공간해상도에 따른 Evaporative Stress Index (ESI)의 지역별 가뭄 특성 분석

윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),남원호 ( Won-ho Nam ),이희진 ( Hee-jin Lee ),김대의 ( Dae-eui Kim ),( Tsegaye Tadesse ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

가뭄은 발생 지점이 불명확하고 진행이 느리며, 다른 자연 재해에 비해 피해 지역이 광범위하다는 점에서 사회, 경제적 피해와 농업 생산 시스템 및 수확량 등 농업 전반에 걸쳐 직접적인 영향을 미치고 있다. 가뭄에 대한 정량적인 분석과 예측은 가뭄으로 인한 피해를 예방하기 위해 필요하며, 현재 국내 가뭄 예측 기술은 지상 데이터 기반의 기상학적 가뭄지수를 활용하여 생성되고 있다. 하지만 관측소 지점 데이터를 사용하는 이러한 기상학적 가뭄지수는 데이터의 특성상 미계측 지역에 대한 정확한 데이터 취득이 어려우며, 광역적인 지역의 동일한 정확도의 데이터 취득이 어렵다는 단점이 있다. 반면 인공위성 등을 활용한 원격탐사 기술을 활용하면 광역적인 지역에 대한 장기간의 동일한 수준의 데이터 취득이 가능하다. 다양한 해상도의 데이터를 활용할 수 있는 위성영상 자료는 농업 가뭄 분야에서 필요성과 활용성이 대두되고 있다. 위성영상을 활용한 가뭄 판단지수로는 Leaf Area Index (LAI), Vegetation Health Index (VHI), Enhanced Vegetation Index (EVI) 등이 있다. 하지만 식생을 기반으로 한 지표의 경우 식생의 조밀도 및 포화도, 토양반사, 식생의 종류 등에 따라 적용성에 차이가 발생하며, 가뭄 판단에 있어서 가뭄으로 인한 식생의 활력도 및 상태가 변할 때까지 시간이 소요된다. 잠재 증발산과 실제 증발산의 비를 이용해 산정된 위성영상 기반 가뭄지수인 Evaporative Stress Index (ESI)는 일반적으로 사용되는 가뭄지수 등과 비교하였을 때, 가뭄에 민감하고 빠른 반응을 보인다는 연구 결과로부터 단기간 급속하게 발생하는 Flash drought의 판단지표로 활용되고 있다. 본 연구에서는 기존에 NASA (National Aeronautics and Space Administration)에서 제공되고 있는 5km 해상도의 ESI의 해상도의 한계를 보완하기 위하여 8일 주기, 500m 해상도를 갖는 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)의 MOD16A2 영상을 활용하였다. 본 연구에서는 500m 해상도의 ESI와 기존 5km 해상도의 ESI를 활용하여, 과거 가뭄 발생 자료를 근거로 시군 단위의 가뭄 판단 능력을 비교하였다.

Evaporative Stress Index (ESI)의 국내 가뭄심도 분류기준 제시

이희진 ( Hee-jin Lee ),남원호 ( Won-ho Nam ),윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),김대의 ( Dae-eui Kim ),( Mark D. Svoboda ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

자연재해 중 하나인 가뭄은 지구온난화, 엘리뇨 현상 등과 같은 기후변화에 영향을 받고 있으며, 최근 전 세계적으로 국내외 가뭄 피해 및 발생빈도가 점차 증가하고 있다. 우리나라의 경우 2000년대 이후 가뭄 주기가 점점 짧아져 2013년 이후 매년 가뭄이 발생하는 추세이다. 지속되는 가뭄의 경향과 특성을 파악하기 위해서는 정량적인 분석이 요구되며, 위성영상을 활용한 원격탐사 기술은 동일한 정확도와 주기적인 관측으로 가뭄 취약성 평가, 가뭄 피해에 대한 예측 등이 가능하다. 위성영상 기반 농업가뭄 모니터링은 국내 농업분야에 활발히 연구되고 있으며, 본 연구에서는 실제 증발산량과 잠재 증발산량의 비를 통해 산정되는 Evaporative Stress Index (ESI)를 활용하였다. ESI는 빠른 가뭄 판단과 단기적인 가뭄 분석에 활용될 수 있으며, Flash drought의 가뭄판단지표로 활용되고 있다. 하지만 아노말리 (anomaly)를 지수화한 지표이며, 일반적인 가뭄 평가로 활용되는 표준강수지수 (Standardized Precipitation Index, SPI), 파머가뭄심도지수(Palmer Drought Severity Index, PDSI) 등과 같은 가뭄지수와 달리 가뭄심도에 대한 명확한 기준이 정립되어 있지 않다. 미국 항공우주국 (National Aeronautics and Space Administration, NASA)에서 제공하는 해상도 5km의 ESI가 국내 농업가뭄 판단에 활용 가능하다는 연구 결과를 토대로 2001년부터 2018년까지의 ESI 데이터를 취득하여 가뭄심도 분류기준에 대하여 분석하였다. 미국 United States Drought Monitor (USDM)은 지역적 특성에 맞추어 가뭄 단계를 D0부터 D4까지 구분하여 가뭄심도를 분류하였으며, 우리나라 기상청의 경우 SPI의 가뭄심도 분류를 6단계로 나누어 나타내고 있다. 국내에 적용할 수 있는 ESI의 가뭄심도 분류기준을 제시하여 가뭄의 정도를 정량화하고, 가뭄 진행상황을 모니터링함으로써 가뭄 평가에 대한 적용성을 분석하고자 한다.

