시계열 해수면온도 산출을 위한 이어도 종합해양과학기지 열적외선 관측 시스템 구축

강기묵,김덕진,황지환,최창현,남성현,김성중,조양기,변도성,이주영,KANG, KI-MOOK,KIM, DUK-JIN,HWANG, JI-HWAN,CHOI, CHANGHYUN,NAM, SUNGHYUN,KIM, SEONGJUNG,CHO, YANG-KI,BYUN, DO-SEONG,LEE, JOOYOUNG 한국해양학회 2017 바다 Vol.22 No.3

Continuous monitoring of spatial and temporal changes in key marine environmental parameters such as SST (sea surface temperature) near IORS (Ieodo Ocean Research Station) is demanded to investigate the ocean ecosystem, climate change, and sea-air interaction processes. In this study, we aimed to develop the system for continuously measuring SST using a TIR (thermal infrared) sensor mounted at the IORS. New SST algorithm is developed to provide SST of better quality that includes automatic atmospheric correction and emissivity calculation for different oceanic conditions. Then, the TIR-based SST products were validated against in-situ water temperature measurements during May 17-26, 2015 and July 15-18, 2015 at the IORS, yielding the accuracy of 0.72-0.85 R-square, and $0.37-0.90^{\circ}C$ RMSE. This TIR-based SST observing system can be installed easily at similar Ocean Research Stations such as Sinan Gageocho and Ongjin Socheongcho, which provide a vision to be utilized as calibration site for SST remotely sensed from satellites to be launched in future. 이어도 종합해양과학기지(IORS, Ieodo Ocean Research Station) 주변 해역은 시 공간적으로 해양 환경 변화가 심하여, 해양-대기교환 과정을 비롯하여 해양 생태계와 기후 변화 연구에 필수적인 해수면온도(SST, Sea surface temperature) 자료의 지속적인 측정이 요구되는 해역이다. 본 연구에서는 이어도 종합해양과학기지에 열적외선 센서를 이용하여 해수면온도 연속 관측이 가능한 시스템을 구축하였다. 자동 대기 보정 및 해양 조건에 따른 방사율 계산이 가능한 해수면온도 추출 알고리즘을 개발하였고, 현장측정 해수면온도 자료와의 비교 및 검증을 통해 정확도를 평가하였다. 2015년 5월 17일부터 26일, 그리고 2016년 7월 15일부터 18일까지 기지에 체류하는 동안 열적외선 관측 시스템으로 측정된 해수면온도와 기지 부착 CT (Conductivity-Temperature) 및 튜브 부착 수온 센서들을 이용하여 현장에서 측정된 해수면온도 시계열을 비교하여 상호상관계수0.72-0.85, 평균제곱근 편차 $0.37-0.90^{\circ}C$의 정확도를 얻었다. 이 시스템은 이어도 종합해양과학기지뿐만 아니라 신안 가거초 및 옹진 소청초 등의 다른 종합해양과학기지에도 쉽게 구축이 가능한 시스템으로써 향후 발사될 인공위성의 해수면온도 산출알고리즘 개발의 테스트사이트나 검보정사이트로 활용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

