원격탐사의 기초 1-1

 

1.3 전자기파

전자기파는 파장이 짧은(감마선과 X-선)과 긴 파장을 가진(마이크로웨이브파와 방송라디오파) 다양한 스펙트럼으로 구성되어 있다. 이 중에서 원격탐사에 사용되는 범위는 여러 가지가 있다.

가장 일반적인 경우, 자외선이 원격탐사에 이용되고 있는 가장 짧은 파장의 전자기파이다. 이 파장은 가시광선의 보라색을 넘어서는 부분에 위치해 있기 때문에 이러한 이름이 붙여졌다. 지구표면에 바위나 광물 같은 물질들은 자외선을 받으면, 형광색이나 가시광선을 배출하기도 한다.

우리의 눈 – 우리의 원격센서 – 은 이러한 스펙트럼 중 오직 가시광선인 부분만 인지할 수 잇다. 여기서 중요한 사실은 이 넓은 스펙트럼 중 아주 일부분만이 우리가 인식하고 있다는 사실이다. 즉 우리 주변에는 우리가 인식하지 못하는 아주 많은 광선들이 존재하며, 이러한 광선들은 오직 다른 종류의 센서만을 통해서 인지할 수 있는 것이다. 우리의 눈으로 인지할 수 있는 범위는 약 0.4에서 0.7μm.으로 가장 긴 파장을 가진 것은 적색이며, 가장 짧은 파장을 가진 것은 보라색이다. 우리가 인식할 수 있는 가시광선의 각 색상들의 파장은 아래와 같다. 여기서 이 색상들은 많은 스펙트럼 중에 우리가 인식할 수 있는 아주 일부분이라는 사실이다.

􀂄 Violet: 0.4 - 0.446 μm

􀂄 Blue: 0.446 - 0.500 μm

􀂄 Green: 0.500 - 0.578 μm

􀂄 Yellow: 0.578 - 0.592 μm

􀂄 Orange: 0.592 - 0.620 μm

􀂄 Red: 0.620 - 0.7 μm

청색과 녹색 그리고 적색은 이 가시광선 스펙트럼 중 가장 기본적인 색상 혹은 파장이다. 그 이유는 이 색상들은 다른 어떤 색상의 혼합으로도 만들어 낼 수 없기 때문이다. 그러나 다른 색상의 경우 위 세 가지 색상을 혼합하여 만들어 낼 수 있다. 우리가 태양의 빛을 바라봤을 때 단일한 색상으로 보이지만, 실제로는 이 태양광선에는 자원선, 가시광선, 적외선 등의 여러 스펙트럼의 부분이 포함되어 있는 것이다. 이 광선 중 가시적인 부분은 파장에 따라 굴절율이 달라지는 프리즘을 통해 태양광을 비추었을 때 보이는 색상의 구성으로 확인된다.

1.4 대기와의 상호관계

광선이 지구의 표면에 도착하기 전에 지구 대기권을 통괴 해야 하는데, 이 속에는 많은 입자들과 가스들이 있어 지구에 들어오는 여러 광선에 영향을 줄 수 있다. 이런 현상들은 우리는 분산 (scattering)과 흡수(absorption)라고 부른다.

분산은 전자기파가 대기 중의 입자는 큰 가스분자와 상호 영향을 미처 원래 방향에서 빗겨나가는 현상을 말한다. 이러한 분산이 얼마나 일어나느냐 하는 것은 광선의 파장, 입자나 가스의 존재량 그리고 대기속을 통과하는 광선의 이동거리 등 여러 가지 요인의 영향을 받는다. 이러한 분산에는 3가지 발생형태가 있다.