미지수가 2개인 연립일차부등식의 문제해결과정에서 발생하는 오류 분석 및 지도방안 연구

전영배 ( Young Bae Jun ),노은환 ( Eun Hwan Roh ),김대의 ( Dae Eui Kim ),정찬식 ( Chan Sik Jung ),김창수 ( Chang Su Kim ),강정기 ( Jeong Gi Kang ),정상태 ( Sang Tae Jung ) 한국수학교육학회 2010 수학교육논문집 Vol.24 No.3

MODIS 위성영상 기반 고해상도 가뭄지수를 활용한 재배작물별 가뭄 특성 분석

윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),남원호 ( Won-ho Nam ),이희진 ( Hee-jin Lee ),김대의 ( Dae-eui Kim ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

가뭄은 다른 자연재해에 비해 발생 시기와 지역이 명확하지 않기 때문에 지역 단위의 가뭄 발생 차이를 파악하는 것이 중요하다. 특히, 농업가뭄은 농업 생산시스템에 직접적인 영향을 주는 재해로 논벼 및 밭작물의 재배지역에 대한 가뭄 특성 분석의 필요성이 증가하고 있다. 농업가뭄 분야에서 위성영상의 활용은 강수량, 증발산량, 토양수분, 식생 활력도, 지표면 온도 등 가뭄과 관련된 다양한 인자의 시계열 자료 및 광역적인 지역에 대한 동일한 수준의 자료 취득이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 소규모 작물 재배지역에 대한 분석을 위해 MODIS (Medium Resolution Imaging Spectradiometer) 위성영상을 활용하였다. MOD16A2 영상을 통해 8일 주기의 500m 해상도 증발산량 자료를 제공하며, 이를 활용하여 증발산 기반 가뭄지수인 ESI (Evaporative Stress Index)을 산정하였다. ESI는 지표면 온도 (LST, Land Surface Temperature)와 잎 면적 지수 (LAI, Land Area Index), 기상인자들을 활용하여 산정된 실제 증발산량과 Penman-Monteith 공식에 의해 산정된 잠재증발산량의 비를 이용하여 계산되며, 이를 표준화한 아노말리 값을 지수화한 가뭄지수이다. ESI를 활용하여 가뭄 시기와 비가뭄 시기의 논벼 및 밭작물에 대한 가뭄 특성을 분석하기 위해 2000년 이후 발생한 시군구 단위의 가뭄을 분석하였다. 또한 강수량, 관개시기 등 작물 상태에 영향을 줄 수 있는 인자 및 시기에 따른 분석을 수행하여, 작물재배지역에 따른 가뭄 특성을 확인하고자 한다.

위성영상 기반 국내 농업가뭄 모니터링을 위한 Evaporative Stress Index (ESI)의 민감도 평가

윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),남원호 ( Won-ho Nam ),이희진 ( Hee-jin Lee ),김대의 ( Dae-eui Kim ),( Mark D. Svoboda ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

