지구와시즈

새해 복 많이 받으세요! 저는 2024년에도 변함없이 찾아온 세상을 보는 우주아이입니다.

올해 첫 순서로 새해를 맞이하여 아리랑위성영상을 활용한 흥미로운 사례들을 소개해 드리려고 합니다. 아리랑위성은 대한민국의 자랑스러운 우주 개발 프로젝트로, 우리의 기술력과 열정이 담겨있는 위성이죠. SIIS에서 제공하는 아리랑위성의 영상으로 연구한 사례들을 소개할게요. 저와 함께 아리랑 위성영상을 통해 세상의 아름다움과 다양한 사례들을 알아보도록 해요!

▶ 아리랑위성 3호 영상으로 제작한 1:5,000 지도 연구 

위성영상으로 활용할 수 있는 가장 대표적인 분야 중 지도 제작을 떠올릴 수 있죠. 엔지니어링 설계, 측량, 지리 공간 데이터 취득, 지도 제작, 원격탐사, 디지털 공간 데이터 제작 분야 기업인 (주)아세아항측은 아리랑위성 3호 영상을 이용하여 정사영상을 생성하고, 사진측량 워크스테이션을 이용하여 정사영상으로부터 축척 1:5,000의 2차원 지도를 제작하는 과정과 결과를 검토했어요. 



아리랑위성 3호의 L1O 스테레오 페어 위성 이미지 풋 프린트(Foot Print) 



이 지도의 지역은 튀니지 카세린 지방의 크무다 지역이고, 이 연구에는 SIIS에서 제공한 2019년 6월에 촬영된 아리랑위성 3호의 L1O 스테레오 페어 영상이 사용되었습니다.

또한, (주)아세아항측에서 인천대학교 측량 연구실에서 지원한 ERDAS Imagine을 이용하여 L1O 영상으로부터 정사영상을 제작하였으며, 이 과정에서 자동 타이 포인트 생성, 항공삼각측량, 아리랑위성 3호 영상 스테레오 매칭을 통한 DTM 생성을 수행하였고, 제작된 DTM은 보정을 위한 입력 데이터로 사용하였습니다.

현장에서 측정한 GCP를 확보할 수 없어 구글어스에서 명확하게 식별 가능한 5개 지점을 선정하여 GCP 데이터로 사용했습니다.

벡터 지형 특징 추출은 선행 작업에서 생성된 정사영상을 입력받아 소프트카피 사진측량 워크스테이션(HIST DPW)에서 2차원 디지털화를 통해 수행했습니다.

전체 작업 과정은 크게 3단계로 나뉩니다.

1단계 : ERDAS Imagine을 이용한 L1O 영상 정사영상 보정

2단계 : 생성된 정사영상을 이용한 지형 특징 추출

3단계 : 지도 제작 편집



전체 작업 절차 

Ortho 영상 생성 프로세스 



소프트카피 사진측량 워크스테이션(HIST DPW)을 사용하여 지형지물을 추출하는 과정은 아래와 같습니다.

1. 준비와 로딩 : HIST DPW에 필요한 기본 설정을 수행한 후 생성된 정사영상을 로드

2. 지형 특징 추출 : 표준 분류 코드를 기반으로 분류에 따라 건물층, 도로층, 지류 경계, 수계층 등 필요한 지형 특징을 수동으로 추출

3. 지도 편집 및 도면 작성 : 추출된 지형지물을 지도 기호화 규격에 따라 CAD 파일에서 편집하고 표준 지도 시트 크기에 맞게 잘라낸 후 필요한 주석 정보(구글맵에서 지명, 도로명 등)를 추출하여 생성된 지도에 삽입 필요한 지도 참조 코드를 부록으로 작성하고 축척에 맞게 인쇄합니다.
    



최종 1:5,000 지도 

현장 측량을 통한 GCP 데이터 확보에 한계가 있었으나, 기술적인 절차 수립이 전반적으로 타당했고, 지형지물 추출의 1:5,000 축척 요건도 충족하여 향후 아리랑위성 3호 영상이 지도 제작에 보다 폭넓게 활용될 수 있는 가능성을 확인했다는 데 의미가 있습니다.

