원격탐사와 토양 및 암석의 분광반사율 특성

육지에서 식생을 제외하고 가장 넓게 분포하는 지표물은 나지 상태의 토양이다. 건조지대의 사막을 포함하여 농경지도 작물 재배기를 제외하면 일 년 상당 기간이 나지 상태다. 토양의 일반적인 반사 특성은 식물과 다르게 파장에 따른 반사율 차이가 크지 않다. 세 가지 토양의 분광반사율을 보여주는데, 토양의 종류에 상관없이 비슷한 양상이다. 우리 눈에 토양의 색이 황색 계통인 이유는 녹색광 및 적색광에서 상대적으로 높은 반사율 때문이다. 근적외선에서 반사율이 정점에 도달하며, 단파 적외선에서는 수분흡수 밴드에서 흡수 특징을 제외하고는 거의 비슷한 반사율을 보인다.

토양의 분광반사율은 파장에 따라 변화가 크지 않지만, 앞의 그림에서 보듯이 세 가지 토양의 절대적인 반사율은 10% 이상 큰 차이를 보여준다. 물론 지구에 분포하는 토양의 종류는 무수히 많다. 토양 분류는 입자의 크기에 따라 점토(day), 모래(sand), 미사(silt)의 구성 비율을 기준으로 한다. 다중분광영상에서 인천지역에 분포하는 여러 종류의 토양별 반사율의 차이를 볼 수 있다. 인천에는 매우 낮은 반사율을 가진 갯벌부터 가장 높은 반사율을 보이는 콘크리트 표면까지 다양한 종류의 토양이 분포한다. 콘크리트는 비록 토양으로 분류되지 않지만, 기본적으로 모래와 자갈이 중요 구성 물질이므로 토양과 유사한 분광반사 특성을 가진다. 다중분광영상에서 식물과 비교하여 토양의 상대적 반사율은 파장에 따라 차이가 있다. 가시광선 밴드에서 토양의 반사율은 식물보다 높기 때문에 밝게 보이지만, 근적외선 밴드에서는 식물보다 어둡게 보이므로 상대적 반사율은 식물보다 낮다. 단파 적외선에서는 토양의 반사율은 식물과 비슷하거나 다소 낮게 보인다.

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토양 종류에 따라 반사율이 차이가 나지만, 동일한 토양에서도 토양의 표면 상태와 성분에 따라서 반사율이 크게 다르다. 토양에 포함된 수분, 유기물, 철분의 함량과 표면의 거칠기에 따라서 분광반사율에 큰 차이가 있다. 먼저 토양의 수분함량이 높을수록 반사율은 반비례하여 낮아진다. 동일한 미사양토(silt loam)의 수분함량을 조절하여 실험실에서 측정한 분광반사율 차이를 보여주는데, 수분함량이 증가할수록 반사율이 낮아지는 현상을 관찰할 수 있다. 가뭄 때 운동장이나 공원의 건조한 토양이 밝게 보이다가, 비가 온 후에 젖은 상태의 흙이 어둡게 보이는 이유는 토양의 수분함량이 높아졌기 때문이다. 수분함량에 따른 토양 반사율 감소는 우리 눈에 보이는 가시광선 영역보다 근적외선 및 단파 적외선에서 더욱 뚜렷하게 보인다. 밭갈이 작업을 마친 부분과 밭갈이를 하지 않은 부분의 차이를 보여준다. 밭갈이를 마친 부분이 훨씬 어둡게 보이는 이유는 두 가지로 설명할 수 있다. 밭갈이를 마친 부분은 표면 아래에 있던 수분이 많은 토양이 표면으로 드러나서 반사율이 낮아졌기 때문이다. 밭갈이를 마친 토양 표면의 반사율이 낮아진 두 번째 이유는 표면 거칠기 때문이다. 밭갈이를 마친 토양의 표면은 굴곡이 많은 거친 표면이므로 산란이 많이 발생하여, 매끄러운 토양 표면보다 반사율이 낮다.

토양 반사율은 토양에 포함된 유기물 및 철분의 함량에 따라 차이가 있다. 거름(유기물)이 많은 부식토와 철분 함량이 높은 토양이 어둡게 보이는 이유는 토양유기물 및 철분 함량에 반비례하여 반사율이 낮아지기 때문이다. 또한 지구온난화에 따른 강우량 부족과 그에 따른 증발산량의 증가로 세계 여러 지역에서 토양의 염분 농도가 증가하는 현상이 발생하고 있다. 최근 연구에 따르면 토양 표면의 염분 농도가 증가할수록 반사율이 감소하는 사례가 보고되고 있다. 유기물, 철분,염분 등의 토양 함유물 농도 변화에 따른 토양 반사율의 차이는 동일한 토양에 국한하여 해석해야 한다.

암석의 분광 특성은 토양과 유사하지만, 암석의 종류에 따라 나타나는 독특한 흡수 특징이 있다. 한국에는 암석이 대규모로 노출된 지역이 많지 않지만, 세계 여러 지역에 분포하는 암석지는 광물 탐사를 위한 위성 원격탐사의 직접적인 관심 대상이었다. 특히 사람이 쉽게 접근하기 어려운 밀림 및 오지에 분포하는 암석의 종류와 특성을 위성 원격탐사로 해석하고자 했다. 암석은 토양과 비슷한 분광반사율 특성을 가지고 있지만, 토양과 다르게 수분이나 유기물을 포함할 수 없기 때문에 토양보다 다소 높은 반사율을 보인다.

암석의 종류는 암석에 포함된 특정 성분에 의하여 구분되는데, 이러한 특정 광물질은 단파 적외선 영역의 아주 좁은 파장 구간을 흡수하는 특징을 가지고 있다. 미국 국립지질조사원(USGS)에서 측정한 암석의 종류별 분광 반사 곡선으로, 암석의 종류에 따라 단파 적외선에서 나타나는 고유의 흡수 특징(absorption features)을 볼 수 있다. 암석의 종류를 구분하는 방법은 단파 적외선에서 나타나는 흡수 특징을 이용하는 방법이 있지만, 이러한 흡수 특징을 찾기 위해서는 좁은 파장 구간에서 영상자료 획득이 가능한 초분광 영상 센서가 필요하다. 초분광 센서 개발에 앞서 다중 분광 센서에 SWIR 밴드를 추가하여 암석 및 광물 종류와 특성에 관한 정보를 얻고자 개발된 최초의 위성 센서로 Landsat TM이 있다.