수자원위성 활용을 위한 SAR위성 기반 홍수 모니터링 연구

강기묵(Kang, Ki-mook),황의호(Hwang, Eui Ho) 한국측량학회 2021 한국측량학회 학술대회자료집 Vol.2021 No.11

Envisat ASAR 원시자료를 이용한 표층 해류 속도 추출

강기묵 ( Ki Mook Kang ),김덕진 ( Duk Jin Kim ) 대한원격탐사학회 2013 大韓遠隔探査學會誌 Vol.29 No.1

인공위성 Synthetic Aperture Radar(SAR)는 물리해양학적 현상을 정량적으로 관측하는데 가장 유용한 도구 중의 하나이다. SAR의 도플러 편이(Doppler shift) 현상은 센서와 해양표면 유체와의 상대적인 움직임 차이로 인해 발생될 수 있다. 따라서, 단 채널 SAR 원시자료에 기록된 도플러 정보는 해양의 유체 이동속도를 추정하는데 유용하다. 유체의 이동속도는 측정된 도플러 중심주파수(estimated Doppler centroid)와 예측된 도플러 중심주파수(predicted Doppler centroid) 사이의 차이를 측정함으로써 계산될 수 있다. 예측된 도플러 중심주파수는 표적이 움직이지 않는다고 가정했을 때의 중심주파수로서 위성의 궤도, 시선 각, 자세 등과 같은 기하모델을 통해 계산될 수 있고, 측정된 도플러 중심주파수는 실제 SAR 촬영시 표적의 움직임에 해당하는 도플러 중심주파수로서 원시자료에 기록된 정보를 이용하고 평균상관계수법 (Average Cross Correlation Coefficient; ACCC)을 적용하여 추출될 수 있다. 이렇게 추출된 도플러 속도에서 브래그 공명을 일으키는 표면 장력파의 위상속도를 제거하여 좀더 정밀한 표층 해류의 속도를 추출하였다. 이러한 기법들을 동해를 촬영한 Envisat ASAR 원시자료에 적용하였으며, 추출된 해류속도를 HF-radar에서 관측한 해류속도와 비교하였다. Space-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) has been one of the most effective tools for monitoring quantitative oceanographic physical parameters. The Doppler information recorded in single-channel SAR raw data can be useful in estimating moving velocity of water mass in ocean. The Doppler shift is caused by the relative motion between SAR sensor and the water mass of ocean surface. Thus, the moving velocity can be extracted by measuring the Doppler anomaly between extracted Doppler centroid and predicted Doppler centroid. The predicted Doppler centroid, defined as the Doppler centroid assuming that the target is not moving, is calculated based on the geometric parameters of a satellite, such as the satellite`s orbit, look angle, and attitude with regard to the rotating Earth. While the estimated Doppler shift, corresponding to the actual Doppler centroid in the situation of real SAR data acquisition, can be extracted directly from raw SAR signal data, which usually calculated by applying the Average Cross Correlation Coefficient(ACCC). The moving velocity was further refined to obtain ocean surface current by subtracting the phase velocity of Bragg-resonant capillary waves. These methods were applied to Envisat ASAR raw data acquired in the East Sea, and the extracted ocean surface currents were compared with the current measured by HF-radar.

클라우드 컴퓨팅 플랫폼 기반 위성 빅데이터 활용 수재해 모니터링 연구

강기묵(Kang, Ki-mook),황의호(Hwang, EuiHo) 대한토목학회 2022 대한토목학회 학술대회 Vol.2022 No.10

고정산란체 영상레이더 간섭기법을 이용한 시계열 댐 변위 모니터링 가능성 연구

강기묵(Kang, Ki-mook),황의호(Hwang, EuiHo) 대한토목학회 2020 대한토목학회 학술대회 Vol.2020 No.10

연구 논문 : 지상용 열적외선 센서의 항공기 탑재를 통한 연안 해수표층온도 추출

강기묵 ( Ki Mook Kang ),김덕진 ( Duk Jin Kim ),김승희 ( Seung Hee Kim ),조양기 ( Yang Ki Cho ),이상호 ( Sang Ho Lee ) 대한원격탐사학회 2014 大韓遠隔探査學會誌 Vol.30 No.6

