MODIS 총일차생산성 산출물의 오차요인 분석: 입력기상자료의 영향

강신규 ( Sin Kyu Kang ),김영일 ( Young Il Kim ),김영진 ( Young Jin Kim ) 한국농림기상학회 2005 한국농림기상학회지 Vol.7 No.2

생태학적 ${\cdot}$ 육수학적 현상들에 대한 프랙탈의 적용

장현정,강신규,이도원,Chang, Hyun-Jeong,Kang, Sin-Kyu,Lee, Do-Won 한국하천호수학회 2000 생태와 환경 Vol.33 No.2

Fractal geometry has become one of prospective research approaches as the complex structure of natural entities is not easily characterized by traditional Euclidean geometry. With the fractal geometry, we can better decipher the complex structure and identify natural and anthropogenic agents of landscape patterns occurring at different spatial scales. The usefulness of fractal, however, has not been fully appreciated among Korean academic societies, especially in ecological and limnological fields. We attempt to address three points in this study. First, we introduce the concept and dimension of fractal and review relevant research approaches, especially with respect to ecological and limnological phenomena. Second, we explore possible applications of fractal to some aspects of geography and land use characteristics in South Korea. For the analyses of fractal dimensions, we used data published in other studies previously and collected for this study. Data were analyzed by a perimeter/area method of fractal dimension for the spatial distribution of global solar radiation and leaf area index, and the movement of wild boars in forested landscapes of mid-eastern Korea. The same approach was also applied to the water channel of a hypothetical river and the shape of reservoirs in Yongin, Kyunggi Province. Finally, we discuss the results and key issues to consider when a fractal approach is employed in ecology and limnology.

DAO 기상자료와 구름 영향에 의한 MODIS 일차생산성 오차 분석

김영일 ( Young Il Kim ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),김영진 ( Young Jin Kim ),김은숙 ( Eun Sook Kim ) 한국농림기상학회 2005 학술발표논문집 Vol.2005 No.2

MODIS 광합성유효복사흡수율과 WRF 기상자료를 이용한 북한지역의 총일차 생산성 추정

도나영 ( Na Young Do ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),명수정 ( Soo Jeong Myeong ),천태훈 ( Tae Hun Chun ),이지혜 ( Ji Hye Lee ),이종범 ( Chong Bum Lee ) 대한원격탐사학회 2012 大韓遠隔探査學會誌 Vol.28 No.2

미국항공우주국(NASA)의 MODIS GPP 자료는 육상식생의 총일차생산성(GPP) 모니터링에 중요한 수단을 제공한다. 그러나 GPP 추정의 입력자료로 사용하는 DAO기상자료의 거친 공간해상도(1.25°×1°)와 FPAR 자료의 구름영향에 의한 신뢰도 저하 등은 지역 수준의 GPP 모니터링에 문제를 야기한다. 이연구에서는 북한지역을 대상으로 FPAR의 구름영향 제거하고 고해상도(3 km×3 km) WRF 기상자료를 사용함으로써 입력자료의 문제를 개선한 GPP를 추정한 후, 2000-2008년 간의 GPP 연간 변동특성 및 지역적 분포특성을 분석하였다. 개선한 GPP는 2000년의 645gC m-2 y-1에서 2008년의 863 gC m-2 y-1까지 변화하였고, 혼효림지역이 1,076gC m-2 y-1으로 가장 큰 값을 보였다. NASA GPP (790gC m-2 y-1)에 비해 FPAR 개선 후 GPP가 증가하였고(861), WRF 자료 이용 시 감소(710), FPAR와 WRF 자료 이용 시다소 증가(809)하는 양상을 보였다. 개선효과는 북한에서 제일 큰 면적을 차지한 혼효림에서 가장 뚜렷하였다(+10.2%). 한편 WRF 기상자료가 DAO에 비해 지형적 영향을 보다 잘 반영함으로써, 결과적으로 개선한 GPP의 공간이질성이 증가한 것으로 나타났다. 각 피복유형별 연간변동성을 분석한 결과 개선한 GPP는 NASA GPP와 상이한 연간변화를 보였다. 위 결과들을 종합하면, 북한 등의 지역수준의 GPP 모니터링을 목적으로할 경우, 입력자료의 개선에 의한 MODIS GPP를 재산출할 필요가 있다고 보여진다. NASA MODIS GPP provides a useful tool to monitor global terrestrial vegetation productivity. Two major problems of NASA GPP in regional applications are coarse spatial resolution (1.25˚×1˚) of DAO meteorological data and cloud contamination of MODIS FPAR product. In this study, we improved the NASA GPP by using enhanced input data of high spatial resolution (3 km×3km) WRF meteorological data and cloud-corrected FPAR over the North Korea. The improved GPP was utilized to investigate characteristics of GPP interannual variation and spatial patterns from 2000 to 2008. The GPP varied from 645 to 863 gC m-2 y-1 in 2000 and 2008, respectively. Mixed forest showed the highest GPP (1,076gC m-2 y-1). Compared to NASA GPP (790gC m-2 y-1), FPAR enhancement increased GPP (861) but utilization of WRF data decreased GPP (710). Enhancements of both FPAR and meteorological input resulted in GPP increase (809) and the improvement was the greatest for mixed forest regions (+10.2%). The improved GPP showed better spatial heterogeneity reflecting local topography due to high resolution WRF data. It is remarkable that the improved and NASA GPPs showed distinctly different interannual variations with each other. Our study indicates improvement of NASA GPP by enhancing input variables is necessary to monitor region-scale terrestrial vegetation productivity.

