Adjustment of A Simplified Satellite-Based Algorithm for Gross Primary Production Estimation Over Korea

피경진,한경수,김인환,이태윤,조재일 대한원격탐사학회 2013 大韓遠隔探査學會誌 Vol.29 No.3

Monitoring the global Gross Primary Pproduction (GPP) is relevant to understanding the global carbon cycle and evaluating the effects of interannual climate variation on food and fiber production. GPP, the flux of carbon into ecosystems via photosynthetic assimilation, is an important variable in the global carbon cycle and a key process in land surface?atmosphere interactions. The Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) is one of the primary global monitoring sensors. MODIS GPP has some of the problems that have been proven in several studies. Therefore this study was to solve the regional mismatch that occurs when using the MODIS GPP global product over Korea. To solve this problem, we estimated each of the GPP component variables separately to improve the GPP estimates. We compared our GPP estimates with validation GPP data to assess their accuracy. For all sites, the correlation was close with high significance (R2 = 0.8164, RMSE = 0.6126g·C·m-2·d-1, bias = -0.0271g·C·m-2·d-1). We also compared our results to those of other models. The component variables tended to be either over- or under-estimated when compared to those in other studies over the Korean peninsula, although the estimated GPP was better. The results of this study will likely improve carbon cycle modeling by capturing finer patterns with an integrated method of remote sensing.

SPOT/VEGETATION 자료를 이용한 한반도의 광합성유효복사율(FPAR)의 산출

피경진,한경수,Pi, Kyoung-Jin,Han, Kyung-Soo 대한원격탐사학회 2010 大韓遠隔探査學會誌 Vol.26 No.5

FPAR는 다양한 육상 생태계 모텔에서 중요한 입력변수로 사용된다. 이 때문에 다양한 global product의 형태로 제공되고 있다. 하지만 한반도를 영역으로 하는 연구에 이를 바로 적용 시 오차가 발생할 수 있고, 이것은 위성자료를 이용한 지면 정보 산출에 있어서 직접적인 오차요인이 된다. 따라서 본 연구에서는 Terra/MODIS와 SPOT/VEGETATION 그리고 ECOCLIMAP 자료를 이용해 한반도에 최적화된 FPAR를 산출 하였고, 또한 기존에 사용하였던 LAI와의 관계식을 사용하지 않고, SPOT/VGT NDVI 로부터 계산된 FVC (Fraction Vegetation Cover)를 직접 이용하여 FPAR를 산출 하였다. 이를 위해 식생지수의 선형/비선형 관계를 이용하여 구하는 경험적인 방법을 적용하여 회귀분석을 수행한 결과 cropland와 forest에서 각각 결정계수 (Coefficient of Determination, $R^2$)가 0.9039. 0.7901으로 정확도가 높은 관계식을 도출해내었다. 최종적으로 Reference FPAR 자료와의 비교 분석을 통해 본 연구에서 산출된 FPAR가 전반적인 패턴을 잘 표현하면서 불규칙하게 발생하던 노이즈 또한 보정된 것을 확인 할 수 있었다. 이렇게 한반도에 최적화된 입력변수의 사용은 산출물의 정확도뿐만 아니라 연구의 질 향상에도 도움을 줄 것으로 사료된다. The importance of vegetation in studies of global climate and biogeochemical cycles is well recognized. Especially. the FPAR (fraction of photosynthetically active radiation) is one of the important parameters in ecosystem productivity and carbon budget models. Therefore, accurate estimates of vegetation parameters are increasingly important in environmental impact assessment studies. In this study, optical FPAR using the Terra MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer), SPOT VEGETATION and ECOCLIMAP data reproduced on the Korean peninsula. We applied the empirical method which is usually estimated as a linear or nonlinear function of vegetation indices. As results, we estimated the accurate expression which is 0.9039 of $R^2$ in cropland and 0.7901 of $R^2$ in forest. Finally, this study could be demonstrated to calibrate that produced FPAR while the overall pattern and random noise through the comparative analysis of FPAR on the reference data. Optimal use of input parameter on the Korean peninsula should be helping the accuracy of output as well as the improved quality of research.