 

Rayleigh 분산 : 광선의 파장에 비해 입자의 크기가 매우 작을 경우 발생한다. 주로 미세먼지나 질소나 산소분자와 같은 작은 입자에 의해 발생한다. Rayleigh 분산에 의해 짧은 파장의 광선은 긴 파장의 광선으로 변하게 되며, 이 분산은 주로 대기권 상층에서 일어나게 된다.. 낮에 하늘이 파랗게 보이는 것도 사실 이 현상 때문이다. 대기권에 도착한 태양광선 중 파장이 짧은 광선(파란색)은 파장이 긴 광선보다 많이 분산되게 된다. 반대로 일몰이나 일출 같은 경우 태양광선은 낮보다 더 많은 거리를 이동하기 때문에 파장이 짧은 광선은 분산은 덜 되게 되고, 긴 파장의 광선들이 대기권에 더 많이 남게 되어 하늘이 붉게 보이는 것이다.

Mie분산 : 광선의 파장과 입자의 크기가 똑 같을 때 일어나는 분산이다. 먼지, 화분이나 스모그 수증기 같은 물질에 의해 발생하는 분산이다. 이 분산이 큰 입자가 보다 많이 존재하는 대기권의 낮은 부분에서 많이 발생한다.

비선택적 분산 : 이 분산은 광선의 파장에 비해 입자가 매우 큰 경우 발생한다. 물방 울이나 큰 먼지덩어리 등이 이 분산을 일으킨다. 비선택적 분산은 모든 파장이 똑 같이 분산하기 때문이 이러한 이름이 붙여졌다. 이 현상 때문에 파란색, 초록색, 빨간색의 광선이 똑 같은 양으로 분산하므로 구름이나 안개가 하얀색으로 보이는 것이다.

 

흡수는 전저기파가 대기중에 들어왔을 때 발생하는 다른 중요한 메커니즘이다. 분산과는 다르게 이 현상은 대기중의 분자들이 다양한 종류의 파장의 에너지를 흡수하면서 발생한다. 오존, 이산화탄소 그리고 수증기가 이러한 현상을 일으키는 주요한 3가지 대기 구성물질이다.

오존은 대부분의 생물에게 해를 끼치는 자외선을 흡수한다. 만약 오존이 없다면 우리의 피부가 태양광선에 노출된다면 타버릴 것이다.

또한 여러분은 이산화탄소를 온실가스라고 부르는 것을 들어 보았을 것이다. 이것은 이산화탄소는 원적외선 – 주로 열 발생에 관련된 – 부분의 스펙트럼을 강하게 흡수하여 복사열을 지구안에 가두는 역할을 한다. 대기중의 수증기는 긴파장의 적외선부터 마이크로웨이브파까지 다양한 파장의 광선을 흡수한다. (between 22μm and 1m) 대기중의 수증기의 분포량은 위치 및 년중 어는 시기에 따라 매우 달라진다. 일례로 사막지역에서는 수증기가 매우 적어 에너지의 흡수가 매우 어렵고, 반면 열대지방의 경우 높은 습도로 인해 많은 수증기가 집적되어 있다.

 

 

이러한 가스들이 흡수하는 전자기파의 경우 매우 특정한 범위의 스펙트럼 만을 흡수 하기 때문에, 우리는 원격탐사 목적에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 대기중의 흡수에 영향을 받지 않은 지역을 우리는 "대기 창 atmospheric windows"이라고 부르고, 원격탐사에 있어 유용하게 사용한다. 태양과 지구복사라는 두 가지 가장 일반적인 에너지와 복사광의 원천을 비교해 볼 때, 우리는 원격탐사에 있어 가장 효율적인 파장을 알아낼 수 있다. 스펙트럼의 가시광선부분은 대기의 창 부분과 태양광선의 가장 큰 에너지 부분에 해당된다. 또한 지구에서 복사되는 에너지 역시 적외선부분의 10 μm정도의 파장부분에 해당 된다. 반면 1mm를 넘는 파장은 마이크로웨이브 부분과 관련되어 있다.

이제 우리는 전자기파가 그것의 원천으로부터 어떻게 이동을 해오는지에 대해 공부를 했다. 다음은 이 전자기파가 지구표면에 도착하여 어떻게 복사가 되는지에 대해 알아볼 차례이다.

