북극과 남극의 북극과 남극의 SSM/I Sea Ice SSM/I Sea Ice ConcentrationConcentration 과 과 Kompsat-1 EOC Kompsat-1 EOC

영상의 비교영상의 비교

한향선한향선 , , 이훈열이훈열강원대학교 지구물리학과강원대학교 지구물리학과imakdong@kangwon.ac.krimakdong@kangwon.ac.kr

배경화면 출처 : 극지연구소

주요 연구 내용• 2005 년 7~8 월 북극 및 9~11 월 남극의 Kompsat-1

EOC 영상 촬영

• EOC 영상의 Sea Ice Concentration (SIC) 산출

• EOC 와 SSM/I 의 SIC 비교

• 북극의 여름철 EOC 와 SSM/I 사이에서 발생하는 SIC 차이의 원인 고찰

• 남극의 봄철에 SSM/I 에 반응하는 해빙의 유형 확인

Introduction

• 극지의 환경변화는 전지구적인 환경변화와 밀접한 관련

• 1970 년대부터 Passive Microwave 원격탐사를 이용한 극지 관찰 시작

• SSM/I 의 경우 매일 북극과 남극의 해빙을 관찰하여 SIC 계산

• SSM/I 검보정을 위해 다양한 위성 영상 및 현장 자료가 이용되어 왔음

• SSM/I SIC 검증을 위해 고해상도의 Kompsat-1 EOC 영상 이용

Why Kompsat-1?

• 현재까지 해빙의 비교 연구에 주로 SAR 나 중저해상도 광학영상 사용– SAR: New ice 와 Young ice 구별이 어려움– Landsat: 극지에 대한 촬영계획 제한적– MODIS, AVHRR 등 : 저해상도

• Kompsat-1 EOC– 고해상도 (6.6m)– 해빙의 특성상 전정색 영상 활용 극대화– 다양한 해빙 유형 판별 용이– 사용자 특수 촬영 요청에 대한 위성 운용 원활 – 우리나라 위성

Sea Ice Concentration

• Sea Ice Concentration (SIC)

A B

C D

ice

no ice

일정 범위 내에서 해빙이 차지하는 비율

해빙의 두께 및 표면 성질을 포함

A: 100%

B: 75%

C: 50%

D: 25%

해빙 유형의 분류연령 , 형태 , 두께에 따라 분류 (WMO, 1970)

Multi-year ice: 여름에 녹지 않은 해빙 , 두께 3m 이상

First-year ice: 여름에 녹아 겨울에 다시 어는 해빙 , 두께 30cm~2m

Young ice: white nilas 등 , 두께 10~30cm

New ice: dark nilas, grease ice, frazil ice 등 , 두께 10cm 이하

북극 EOC 영상• EOC 영상이 촬영된 7~8 월은

북극의 여름철로 해빙이 거의 녹는 시기

• Ice edge 부분에서 총 10 개 궤도 (624 개 영상 ) 촬영

• 총 624 개 영상 중 구름의 영향이 없는 85 개 영상 (14%) 사용

북극 (2005. 08. 05)

7600kmⅹ11200km

북극 EOC 영상• 2005 년 8 월 25 일

– EOC SIC: 36%– SSM/I SIC: 66%

• 해빙 분포의 시공간적인 변화가 매우 심함

• 주로 부빙과 유빙의 형태가 많이 나타남

17.4kmⅹ18.7km

남극 EOC 영상• EOC 영상이 촬영된 9~11 월은

남극의 봄철로써 해빙이 절정을 이루었다가 서서히 감소

• 대륙 edge 부분에서 총 11 개 궤도 (676 개 영상 ) 촬영

• 총 676 개 영상 중 구름의 영향이 없는 71 개 (11%) 사용

남극 (2005. 09. 25)

7900kmⅹ8300km

남극 EOC 영상• 2005 년 10 월 5 일

– EOC SIC: 99%– SSM/I SIC: 95%

• 해빙 표면에 눈이 관찰되며 폭이 좁은 crack 과 lead가 존재

• Crack 과 lead 사이에 New ice 와 Young ice 존재

17.4kmⅹ18.7km

EOC 영상의 SIC 산출• 감독분류 방법과 육안분류

방법 사용

• Training set 설정– M + F: White Ice– Y: Grey Ice– N: Dark-grey Ice– O: Ocean

• 감독분류의 오차를 육안으로 보정

M + F

Y

O

N

SSM/I

• SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager)