SPOT/VEGETATION 자료를 이용한 한반도의 광합성유효복사율(FPAR)의 산출

피경진 ( Kyoung Jin Pi ),한경수 ( Kyung Soo Han ) 대한원격탐사학회 2010 大韓遠隔探査學會誌 Vol.26 No.5

FPAR는 다양한 육상 생태계 모델에서 중요한 입력변수로 사용된다. 이 때문에 다양한 global product의 형태로 제공되고 있다. 하지만 한반도를 영역으로 하는 연구에 이를 바로 적용시 오차가 발생할 수 있고, 이것은 위성자료를 이용한 지면 정보 산출에 있어서 직접적인 오차요인이 된다. 따라서 본 연구에서는 Terra/MODIS와 SPOT/VEGETATION, 그리고 ECOCLIMAP 자료를 이용해 한반도에 최적화된 FPAR를 산출 하였고, 또한 기존에 사용하였던 LAI와의 관계식을 사용하지 않고, SPOT/VGT NDVI로부터 계산된 FVC (Fraction Vegetation Cover)를 직접 이용하여 FPAR를 산출 하였다. 이를 위해 식생지수의 선형/비선형 관계를 이용하여 구하는 경험적인 방법을 적용하여 회귀분석을 수행한 결과 cropland와 forest에서 각각 결정계수 (Coefficient of Determination, R2)가 0.9039, 0.7901으로 정확도가 높은 관계식을 도출해내었다. 최종적으로 Reference FPAR 자료와의 비교 분석을 통해 본 연구에서 산출된 FPAR가 전반적인 패턴을 잘 표현하면서 불규칙하게 발생하던 노이즈 또한 보정된 것을 확인 할 수 있었다. 이렇게 한반도에 최적화된 입력변수의 사용은 산출물의 정확도뿐만 아니라 연구의 질 향상에도 도움을 줄 것으로 사료된다. The importance of vegetation in studies of global climate and biogeochemical cycles is well recognized. Especially, the FPAR (fraction of photosynthetically active radiation) is one of the important parameters in ecosystem productivity and carbon budget models. Therefore, accurate estimates of vegetation parameters are increasingly important in environmental impact assessment studies. In this study, optical FPAR using the Terra MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer), SPOT VEGETATION and ECOCLIMAP data reproduced on the Korean peninsula. We applied the empirical method which is usually estimated as a linear or nonlinear function of vegetation indices. As results, we estimated the accurate expression which is 0.9039 of R2 in cropland and 0.7901 of R2 in forest. Finally, this study could be demonstrated to calibrate that produced FPAR while the overall pattern and random noise through the comparative analysis of FPAR on the reference data. Optimal use of input parameter on the Korean peninsula should be helping the accuracy of output as well as the improved quality of research.

동아시아의 황사발원지들에 대한 토지피복 비교 연구: 고비사막과 만주

피경진 ( Kyoung Jin Pi ),한경수 ( Kyung Soo Han ),박수재 ( Soo Jae Park ) 大韓遠隔探査學會 2009 大韓遠隔探査學會誌 Vol.25 No.2

본 연구에서는 변화하고 있는 지표를 파악하기 위하여 기존 황사발원지인 고비사막과 새로운 황사발원지로 주목 받고 있는 만주에 대한 토지피복 비교 분석을 수행하였다. 이를 위해 1999년과 2007년의 SPOT VEGETATION(VGT) 센서로부터 취득된 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) 10-day 자료를 사용하였다. 효율적으로 식물의 변화를 탐지하기 위해 NDVI패턴을 분석하고, 식생의 밀도에 따라 level로 분류하여 식생상태를 비교하였다. 그 결과 모든 level을 통해 황사발원지들의 동진추세를 확인 할 수 있었다. 또한 기존의 황사발원지였던 고비사막과 황토고원은 positive한 변화를 보인 반면 새로운 황사발원지인 내몽골 고원과 만주는 negative한 변화를 보임을 관찰하였다. 특히 만주는 다른 황사발원지들과 다르게 사막이나 나지의 특성을 가지고 있지는 않으나 지속적으로 negative하게 변화함을 SPOT VGT의 1999년에서 2007년까지 9년 동안의 자료를 분석하여 확인하였다. This study attempts to analyze the difference among the variations of ecological distribution in Gobi desert and Manchuria through satellite based land cover classification. This was motivated by two well-known facts: 1) Gobi desert, which is an old source region, had been gradually expanded eastward; 2) Manchuria, which is located in east of Gobi desert, was observed as a new source region of yellow dust. An unsupervised classification called ISODATA clustering method was employed to detect the land cover change and to characterize the status of desertification and its expanding trends using NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) derived from VEGETATION sensor onboard the SPOT satellite for 1999 and 2007. We analyzed NDVI annual variation pattern for every classes and divide into 5 level according to their vegetation`s density level based on NDVI. As results, Gobi desert is showed positive variation: a decrease 78,066km2 in central Gobi desert and out skirts of Gobi desert (level-0) but Manchuria area is worse than previous time: an increase 25,744km2.