수문생태모형 RHESSys의 평가: 두 복잡지형 유역에서의 모수화와 적용

이보라 ( Bo Ra Lee ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),김은숙 ( Eun Sook Kim ),황태희 ( Tae Hee Hwang ),임종환 ( Jong Hwan Lim ),김준 ( Joon Kim ) 한국농림기상학회 2007 한국농림기상학회지 Vol.9 No.4

전지구적인 생태시스템 안에서 탄소와 물의 흐름은 아주 밀접하게 관련되어 있다. 생태계 물질순환과정을 모사해 주는 모형들은 연구자들이 직접 측정하기 어려운 복잡한 생태계에서의 물질순환 과정들의 상호작용과 그 변화를 예측할 수 있는 도구이다. 이 연구에서는 생태수문모형 RHESSys(Regional Hydro Ecological Simulation System)를 광릉시험림 유역에서 모수화한 후, 다른 지형 조건과 기후 및 식생을 가진 점봉산 강선리 유역에 적용함으로써 RHESSys모수화의 다유역으로의 확장가능성과 문제점 등을 조사하였다. RHESSys는 Geographic Information System(GIS)를 바탕으로 공간적인 탄소와 물 및 영양분의 흐름을 모사하는 생태수문모형이다. 모수화는 광릉시험림 유역의 1982-1999년간 일유량과 나이테 자료로 추정한 임목생장량을 사용하였다. 수직 및 수평 방향의 수리전도도에 관련된 중요 모수들과 임목 생장과 관련된 분배 모수들을 Monte-Carlo 접근법을 사용하여 최적화 하였다. 모형결과를 광릉연구지의 실측 토양수분과 비교해 본 결과 RHESSys는 토양수분을 다소 과소평가하는 경향이 있으나, 일변화를 유의하게 잘 모사하였으며, 임목생장량의 연변화를 잘 모사하였다. 광릉연구 지에서 개발한 모수를 점봉산 강선리 유역에 적용한 결과, 광릉과 마찬가지로 RHESSys는 토양수분을 다소 과소평가하나 여름철의 중요한 시계열 경향을 유의하게 잘 모사하였다. 또한 실측 공극률의 사용이 모형의 토양수분예측력에 중요함을 확인하였다. 반면에 강선리 유역의 임목생장량에 대해선 모형의 예측력이 높지 않았다. 수문과정 모수에 비해 식생성장 및 분배관련 모수의 경우 단일 유역의 모수화를 타 유역으로 확장하는 데에 상당한 불확실성이 있음을 확인하였다. 각 유역의 임목생장 및 분배 특성을 반영하는 독립적인 모수화 과정이 필요하며 이를 뒷받침해 줄 최소한의 현장측정항목을 발굴하는 후속연구가 필요하다. In this study, we examined the flux of carbon and water using an eco-hydrological model, Regional Hydro-Ecologic Simulation System (RHESSys). Our purposes were to develop a set of parameters optimized for a well-designed experimental watershed (Gwangneung Research Watershed, GN) and then, to test suitability of the parameters for predicting carbon and water fluxes of other watershed with different regimes of climate, topography, and vegetation structure (i.e Gangseonry Watershed in Mt. Jumbong, GS). Field datasets of stream flow, soil water content (SWC), and wood biomass product (WBP) were utilized for model parameterization and validation. After laborious parameterization processes, RHESSys was validated with the field observations from the GN watershed. The parameter set identified at the GN watershed was then applied to the GS watershed in Mt. Jumbong, which resulted in good agreement for SWC but poor predictability for WBP. Our study showed that RHESSys simulated reliable SWC at the GS by adjusting site-specific porosity only. In contrast, vegetation productivity would require more rigorous site-specific parameterization and hence, further study is necessary to identify primary field ecophysiological variables for enhancing model parameterization and application to multiple watersheds.

