원격탐사와 Landsat 위성 4호, 5호, 6호, 7호

Landsat-4, 5, 6, 7호

초기 Landsat의 성공적인 운영으로 다양한 분야에서 위성영상의 활용이 시작되었으며, 아울러MSS 영상보다 높은 공간해상도와 여러 분광밴드 영상을 촬영할 수 있는 새로운 센서의 필요성이 제기되었다. Landsat4호부터 위성의 궤도를 705km로 낮추었고 순간 시야각(IFOV)을 좁게 하여 공간해상도를 30m로 개선한 TM은 단과적외선 및 열적외선 밴드를 추가하였다. TM은 광학스펙트럼을 모두 포함하는 7개 분광밴드를 가진 획기적인 영상센서로 다양한 분야에서 활용되었으며, 지금까지도 원격탐사 위성영상을 대표하는 영상자료를 제공하고 있다

TM에는 MSS에 없었던 청색광, 단파적외선, 열적외선 밴드가 추가되었다. 밴드 1의 청색광(0.45~0.524μm) 영상은 나머지 두 개의 가시광선 밴드(녹색광, 적색광)와 함께 사람 눈에 보이는 그대로의 자연색영상을 합성할 수 있도록 했다. 또한 청색광 밴드는 물에서 반사율이 상대적으로 높은 클로로필 흡수밴드이므로 수질 또는 수심과 관련된 정보 추출에 이용되었다. 단과적외선밴드5(1.55~1.75μm)는 식물 및 토양의 수분함량에 민감하게 작용하며, 구름과 눈을 구분하는 데 유용하다. 두 번째 단파적외선 밴드 6(2.08 -2.35μm)은 초기 설계에는 포함되지 않았으니, 암석 및 광물의 분광특성을 잘 보여주는 파장영역으로 관련 분야 사용자 그룹의 강력한 요구에 의하여 나중에 추가되었다. 마지막 밴드 7(10.4~12.5μm)은 중해상도 적외선 영상을 촬영하며 지구 표면의 각종 열 현상 분석 및 표면온도 측정을 위해 사용했다.

지도는 기능에 따라 크게 지형도(topographic map)와 주제도(thematic map)로 구분하는데, 주제도는 토지피복 및 토지이용, 식생, 지질, 토양, 농작물 등 특정 주제의 공간적 분포 특성을 보여주는 지도다. Landsat 4호에 탑재된 센서의 명칭을 Thematic Mapper로 한 이유는 다양한 주제도를 제작하기에 적합한 다중분광영상을 제공하는 센서라는 의미를 강조했기 때문이다. 지형도 제작을 위해서는 3차원 지형자료 획득이 가능한 입체영상을 촬영해야 하는데, 이를 위한 영상 센서는 추후 다른 위성에 탑재했다.

Landsat-6호는 높은 공간해상도 요구를 반영하여 15m 해상도의 전정색 밴드를 추가한 ETM을 탑재했으나, 발사 후 궤도 안착에 실패했다. 1999년에 발사된 Landsat-7호는 열적외선 밴드의 공간해상도를 60m로 개선한 ETM + 를 탑재했다. TM과 ETM+는 열적외선 밴드와 전정색 밴드를 제외한 나머지 6개 분광밴드의 공간해상도는 30m로 동일하게 유지하고 있으며, 화소의 밝기 값 범위를 나타내는 복사 해상도를 0부터 255까지 8bit로 기록했다.

Landsat-4, 5, 7호는 궤도 높이를 기존의 920km에서 705km로 낮추었으나, MSS 영상과 동일한185km 촬영 폭(swath)을 유지하기 위해서는 TM의 시야각 FOV를 기존의 11.6°에서 14.9°로 확대했다. 또한 920km의 궤도에서는 위성이 동일 지점으로 다시 오는 촬영기(revisit cycle)가 18일이었으나, TM 영상은 낮아진 궤도 때문에 촬영기를 16일로 조정했다. 또한 MSS는 밴드별로 6개의 검출기로 줄씩 영상을 촬영했으나, TM은 열적외선 밴드를 제외한 모든 밴드는 각각 16개의 검출기를 장착하여 한 번에 16줄의 영상을 촬영한다. 열적외선 밴드는 지표면에서 방출하는 에너지양이 충분하지 않으므로 공간 해상도를 120m로 희생하여 검출기의 숫자를 4~8개로 조정했다. ETM + 의 전정색 밴드는 15m 공간해상도에 맞추어 32개의 검출기를 사용했다.

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Landsat-7호 위성의 탑재체인 ETM + 은 2003년 3월에 위성의 진행 속도에 따른 횡주사선의 중복과 누락을 보정하는 장치(SLC)가 고장 났고 따라서 궤도 연직선에서 좌우로 벗어날수록 촬영이 누락되는 부분이 증가한다. SLC 고장으로 인하여 185km 폭의 영상에서 누락 없이 온전히 촬영되는 부분은 위성의 궤도 아래 중심부의 22km 폭에 불과하다.

극궤도 위성의 일반적인 설계 수명은 4~5년 정도이며, Landsat 역시 영상자료의 연속성을 유지하기 위하여 1호 발사 이후 5호 위성까지 3~5년 주기로 발사했다. 1980년대 후반부터 도입된 지구관측위성 사업의 민영화 추세에 따라 Landsat의 운영과 영상 공급을 민간업체에서 담당하기도 했고 이 와중에 Landsat-4, 7호 위성의 개발과 발사가 지연되었다. 1993년 ETM을 탑재한 Landsat-6호 위성이 발사되었으나 궤도 안착에 실패했고, ETM+를 탑재한 Landsat-7호 위성이 1999년에 발사되어 기존의 TM보다 향상된 품질의 영상을 공급했다. 그러나 2003년 ETM+의 SLC 장치 고장으로 인하여 완전한 영상 촬영이 불가능하게 되었으며, 따라서 ETM+ 영상의 활용도는 크게 저하되었다. 그러나 다행히 1984년에 발사한 Landsat-5호의 TM이 정상적으로 작동하여 영상을 공급할 수 있었고 심지어 Landsat-8호가 발사된 2013년까지 작동하여 TM 영상의 연속성을 유지할 수 있었다. Landsat-5호는 1984년 발사 이래 2013년까지 30년 가까이 정상적으로 작동한 놀라운 성능을 발휘하였으며, 이는 극궤도 지구관측위성에서 유례없는 운영 기록이다.