조화 분석을 이용한 식생지수 보정 기법에 관한 연구

박수재,한경수,피경진,Park, Soo-Jae,Han, Kyung-Soo,Pi, Kyoung-Jin 대한원격탐사학회 2010 大韓遠隔探査學會誌 Vol.26 No.4

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)는 기후 변화 모니터링과 식생 변화 탐지 모니터링을 위한 주요한 지표이며 주로 단일 기간 합성 자료 형태로 널리 활용되고 있다. 원격탐사 된 식생지수 자료는 전처리 과정을 거치게 되지만 제거되지 못한 cloud pixel, 대기 효과, 지면의 상태 등으로 인하여 NDVI 값이 저평가(low peak)되는 noise가 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내 외 연구가 활발히 진행되고 있으며 최근 높은 값(high peak)을 추적하는 방법인 다중 다항 회귀식을 이용하여 noise를 보정하는 방법이 개발되었으나 부분적으로 참값보다 과대 평가되는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 과대 평가되는 문제점을 해결하고자 조화 분석을 이용하여 low peak 탐지 후 보간하는 종합적인 기법을 개발하였다. 이를 검증하기 위해 SPOT/VGT NDVI 10-day MVC 자료를 이용하여 다중 다항 회귀식을 이용한 방법과의 비교 분석을 수행한 결과 전반적인 식생 지수의 시계열 특성이 잘 나타났고 NDVI 실제 값(raw value)을 보다 현실적으로 재생산하여 조화 분석을 이용한 방법이 더 우수한 것으로 판단된다. NDVI(Normalized Difference Vegetation Index), which is broadly used as short-term data composite, is an important parameter for climate change and long-term land surface monitoring. Although atmospheric correction is performed, NDVI dramatically appears several low peak noise in the long-term time series. They are related to various contaminated sources, such as cloud masking problem and wet ground condition. This study suggests a simple method through harmonic analysis for reducing NDVI noise using SPOT/VGT NDVI 10-day MVC data. The harmonic analysis method is compared with the polynomial regression method suggested previously. The polynomial regression method overestimates the NDVI values in the time series. The proposed method showed an improvement in NDVI correction of low peak and overestimation.

MODIS snow cover 자료를 이용한 히말라야 산맥의 적설면적 분석

하정목,한경수,김인환,피경진 건국대학교 기후연구소 2012 기후연구 Vol.7 No.3

눈은 지표에너지, 대기순환, 지구냉각, 강수에 영향을 미치는 설빙권의 중요한 요소 중의 하나이다. 1980년대 이후로 북반구의 설빙권은 급격하게 감소하고 있으며, 고위도 빙하뿐 아니라 고산지대의 만년설 또한 영향을 받고 있다. 본 연구에서는 히말라야 산맥 만년설의 변화를 2001년부터 2011년까지 11년간의 MODIS 적설역 탐지자료를 사용하여 분석하였으며 만년설 면적변화에 영향을 줄 수 있는 지역별, 고도별, 위도별, 기후대 별 특성을 고려하여 연구를 수행하였다. 지역별 분석결과 히말라야 서부 지역에서 77,781km2의 만년설의 증가가 나타났고, 중부와 동부지역에서는 각각 3,453km2, 19,230km2의 감소가 나타났다. 고도별 분석결과 면적대비 만년설 분포는 고도에 영향을 받으나 변화경향은 고도에 직접적으로 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 위도별 분석결과에서는 30°N~35°N 에서 증가 경향을 나타내었고, 27°N~28°N 에서는 증감을 반복하며 감소하는 경향을 나타내었다. 기후대별 분석에 따르면 연구영역 중 거의 대부분을 차지하는 툰드라기후(87.6%)에서는 특별한 경향을 확인 할 수 없었지만, 전체 중 12.4%를 차지하는 열대기후에서는 만년설이 증가하였으며, 그 결과를 통해 기후의 변화가 만년설 변화에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 히말라야 산맥의 지역, 고도, 위도, 기후 등 다양한 조건에 따른 만년설 변화경향을 분석하였으며, 이는 최근 북반구 설빙권의 급격한 감소 경향과 유사함을 확인하였다. 본 연구의 결과는 만년설의 변화와 관련된 해당지역 국가의 수자원 관련 정책수립과 운영에 참고자료로 활용 될 수 있을 것으로 사료된다.

