원격탐사와 SPOT위성 및 센티넬(Sentinel) 위성

SPOT 및 Sentinel-2
미국의 Landsat 프로그램이 비록 실험위성으로 시작했지만, 기대 이상의 성과가 도출됨에 따라 프랑스 러시아, 일본, 인도 등 다른 나라에서도 독자적인 지구관측위성 개발을 추진했다. 1980년대에 여러 나라에서 지구관측위성을 발사했는데, 프랑스 정부를 주축으로 개발한 SPOT(Systeme Pour I’Observation de la Terre)-1호가 1986년에 발사된 이래 지금까지 모두 7기의 위성을 발사하여 양질의 다중분광영상을 지속적으로 영상을 공급하고 있다. 또한 유럽우주국(ESA)을 주축으로 유럽 여러 나라가 공동으로 지구관측위성 프로그램을 운영하고 있으며, SPOT 위성 또한 유럽의 다른 위성과 연계하여 운영하고 있다.

SPOT 프로그램의 개요

SPOT은 프랑스 정부에서 개발했지만 실험위성이 아니라 양질의 위성영상을 판매하겠다는 목적으로 출발했으며, 인공위성 발사와 함께 영상 공급을 위한 회사를 설립하여 운영하고 있다. SPOT 영상은 Landsat 및 다른 위성영상보다 비교적 높은 가격으로 공급되었으며, 여러 나라에서 해당 지역의 SPOT 위성을 직접 수신할 수 있는 기능과 권리를 판매하는 전략을 통하여 영상 공급을 확대했다. 한국에서도 SPOT과 수신계약을 체결하여 한반도 및 주변 지역의 영상을 수신하여 공급한 적이 있다.
SPOT은 영상 판매를 위한 상업 위성을 표방했으므로 Landsat보다 뛰어난 사양을 가진 위성영상을 제공하고자 했다. 먼저 SPOT 영상은 실질적인 공간해상도를 10m가 되도록 하여 30m 해상도의 TM 영상보다 세부적인 내용을 볼 수 있게 했다. 또한 TM 영상은 센서 이름에서 알 수 있듯이 주제도 제작에 적합한 다중분광영상이지만, SPOT은 3차원 지형자료를 얻기 위한 입체 영상을 촬영할 수 있으므로 지형도 제작이 가능했다.
1986년부터 지금까지 발사된 7기의 SPOT 위성의 궤도 및 탑재 센서의 기본적인 특성을 보여주고 있는데, 위성영상의 종류와 특징에 따라 크게 세 그룹으로 나눌 수 있다. 1986년 1호 발사 이후 3~4년 간격으로 발사된 SPOT-1, 2 3호는 동일한 HRV 센서를 탑재했다. SPOT-4, 5호는 HRV보다 공간해상도를 높이고 단파적외선 밴드를 추가한 HRVIR과 HRG와 함께 광범위한 지역의 식생 모니터링을 위한 VEGETATION 센서를 새롭게 탑재했다. 2012년과 2014년에 발사된 SPOT-6, 7호는 공간해상도를 크게 향상한 NAOMI 센서를 탑재했으며, 유럽의 상업용 고해상도위성인 Miad-1A, IB와 연계하여 촬영할 수 있도록 궤도를 694km로 낮추었다. SPOT-6, 7호 위성에는 4, 5호에 탑재했던 VEGETATION을 제외했는데, 이는 유럽항공우주국에서 발사한 새로운 식생관측 전용 위성인 Sentinel-2에서 촬영하는 영상으로 대체할 수 있기 때문이다. SPOT 영상은 Lands 마찬가지로 초기의 기본 사양을 지금까지 유지함으로써 지속적으로 활용할 수 있는 조건을 갖추었다. SPOT에 탑재된 영상 센서는 모두 종주사(pushbroom scanning 방식으로 Landsat의 횡주사 방식보다 안정적인 센서 구조와 양질의 영상신호를 얻을 수 있다. 그러나SPOT 영상의 촬영은 G0km로 Landsat의 185km에 비하여 상대적으로 좁은데, 촬영폭을 넓히기 위하여 두 대의 센서를 장착하여 최대 117km의 촬영폭이 되도록 했다
두 대의 다중분광센서를 동시에 사용하면 연직촬영의 경우 26일 주기로 동일 지역을 반복 촬영할 수 있다. Landsat 연직촬영만 가능하지만, SPOT은 위성의 자세를 비스듬히 기울여 궤도 좌우의 지역을 촬영할 수 있는 사각촬영(off-nadir viewing) 능력을 갖추었기 때문에, 동일 지역을 5일 이내에 반복하여 촬영할 수 있다. SPOT-4, 5호에 탑재했던 VEGETATION 센서는 전 지구 규모의 식생 모니터링을 위하여 촬영폭을 2200km로 넓게 하여 지구의 대부분 지역을 매일 촬영할 수 있도록 했다.