1.5 복사 – 목표물의 상호작용

복사(Radiation)은 대기중에서 흡수 또는 분산되지 않고 지표면에 다달아 지표면과 상호작용을 하는 현상을 말한다. 에너지가 지구표면에 부딪치면서 즉 입사(Incident)할 때 3가지 현상이 발생하는데 이것에는 흡수, 전이와 반사가 있다. 전체 입사에너지는 여러 종류의 표면에서 이러한 3가지의 상호작용에 의해 상호작용을 한다. 이 세가지 종류의 비율은 에너지의 파장과 재료 그리고 피사체의 상태에 의에 달라진다.

흡수는 복사에너지가 목표물에 흡수될 때 발생하며, 전이는 목표물을 통과할 때 발생한다. 반사는 복사가 목표물 부디쳐서 방향을 바꾸는 현상을 말한다. 원격탐사에서 우리의 관심은 목표물에서 반사되는 복사량을 측정하는 것이다. 여기에는 2가지 종류의 반산가 있는데, 여기는 목표물로부터 반사된 에너지가 양 극단적인 방식이다. 이는 거울반사(specular reflection)와 분산 반사(diffuse reflection)의 두종류이다.

표면이 부드러운 경우 우리는 specular또는 거울모양의 반사 – 즉 모든에너지의 한 방향으로 반사하는 형태를 띄게 된다. 분산반사는 표면이 거친 경우 발생하는 반사로 모든 방향으로 불규칙하게 반사가 일어나게 된다. 지구상의 대부분의 표면은 이러한 두 반사형태의 중간정도의 반사가 일어나는 형태로 되어있다. 어떤 특정 대상물이 어떤 방식으로 반사가 일어날 지 혹은 중간형태의 반사가 가 있어날지는 표면의 거침정도와 입사하는 복사광선의 파장과의 관계의 영향을 받는다. 만약 파장이 표면을 구성하고 있는 입자의 크기보다 작다면, 분산반사가 주류를 이룰 것이다. 일례로 매우 고운 모래의 경우 긴 파장을 가진 마이크로웨이브파로 볼껏은 상당히 부드럽게 보이지만, 가시광선 상으로는 매우 거칠게 보인다.

여기서 지구표면 상의 몇가지 물질이 가시광선과 적외선 하에서 어떻게 상호작용을 하는지 알아보자.

잎(Leaves) : 잎에 있는 엽록소라는 화학물질은 가시광선 중 적생광과 청색광은 강하게 흡수하는 반면, 녹색광은 반사를 하게한다. 따라서 우리에게는 이러한 엽록소의 함량이 최대에 이르는 여름철 잎은 가장 녹색으로 보인다. 가을에는 잎에는 엽록소의 함량이 줄어들어 적색광의 흡수량은 줄어들고, 반면 반사광은 늘어나게 되어 잎이 보다 붉거나 노란색으로 보이게 된다. (노란색은 적색광과 녹색광의 조합에 의해 만들어 진다.) 건강한 잎은 근적외선 부분의 파장에서 아주 뛰어난 반사율을 나타낸다. 따라서 만약 우리 눈이 근적외선을 감지할 수 있다면, 나무는 이 파장의 광선에서 아주 밝은 색으로 보일 것이다. 실제로 과학자들은 이러한 현상을 이용, 근적외선 광선을 이용해 식물이 얼마나 건강한지 그렇지 않은지 검증하기도 한다.

