토양과 광물 , 지형학의 원격탐사

4 조 길소영 , 김호연 , 송지훈 , 이경호 , 조준현

4 조 길소영

Jensen, 2000Jensen, 2000

•지구표면의 74% 는 내륙해수 , 호소 , 저수지 , 하천 등을 포함하여 물이 차지하며 , 26% 만이 땅이다 . 극소수의 사람들만이 배 또는 물에 위치한 구조물에서 살고 있으며 , 거의 대부분은 암석 (bedrock) 으로 이루어진 땅 그리고 소위 ‘흙’이라고 부르는 풍화된 암석 위에서 살아가고 있다 .

•원격탐사는 지표면이 식물로 덮여 있지 않은 경우에 한해서 토양의 식별 , 목록작성 및 지도작성 등이 가능하다 .

•원격탐사는 여러 수문모델의 생물 ·물리적 정보를 제공함으로써 토양침식 모델링이 가능하도록 해준다 .

•원격탐사는 암석과 광물들의 화학적 조성에 대한 정보를 제공할 수 있다 . 또한 , 영상 분광학 기술을 사용하면 암석과 광물의 고유한 형태와 관련된 특정 흡수밴드를 파악할 수도 있다 .

토양과 광물 , 지형학의 원격탐사


•< 토양특성과 분류법 >

•토양은 지표면에서부터 최대 약 200cm 깊이 사이에 존재하는 풍화된 물질이다 .

•토양은 다양한 크기와 성분을 가진 무기질 광물입자와 유기물들의 혼합물이다 . 이러한 입자들이 토양 체적의 약 50% 를 구성하고 있다 . 나머지는 공기와 물로 채워지는 공극이다 .

중력수의 이동과 지하수의 모관수분 이동이 자유롭게 이루어지는 수직적 띠를 구성하게 되는데 , 이를 “토양층위”라 한다 .


•< 토립자 크기와 구조 >

•토립자는 일반적으로 사질 , 실트질 , 점토질의 세 가지 분류등급이 있다 .

모래 : 토립자 직경 0.05 - 2.0mm / 사질입자가 큰 비율을 구성하는 토양

실트 : 토립자 직경 0.002 – 0.05mm / 실트질입자가 큰 비율을 구성하는 토양

점토 : 토립자 직경 0.002mm 미만 / 점토질입자의 크기에 의해서 특성이

지배되는 토양


•이처럼 토양층은 모래 , 실트 , 점토와 같은 입자들을 다양한 비율로 포함하고 있다 . 토양구조는 토양에 있어서 모래 , 실트 , 점토의 상대적인 구성비율로 나타낸다 . 전형적인 토양구조는 구성입자들을 크기별로 등급화 하여 이들 각각을 중량백분율로 나타낸다 .


•이론적으로는 항공기 또는 위성에 탑재된 센서가 기록하는 노출토양으로부터의 총 용승 복사휘도 Lt 는 그림에 표시한 근원으로부터의 전자기에너지의 함수이다 .

•Lt = LP+LS+LV


< 토양의 분광반사특성은 다음의 몇 개의 중요한 특성들의 함수이다 >

•토양 조직 ( 모래 , 실트 , 점토의 구성비율 )

•토양 함수량 ( 예를 들어 , 건조 , 습윤 , 포화 )

•유기물 함량

•산화철 함량

•표면 조도

< 건조한 실트질과 사질 토양에 대한 현장 분광복사계의 복사곡선이다 . 가시 , 근 ·중 적외선

영역에서 , 파장이 증가할수록 반사율이 증가하는 특징이 있다 .>


•입사 복사에너지는 건조토양의 표면으로부터 반사되거나 , 토립자 속으로 투과하여 흡수되거나 산란될 수 있다 . 토양에서 방출되는 총 반사는 거울반사와 내부 용적반사의 함수이다 .

•토양수분이 증가하게 되면 각 입자는 모관수에 의하여 얇은 막을 형성하며 , 공극은 물로 채워질 수 있다 . 토양의 함수량이 커질수록 입사 전자기 에너지 흡수는 커지고 토양 반사율은 낮아지게 된다 .


•사토 (a) 와 점토 (b) 에서 함수량이 높으면 가시 및 특히 1.4 , 1.9 와 2.7μm 의 물 흡수대인 근 · 중 적외선 구역에서 반사율이 감소한다 .


사토

점토

• 0 – 100% 의 유기물 변화에 따른 토양의 반사특성을 나타냄 .