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▶ 아리랑위성 5호 InSAR 데이터를 이용한 환경 모니터링 



레이더 위성인 아리랑위성 5호로 환경 모니터링도 수행할 수 있죠.

이 연구는 디지털 매핑 소프트웨어 PHOTOMOD를 개발한 Racurs가 연구한 내용이며, PHOTOMOD 레이더 도구를 이용하여 InSAR 영상의 변화를 탐지한 사례입니다.

러시아 이르쿠츠크가 촬영된 아리랑위성 5호 영상 

 

이 연구에서는 3m 해상도의 표준 이미지 모드로 각각 촬영한 아리랑위성 5호의 InSAR 이미지 두 장으로 변화를 감지하는 방법을 보여줍니다. 연구 지역으로는 러시아 이르쿠츠크가 선정되었습니다. 아래 그림은 두 이미지가 겹쳐진 지역으로, 노란색 사각형으로 표시된 지역을 변화 탐지 대상으로 분석했습니다.

한 달 차이로 각각 촬영된 테스트 사이트 1 

비교하여 발견된 벌채 적지 영역 



위 이미지에서 볼 수 있듯이, Racurs는 표시된 사이트의 영역에서 한 달 동안 변화를 감지했습니다. 해당 지역의 두 장면을 비교한 결과, 강 근처의 벌목 지역이 발견되었습니다. 



변경된 영역 감지 및 일치하는 영역을 감지한 테스트 사이트 2 

 

PHOTOMOD 레이더 도구는 "SAR 이미지의 일관된 공간 등록"을 위해 사용되었습니다. 이 도구의 주요 임무는 사용자가 높은 정확도로 상호 일치하는 이미지 집합을 생성할 수 있는 가능성을 제공하는 것입니다. 이를 위해 매칭은 픽셀의 위상값 분석을 기반으로 수행됩니다.

한편, 이 도구를 사용하기 위해서는 처리를 위한 입력 이미지가 복잡한 형식을 가져야 하며, 간섭계 이미지 조건에서 획득되어야 합니다. 이는 레이더 신호가 지표면에서 후방 산란되는 특성 때문에 발생하는 것입니다. 지표면의 형상에 따라 레이더 파장 스케일에서 후방 산란 신호의 변화가 발생하므로, 이 도구는 다양한 스케일에서의 변화를 감지할 수 있습니다.

또한, 두 개의 복잡한 간섭계 SAR 이미지를 공동으로 처리하면 일관성 이미지가 생성됩니다. 이러한 일관성 이미지를 분석하면 후방 산란 신호의 강도와 위상에서 발생한 변화를 확인할 수 있습니다.

이 연구는 PHOTOMOD 소프트웨어를 사용하여 아리랑위성 5호 InSAR 이미지에서 변화를 감지하는 데 사용된 단계를 보여줍니다. 결론적으로, Racurs의 PHOTOMOD 레이더 도구를 사용하여 3m 해상도를 가진 아리랑위성 5호 영상에서 변화가 잘 감지되었다는 것이 입증되었습니다.

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▶ 바라카 원자력 발전소 건설 모니터링 



위성영상의 큰 장점으로는 같은 위치를 시간에 따라 반복 촬영하여 비교할 수 있다는 점이에요. 건설 현장에서는 건설 기간에 맞춰 짜인 스케줄대로 진행되는지 확인이 필요한데요. 이럴 때 위성영상을 활용할 수 있겠죠.

바라카 원자력 발전소는 아랍에미리트 연합국의 첫 번째 원자력 발전소입니다. 이는 APR-1400 원자로 4기로 구성되어 있으며, 총용량은 5,600MW로, 아랍에미리트 연합국의 에너지 수요의 25%를 공급하기 위해 설계되었습니다. 이 발전소는 아부다비의 가르비야 지역에 위치해 있습니다.



연구에 사용된 아리랑위성 3호, 3A호 풋 프린트(Foot Print) 이미지 

이 연구에서는 2015년부터 2020년까지 아리랑위성 3호와 3A호가 촬영한 바라카 원자력 발전소의 위성영상 3장이 사용되었고, 이 영상들은 공사 과정을 시간에 따라 모니터링하는 데 사용되었습니다.