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SPOT 영상의 종류와 특징

SPOT은 현재까지 7기의 위성을 발사했지만, 영상의 사양에 큰 차이가 없다. 표 69는 각 위성에 탑재된 광학센서의 특징을 보여주는데, 4호 및 5호 위성에서 촬영했던 VEGETATION 영상을 제외한 광학영상은 차츰 공간 해상도를 향상시킨 점을 제외하면 비슷한 사양을 유지하고 있다. SPOT 영상은 Landsat 영상과 구별되는 두 가지 큰 특징을 가지고 있는데, 첫 번째는 공간해상도를 높이기 위하여 고해상도 전정색 밴드를 포함했으며, 두 번째는 지형도 제작을 위한 입체영상 촬영이 가능하다는 점이다.
SPOT-1, 2, 3호에 탑재된 HRV(Ligh Resolution Visible> 센서는 20m의 공간해상도를 가진 3개의 다중분광밴드(근적외선, 적색, 녹색광 영역)와 공간해상도를 10m로 높인 하나의 전정색 밴드로 구성된다. 공간해상도를 달리하여 밴드를 구성한 이유는 영상의 광학적 품질을 유지하기 위하여 공간해상도와 분광해상도를 절충했기 때문이다. SPOT-4호의 HRVIR(High Resolution Visible and Infrared)과 5호 위성의 HRG(High Resolution Geometric), 그리고 6호 및 7호위성의 NAOMI(New AstroSat Optical Modular Instrument)에서 모두 해상도가 높은 전정색 밴드와해상도를 낮춘 다중분광밴드를 가지고 있다.
SPOT HRV 영상이 공급되면서 해상도가 높은 전정색영상과 해상도가 낮은 다중분광영상을 합성하여, 두 영상의 장점을 모두 갖도록 하는 영상융합 기법이 개발되었다. 10m 고해상도의 전정색영상과 20m 해상도의 다중분광영상을 치리하여, 10m 해상도를 갖는 다중분광영상으로 합성할 수 있다. 이러한 영상융합 기법은 전정색영상을 이용하여 해상도가 낮은 컬러영상을 선명하게 만든다는 의미로 pan-sharpening이라고도 한다. SPOT과 같이 공간해상도를 이원화하여 고해상도 전정색 밴드와 저해상도 다중분광밴드로 나누어 영상을 촬영하는 방식은 이후 발사된 다른 위성에서도 많이 채택되었다. Landsat-7호의 ETM+를 비롯하여, 2000년대부터 발사한 대부분의 고해상도 광학영상센서는 SPOT과 유사한 밴드 구성을 가진다.
SPOT-1, 2. 3호의 HRV는 연직선에서 좌우로 27까지 기울여서 촬영할 수 있는 사각촬영 기능을 이용하면 동일 지역을 반복하여 촬영할 수 있는 주기를 5일 이내로 단축할 수 있다. 연직촬영의 경우 촬영폭의 제한으로 동일 지역을 다시 촬영하려면 26일이 소요되지만, 사각촬영 기능을 적용할 경우 지상의 궤도에서 좌우로 수백 km 벗어난 지역의 촬영이 가능하다. SPOT의 사각촬영기능은 촬영기 단축뿐만 아니라, 동일 지역을 다른 각도에서 촬영하여 입체영상을 얻을 수 있다. 그림 7에서 보듯이 궤도 A에서 촬영한 지역을 궤도 B에서 반복하여 촬영할 경우, 두 궤도에서 촬영된 영상은 관측각도가 다른 한 쌍의 입체영상이 된다. SPOT 입체영상을 토대로 육안에 의한 입체 판독으로 제작하던 지형도를 컴퓨터 영상처리기법으로 3차원 수치고도자료 (DEM)를 자동으로 추출하고 지형도를 제작하는 수치사진측량 기술 개발이 시작되었다.
SPOT-4호에 탑재한 HRVIR은 기존의 HRV과 거의 동일한 사양을 가지고 있지만, 단파적외선(1.58~1.75μm) 밴드를 추가했다. 단과적외선 파장은 식물 및 토양의 수분함량에 민감하게 반응하므로 식생 상태 모니터링과 광물 탐지에 주로 이용된다. SPOT-5호 HRG 역시 4호 HRVIR동일한 단과적외선 밴드를 포함하고 있으며, 또한 기존의 HRV 및 HRVIR보다 뛰어난 공간해상도를 갖는다. HRG는 2.5m 공간해상도의 전정색영상과 10m 공간해상도의 다중분광영상을 촬영한다.