– 4 개 주파수 (19, 22, 37, 85GHz), 7 개 채널 (19H/V, 22V, 37H/V, 85H/V) 로 구성

– 해빙의 복사세기를 측정하여 SIC 산출 (daily)• NASA Team Algorithm• Bootstrap Algorithm

– Ice extent 및 Ice area 관찰

남극 Ice Area

Threshold: 15%

NASA Team Algorithm

• 19H, 19V, 37V 채널을 이용하여 SIC 계산

• 편광 (PR) 과 분광경사도 (GR) 이용

CF = (a0+a1PR+a2PR+a3PRⅹGR)/D

CM = (b0+b1PR+b2PR+b3PRⅹGR)/D

Where, D =c0+c1PR+c2PR+c3PRⅹGR

CT = CF+CM

＊ CF: First-year ice concentration＊ CM: Multi-year ice concentration＊ CT: Total ice concentration

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

NASA Team Algorithm

• 고려하는 표면 유형– M, F, O

• 장점– PR, GR 을 사용하여 해빙 표면온도의 영향을 많이 받지 않음

• 문제점– M, F 외의 해빙 표면 유형 구분 불가능– 해빙 방사율의 계절적 , 지역적 변화에 따른 오차– Ice edge 부분에서의 오차 발생

Bootstrap Algorithm

• 37H, 37V 또는 19V, 37V 채널을 이용하여 SIC 계산

• 두 개의 채널을 동시에 사용

C=[(T1B-T1O)2+(T2B-T2O)2]/[(T2I-T2O)2+(T1I-T1O)2]

C=Ice ConcentrationT1B, T2B: 각 채널에서 관측된 밝기온도T1I, T2I : 각 채널에서 관측된 ice 의 밝기온도T1O, T2O: 각 채널에서 관측된 ocean 의 밝기온도

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

Bootstrap Algorithm

• 고려하는 표면 유형– Ice, Ocean

• 장점– 37GHz 채널 사용으로 가장 좋은 해상도 제공– SIC 가 높은 지역에서 정확– 표면온도의 변화 고려

• 문제점– 해빙 유형 구분 불가능 – SIC 가 낮은 지역에서 정확성이 떨어짐– 방사율의 변화가 고려되지 않음

SSM/I SIC Data

• NASA Team total ice concentration 과 Bootstrap ice concentration 사용 ( 각각 25km resolution)

• EOC 촬영 날짜와 위치에 해당하는 SSM/I SIC 추출

• EOC 촬영 날짜 및 전후 날짜의 cubic pixel (3ⅹ3ⅹ3) 에 대한 SSM/I SIC 의 표준편차 산출 – 해빙의 시공간적 불안정성의 지표

SSM/I cubic pixel

시간

공간

NASA Team 과 Bootstrap 비교

북극

Correlation Coefficient: 0.979

남극

Correlation Coefficient: 0.857

북극 SSM/I SIC(NTA) 와 EOC SIC(M+F+Y+N) 비교

남극 SSM/I SIC(NTA) 와 EOC SIC(M+F+Y+N) 비교

남극 SSM/I SIC(NTA) 와 EOC SIC(M+F) 비교

남극 SSM/I SIC(NTA) 와 EOC SIC(M+F+Y) 비교

• NASA Team Algorithm 으로 계산된 SSM/I SIC 는 M, F 뿐만 아니라 Y 에도 반응하며 N 에는 반응하지 않음

Conclusion

• SSM/I 와 EOC 의 SIC 를 비교한 결과 북극의 여름철에는 해빙의 시공간적 변화가 심하여 서로 잘 일치하지 않음

• 남극의 봄철 New ice 를 제외한 EOC SIC 는 SSM/I 와 잘 일치하였으며 이로부터 NASA Team SIC 는 Multi-year ice 와 First-year ice 를 비롯하여 Young ice 도 반영함을 확인

• Ice edge 결정에 있어 New ice 와 Young ice 가 논란의 대상이 되고 있으며 이에 대한 보다 정확한 연구를 위해 이 해빙 유형이 잘 나타나는 극지의 가을철 ice edge 부분의 고해상도 위성 영상의 촬영이 요구됨

• New ice 와 Young ice 를 지속적으로 연구하기 위해 Kompsat-1 EOC 의 4~6 월 남극 , 9~11 월 북극 촬영 계획 중

북극 SSM/I SIC(BTA) 와 EOC SIC(M+F+Y+N) 비교

남극 SSM/I SIC(BTA) 와 EOC SIC(M+F+Y+N) 비교

남극 SSM/I SIC(BTA) 와 EOC SIC(M+F) 비교

남극 SSM/I SIC(BTA) 와 EOC SIC(M+F+Y) 비교