정지궤도위성자료를 이용한 표면도달일사량 산출 기법 개선에 관한 연구

염종민,한경수,이가람,피경진,박수재 한국기상학회 2009 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.4

Analysis of BRD Components Over Major Land Types of Korea

김상일,한경수,김인환,이선구,천용식,박수재,피경진,이민지 대한원격탐사학회 2010 大韓遠隔探査學會誌 Vol.26 No.6

The land surface reflectance is a key parameter influencing the climate near the surface. Therefore, it must be determined with sufficient accuracy for climate change research. In particular, the characteristics of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) when using earth observation system (EOS) are important for normalizing the reflected solar radiation from the earth? surface. Also, wide swath satellites like SPOT/VGT (VEGETATION) permit sufficient angular sampling, but high resolution satellites are impossible to obtain sufficient angular sampling over a pixel during short period because of their narrow swath scanning. This gives a difficulty to BRDF model based reflectance normalization of high resolution satellites. The principal objective of the study is to add BRDF modeling of high resolution satellites and to supply insufficient angular sampling through identifying BRDF components from SPOT/VGT. This study is performed as the preliminary data for apply to high-resolution satellite. The study provides surface parameters by eliminating BRD effect when calculated biophysical index of plant by BRDF model. We use semi-empirical BRDF model to identify the BRD components. This study uses SPOT/VGT satellite data acquired in the S1 (daily) data. Modeled reflectance values show a good agreement with measured reflectance values from SPOT satellite. This study analyzes BRD effect components by using the NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and the angle components such as solar zenith angle, satellite zenith angle and relative azimuth angle. Geometric scattering kernel mainly depends on the azimuth angle variation and volumetric scattering kernel is less dependent on the azimuth angle variation. Also, forest from land cover shows the wider distribution of value than cropland, overall tendency is similar. Forest shows relatively larger value of geometric term (K1·f1) than cropland, When performed comparison between cropland and forest. Angle and NDVI value are closely related.

SPOT/VEGETATION S-10 NDVI 자료를 이용한 한반도 지역의 조화분석

김인환(In-Hwan Kim),한경수(Kyung-SooHan),피경진(Kyuong-JinPi),김상일(Sang-ilKim),이민지(Min-JiLee) 대한공간정보학회 2011 한국지형공간정보학회 학술대회 Vol.2011 No.5

조화 분석을 이용한 식생지수 보정 기법에 관한 연구

박수재 ( Soo Jae Park ),한경수 ( Syung Soo Han ),피경진 ( Kyoung Jin Pi ) 대한원격탐사학회 2010 大韓遠隔探査學會誌 Vol.26 No.4

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)는 기후 변화 모니터링과 식생 변화 탐지 모니터링을 위한 주요한 지표이며 주로 단일 기간 합성 자료 형태로 널리 활용되고 있다. 원격탐사 된 식생지수 자료는 전처리 과정을 거치게 되지만 제거되지 못한 cloud pixel, 대기 효과, 지면의 상태 등으로 인하여 NDVI 값이 저평가(low peak)되는 noise가 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내·외 연구가 활발히 진행되고 있으며 최근 높은 값(high peak)을 추적하는 방법인 다중 다항 회귀식을 이용하여 noise를 보정하는 방법이 개발되었으나 부분적으로 참값보다 과대 평가되는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 과대 평가되는 문제점을 해결하고자 조화 분석을 이용하여 low peak 탐지 후 보간하는 종합적인 기법을 개발하였다. 이를 검증하기 위해 SPOT/VGT NDVI 10-day MVC 자료를 이용하여 다중 다항 회귀식을 이용한 방법과의 비교 분석을 수행한 결과 전반적인 식생 지수의 시계열 특성이 잘 나타났고 NDVI 실제값(raw value)을 보다 현실적으로 재생산하여 조화 분석을 이용한 방법이 더 우수한 것으로 판단된다. NDVI(Normalized Difference Vegetation Index), which is broadly used as short-term data composite, is an important parameter for climate change and long-term land surface monitoring. Although atmospheric correction is performed, NDVI dramatically appears several low peak noise in the long-term time series. They are related to various contaminated sources, such as cloud masking problem and wet ground condition. This study suggests a simple method through harmonic analysis for reducing NDVI noise using SPOT/VGT NDVI 10-day MVC data. The harmonic analysis method is compared with the polynomial regression method suggested previously. The polynomial regression method overestimates the NDVI values in the time series. The proposed method showed an improvement in NDVI correction of low peak and overestimation.