•토양 상부에 유기물 함량이 많을수록 입사 에너지의 흡수는 커지고 분광반사는 작아진다 .


•일반적으로 산화철이 존재하면 스펙트럼의 적색부분에서 반사율이 증가된다 . 산화철 토양과 산화철을 함유하고 있지 않은 사양토를 비교하면 850 – 900nm 영역에서 흡수형태가 크게 다르다 .


4 조 조준현

암석과 광물에 연관된 원격탐사

•• 암석이란 입자들이 상호 연결되거나 또는 다양한 형태의 시멘트 ( 일반적으로

규소 또는 칼슘 카보네이트 ) 결합으로 이루어진 광물들의 집합이다 .

최소한의 식생과 토양만이 존재하여 원격탐사 시스템으로 암석이 직접 관측되는

경우는 암석의 종류를 구별할 수 있으며 , 이들의 특성과 관련된 정보들을 획득

할 수 있을 것이다 . 대부분의 암석표면은 여러 종류의 광물들로 구성되어 있다 .


ClarkClark (1999) (1999) 은 다음과 같이 은 다음과 같이 HapkeHapke(1993)(1993) 의 방정식에 기초하여 단일 의 방정식에 기초하여 단일

광물이나 복합 광물로 구성된 암석의 반사에 대한 모델링이 광물이나 복합 광물로 구성된 암석의 반사에 대한 모델링이

가능하다고 제안하였다가능하다고 제안하였다 ::

rr = [[(= [[(w’w’//44) x () x ( / / + + oo)] x [(1+)] x [(1+BBgg))PPgg + + H H H H o o-1-1]]

여기서여기서 rr 파장파장일일일일일일일일일일 , , uuoo 는 광물이나 암석 입사광의 코사인각는 광물이나 암석 입사광의 코사인각 , ,

방사광의 코사인각방사광의 코사인각 , , gg 는 위상각는 위상각 , , w’w’ 는 광물이나 암석의 평균 는 광물이나 암석의 평균

단일산란율단일산란율 , , BBgg 후방산람함수후방산람함수 ,, PPgg 는 평균 단일입자 위상함수는 평균 단일입자 위상함수 , , HH 는 는

등방성 산란함수이다등방성 산란함수이다 ..


다양한 흡수과정 다양한 흡수과정 (e.g., electronic and vibrational)(e.g., electronic and vibrational) 과 이에 해당하는 각 파장은 과 이에 해당하는 각 파장은

광물의 반사 및 방사 에너지로부터 이들의 화학적 특성과 관련된 정보를 추출할 광물의 반사 및 방사 에너지로부터 이들의 화학적 특성과 관련된 정보를 추출할

수 있게 해준다수 있게 해준다 . . 현재로서는 이미지 분광계가 현장에서 사용하는 분광복사계와 현재로서는 이미지 분광계가 현장에서 사용하는 분광복사계와

유사하게 흡수 정보의 대부분을 기록할 수 있기 때문에 가장 이상적인 센서로 유사하게 흡수 정보의 대부분을 기록할 수 있기 때문에 가장 이상적인 센서로

알려져 있다알려져 있다 ..

모든 물질은 복잡한 모든 물질은 복잡한 굴절지수굴절지수 ((index of refractionindex of refraction ) ) 를 를 가진다가진다 ..

광자를 평면에 입사시키면광자를 평면에 입사시키면 , , 광광 ((RR)) 은 은 FresnelFresnel 의 방정식의 방정식에 에 의하여 반사될 것이의하여 반사될 것이

다다 ..

RR = [( = [(nn - 1) - 1)22 + + KK22]/ [(]/ [(nn + 1) + 1)22 + + KK22]]

여기서여기서 nn 은 굴절지수은 굴절지수 (index of refraction), K(index of refraction), K 는 흡광계수는 흡광계수 (extinction coefficient) (extinction coefficient)

이다이다 ..


