kompsat-1 eoc 영상을 이용한 남극의 ssm/i 와 amsr-e 해빙 면적비 비교 분석

Kompsat-1 EOC 영상을 이용한 남극의 SSM/I 와 AMSR-E 해빙 면적비 비교 분석

한향선한향선 , , 이훈열이훈열강원대학교 지구물리학과강원대학교 지구물리학과[email protected]@kangwon.ac.kr

주요 연구 내용 2005 년 9-11 월 남극 해빙의 Kompsat-1 EOC 영상 촬영

감독분류 방법을 이용한 EOC 해빙 면적비 (Sea Ice Concentration) 산출

EOC 와 SSM/I, AMSR-E 해빙 면적비의 비교

SSM/I 와 AMSR-E 해빙 면적비가 반영하는 해빙 유형 확인

SSM/I 와 AMSR-E 해빙 면적비 차이의 원인 분석

강원대학교 지구물리학과강원대학교 지구물리학과

Introduction - 극지 연구의 중요성 극지 환경은 전지구적 환경변화에 민감

극빙의 증가 및 감소는 지구온난화 진행의 지표로 작용

현재 전세계적인 기상이변의 발생과 더불어 극지 환경에 대한

관심 증가 WMO 2007 년 TOPIC - “ 극지방 기상”

지역적 , 환경적 특성상 인공위성 원격탐사가 효과적

1970 년대부터 수동 마이크로파 (Passive Microwave) 센서를 이용한 극빙 관찰 시작


Introduction - 극빙 원격탐사

수동 마이크로파 센서 (SSM/I, AMSR-E) 극지 표면의 전체적이고 연속적인 데이터 제공 취약한 공간 해상도 ( 수십 km) 해빙 면적비의 검증 및 보정 필요

SAR 영상 및 중저해상도 광학영상 SAR: New ice 와 Young ice 의 구별 모호 Landsat: 극지방 촬영계획 제한 MODIS, AVHRR: 저해상도

Kompsat-1 EOC 6.6m 고해상도 Panchromatic 영상 활용성 증대 특수한 촬영 목적에 따른 위성 운용 원활 우리나라 인공위성 2005 년 SSM/I 와 비교연구 수행 (2006 년 춘계원격탐사학회 발표 )


해빙 면적비 (Sea Ice Concentration)

Sea Ice Concentration 일정 면적 내에서 해빙이 분포하는 면적의 비율 두께 및 표면 성질 포함

Sea Ice

Ocean or Land

전체 면적 : 100km2

Sea Ice 면적 : 30km2

Ocean 또는 Land 면적 : 70km2

Sea Ice Concentration: 30%

Threshold: 15%


Ice Types

연령 , 형태 , 두께에 따라 분류 (WMO, 1970) Multi-year ice: 여름에 녹지 않은 해빙 (3m 이상 ) First-year ice: 겨울에 얼었으나 여름에 녹는 해빙 (30cm-2m) Young ice: White nilas, Grey-white ice 등 (10-30cm) New ice: Nilas, Grease ice, Pancake ice 등 (10cm 이하 )

남극의 경우 Ice type A: Multi-year ice 와 유사 Ice type B: First-year ice 와 유사


Kompsat-1 EOC 영상 2005 년 9-11 월 남극대륙

가장자리 해빙 촬영

해빙이 절정을 이루었다가 서서히 감소하는 봄철에 해당

총 11 개 궤도 676 영상 획득

4 개 궤도 68 개 영상 사용 A: 9 월 25 일 , 11 월 4 일 B: 10 월 5 일 , 10 월 8 일 MODIS 영상을 이용하여

기하보정 남극 (2005. 10. 05)

7900kmⅹ8300km

A

B

C


Kompsat-1 EOC 영상

2005 년 10 월 5 일

EOC 해빙 면적비 : 99% SSM/I 해빙 면적비 : 98% AMSR-E 해빙 면적비 : 10

0%

대부분의 해빙 표면에 눈이 쌓인 것이 관찰

폭이 좁은 crack 과 lead 관찰

Crack 과 lead 사이에 얇은 해빙 존재

17.4kmⅹ18.7km


EOC 해빙 면적비 산출

감독분류 방법을 이용한 해빙 유형 분류

W: White ice G: Grey ice D: Dark-grey ice O: Ocean (Open water)

W ≈ Ice Type A and B G ≈ Young ice D ≈ New ice

2.2 kmⅹ2.2 km

W

D

G

O


Passive Microwave Sensors

SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) 1987 to present 4 개 주파수 (19.35, 22.235, 37.0, 85.0GHz) 7 개 채널 (19.35H/V, 22.235V, 37.0H/V, 85.0H/V)

AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System) 2002 to present 6 개 주파수 (6.9, 10.7, 18.7, 23.8, 36.5, 89.0GHz) 12 개 채널 (6.9H/V, 10.7H/V, 18.7H/V, 23.8H/V, 36.5H/V, 89.0H

/V)

해빙의 복사세기를 측정하여 해빙 면적비 계산 SSM/I: NASA Team Algorithm (NT) AMSR-E: NASA Team2 Algorithm (NT2)