가뭄은 농업에 직접적인 피해를 주는 자연 재해로 전 지구적 차원의 다방면에 걸쳐 농업 생산 시스템 및 수확량에 큰 영향을 미치고 있다. 현재 국내 가뭄모니터링 기술은 지상 데이터 기반의 기상학적 가뭄지수를 활용하여 제공되고 있지만, 지점 데이터의 특성상 미계측 지역에 대한 정확한 데이터 취득이 힘들다는 단점이 있다. 원격 탐사 기술은 재해 발생지역의 진행과 피해 정도를 신속히 제공할 수 있으며, 접근이 용이하지 못한 지역 및 광역적인 지역에 대한 데이터 취득이 가능하다. 농업분야에서의 위성영상은 장기간, 동일한 수준의 자료 취득이 가능하다는 측면에서 활용성이 대두되고 있다. 위성영상을 활용한 농업 가뭄 지표로는 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Enhanced Vegetation Index (EVI), Leaf Area Index (LAI), Vegetation Health Index (VHI), Land Surface temperature (LST) 등이 있다. 하지만 식생을 기반으로 한 지표의 경우 식생의 조밀도 및 포화도, 토양반사, 식생의 종류 등에 따라 적용성에 차이가 발생하며, 가뭄 판단에 있어 가뭄으로 인한 식생의 활력도 및 상태가 변할 때 까지 시간이 소요된다. 이에 반해 잠재 증발산과 실제 증발산의 비를 이용해 산정된 위성영상 기반 가뭄지수인 Evaporative Stress Index (ESI)는 일반적으로 사용되는 가뭄지수인 표준강수지수 (Standardized Precipitation Index, SPI), 파머가뭄심도지수 (Palmer Drought Severity Index, PDSI) 등과 비교하였을 때, 가뭄에 더 민감하고 빠른 반응을 보인다는 연구 결과로부터 단기간 급속하게 발생하는 Flash drought의 판단지표로 활용되고 있다. 본 연구에서는 다른 재해보다 빠른 현상 파악 및 예측이 필요한 가뭄판단의 지표로 ESI를 활용하였으며, 2017년 발생했던 극심한 가뭄 사상을 대상으로 타 지표와의 차별성을 확인하고 농업 가뭄 모니터링의 새로운 지표로써 적용성을 검토하고자 한다.

위성영상기반 증발스트레스지수를 활용한 필지단위 논 가뭄 모니터링

이희진 ( Lee Hee-jin ),남원호 ( Nam Won-ho ),윤동현 ( Yoon Dong-hyun ),김하영 ( Kim Ha-young ),우승범 ( Woo Seung-beom ),김대의 ( Kim Dae-eui ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.3

Drought monitoring over paddy field area is an important role as the frequency and intensity of drought due to climate change increases. This study analyzed the applicability of drought monitoring on paddy crops using MODIS-based field surveys. As a satellite-based drought index using evapotranspiration for quantitative drought determination, ESI (Evaporative Stress Index), was applied and calculated through the ratio of MODIS- based actual and potential evapotranspiration. For the irrigated areas of Idong, Gosam, Geumgwang, and Madun reservoirs the availability of irrigation water supply, ponding depth, precipitation, paddy growth were investigated for the paddy field within one grid of MODIS. In addition, the percentile-based ESI drought severity was calculated to compare the growth process of paddy and changes in the drought category of ESI. The Idong area was irrigated about a week later than other reservoirs for the period of water supply, transplanting, and water drainage and the ESI drought category tended to be different. The Gosam, Geumgwang, and Madun area expressed moderate drought prior to the farming season, and indicated normal as the water was supplied. During the water drainage, the drought category intensified, indicating that the water available on land was decreasing. These results demonstrated that the MODIS-based ESI could be an effective tool for agricultural drought monitoring over paddy field area.

Evaporative Stress Index (ESI)를 활용한 북한의 위성영상기반 농업가뭄 평가

이희진 ( Lee Hee-jin ),남원호 ( Nam Won-ho ),윤동현 ( Yoon Dong-hyun ),홍은미 ( Hong Eun-mi ),김대의 ( Kim Dae-eui ),( Mark D. Svoboda ),( Tsegaye Tadesse ),( Brian D. Wardlow ) 한국농공학회 2019 한국농공학회논문집 Vol.61 No.3

North Korea has frequently suffered from extreme agricultural crop droughts, which have led to food shortages, according to the Food and Agriculture Organization (FAO). The increasing frequency of extreme droughts, due to global warming and climate change, has increased the importance of enhancing the national capacity for drought management. Historically, a meteorological drought index based on data collected from weather stations has been widely used. But it has limitations in terms of the distribution of weather stations and the spatial pattern of drought impacts. Satellite-based data can be obtained with the same accuracy and at regular intervals, and is useful for long-term change analysis and environmental monitoring and wide area access in time and space. The Evaporative Stress Index (ESI), a satellite-based drought index using the ratio of potential and actual evaporation, is being used to detect drought response as a index of the droughts occurring rapidly over short periods of time. It is more accurate and provides faster analysis of drought conditions compared to the Standardized Precipitation Index (SPI), and the Palmer Drought Severity Index (PDSI). In this study, we analyze drought events during 2015-2017 in North Korea using the ESI satellite-based drought index to determine drought response by comparing with it with the SPI and SPEI drought indices.