광릉 원두부 유역 생태수문과정의 통합을 위한 지역 생태수문 모사 시스템(RHESSys)의 모수화와 적용

김은숙 ( Eun Sook Kim ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),이보라 ( Bo Ra Lee ),김경하 ( Kyong Ha Kim ),김준 ( Joon Kim ) 한국농림기상학회 2007 한국농림기상학회지 Vol.9 No.2

산림생태계의 생태과정과 수문과정의 변화는 밀접하게 연관되어 있음에도 불구하고 통합적으로 다루어지지 못해 왔다. 본 연구에서는 광릉 소유역에서 관측되고 있는 식생 및 수문자료와 지리정보시스템(GIS)을 기반으로 지역규모의 생태수문 모사 시스템인 RHESSys를 이용하여 이러한 통합을 시도하였다. 이를 위해, (1) RHESSys의 입력자료를 구축, 모형을 구동하고 (2) 다양한 생태수문과정을 동시에 고려할 수 있는 모형보정체계를 수립하고, (3) 민감도 분석을 통해 최적의 모수를 추정하였다. RHESSys의 유량패턴과 첨두유량에 영향을 주는 6개의 토양모수를 대상으로 민감도를 분석한 결과, 수평 포화 수리 전도도와 공극률의 깊이에 따른 감쇄가 유량에 대해 가장 큰 민감도를 보였다. 이 두 모수를 변화시켜 최적의 유량패턴 적합도를 산출한 결과, 유량예측의 적합도 지수(NSec)는 0.75였다. 이러한 결과는 향후 유역 단위의 토양 수분 및 증발산을 모사하고 그 공간분포를 나타내는 지도 제작을 위한 기본적인 평가기준으로서 매우 중요한 의미를 갖는다. Despite the close linkage in changes between the ecological and hydrological processes in forest ecosystems, an integrative approach has not been incorporated successfully. In this study, based on the vegetation and hydrologic data of the Gwangneung headwater catchment with the Geographic Information System, we attempted such an integrated approach by employing the Regional Hydro-Ecologic Simulation System (RHESSys). To accomplish this, we have (1) constructed the input data for RHESSys, (2) developed an integrated calibration system that enables to consider both ecological and hydrological processes simultaneously, and (3) performed sensitivity analysis to estimate the optimum parameters. Our sensitivity analyses on six soil parameters that affect streamflow patterns and peak flow show that the decay parameter of horizontal saturated hydraulic conductivity (s1) and porosity decay by depth (PD) had the highest sensitivity. The optimization of these two parameters to estimate the optimum streamflow variation resulted in a prediction accuracy of 0.75 in terms of Nash-Sutcliffe efficiency (NSec). These results provide an important basis for future evaluation and mapping of the watershed-scale soil moisture and evapotranspiration in forest ecosystems of Korea.

MODIS 지표 분광반사도 자료를 이용한 고품질 NDVI 시계열 자료 생성의 기법 비교 연구

이지혜 ( Ji Hye Lee ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),장근창 ( Keun Chang Jang ),홍석영 ( Suk Young Hong ) 대한원격탐사학회 2015 大韓遠隔探査學會誌 Vol.31 No.2

