서 반사 또는 방출하는 전자기파의 광학적 특성을 분광계(spectrometer)를 이용하여 측정하였다. 원격탐사에서도 실험실이나 야외에서 다양한 지표물의 분광 특성을 파악하기 위하여 분광계를 사용하여 분광 반사 곡선을 측정한다. 분광계는 한 번의 측정으로 대상 물체의 분광 반사 곡선을 측정할 수 있는 반면에, 영상분광계 imaging spectrometer)는 영상의 모든 화소마다 분광 반사 곡선을 얻을 수 있다. 이러한 이유로 초분광 영상이 등장한 초기에는 영상분광학이 정식 명칭으로 사용되었으나, 기존의 다중분광영상 기술과 구분하여 초분광 영상 또는 초분광 센싱 등의 별칭이 널리 사용되고 있다. 초분광 영상과 같이 새로운 기술이 국내에 도입될 때 적절한 우리말 용어를 부여하는 데 다소 혼란이 있다. 한국에 이 기술이 소개된 1990년대 중반부터 Hyper-spectral image가 널리 통용되고 있다. Hyper-spectral의 의미를 초분광(分). 극중분광(分光), 세분광(分光), 고분광(分 등 여러 가지 용어로 번역하여 사용하였으나, hyper'란 접두사가 과도한 아주 많은 이란 의미를 담고 있기 때문에 초분광이 가장 적합한 용어로 정착되고 있다. 물론 '다중분광도 기존의 다중분광(multi-spectral)을 뛰어넘는다는 의미에서 사용될 수 있지만, 가능한 간단한 용어로서 초분광이 보다 합리적인 선택일 수 있다.

초분광영상은 파장 폭을 좁게 하여 분광 밴드 수를 늘린 높은 분광해상도를 가진 영상이며 수백 개의 연속된 분광 밴드에서 촬영된 영상에서 모든 화소마다 해당 지표물의 분광 반사 곡선의 추출이 가능한 영상을 말한다. 초분광 원격탐사의 기본 개념을 보여주는데, 영상에서 각 화소에 해당하는 지표물의 분광 반사 곡선 추출이 가능하다. 이와 같이 초분광영상에서 화소별 분광 반사 곡선 추출이 가능하게 하려면, 분광 밴드가 많고 파장이 연속적이고 파장이 좁은 세 가지 조건을 갖추어야 한다. 초분광 영상의 조건을 갖추기 위한 분광 밴드 수는 정확히 정해져 있지 않지만, 대부분 100개 이상의 분광 밴드를 가지고 있다. 항공기 탑재용 초분광 영상센서 중에는 분광 밴드 수를 선택적으로 조정할 수 있게 개발하는 경우도 있다. 분광 밴드 수를 늘리려면 밴드 폭을 좁게 해야 하며, 반대로 분광 밴드 수를 줄이려면 밴드의 파장 폭을 넓게 조정한다. 영상의 모든 화소에 해당하는 지표물의 분광 반사 곡선을 추출하려면, 각 밴드의 파장이 연속적으로 연결되어 있어야 한다. 다중분광영상의 밴드별 파장 구간은 서로 떨어져 있다. 예를 들어 Landsat8호 OLI 센서의 밴드 2의 파장 구간은 0.45~0.51μm이고 밴드 3의 파장은 0.53~0.59μm로 밴드 2와 밴드 3 사이의 일부 구간이 누락되어 있다. 초분광영상의 밴드 1 파장 구간이 0.41~0.42μm라면 밴드 2와 3의 파장 구간은 각각 0.42~0.43μm와 0.43~0.44μm로 연결되어야 한다. 초분광영상은 심지어 영상 획득이 어려운 대기흡수 밴드(1.4μm 및 1.94μm) 주변의 영상을 포함하는 경우도 있다.

초분광 영상의 밴드 폭은 보통 10nm 이내로 수십 nm 이상의 폭을 가진 다중분광 센서 보다 매우 좁다. 항공기 탑재용 초분광 센서는 밴드의 파장폭이 1-2nm 정도에 불과할 정도로 지상 측정용 분광계와 거의 동일한 높은 분광해상도를 갖춘 경우도 있다. 다중분광 영상의 밴드 폭은 분광 밴드마다 다르게 설정되었지만, 초분광 영상의 밴드 폭은 대부분 동일하다. 그러나 몇몇 초분광 센서의 파장 폭은 파장영역에 따라 다르게 설정하기도 하는데, 주로 가시광선 근적외선(VNIR)과 단파 적외선(SWIR)을 구분하여 파장 폭을 다르게 한다. 예를 들어, 가시광선 근적외선 영역의 밴드는 3nm 파장 폭으로 단파 적외선 영역의 밴드는 10nm의 파장 폭으로 제작하는 경우가 있는데, 이는 두 파장영역의 빛을 감지하는 검출기의 재질과 제작 기술의 난이도 때문이다. 초분광 원격탐사가 시작되면서 원격측정(remote measurement)이란 새로운 용어가 등장했다. 분광계를 이용하여 실험실이나 현지에서 직접 지표물의 분광반사율을 측정하듯이, 초분광영상에서도 영상의 모든 화소에 대한 분광 반사 곡선의 추출이 가능하므로 원격측정이란 용어가 합당하다고 할 수 있다. 원격에서 지표물을 인식하고 구분하는 탐사의 범위를 넘어서 지표물의 정량적 특성을 파악하기 위한 측정의 개념을 추가하는 것이 원격탐사의 지향점이며, 초분광영상은 이러한 원격측정의 개념을 실현한 사례라고 할 수 있다.