수분 : 가시광선이나 근적외선 같은 긴 파장의 광선들은 짧은 파장의 광선들 보다 많이 물에 의해 흡수된다. 따라서 물은 짧은 파장을 가진 파란색이나 청록색의 광선을 많이 반사하기 때문에 푸르게 보이며 적색이나 근적외선 필터를 이용하여 보게되면 더욱 어두워 보이게 된다. 물의 윗 부분에 부유물이 떠 있는 경우 물에의한 반사가 더욱 커져, 더욱 밝게 보이게 된다. 물의 주요한 색상은 긴 파장에서 약간의 이동성을 보인다. 물위의 부유물의 경우 얕고 깨끗한 물에서 더욱 쉽게 분산된다. 이는 이 두 현상이 매우 비슷한 형상을 보이기 때문이다. 물속의 녹조류의 경우 녹색광을 많이 반사시켜 물의 보다 더 녹색으로 보이게 한다. 따라서 녹조류가 많이 있는 물은 더욱 녹색으로 보인다. 물의 표면 형상(거침, 부드러움, 부유물 등)은 광선의 반사 및 기타 색상이나 밝기 등의 요소에 영향을 미쳐 물에 관련된 해석에 많은 어려움을 줄 수 있다.

이때까지 살펴본 바와 같이 우리가 관찰할려는 목표물이 파장과 광선의 종류 등 다양한 요소에 의해 얼마나 다른 흡수와 전이 그리고 반사의 메커니즘을 가지고 있는 지에 대해 공부했다. 우리는 지구표면에 있는 목적물이 다양한 파장의 광선에 의해 반사 또는 방출괸 에너지를 측정함으로서 목적에 대한 공간적인 반응(Spectural response)을 구축할 수 있다. 이러한 반응에 대해 비교를 통해 우리는 단순히 파장의 비교를 통해서만으로 우리가 직접 가서 관찰하지 못하는 목적물 간의 차이를 식별할 수 있다. 일례로 물과 식생의 경우 가시광선의 파장에서는 비슷한 반사의 경향을 보이지만, 적외선으로 관찰할 경우 아주 다르게 보인다. 이러한 공간적인 반응은 같은 종류의 목적물인 경우 또한 시간에 따라서도 차이를 보이는 경우가 있다. 공간적으로 어떻게 보이느냐에 대해서 아는 것과 관심있는 목적물의 공간적인 반응의 영향을 주는 요소를 이해하는 것이 표면에서 일어나는 전자기파 복사의 상호작용을 정확하게 파악하는데 있어 매우 중요한 요소이다.

1.6 Passive 또는 Active 탐사

이제까지의 공부를 통해 에너지와 복사의 원천으로서 태양에 대한 다양한 공부를 했다. 태양은 원격탐사에 있어 매우 간편한 에너지원을 제공한다. 태양에너지는 가시광선으로서 또는 반사될기도 하고, 흡수되기도 하며, 복사되기도 한다. 이처럼 자연적으로 이용 가능한 에너지를 이용하여 원격탐사를 하는 시스템은 Passive Sensor라고 한다. 이 Passive Sensor는 태양처럼 자연적으로 발생하는 에너지를 관측함으로서 이루어 진다. 모든 반사에너지는 태양이 떠 있어 지구표면에 반사를 할 때에만 이루어 진다. 밤에는 이러한 반사가 일어나지 않아 반사에너지가 없다. 하지만 열적외선 같은 천연적으로 발생하는 에너지원의 경우 관측될 때 정도의 충분한 반사량이 있다면 낮과 밤에 모두 다 관측할 수 있다.

Active Sensors는 이와는 다르게 반사를 위한 자체 에너지원을 사용하는 방식이다. 이 센서는 조사하고자 하는 목적물에 광선을 발사한 후, 목표물로부터 반사된 광선을 관측하여, 측정하는 센서를 말한다. Active Sensors의 장점은 시간이나 계절적 제한 없이 언제나 측정이 가능하다는 점에 있다. 또한 Active Sensors는 마이크로파 같은 태양광선에서 충분히 공급되지 않는 광선을 이용하거나, 목표물에서 반사되는 광선을 잘 조정할 수 있는 장점도 있다. 하지만 이런 에너지를 발생시키기 위에서는 많은 에너지가 필요로 하다. 이러한 Active Sensors에는 형광레이져와 synthetic aperture radar (SAR) 등이 있다.