원격탐사 자료 기반의 식생지수 시계열 자료를 이용함에 있어서 가장 중요한 것은 구름이나 에어로 졸에 의한 자료의 품질저하 문제이다. 이 연구에서는 MODIS09 지표 분광반사도 자료를 이용하여 구름영향에 의한 저품질 자료를 제거한 뒤 결손자료를 내삽, 평활하여 연속적인 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) 시계열 자료를 생산하였다. 구름에 의한 영향을 제거하기 위한 방법으로 MODIS 분광반사도 자료를 이용한 5가지의 구름탐지기법을 선정하여 비교, 평가하였다. 위성자료에서 제공하는 품질관리정보(Quality Assessment, QA)에서 구름이라고 판단한 경우, MODIS09 Band 3 반사도가 10% 이상인 경우와 20% 이상인 경우, Cloud Detection Index (CDI)가 임계값 이상인 경우, 센서 천정각이 32.25° 이상인 경우를 각각 구름으로 판단하였다. 구름탐지로 인해 발생한 자료의 결손은 선형적 내삽 기법을 이용하여 보정한 뒤 Savitzky-Golay (S-G) 필터와 웨이브렛 변환을 각각 적용하여 평활하였다. 구름 탐지 기법은 10% 이상 Band 3 반사도 제거 기법(85%), Quality Control (QC) (82%), 20% 이상 Band 3 반사도 제거 기법(81%)의 순으로 높은 구름탐지율을 보였다. 웨이브렛 변환은 선형의 시계열 패턴을 얻을 수 있지만 원 자료의 최대값을 반영하지 못하는 반면 S-G 필터는 구름에 의한 신뢰도 낮은 값은 제거하면서도 NDVI 원 자료의 최대값을 유지하여 시계열 자료의 계절적 특성을 잘 보여주는 것을 확인하였다. 이 연구에서는 구름의 탐지, 결손 내삽, 평활 기법의 순차적인 자료처리기법을 적용하여 구름 영향을 제거한 고품질의 시계열 자료의 생산이 가능함을 확인하였다. A comparative study was conducted for alternative consecutive procedures of detection of cloud-contaminated pixels and gap-filling and smoothing of time-series data to produce high-quality gapless satellite vegetation index (i.e. Normalized Difference Vegetation Index, NDVI). Performances of five alternative methods for detecting cloud contaminations were tested with ground-observed cloudiness data. The data gap was filled with a simple linear interpolation and then, it was applied two alternative smoothing methods (i.e. Savitzky-Golay and Wavelet transform). Moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) data were used in this study. Among the alternative cloud detection methods, a criterion of MODIS Band 3 reflectance over 10% showed best accuracy with an agreement rate of 85%, which was followed by criteria of MODIS Quality assessment (82%) and Band 3 reflectance over 20% (81%), respectively. In smoothing process, the Savitzky-Golay filter was better performed to retain original NDVI patterns than the wavelet transform. This study demonstrated an operational framework of gapdetection, filling, and smoothing to produce high-quality satellite vegetation index.

기복이 심한 한반도 중서부 산림경관에서 기후가 순일차생산(NPP)에 미치는 영향에 대한 모사연구

음성원 ( Sung Won Eum ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),이도원 ( Do Won Lee ) 한국농림기상학회 2005 한국농림기상학회지 Vol.7 No.1

입력자료 개선에 의한 MODIS 총일차생산성의 신뢰도 향상

김영일 ( Young Il Kim ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),김준 ( Joon Kim ) 한국농림기상학회 2007 한국농림기상학회지 Vol.9 No.2

현재 1km 해상도의 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) 총일차생산성(GPP) 영상이 8일 간격으로 제공되고 있다. 본 연구에서 MODIS GPP 산출에 사용되는 입력기상(DAO)자료와 광합성유효복사흡수율(FPAR) 자료의 오차를 정량화 하였고, 이들 오차가 MODIS GPP의 불확실성에 미치는 영향을 분석하였다. 입력자료의 평가를 위해 지상기상관측소의 기상자료를 사용하였고, 구름효과 등을 저감한 FPAR의 시계열을 복원하였다. 평가 결과 입력자료의 오차는 MODIS GPP에서 17% 정도 과대평가되었다. 두 오차중에서 기상자료의 오차가 주요 원인이었으며, FPAR의 오차는 부차적인 것으로 판명되었다. 다양한 토지피복 중에서 혼효림의 MODIS GPP 오차가 약 20%로 가장 크고, 농경지는 약 11%의 오차를 보였다. 입력자료에 의한 MODIS GPP의 오차는 GPP의 계절변화뿐만 아니라 연간 GPP 변화에도 상이한 결과를 초래하였다. 따라서 MODIS GPP에 내재한 오차는 상당하다고 판단되며, 향후 GPP 모니터링에 응용하기 위해선 상기 기술한 오차 요인들을 저감한 입력자료에 의거해 MODIS GPP를 재가공할 필요가 있다. The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) regularly provides the eight-day gross primary productivity (GPP) at 1 km resolution. In this study, we evaluated the uncertainties of MODIS GPP caused by errors associated with the Data Assimilation Office (DAO) meteorology and a biophysical variable (fraction of absorbed photosynthetically active radiation, FPAR). In order to recalculate the improved GPP estimate, we employed ground weather station data and reconstructed cloud-free FPAR. The official MODIS GPP was evaluated as +17% higher than the improved GPP. The error associated with DAO meteorology was identified as the primary and the error from the cloud-contaminated FPAR as the secondary constituent in the integrative uncertainty. Among various biome types, the highest relative error of the official MODIS GPP to the improved GPP was found in the mixed forest biome with RE of 20% and the smallest errors were shown in crop land cover at 11%. Our results indicated that the uncertainty embedded in the official MODIS GPP product was considerable, indicating that the MODIS GPP needs to be reconstructed with the improved input data of daily surface meteorology and cloud-free FPAR in order to accurately monitor vegetation productivity in Korea.