SPOT-5호 위성이 발사된 2002년에는 이미 상업위성이 1m급의 고해상도의 광학위성을 공급하는 시점이었기 때문에, 이후에 발사한 SPOT-6, 7호에 탑재한 NAOMI 센서는 기존의 SPOT 센서와 동일한 촬영폭을 유지하면서, 공간해상도를 높여서 고해상도 상업위성과 대등한 수준의 영상을 촬영한다. NAOMI는 최고 1.5m 해상도의 전정색영상과 6m 해상도의 다중분광영상을 촬영한다. NAOMI는 4, 5호 위성에서 제공했던 단파적외선 밴드는 제외하고 자연색 합성에 필요한 청색광(0.45~0.52μm) 밴드를 추가했다. SPOT-6, 7호는 프랑스와 유럽항공우주국의 지원 없이 민간상업위성으로 개발했다. SPOT-6, 7호는 또한 50m급 고해상도 광학영상을 공급하는 프랑스의 민간상업위성과 연계하여 운영하기 위하여 이 위성과 동일한 궤도에서 영상을 촬영하고 있다.
SPOT VEGETATION과 Sentinel-2
SPOT은 영상 판매를 목적으로 한 상업용 위성을 표방했지만, SPOT-4, 5호에 탑재한 VEGETATION또는 VMI(Vegetation Monitoring Instrument)는 농업, 산림, 환경 모니터링 등 공공 목적에 부합하는 센서다. VEGETATION은 프랑스 유럽연합, 벨기에, 이탈리아, 스웨덴 등이 공동으로 개발했으며, 영상 및 활용산출물은 비교적 저렴한 비용으로 공급했다. VEGETATION 영상은 AVHRR 및MODIS와 유사하게 1.15km의 공간해상도로 지구 전역을 거의 매일 촬영할 수 있도록 넓은 촬영폭을 갖고 있다. VEGETATION은 청색광, 적색광, 근적외선, 단파적외선의 4개 분광밴드를 가지고 있으며, 원 영상보다 주로 식생지수를 비롯한 활용산출물 형태로 이용한다. 2015년 SPOT-5호위성의 수명이 종료됨에 따라 VEGETATION 영상의 공급은 끝났지만, 농지 및 산림 모니터링의 중요성을 감안하여 Sentinel-2 위성을 이용하여 식생 모니터링 프로그램을 지속하고 있다.
Sentinel 위성은 유럽연합이 공동으로 추진하는 지구환경 및 안전 모니터링(Global Monitoring for Environment and Security) 사업으로 유럽의 오래된 지구관측위성들을 대체하고자 추진 중이다. Sentinel 위성은 대기, 해양, 육지 등 관측 분야에 따라 구별되는데, Sentinel-2 위성은 농업 및 산림 모니터링을 위하여 개발했다. 2015년에 발사된 Sentinel-2A와 2017년에 발사된 Sentinel-2B의 두 기 위성을 동시에 운영하여, 빠른 촬영주기로 농림업 분야에 특화된 중해상도 광학영상을 공급하고 있다.
Landsat 및 SPOT과 같은 중해상도 위성이 유지 관측을 주목적으로 개발되어 운영되지만, 농업 및 산림 등 식생 모니터링에 특화된 위성으로 개발된 사례는 Sentinel-2가 처음이라고 할 수 있다. Sentinel-2 위성영상의 특징은 비교적 높은 공간해상도를 유지하면서 촬영주기를 단축하기 위하여 촬영폭을 290km까지 확장한 점이다. Landsat이나 SPOT 영상과 대등한 공간해상도를 갖지만, 촬영폭을 넓히고 위성 2기를 동시에 운영하여 촬영기를 5일로 단축했다.
Sentinel-2의 전자광학 탑재체는 13개의 분광밴드로 구성되어 가시광선 및 근적외선 밴드는 10m 공간해상도 단파적외선 밴드와 적색경계(red-edge) 밴드는 20m 공간해상도로 촬영한다. 단과적외선 밴드의 검출기는 과거 열적외선 밴드에서 사용했던 HyCdTe 계열의 검출기인데, Cd(cadmium)의 함량이 높아지면 감지하는 과장이 짧아지는 성질을 이용하여 단파적외선 검출기로 사용했다. Sentinel-2는 적도지역은 5일 그리고 유럽을 비롯한 중위도 지역은 2~3일마다 동일 지역을 반복할 영할 수 있다. Sentinel-2 위성은 단순히 영상자료만을 공급하는 단계에서 벗어나 농업 및 산림 분야 사용자가 직접 이용할 수 있는 식생지수 등 여러 가지 산출물을 제공하고 있다.