1.7 이미지의 특성

다음 장에 넘어가지 전에 원격탐사 이미지에 관련된 몇 가지 기본적인 용어와 개념에 대해 정의해 보고자 한다.

전자기파에너지는 광학 및 전자적으로 모두 촬영될 수 있다. 광학적 과정은 에너지 변이를 감지 및 저장하기 위해 감광기능이 있는 필름의 표면에 화학적인 작용을 이용하는 것을 말한다. 원격탐사에서 이미지와 사진의 개념을 구분하는 것은 매우 중요하다. 이미지란 전자기파 에너지를 감지하고 저장하기 위해 어떤 파장과 원격탐사장비를 이용했는지에 관하여 관계없이 시각적인 표상을 말한다. 반면 사진이란 광학필림에 기록되고 감지된 이미지들을 의미한다. 아래의 흑백사진은 여러 가지 스펙트럼으로 촬영되어진 캐나다의 오타와이 사진이다. 사진은 주로 가시광선 및 적외선인 0.3 μm 에서 0.9 μm까지의 파장에서 기록된다. 이런 정의에 따르면 모든 사진은 이미지라고 할 수 있지만 모든 이미지는 사진은 아니다. 그러므로 어떤 이미지를 광학적으로 기록했을 때 그것을 이미지라고 부른다.

사진은 또한 요소나 픽셀이라고 불리는 자금마하고 똑 같은 크기의 이미지를 나누어 디지털화된 형식으로 표현될 수 있다. 각 요소들은 밝기의 정도를 나타내는 숫자로 표시된다. 아래의 사진은 이러한 것을 표시한 것이다. 이것은 원래 사진을 표시한 디지털 이미지이다. 사진은 스캔된 후 픽셀로 나뉘어 지고, 각 픽셀은 그 밝기에 따라 특정 숫자를 부여 받는다. 컴퓨터는 이러한 숫자에 따른 여러가지 밝기 수준에 따라 표시하게 된다. 전자기파를 기록하는 센서는 처음부터 디지털 형식을 가진 숫자들에 배열로 에너지를 기록한다. 이렇게 원격탐사의 데이터를 기록하는 두가지 방식은 서로 같은 정보는 가지고 있으며, 상호 교환될 수 있다. (물론 이러한 전환 과정에서 정보의 손실이 발생할 수 도 있다.)

이전에 우리는 스펙트럼의 가시부분과 색상의 개념에 대해 알아보았다, 우리는 우리의 눈ㅇ 전체 가시광선 부분을 인식하고 뇌가 색상을 구분하는 과정을 수행하기 때문에 색상을 인식할 수 있다. 우리가 만약 지금보다 훨씬 좁은 부분의 파장만을 인식할 수 있다면 어떻게 될 지 상상해 보았는가? 바로 이런 일을 센서가 하는 것이다. 이렇게 좁은 범위의 파장으로부터 얻어진 정보는 채널 또는 밴드로 불리우는 곳에 저장이 되게 된다. 우리는 이러한 채널의 정보를 그 밝기의 정도에 따라 3원색(파랑, 초록 그리고 적색)으로 표시할 수 있다. 이러한 삼원색을 여러 비율로 결합함으로서 여러가지 색상을 표현할 수 있다.

우리가 이러한 방식으로 단일 채널이나 파장의 범위를 표시한다면, 우리는 3원색을 가지고 모든 채널을 다 표시할 수 있다. 왜냐하면 각 픽셀의 밝기는 흑백으로 표시된 밝기와 3원색으로 표시된 밝기가 같기 때문이다. 또한 우리가 각각 다른 원색의 하나 이상의 채널을 표시한다면, 밝기의 수준은 채널/원색의 조합에 따라 달라질 것이다. 이에 따라 유색의 이미지가 형성된다.