AVIRISAVIRIS 와 실험실에서 추출된 세 와 실험실에서 추출된 세 가지 광물의 스펙트럼 곡선가지 광물의 스펙트럼 곡선

(after Van der Meer, 1994)(after Van der Meer, 1994)



NV Cuprite, NV Cuprite, 지역을 관측한 낮은 지역을 관측한 낮은 고도고도 (3.9 km AGL) (3.9 km AGL) 와 높은고도의와 높은고도의 (20 km AGL) AVIRIS (20 km AGL) AVIRIS 자료로부터 자료로부터

추출한 두장의 광물지도추출한 두장의 광물지도 June 18, 1998June 18, 1998


명반석에 대한 실험실 스펙트럼명반석에 대한 실험실 스펙트럼 , landsat TM , landsat TM 스펙트럼스펙트럼 , 63-, 63-Channel Channel 스펙트럼의 비교스펙트럼의 비교



6-16 6-16 m m 파장에서 석영의 파장에서 석영의 굴절계수와 흡광계수굴절계수와 흡광계수 ..

분광복사계로 측정된 분광복사계로 측정된 석영가루의 스펙트럼 석영가루의 스펙트럼

반사특성 반사특성 (after Clark, 1999)(after Clark, 1999)



지질학과 지형학의 원격탐사

지질학자들은 원격탐사자료를 현장조사자료와 병행하여 암석의 유형지질학자들은 원격탐사자료를 현장조사자료와 병행하여 암석의 유형 (( 기원기원 ))

을 규명하는 암석학에 사용한다을 규명하는 암석학에 사용한다 . . 다양한 암석의 형태는 다음의 세 가지 과정 다양한 암석의 형태는 다음의 세 가지 과정

중에서 한가지로 형성된다중에서 한가지로 형성된다 ..

•• igneous rocks igneous rocks 즉 화성암은 용해된 물질로부터 형성된다즉 화성암은 용해된 물질로부터 형성된다 ..

• • sedimentary rocks sedimentary rocks 즉 퇴적암은 다음 암석이나 동즉 퇴적암은 다음 암석이나 동 , , 식물의 입자들로 식물의 입자들로

형성된다형성된다 ..

• • metamorphic rocks metamorphic rocks 기존의 암석에 열이나 압력이 가해짐으로써 형성된다기존의 암석에 열이나 압력이 가해짐으로써 형성된다 ..


지질학자 , 물리지리학자 등은 지구 표면의 지형적인 특징을 규명하고 해석하기 위하여 원격탐사자료를 개략적인 관점에서 사용함 .원격탐사를 이용 많은 지형들은 크기 , 모양 , 높이 , 3 차원적 지형 , 배치 , 경사 , 방향 등과 같이 관찰이 가능하고 , 반복적인 속성을 보인다 .

- 배수밀도 및 형태- 화성암 지형 (igneous landforms)- 수평층에서 발달된 지형 (landforms developed on horizontal strata)- 습곡층에서 발달된 지형 (landforms developed on folded strata)- 단층지배 지형 (fault-controlled landforms)- 하천에 의해 형성된 지형 (fluvial landforms)- 카르스트 지형 (karst landforms)- 해안선 지형 (shoreline landforms)- 빙하 지형 (glacial landforms)- 풍화 지형 (eolian landforms)

지형학 (geomorphology)

4 조 김호연

배수밀도 및 형태배수밀도 및 형태

지구의 경관은 다양한 하천의 밀도와 형태를 가지고 이루어져 있는

데 , 원격탐사 자료를 이용하면 이를 확인 할 수 있다 .

배수밀도 (D) 는 유역에서 하천의 총 길이 (L) 를 유역면적 (A) 으로

나눈 것 이다 .

토양이나 암석의 투수 ( 물이 물질을 투과하는 정도 ) 는 배수밀도와

밀접한 관련이 있다 .

투수는 유출과 반비례한다 .

투수율이 낮고 유출이 많으면 , 일반적으로 많은 구곡 (gully) 이

형성된다 . 반대로 투수율이 높고 유출이 적으면 , 많은 물이

땅속으로 침투하기 때문에 이러한 지역은 하천 ( 지류 ) 의 생성과

유지를 위해서는 충분한 유출이 필요하다 .

배수형태배수형태

직교형수지상형 격자형


환상형평행형 방사 /원심형


맥관형분기형 망상형

화성암지형

유동적인 마그마에 의해서 생성된 마그마가 위로 분출 시 화성암이 생성되며 표면아래에서 생성시 관입 화성암이 생성된다 .

1960년 6 월 24일에 획득한 아이다호 남부의 Menan Butte 분석구 화산의 흑백영상


a.a.

b.b.


화성암지형

a. 갈라파고스 섬 중 하나인 Isla Isabela 의 3파원 원근투시도

b. 1981년 8 월 6일 , 워싱턴 Mount Helens의 지질조사국 고도사진 입체영상

a.a.

b.b.


