지구관측위성과 위성영상

항공사진 측량 및 판독을 벗어나 1960년대 초반부터 원격탐사란 용어가 등장했지만, 원격탐사가 독립된 기술 분야로 인식되기 시작한 시점은 지구관측위성의 발사와 함께 한다. 1957년에 세계 최초의 인공위성인 Spurnik가 당시 소련에 의하여 발사된 이후 미국과 소련이 경쟁적으로 많은 인공위성을 발사하였고 인공위성에 카메라를 장착하여 위성 원격탐사의 가능성을 실험했다. 1960년 미국 NASA가 발사한 TIROS(Tdevision Infrared Observation Sarellites) 1호 위성은 최초의 지구관측위성이라고 할 수 있지만, 지구관측 효과가 충분히 입증되지 않은 실험 목적이었다. 이 위성은 기상관측을 위한 위성 운영, 탑재 카메라, 자료처리 및 전송과 관련하여 여러 종류의 실험을 수행했다.

TIROS를 제외하고 1960년대에 발사된 지구관측위성의 대부분은 군사목적의 정찰위성이었으며, 촬영한 영상은 일반에게 공개되지 않았다. 최근에 공개된 이 시기의 위성사진은 필름을 이용하여 촬영한 아날로그 형태의 사진이었다. 1960년대는 인공위성에서 지구 전역의 사진촬영이 가능하고 더 나아가 구름 분포와 같이 지구 표면의 변화를 주기적으로 관측할 수 있다는 가능성을 확인했다.

지난 50년 동안 원격탐사의 발전과 활용에 큰 영향을 미친 주요 지구관측위성의 사양과 특징을 살펴보고자 한다. 지구관측위성에 탑재된 센서의 해상도 작동 방식, 영상자료의 특성을 파악하는 것은 원격탐사 기술의 활용과 향후 기술 개발에 있어서 매우 중요한 사항이다. 본 장에서는 주로 유럽우주국 ESA에서 운영하는 온라인 지구관측위성 데이터베이스(coPortal)를 참조하여 주요 위성에 관한 특징과 탑재체 사양에 관한 자료를 얻었다. 국가적인 지구관측위성 사업이 활발히 진행 중인 한국의 원격탐사 위성사업의 현황을 소개하고 향후 위성 원격탐사 기술의 전망을 살펴보고자 한다.

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지구관측위성의 분류와 현황

1957년 인류 최초의 인공위성이 발사된 이래 수많은 인공위성이 경쟁적으로 발사되었으며, 현재도 많은 위성이 지구궤도를 돌고 있다. 인공위성은 지구관측, 통신, 기상, 과학, 군사 등 다양한 분야에서 우리 생활에 밀접한 영향을 미치고 있다. 본 장에서는 현재 지구궤도에서 운영 중인 지구관측위성의 현황을 살펴보고자 한다.

지구관측위성의 분류 기준

지구관측위성은 육지, 해양, 대기를 주된 관측 대상으로 한다. 군사 목적의 정찰위성이나 기상위성은 포괄적 의미에서 지구관측위성으로 분류될 수 있으나, 촬영 지역과 사용자가 제한적이므로 별도로 분류되기도 한다. 지구관측위성의 종류와 숫자는 매년 증가하고 있다. 지구관측위성의 분류에 엄격한 기준은 없지만, 표 1에 열거한 네 가지 기준에 따라서 지구관측위성의 특징을 구분하는 경우가 많다.

 

지구관측위성의 분류 기준

탑재센서:

전자광학센서: 마이크로센서 다중분광센서 열적외선센서 초분광센서 영상레이더(위성 예: Landsat NOAA EnMAP RADARSAT)

마이크로센서 :수동 마이크로파센서(위성 예: TRMM)

영상의 공간해상도:

중해상도(SPOT) 저해상도(Aqua, Terra) 고해상도(IKONOS)

주요 관측 대상:

육상관측(Landsat, Sentinel-2) 해양관측(SEASAT) 대기관측(NOAA)

인공위성 운영:

공공위성(KOMPSAT) 상업위성(Worldview) 군사위성(KH)

 

