초분광 영상을 활용한 유해화학물질 분광라이브러리 구축 기법 개발

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화와 여름철 고온 등으로 인한 녹조현상, 사고발생으로 인한 화학물질 및 유류 유출 등 수질오염과 관련된 사회적 관심이 높아지고 있다. 수질오염 사례 중 화학사고로 인한 유해화학물질 유출은 인체에 접촉시 악영향을 끼치며, 대기·수질·토양을 오염시키고 주변 농작물의 변색이나 괴사를 유발하는 등 생태환경에 직접적인 피해가 발생한다. 환경부에서는 유해화학물질 유출사고로 인한 국민건강 및 환경상의 위해를 예방하기 위해 화학물질관리법과 화학물질 등록 및 평가에 관한 법률을 제정하여 유해화학물질을 관리하고 화학사고에 대응하고 있다. 하지만 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다. 화학사고 발생시 화학물질의 탐지는 간이접촉식탐지장비를 이용하거나 화학물질의 유출이 우려되는 곳에 검출센서를 설치해 사고를 감시하고 있다. 이러한 접촉식 센서는 현장인력에 의존적이고, 설치식 검출센서 또한 제한적으로 설치되어 미설치 지역에 대한 능동적 탐지가 어렵다는 한계가 있다. 사고물질을 특정하지 못할 경우에는 초기대응이 지연되거나, 잘못된 대응으로 인해 치명적인 환경재난으로 확대되기도 한다. 그렇기 때문에 화학사고 및 화학물질 유출시 적절한 조치와 대응이 필요하며 피해복구에 전문적인 대응이 요구된다.
한편 최근 초분광 영상을 활용하여 물질 고유의 분광특성을 분석함으로써 토지피복, 식생, 수질 등의 식별에 활용되고 있다. 따라서 초분광 센서를 활용한 화학물질 감지 가능성도 보여주고 있지만, 초분광 센서를 활용한 하천의 화학물질 감지를 위한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수계로 유출되는 유해화학물질을 식별하기 위하여 접촉식 탐지 기술의 한계를 극복할 수 있는 원격탐사기법과 최신 센서기술을 활용하였다.
본 연구에서는 유해화학물질 18종을 대상으로 초분광 영상을 이용한 상호 구분이 가능한 지 확인하고자 해당 유해화학물질의 초분광 영상을 촬영하여 분광라이브러리를 구축하였다. 또한 물질별 특성을 보이는 분광밴드의 범위를 지정해 특성 분광라이브러리를 구축하였으며, 분광라이브러리 구축 절차에 대한 표준을 수립하고 그 과정을 코드화한 소프트웨어를 개발하였다. 최종적으로 도출된 분광정보들을 효율적으로 관리하기 위해 체계적인 데이터모델을 개발하였다. 향후 연구를 통해 유해화학물질 분광라이브러리 데이터베이스를 확대하고, 하천 적용에 대한 검증을 실시해 실시간 모니터링에 적용할 경우 신속한 화학사고 발생여부 감지 및 대응에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 및 필요성 1
• 1) 화학사고로 인한 수질오염 사례 및 특징 1
• 2) 화학사고 감지 기술 및 한계 3
• 2. 연구목표 및 내용 5
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 원격탐사를 활용한 하천환경조사 6
• 1) 하천환경조사 6
• 2) 하천원격탐사 8
• 2. 초분광 영상 활용기술 및 분광라이브러리 구축 사례 10
• 1) 초분광 영상 10
• 2) 초분광 영상의 활용사례 12
• 3) 분광라이브러리 구축 및 활용사례 13
• Ⅲ. 방법론 17
• 1. 초분광 영상 수집 기술 17
• 1) 센서 17
• 2) 시료제조 19
• 3) 촬영방법 20
• 2. 초분광 영상을 활용한 분광라이브러리 구축 기술 22
• 1) 방사보정 23
• 2) 분광 스펙트럼 추출 27
• 3) 하천수 분광정보 제거 28
• 4) 추출자료 이상치 제거 29
• 5) Super Smoothing 30
• 6) Vector Normalization 32
• 3. 식별 능력 개선을 위한 분광라이브러리 특성화 기술 34
• 1) 분광라이브러리를 이용한 화학물질 식별의 한계 34
• 2) 특성 분광라이브러리 구축 36
• 4. 분광 자료의 추출 및 관리 43
• 1) 분광 자료 추출 소프트웨어 개발 43
• 2) 저장방식 및 데이터 관리 46
• Ⅳ. 분광특성을 이용한 유해화학물질 식별 48
• 1. 대상 하천 및 유해화학물질 48
• 1) 대상 하천 48
• 2) 대상 유해화학물질 48
• 2. 자료수집결과 51
• 3. 분광라이브러리 및 특성 분광라이브러리 구축 52
• 4. 특성 분광라이브러리 이용 유해화학물질 식별 62
• 5. 유해화학물질 분광라이브러리 DB 구축 결과 64
• 6. 토의 66
• Ⅴ. 결론 및 향후연구 68
• 1. 결론 68
• 2. 향후 연구 70
• 참고문헌 71
• 영문요약 75