화성암지형

a. 1953년 9 월 15일에 획득된 와이오밍 Devil’s Tower 화상암경의 흑백 입체영상 .

b. 지리적 단면 .

4 조 이경호

수평층에 발달된 지형


- 이암 (mudstone) : 대개 홍수범람지역 , 호수 또는 깊은 해양에 퇴적되는

눈으로는 판 별할 수 없는 아주 고운 퇴적물로 구성되어 있다 .

- 사암 (sandstone) : 2mm 정도 크기의 입자를 가지고 있고 흑백사진에서

어두운 색으로 나타나는데 사막에 노출되는 광맥 은 종종 밝은 색을 띄게 된다 .

- 석회암 (limestone) : 탄산칼슘으로부터 형성되며 습한 환경에서는

석회석이 용해되면서 생성된 카르스트 지형을 볼 수 있다 .

- 혈암 (shale) : 세구조 - 중구조 엽상형 배수형태를 띠게 되는데 혈암은

일반적으로 흑백영상에서 밝은 색으로 보인다 .

지층의 경사가 지형의 발달에 크게 영향을 주지 않았을 때를 수평을 이룬다고 말함 . 암석의 형태 , 부식성 , 지역 강우량 등이 지형을 형성하는데 큰 역할을 한다 .

습곡 과 단층지배지형

암석의 형태는 그 암석이 서로 다른 압축암석의 형태는 그 암석이 서로 다른 압축 (or compression) (or compression) 에 얼마나 에 얼마나

견디느냐에 따라 결정된다견디느냐에 따라 결정된다 . : . :

1) 1) 압력이 제거되어 원래의 모양과 크기로 돌아가는 압력이 제거되어 원래의 모양과 크기로 돌아가는 탄성변형탄성변형 (elastic (elastic

deformationdeformation))

2) 2) 원래의 형태로 되돌아가지 못하는 “습곡”이라고 불리는 원래의 형태로 되돌아가지 못하는 “습곡”이라고 불리는 소성변형소성변형 ((plastic plastic

deformation)deformation)

3) 3) 소성한계를 넘어서 암석이 깨지는 소성한계를 넘어서 암석이 깨지는 균열현상균열현상 ((fracturingfracturing)) 이 있다이 있다 이 이

결과는 단층이 형성되는 과정을 말한다결과는 단층이 형성되는 과정을 말한다 ..


a.a.

b.b.

습곡이 발달된 지형

지각변동은 궁극적으로 수평의 퇴적암 또는 변성암으로 이루어진 층들을 경사지게 또는 습곡형태로 만든다 .

a. 그랜드캐년의 흑백입체영상 (지형의 융기로 형성 )

b. 애리조나주 그랜드캐년의 지질학적 층상구조


콜로라도강

a.a.

b.b.

습곡에 발달된 지형

a. 와이오밍 Maverick Spring 근처의 습곡 침식지형을 USGS High Altitude Photography(HAP) 로 본 영상

b. HAP 로 관측된 PA Tyrone 근처의 Appalachian 산맥의 향사계곡

습곡에 발달된 지형

유타 남부 SAN RAFAEL 구릉의 LANDSAT TM 밴드 4 영상

( 융기부분 - 사암 )

( 침식부분 - 셰일 )

Θ : 침하각

H : 연직거리

D : 수평거리

단층지배 지형

단층의 이동에는 경사이동 , 주향이동 , 사교이동 세가지의 주요형태가 있다 .

a. 정단층

b. 역단층

c. 쓰러스트

d. 지구

e. 지루

a. 유타주 Springvill 의 동부와 Spanish Fork 에 있는 Wasatch 산맥을 따라 분포된 Wasatch단층의 Landsat TM 밴드 4 영상 ( 정단층 )

하천에 의해 형성된 지형

하천지형은 풍화 , 침식 , 그리고 물의 흐름에 의한 운반 및 퇴적작용에 의해서 형성된다 .

하천지형의 종류로는 계곡 , 우각호 , 범람원 , 하안단두 , 삼각주 , 선상지 , 완사면 , 사막지역의 분지가 있다 .