SSM/I NASA Team Algorithm

19.35H/V, 37.0V 채널 이용 PR (Polarization Ratio) 과 GR (Spectral Gradient Ratio) 계산을

통해 해빙 면적비 산출

표면 유형의 분류 북극 : Multi-year ice, First-year ice, Open water 남극 : Ice type A, Ice type B, Open water

장점 및 단점 PR, GR 을 사용하여 해빙 표면온도 변화에 따른 영향을 최소화 Ice type A 와 B (M 과 F) 이외의 해빙 유형 구분 불가능 계절적이고 지역적인 해빙 방사율 변화에 따른 오차 Ice edge 에서의 오차 발생

(http://nsidc.org/data/docs/daac/nasateam/index.html)


AMSR-E NASA Team2 Algorithm 18.7H/V, 36.5V, 89.0H/V 채널 사용 PRR (Rotated PR), GR, △GR 을 계산하여 해빙 면적비 산출

표면 유형의 분류 북극 : Multi-year ice, First-year ice, Ice type C, Open water 남극 : Ice type A, Ice type B, Ice type C, Open water

89.0H 채널을 통해 18.7H 채널의 민감도 문제 해결 △GR 을 통해 표면 영향이 심하여 ( 물이 고이거나 불균질한 상

태 ) 면적비가 과소측정 되었던 해빙 유형 고려 → Ice type C

(Markus and Cavalieri, 2000)


SSM/I 와 AMSR-E 해빙 면적비 산출

SSM/I NT 해빙 면적비 (25km) 와 AMSR-E NT2 해빙 면적비 (12.5km)

EOC 영상의 촬영일자 및 위치에 해당하는 해빙 면적비 추출

EOC 영상 촬영 날짜 및 전후 날짜의 cubic pixel 에 대한 해빙 면적비 추출 및 표준편차 산출 해빙의 시공간적 불안정성의 지표

Passive Microwave cubic pixel

시간

공간


EOC 와 SSM/I NT 해빙 면적비 비교

NASA Team Algorithm 으로 계산된 SSM/I 해빙 면적비는 White ice 와 Grey ice 를 반영하며 , Dark-grey ice 는 포함하지 않음


Black data points: 수동 마이크로파 cubic pixel 의 표준편차≤ 2.5%

White data points: 수동 마이크로파 cubic pixel 의 표준편차≥ 2.5%

EOC 와 AMSR-E NT2 해빙 면적비 비교

NASA Team2 Algorithm 으로 계산된 AMSR-E 해빙 면적비는 White ice와 Grey ice, Dark-grey ice 를 모두 반영


Black data points: 수동 마이크로파 cubic pixel 의 표준편차≤ 2.5%

White data points: 수동 마이크로파 cubic pixel 의 표준편차≥ 2.5%

AMSR-E 와 SSM/I 해빙 면적비의 차이

AMSR-E NT2 해빙 면적비가 SSM/I NT 해빙 면적비보다 대체로 높음

서 로 다른 해 빙 면 적 비 알고리즘 사용에 기인

AMSR-E NT2 는 Ice type C를 추가로 고려

(AMSR-E – SSM/I) 해 빙 면 적 비 와 EOC G, G+D, D 면적비 비교


Dark-grey ice 의 영향 Dark-grey ice 의 면 적 비 가

증가할수록 AMSR-E 와 SSM/I 해 빙 면 적 비 차 이 가 증가

대부분의 EOC 영상에서 Dark-grey ice 의 면 적 비 가 클수록 AMSR-E 와 SSM/I 해 빙 면 적 비 의 차 이 가 커짐을 확인


Dark-grey ice 의 영향

W: 51.8%, G: 29.0%, D: 13.0%

Total: 93.8%

AMSR-E: 89%, SSM/I: 80%

AMSR-E – SSM/I: 9%

W: 97.4%, G: 1.0%, D: 0.5%

Total: 98.9%

AMSR-E: 98%, SSM/I: 96%

AMSR-E – SSM/I: 2%


Dark-grey ice 와 Ice type C

Ice type C 균질하지 않고 복잡한 산란 특성을 가지는 표면 실제보다 면적비가 작게 계산 얇은 해빙과 유사한 특성

Dark-grey ice 얇은 두께를 가질 것으로 추정 수분과 얼음 결정이 혼합된 표면

Dark-grey ice ≈ Ice type C


Conclusion

남극의 봄철 EOC 해빙 면적비를 SSM/I NT, AMSR-E NT2 해빙 면적비와 각각 비교

SSM/I NT 해빙 면적비는 White ice 와 Grey ice만을 반영하며 , AMSR-E NT2 해빙 면적비는 Dark-grey ice 도 반영

Dark-grey ice 가 많이 존재할수록 AMSR-E 와 SSM/I 해빙 면적비의 차이가 증가 Dark-grey ice 와 Ice type C 가 서로 유사함을 추정

현장자료의 부재로 인해 정확한 해빙 유형의 분류가 어려웠으나 고해상도의 EOC 영상으로부터 SSM/I 와 AMSR-E 해빙 면적비의 서로 다른 특성 평가

향후 보다 정밀한 수동 마이크로파 해빙 면적비의 분석 및 보정을 위해 다양한 계절 및 지역에 대한 현장관측과 고해상도 광학영상 및 SAR 영상의 촬영 요구


kompsat-1 eoc 영상을 이용한 남극의 ssm/i 와 amsr-e 해빙 면적비 비교 분석

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