지구관측위성은 지구 촬영이 주목적이므로, 위성에 탑재된 센서의 종류와 특성에 따라 위성을 구분한다. 초기 정찰위성은 필름을 이용하는 카메라를 탑재하기도 했지만, 1970년대 이후의 위성 탑재체는 대부분 전자광학센서와 마이크로파센서로 대체되었다. 전자광학센서가 가장 보편적인 탑재체지만, 이를 세분화하여 다중분광센서, 열적외선센서 초분광센서로 구분하기도 한다. 가장 많은 위성이 다중분광센서를 탑재하고 있지만, 종종 다중분광센서에 열적외선 밴드를 포함하는 경우도 있다. 사실 열적외선 센서만을 탑재한 위성은 매우 드물며, 대부분 다중분광센서에 열적외선 밴드를 포함한 형태다. 가령 NOAA 위성에 탑재된 AVHRR은 5개 밴드를 가진 다중분광센서로 분류되지만, 5개 밴드 중 3개가 열적외선 밴드다. 초분광센서는 수백 개의 분광밴드 영상을 촬영할 수 있어 기존의 다중분광센서와 구별되지만, 이를 탑재한 위성은 아직까지 매우 드물다. 마이크로파센서를 탑재한 위성은 영상레이더와 수동 마이크로파 복사계로 나눌 수 있다. 경우에 따라서 위성 한 기에 여러 종류의 센서를 탑재하는 경우도 있다. 유럽우주국에서 처음 발사한 지구관추위성인 ERS-1은 영상레이더와 수동 마이크로파 검출기를 모두 탑재했으며, 일본 JERS-1은 전자광학센서와 영상레이더를 모두 탑재했었다.

지구관측위성은 영상의 공간 해상도에 따라 분류되기도 한다. 공간해상도가 수십 미터급인 중해상도 영상은 활용 범위가 다양하여 가장 일찍부터 개발되었고, 현재도 많은 위성이 중해상도영상을 촬영하고 있다. 공간해상도가 미터급인 고해상도 위성은 민간업체에서 상업용으로 시작했으나, 현재는 한국을 비롯하여 여러 나라에서 공공위성으로 고해상도 영상을 촬영하고 있다. 공간 해상도가 수백 미터 또는 킬로미터인 저해상도 위성은 지구 전역을 하루에 촬영할 수 있기 때문에, 전 지구 규모의 해양, 대기 환경 관측을 위한 용도로 널리 사용된다. 기상 위성도 주 관측대상이 구름과 대기이므로 수 킬로미터의 낮은 공간 해상도를 가지고 있기 때문에, 이 범주로 분류할 수 있다.

극궤도 위성은 지구 전역을 촬영할 수 있지만, 주 관측 대상에 따라 크게 육상관측, 해양관측, 대기관측 위성으로 나눈다. 최초의 민간 지구관측위성인 Landsat은 Land와 satellite를 합성한 이름에서 알 수 있듯이, 육상관측을 주목적으로 개발한 위성이다. 마찬가지로 해양관측을 목적으로 개발한 SEASAT 위성이 있다. 모든 기상위성 및 NOAA 위성은 대기관측이 주목적이다. 그러나 각 위성마다 주된 관측 대상을 갖고 있지만, 발사 후 원래 목적과 달리 육지, 해양, 대기를 모두 포함하여 폭넓게 활용되는 경우도 많다. 가령 NOAA 위성의 AVHRR 영상은 해양 및 대기 관측을 주목적으로 발사하여 해수면 온도를 포함한 해양 분야에서 많이 활용되었으나, 육상 분야에서도식생지수를 이용하여 전 지구 규모의 식물 상태를 분석하는 데 많이 활용했다.

지구관측위성의 대부분은 미국, 유럽, 일본, 인도 등 각국의 국가기관에서 실험 또는 공공의 목적으로 발사했으며, 인공위성의 운영과 자료 공급 또한 국가기관에서 담당하고 있다. 한국에서 발사한 원격탐사 위성도 모두 국가 예산으로 제작하여 발사 운영하고 있다. 그러나 위성영상의 활용이 증가하고 특히 고해상도 위성영상의 상업적 가치 때문에 민간기업이 위성 및 탑재체 제작, 위성 발사, 위성영상의 판매를 모두 담당하는 상업용 지구관측위성이 증가하고 있다. 상업용 위성의 대부분은 고해상도 위성영상을 사용자가 원하는 지역 및 시기에 맞추어 촬영해야 하므로 다수의 소형 위성으로 운영하는 추세다. 군사위성은 공공위성과 마찬가지로 국가에 의하여 운영되지만, 영상의 배포와 활용이 제한되므로 민간 원격탐사에는 거의 사용하지 않는다. 그러나 상업위성을 포함하여 고해상도 영상을 촬영하는 많은 위성들이 군사목적으로 활용되기도 한다.