미시시피강 미국

나일강 , 이집트

나이저 강 삼각주 , 아프리카

이라와디강 삼각주 , 미얀마

Bird’s foot삼각주

Lobate삼각주

Lobate삼각주 Crenulate 삼각주


a. 많은 유출구와 이들에 의한 자연제방들로 구성된 미시시피강 새발 모양의 elonggated 삼각주를 Space Shuttle 로 본 사진

b. 아프리카 Guniea 만으로 흘러 들어가는 나이저강의 lobate 삼각주를 Space Shuttle 로 본 사진

c. 이집트 나일강의 lobate 삼각주에 대한 SeaWiFS 영상

d. 근적외 영상에 의한 버마이라와디강의 Crenulate 삼각주

Salton Salton 해해

Little San Little San Barnadino Barnadino

산맥산맥

충적 충적 선상지선상지

캘리포니아 캘리포니아 인공수로인공수로

충적 충적 선상지선상지

완사면완사면

완사면완사면

분지분지 White White 산산

Chocolate Chocolate 산산


a. 캘리포니아 Salton 해 북동쪽에 위치한 Little San Bernadino 산맥과 Chocolate 산 사이에 형성된 선상지 (Landsat TM 밴드 4)

b. 캘리포니아 Death 계곡의 북서쪽에 위치하는 White 산맥 부근에서 형성된 커다란 선상지


카르스트 지형

석회암에서 생성된 지형

지표아래의 웅덩이가 붕괴되거나 , 지표에서부터 아래쪽으로 석회암이 용해되면서 형성된 함몰지형을 돌리네라고 한다 .

( 정의 : 패쇄된 분지 또는 침하지형


해안선 지형

세계인구의 2/3 이상이 해안성에서 100마일 이내지역에 밀집해 있다 .

해안지역의 지형형태에 영향을 미치는 인자는

1) 파도와 해류의 흐름을 일으키는 태양에너지

2)달과 태양의 중력에 의해 생성되는 조류

3) 해안 지형에 많은 영향을 주는 인간활동

해안선 지형의 종류로는 사주 , 사위 , 갯둑 , 해안외주 , 육계도 , 조석대지 , 해안단구 , 산호초 , 해안침식지형


해안선 지형

a. 호주 Great Barrier Reef 가 queensland 해안을 따라 약 1,200mile(2,000km)펼쳐져있다 .(shuttle 사진 )

b. 멕시코 Cozumel 섬 Palancar 프린징 산호초 (SPOT HRV XS(GREEN)

c. 태평양에 있는 Mururoa 산호환초 (Coral atoll) (Landsat TM 밴드 2(녹색 ))

4 조 송지훈

빙하 지형

빙하는 육지로부터 출발하여 과거 또는 현재의 흐름 상태를 보여주는 얼음 , 응집된 미립의 눈과 눈의 결정체로 정의된다 .

빙하지형은 크게 두가지로 나뉜다 .

침식지형 : 권곡 , 산릉 , 혼 , U 자계곡 , 현곡

퇴적지형 : 측퇴석 , 중퇴석 , 종퇴석 , 후퇴석 , 빙퇴호 빙퇴평원 에스커 캐틀 , 드럼린

협곡협곡

Mt. Mt. TimpanogoTimpanogo

ss

권곡권곡 산릉산릉 권곡권곡

Utah Utah ValleyValley

빙하 지형


유타 록키산맥의 Wasatch 산맥의 일부를 Landsat TM 밴드 4 ( 근적외 ) 로 본 영상

빙하 지형


a. AK Bamard 빙하의 측 /중퇴석

b. 캐나다 NW 지역 bylot섬 , baffin섬의 측 /종 빙퇴석

빙하 지형


a. 캐나다 북 Manitoba 의 에스커와 캐틀

b. 캐나다 Kejimkujik 국립공원의 드럼린

풍화 지형

바람에 의한 물질의 침식 , 운송 , 퇴적을 풍화작용이라 한다 .

충분한 모래의 공급과 이를 운반할 만한 충분한 풍속이 있을 때 발달한다 .

풍화지형에서는 퇴적 형 풍화지형과 침식 풍화지형이있다 .

풍화지형 : 초승달 형 , 선형 , 돔형 , 별 형 , 포물선 형

a. Namib 사막의 별형 모래언덕

b. 별형 모래언덕과 겹쳐진 남동 알제리 Tassili-N’Ajjer 의 Tifemine 복합선형사구의 Space Shuttle 사진


풍화 지형

a. 모래언덕의 이동

b. 초승달형 모래언덕(Barchar 또는 횡단사구 )

c. 단일 초승달형 모래언덕

Thank You

토양과 광물 , 지형학의 원격탐사

Documents