The Sea Surface Temperature (SST) is one of the most important oceanic environmental factors in determining the change of marine environments and ecological activities. Satellite thermal infrared images can be effective for understanding the global trend of sea surface temperature due to large scale. However, their low spatial resolution caused some limitations in some areas where complicated and refined coastal shapes due to many islands are present as in the Korean Peninsula. The coastal ocean is also very important because human activities interact with the environmental change of coastal area and most aqua farming is distributed in the coastal ocean. Thus, low-cost airborne thermal infrared remote sensing with high resolution capability is considered for verifying its possibility to extract SST and to monitor the changes of coastal environment. In this study, an airborne thermal infrared system was implemented using a low-cost and ground-based thermal infrared camera (FLIR), and more than 8 airborne acquisitions were carried out in the western coast of the Korean Peninsula during the periods between May 23, 2012 and December 7, 2013. The acquired thermal infrared images were radiometrically calibrated using an atmospheric radiative transfer model with a support from a temperature-humidity sensor, and geometrically calibrated using GPS and IMU sensors. In particular, the airborne sea surface temperature acquired in June 25, 2013 was compared and verified with satellite SST as well as ship-borne thermal infrared and in-situ SST data. As a result, the airborne thermal infrared sensor extracted SST with an accuracy of 1ºC.

구글어스엔진 클라우드 컴퓨팅 플랫폼 기반 위성 빅데이터를 활용한 수재해 모니터링 연구

박종수,강기묵,Park, Jongsoo,Kang, Ki-mook 대한원격탐사학회 2022 大韓遠隔探査學會誌 Vol.38 No.6

Due to unpredictable climate change, the frequency of occurrence of water-related disasters and the scale of damage are also continuously increasing. In terms of disaster management, it is essential to identify the damaged area in a wide area and monitor for mid-term and long-term forecasting. In the field of water disasters, research on remote sensing technology using Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite images for wide-area monitoring is being actively conducted. Time-series analysis for monitoring requires a complex preprocessing process that collects a large amount of images and considers the noisy radar characteristics, and for this, a considerable amount of time is required. With the recent development of cloud computing technology, many platforms capable of performing spatiotemporal analysis using satellite big data have been proposed. Google Earth Engine (GEE)is a representative platform that provides about 600 satellite data for free and enables semi real time space time analysis based on the analysis preparation data of satellite images. Therefore, in this study, immediate water disaster damage detection and mid to long term time series observation studies were conducted using GEE. Through the Otsu technique, which is mainly used for change detection, changes in river width and flood area due to river flooding were confirmed, centered on the torrential rains that occurred in 2020. In addition, in terms of disaster management, the change trend of the time series waterbody from 2018 to 2022 was confirmed. The short processing time through javascript based coding, and the strength of spatiotemporal analysis and result expression, are expected to enable use in the field of water disasters. In addition, it is expected that the field of application will be expanded through connection with various satellite bigdata in the future.

연안 해양기상(해상풍, 수온) 관측을 위한 항공기 원격탐사 시스템

김덕진,조양기,강기묵,김진우,김승희,Kim, Duk-Jin,Cho, Yang-Ki,Kang, Ki-Mook,Kim, Jin-Woo,Kim, Seung-Hee 한국해양학회 2013 바다 Vol.18 No.1