Collection 5와 Collection 6 Aqua MODIS07_L2 기온과 이슬점온도 산출물간의 비교 및 지상 관측 자료와의 비교

장근창 ( Keun Chang Jang ),강신규 ( Sin Kyu Kang ),홍석영 ( Suk Young Hong ) 대한원격탐사학회 2014 大韓遠隔探査學會誌 Vol.30 No.5

Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)로부터 산출된 기온과 이슬점 온도 프로파일 자료는 5 km의 공간해상도로 연속적으로 지상을 감시하고 있으며, 2012년부터 기존의 산출 알고 리즘(Collection 5, C005)을 개선한 Collection 6(C006) MODIS07_L2 대기프로파일 자료를 생산하고 있다. 이 연구에서는 두 가지 버전의 알고리즘으로 산출된 Aqua MODIS07_L2(MYD07_L2) 대기 프로파일 자료로부터 획득한 기온과 이슬점 온도에 대한 신뢰도를 평가하는 것으로, 전국 77 개소 정규기상관측지점을 대상으로 하였다. 또한 기온과 이슬점 온도를 이용하여 대기수증기압을 추정하여 미기상인자 산출에 대한 MYD07_L2의 적용 가능성을 살펴보았다. C006 기온은 지상 관측 자료와 비교에서 C005 기온의 오차 (ME = -1.89 K, RMSE = 4.06 K)보다 개선된 결과를 보였다(ME = -0.76 K, RMSE = 3.34 K). 한편, 이슬점 온도의 경우에는 C006이 C005의 오차(ME = -0.39 K, RMSE = 5.65 K)보다 크게 나타났다. MYD07_L2 산출 고도와 지상 관측지점 간에 발생할 수 있는 고도 차이를 보정하기 위해 대기기온감률 방법을 적용한 결과, 기온의 경우 C005와 C006에서 모두 개선 효과를 확인할 수 있었지만, 이슬점 온도의 경우에는 C006에서 오차가 소폭 증가하였다(1.4%). 두 가지 버전의 MYD07_L2 자료를 이용하여 대기수증기압을 추정한 결과, C006 자료를 이용하였을 때 다소 개선된 결과를 보였다. 이 연구를 통해 한국에 대한 C006 MYD07_L2 산출물 중 기온의 신뢰도가 전반적으로 개선되었음을 확인할 수 있었다. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) provides air temperature (Tair) and dew point temperature (Tdew) profiles at a spatial resolution of 5 km. New Collection 6 (C006) MODIS07_L2 atmospheric profile product has been produced since 2012. The Collection 6 algorithm has several modifications from the previous Collection 5 (C005) algorithm. This study evaluated reliabilities of two alternative datasets of surface-level Tair and Tdew derived from C005 and C006 Aqua MODIS07_L2 (MYD07_L2) products using ground measured temperatures from 77 National Weather Stations (NWS). Saturated and actual vapor pressures were calculated using MYD07_L2 Tair and Tdew. The C006 Tair showed lower mean error (ME, -0.76 K) and root mean square error (RMSE, 3.34 K) than the C005 Tair (ME = -1.89 K, RMSE = 4.06 K). In contrasts, ME and RMSE of C006 Tdew were higher than those (ME = -0.39 K, RMSE = 5.65 K) of C005 product. Application of ambient lapse rate for Tair showed appreciable improvements of estimation accuracy for both of C005 and C006, though this modification slightly increased errors in C006 Tdew. The C006 products provided better estimation of vapor pressure datasets than the C005-derived vapor pressure. Our results indicate that, except for Tdew, C006 MYD07_L2 product showed better reliability for the region of South Korea than the C005 products.