좌: 2015년에 촬영된 아리랑위성 3호 영상, 우: 2020년에 촬영된 아리랑위성 3A호 영상 

바라카 원자력 발전소의 시계열 이미지. 위 이미지부터 아리랑위성 3호 - 3호 - 3A호 영상 



최상단부터 아래로 2015년 2월 28일, 2018년 5월 24일, 그리고 2020년 3월 11일에 촬영한 위성영상입니다.

2015년 2월 28일에는 1, 2, 3호로 번호 매겨진 원자로가 건설 중이었고, 4호 원자로는 구조물 건설을 위한 지면 준비 작업 중이었습니다. 2018년 5월 24일에는 두 개의 원자로가 완공되었으며, 나머지 두 개의 원자로는 프로젝트 완료를 위한 건설 작업 중이었습니다. 마지막으로, 2020년 3월 11일에는 네 개의 원자로가 모두 성공적으로 완공되었습니다.

결론적으로, 아리랑위성 3호 및 아리랑위성 3A호 위성 영상은 각각 70cm 및 55cm의 해상도를 가지고 있어 건설 모니터링에 유용하다는 것이 입증되었습니다. 특히, 대규모 건설 작업이 진행되는 경우 일정 기간 동안 건설 진행 상황을 감지하는 데 효과적입니다.



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▶ 재난재해 관리 



SIIS에서는 전 세계 재난재해가 일어났을 때에도 분주히 촬영하여 필요한 곳에 도움을 주고 있는데요. 2019년에는 바하마에 허리케인이 강타하여 피해가 발생했었어요. URSA에서 아리랑위성 5호를 활용하여 피해 지역을 살펴본 사례입니다.

허리케인 도리안은 2019년 9월 1일에 카리브해 지역에서 발생하여 바하마를 강타했습니다. 도리안은 극도로 강력하고 파괴적인 5등급 대서양 허리케인으로, 바하마를 강타한 기록상 가장 강력한 열대성 폭풍이자 대서양 분지에서 기록된 가장 강력한 상륙을 한 허리케인 중 하나입니다. 이는 또한 바하마 기록된 역사상 최악의 자연재해로 알려져 있습니다.

도리안은 1분간 지속되는 바람 속도 기준으로 북대서양에서 기록된 가장 강력한 허리케인 중 하나였으며, 최대 바람 속도는 185마일(295km/시)에 이르렀습니다. 게다가 도리안은 2017년 허리케인 아이르마를 뛰어넘어 카리브해 이외의 지역에서 기록된 가장 강력한 대서양 허리케인이 되었습니다.



아바코 제도의 최고 강도에 가까운 허리케인 도리안을 표시하는 지도(왼쪽)와 폭풍의 진로와 강도(오른쪽) 

SAR 위성은 구름, 습기, 어둠을 통과하여 지상의 변화를 분석할 수 있으므로, 날씨 조건이나 낮과 밤에 관계없이 지상의 변화를 분석할 수 있습니다. 따라서 아리랑위성 5호는 허리케인 도리안이 해당 지역에 도달했을 때 바하마를 촬영하고 피해를 감지할 수 있었습니다. ES(향상된 표준) 촬영 모드를 사용한 아리랑위성 5호는 30km 폭과 2.5m 해상도로 넓은 지역을 커버할 수 있었습니다.

2019년 8월 31일 촬영(홍수 전), 2019년 9월 2일 촬영(홍수 후) 

전후 사진을 보면 허리케인 도리안으로 인한 폭우와 대형 폭풍으로 인해 그랜드 바하마 섬의 많은 부분이 물에 잠겼음을 보여줍니다.

홍수 후의 사진에서는 그랜드 바하마 섬의 주요 공항을 포함한 큰 부분이 침수되었음을 보여줍니다.