인공위성은 넓은 지역에 대한 전 세계의 정보를 획득하는데 유용하지만, 좁은 지역에 대한 적시적소에 촬영하는 데는 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 항공기 원격탐사 시스템을 구축하였다. 항공기 원격탐사시스템은 SAR센서와 열적외선 센서로 구성되어 있으며, 획득된 자료의 방사 및 기사보정을 위하여 GPS, IMU, 온도/습도계 등도 설치하였다. SAR영상은 표면 거칠기에 따라 민감하게 반응하여 밝기 값이 달라지게 되며, 해양에서는 바람에 의해 쉽게 생성 되는 표면 장력파의 진폭이 이러한 표면 거칠기를 야기한다. 따라서 정량화된 SAR의 후방산란과 해상풍 사이의 관계식을 통해 해상풍 추출이 가능하다. 한편, 열적외선 센서는 물체의 온도를 측정하는데 유용하며, 물체와 센서 사이의 대기에 의한 효과를 보정한 후 수온 추출이 이루어진다. 이 두 센서를 탑재한 항공기로 서해안 일대를 4차례 시험비행을 수행하였으며, 이로부터 획득된 SAR 및 열적외선 영상의 품질이 연안환경 모니터링 및 해양기상 자료 추출에 충분함을 보여주었다. Although space-borne satellites are useful in obtaining information all around the world, they cannot observe at a suitable time and place. In order to overcome these limitations, an airborne remote sensing system was developed in this study. It is composed of a SAR sensor and a thermal infrared sensor. Additionally GPS, IMU, and thermometer/hygrometer were attached to the plane for radiometric and geometric calibration. The brightness of SAR image varies depending on surface roughness, and capillary waves on the sea surface, which are easily generated by sea winds, induce the surface roughness. Thus, sea surface wind can be estimated using the relationship between quantified SAR backscattering coefficient and the sea surface wind. On the other hand, thermal infrared sensor is sensitive to measure object's temperature. Sea surface temperature is obtained from the thermal infrared sensor after correcting the atmospheric effects which are located between sea surface and the sensor. Using these two remote sensing sensors mounted on airplane, four test flights were carried out along the west coast of Korea. The obtained SAR and thermal infrared images have shown that these images were useful enough to monitor coastal environment and estimate marine meteorology data.

초소형 SAR 위성을 활용한 수체면적 추출: 대청댐 유역 대상

박종수 ( Jongsoo Park ),강기묵 ( Ki-mook Kang ),황의호 ( Eui-ho Hwang ) 한국지리정보학회 2021 한국지리정보학회지 Vol.24 No.4

수자원 관리와 수재해 피해 분석 및 예측 등을 위해 원격탐사를 활용한 수체면적을 추정하는 것은 매우 필수적이다. 위성을 활용한 수체탐지는 주로 광학 및 영상레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR) 센서를 탑재한 대형(무게 1,000kg 이상) 위성을 중심으로 수행되어왔다. 그러나 긴 재방문주기(repeat cycle)로 인해 재난/재해 시 적시 활용이 불가능한 한계가 존재한다. 최근 초소형위성(무게 100kg 미만) 개발이 활발히 이루어짐에 따라 기존 대형위성 중심의 시간해상도 한계를 극복할 수 있는 계기가 되었다. 현재 활발히 운용중인 초소형 SAR 위성은 핀란드의 ICEYE와 미국의 Capella 위성으로, 지구관측을 목적으로 군집(constellation) 형태로 운용되고 있다. 군집화 운용으로 인해 짧은 재방문주기(현재 0.8회/1일) 및 고해상도(Spot(0.5m))를 가지며, SAR 센서 탑재로 기상 및 주야 무관하게 관측이 가능한 장점이 있다. 본 연구에서는 초소형위성의 운영 현황 및 특징에 대해서 기술하였으며, 초소형 SAR 위성 영상에 최적화된 수체면적 추정기술을 한반도 대청댐 유역에 적용해 보았다. 또한 광학 위성인 Sentinel-2 위성으로부터 생성된 수체를 참조값(reference)으로 하여 초소형위성 2기와 대형위성인 Sentinel-1위성과의 면적, 상관성 분석을 수행하였다. Capella 위성의 경우 가장 적은 면적의 차를 보였으며, 세 영상 모두 높은 상관관계를 나타냄을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 초소형 SAR 위성의 낮은 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero)에도 불구하고 수체면적 추정이 가능함을 확인하였으며, 기존 대형 SAR 위성을 활용한 수자원/수재해 감시 활용의 한계를 극복할 수 있을 것으로 사료된다. It is very essential to estimate the water body area using remote exploration for water resource management, analysis and prediction of water disaster damage. Hydrophysical detection using satellites has been mainly performed on large satellites equipped with optical and SAR sensors. However, due to the long repeat cycle, there is a limitation that timely utilization is impossible in the event of a disaster/disaster. With the recent active development of Micro satellites, it has served as an opportunity to overcome the limitations of time resolution centered on existing large satellites. The Micro satellites currently in active operation are ICEYE in Finland and Capella satellites in the United States, and are operated in the form of clusters for earth observation purposes. Due to clustering operation, it has a short revisit cycle and high resolution and has the advantage of being able to observe regardless of weather or day and night with the SAR sensor mounted. In this study, the operation status and characteristics of micro satellites were described, and the water area estimation technology optimized for micro SAR satellite images was applied to the Daecheong Dam basin on the Korean Peninsula. In addition, accuracy verification was performed based on the reference value of the water generated from the optical satellite Sentinel-2 satellite as a reference. In the case of the Capella satellite, the smallest difference in area was shown, and it was confirmed that all three images showed high correlation. Through the results of this study, it was confirmed that despite the low NESZ of Micro satellites, it is possible to estimate the water area, and it is believed that the limitations of water resource/water disaster monitoring using existing large SAR satellites can be overcome.