Evaporative Stress Index (ESI)의 국내 가뭄 심도 분류 기준 제시

이희진 ( Lee Hee-jin ),남원호 ( Nam Won-ho ),윤동현 ( Yoon Dong-hyun ),홍은미 ( Hong Eun-mi ),김태곤 ( Kim Taegon ),박종환 ( Park Jong-hwan ),김대의 ( Kim Dae-eui ) 한국농공학회 2020 한국농공학회논문집 Vol.62 No.2

Drought is considered as a devastating hazard that causes serious agricultural, ecological and socio-economic impacts worldwide. Fundamentally, the drought can be defined as temporarily different levels of inadequate precipitation, soil moisture, and water supply relative to the long-term average conditions. From no unified definition of droughts, droughts have been divided into different severity level, i.e., moderate drought, severe drought, extreme drought and exceptional drought. The drought severity classification defined the ranges for each indicator for each dryness level. Because the ranges of the various indicators often don’t coincide, the final drought category tends to be based on what the majority of the indicators show and on local observations. Evaporative Stress Index (ESI), a satellite-based drought index using the ratio of potential and actual evaporation, is being used as a index of the droughts occurring rapidly in a short period of time from studies showing a more sensitive and fast response to drought compared to Standardized Precipitation Index (SPI), and Palmer Drought Severity Index (PDSI). However, ESI is difficult to provide an objective drought assessment because it does not have clear drought severity classification criteria. In this study, U.S. Drought Monitor (USDM), the standard for drought determination used in the United States, was applied to ESI, and the Percentile method was used to classify drought categories by severity. Regarding the actual 2017 drought event in South Korea, we compare the spatial distribution of drought area and understand the USDM-based ESI by comparing the results of Standardized Groundwater level Index (SGI) and drought impact information. These results demonstrated that the USDM-based ESI could be an effective tool to provide objective drought conditions to inform management decisions for drought policy.

위성/드론영상 기반 농업가뭄관리를 위한 모니터링 및 자료체계 정립

남원호 ( Won-ho Nam ),윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),장민원 ( Min-won Jang ),김원균 ( Won-kyun Kim ),김희문 ( Hi-mun Kim ),김대의 ( Dae-eui Kim ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

가뭄은 다른 재난에 비해 영향면적이 넓고 장기간에 걸쳐 느린 속도로 진행되므로 광역에 걸쳐 전반적인 정보를 획득 할 수 있는 위성영상 모니터링 기술 개발이 필요하다. 신속한 농업재해 대응 의사결정지원을 위한 농업가뭄 모니터링 및 예측 기술이 필요하며, 농업가뭄에 대한 과학적, 체계적, 종합적, 장기적 대응체계 기반 구축을 위해 전국적으로 분포한 농업 분야의 특성상 위성영상 기반의 원격탐사기술의 도입이 대두되고 있다. 원격탐사기술의 발전에 따라 인공 위성과 드론을 위한 실시간 모니터링 기술이 실용화되고 있고, 향후 취득 가능한 위성영상의 해상도는 더욱 높아질 것을 고려하면 위성영상 기반 농업가뭄 모니터링 기술 확보가 요구되며, 국내의 농업·농촌용수 및 농업재해 관리에 있어서 위성영상을 활용한 농업가뭄 판단에 앞서 농업분야에 활용 가능한 위성영상 자료 수집, 분류, 체계화 및 표준화 연구 기반 정립이 필요하다. 본 연구에서는 농업가뭄 모니터링을 위한 위성영상 기반의 농업가뭄자료 분류 및 체계화 정립, 위성영상기반 농업가뭄 모니터링 모델 개발, 드론영상 및 위성영상 연계를 통한 농업가뭄 모니터링 방안 등의 세부 연구내용으로 위성영상과 드론의 통합적인 가뭄 모니터링과 예경보 시스템을 구축하여, 농업재해의 신속한 피해 현황을 파악하여 선제적 대응이 가능하도록 맞춤지능형 의사결정의 지원 및 정보를 제공하고자 한다.

위성영상기반 농업가뭄 모니터링을 위한 Evaporative Stress Index (ESI)의 적용성 평가

윤동현 ( Yoon Dong-hyun ),남원호 ( Nam Won-ho ),이희진 ( Lee Hee-jin ),홍은미 ( Hong Eun-mi ),김태곤 ( Kim Taegon ),김대의 ( Kim Dae-eui ),신안국 ( Shin An-kook ),( Mark D. Svoboda ) 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.6

Climate change has caused changes in environmental factors that have a direct impact on agriculture such as temperature and precipitation. The meteorological disaster that has the greatest impact on agriculture is drought, and its forecasts are closely related to agricultural production and water supply. In the case of terrestrial data, the accuracy of the spatial map obtained by interpolating the each point data is lowered because it is based on the point observation. Therefore, acquisition of various meteorological data through satellite imagery can complement this terrestrial based drought monitoring. In this study, Evaporative Stress Index (ESI) was used as satellite data for drought determination. The ESI was developed by NASA and USDA, and is calculated through thermal observations of GOES satellites, MODIS, Landsat 5, 7 and 8. We will identify the difference between ESI and other satellite-based drought assessment indices (Vegetation Health Index, VHI, Leaf Area Index, LAI, Enhanced Vegetation Index, EVI), and use it to analyze the drought in South Korea, and examines the applicability of ESI as a new indicator of agricultural drought monitoring.