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▶ 아리랑위성 5호 변화 감지 분석 



이 연구는 한국항공우주연구원(KARI)에서 아리랑위성 5호 SAR 이미지를 사용하여 도시 지역의 변화를 감지하기 위해 수행되었습니다. 변화 감지 분석을 수행하기 위해 SNAP S1 TBX (버전 7.0) 소프트웨어가 사용되었습니다. SAR 변화 감지는 동일한 지역에서 다른 시간에 얻은 SAR 이미지의 진폭 또는 위상 정보를 사용하여 대상의 변화를 관찰하고 감지하는 기술입니다. 변화 감지에는 주로 두 가지 주요 유형이 있습니다. 첫 번째 방법은 진폭 변화 감지(ACD)이고, 두 번째 방법은 일관성 변화 감지(CCD)입니다. ACD는 이미지의 진폭 정보를 비교하여 변화를 효율적으로 감지하는 가장 일반적인 방법입니다. ACD는 큰 변화를 효과적으로 감지하며 인공 구조물, 건물, 차량, 물체 등의 변화를 효율적으로 감지하는 데 효과적입니다. 두 개의 획득한 이미지 사이의 로그 비율을 사용하는 전형적인 ACD 방법이 다음의 사례 연구에 구현되었습니다. 반면, CCD는 두 개의 SAR 이미지의 위상 일관성을 이용하여 변화를 감지하는 방법입니다. CCD는 주로 ACD로 감지하기 어려운 미세한 변화(mm에서 cm 수준)를 감지하는 데 사용됩니다.

• Case 1.

아리랑위성 5호 ES 모드로 촬영된 미국 애리조나 글렌데일 상공의 변화 감지 영상 

첫 번째 케이스로 연구 지역은 미국 애리조나 글렌데일(Glendale)로, 피닉스 시내에서 북서쪽으로 약 14km 떨어져 있습니다. 변화는 피닉스 대학교 스타디움 근처의 대형 주차장과 글렌데일 스포츠 및 엔터테인먼트 지구에서 감지되었습니다. KARI는 2019년 3월 31일과 4월 28일에 각각 촬영된 2.5m 해상도와 30km 폭을 가진 아리랑위성 5호의 향상된 표준(ES) 촬영 모드 이미지 한 쌍을 사용했습니다. 두 진폭 이미지를 비교하여, KARI는 글렌데일 시내 중심의 차량 위치 변화를 감지했습니다. 위 사진의 빨간색 영역은 새롭게 주차된 차량을 나타내고, 초록색 영역은 사라진 차량을 보여줍니다.

• Case 2.

아리랑위성 5호 ST 모드로 촬영된 싱가포르 주롱항 인근 변화 감지 영상

 

두 번째 케이스의 연구 지역은 싱가포르의 주롱 항구(Jurong Port)입니다. 주롱 항구는 건설, 조선, 해양 및 제조 등 지역 및 국내 산업에 서비스를 제공하는 국제 다목적 항구입니다. 이 사례에서는 3m 해상도의 표준 촬영 모드로 촬영된 아리랑위성 5호 영상을 사용했습니다. 초록색으로 표시된 선박과 컨테이너, 그리고 새롭게 나타난 특징들은 빨간색으로 표시되었습니다.

결론적으로, 아리랑위성 5호 SAR 이미지를 사용하여 변화를 감지하는 것은 성공적이었습니다.

더 작은 영역에 대해서는 최대 0.85m 해상도와 5km 폭을 가진 스포트라이트 촬영 모드가 더욱 명확하게 변화를 감지하는 데 더 효과적입니다.



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인공위성 영상으로 자연환경을 다루거나 산업현장을 손쉽게 파악하고, 변화 감지도 빠르게 할 수 있다는 것을 위의 사례들을 통해 보여드렸는데요. 이 이점들을 활용해 여러분의 환경과 일터에서 무궁무진하게 활용될 수 있다는 점을 말씀드리고 싶네요.

새해에는 아리랑위성영상을 통해 다양한 분야에서 세계의 변화와 아름다움을 느껴보세요. 우리의 기술력과 열정이 담겨있는 아리랑위성은 우리의 자랑입니다. 새해에는 아리랑위성과 함께 더 많은 발전과 성취를 이루시길 기원합니다.

지금까지 

지구를 향하는 기술 SIIS의,

세상을 보는 우주아이였습니다!