선박탐지를 위한 초소형 SAR 군집위성 활용방안 연구

김윤지 ( Yunjee Kim ),강기묵 ( Ki-mook Kang ) 대한원격탐사학회 2021 大韓遠隔探査學會誌 Vol.37 No.3

SAR위성영상을 활용한 선박탐지연구는 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있으나, 초소형 SAR위성을 활용한 연구는 아직 소수에 불과하다. 최근 ICEYE, Capella 위성을 필두로 초소형 SAR 위성들의 활용이 가능하며, 뉴 스페이스 시대의 흐름에 맞추어 국내외에서 초소형군집위성 개발이 활발히 진행되고 있다. 현재 대부분의 초소형 위성은 광학위성이나, 운용 및 개발 진행중인 SAR (핀란드 ICEYE: 18기(~2021), 미국 Capella: 36기(~2023), 국내 해양경찰 SAR: 32기(기획 연구) 등)의 운용계획에 선제적으로 대비하기 위하여 초소형 SAR 위성의 활용방안에 대한 구체적인 논의가 필요한 시점이다. 이에 본 논문에서는 현재 운용되고 있는 광학 및 SAR초소형 군집 위성의 현황 및 특징을 기술하였으며, 이를 활용한 연구들에 대해 조사하였다. 또한, 대표적인 초소형 SAR 위성인 ICEYE와 Capella위성의 현황 및 특징을 기반으로 초소형 SAR 위성 자료가 선박탐지연구에서 유용하게 활용될 수 있는 방안에 대해 기술하였다. 그 결과, 초소형 SAR위성은 군집으로 운용되어 재방문주기가 짧으며 고해상도 영상의 신속한 제공이 가능하다는 장점이 있어, 시간 및 공간의 고해상도 영상 수집이 필수적인 광역 해상 선박 모니터링에 크게 기여할 것으로 판단하였다. Although many studies on ship detection using synthetic aperture radar (SAR) satellite images are being conducted around the world, there are still very few employing SAR microsatellites, as most of the microsatellites are optical satellites. Recently, the ICEYE and Capella Space have embarked on the development of microsatellites with SAR sensor, and similar projects are being initiated globally in line with the flow of the new space era [e.g., for the ICEYE: 18 satellites (~2021); Capella Space: 36 satellites (~2023); and the Coast Guard SAR: 32 satellites in the early development stage]. In preparation for these new systems, it is important to review the SAR microsatellite system and the recent advances in this technology. Accordingly, in this paper, the current status and characteristics of optical and SAR microsatellite constellation operation are described, and studies using them are investigated. In addition, based on the status and characteristics of the representative SAR microsatellites, specifically the ICEYE and Capella systems, methods for using SAR microsatellite data for ship detection applications are described. Our results confirm that the SAR microsatellites operate as a constellation and have the advantages of short revisit cycles and quick provision of high-resolution images. With this technology, we expect SAR microsatellites to contribute greatly to the monitoring a wide-area target vessel, in which the spatiotemporal resolution of the imagery is especially important.