Korean Journal of Remote Sensing (대한원격탐사학회지)

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A Review on Mid-wave Infrared Remote Sensing Technique

중적외선 영역의 원격탐사 기술 고찰

  • Lee, Kwon-Ho (Department of Atmospheric Environmental Sciences, Gangneung Wonju National University) ;
  • Kim, Heeseob (Satellite Application Division, Korea Aerospace Research Institute)
  • 이권호 (강릉원주대학교 대기환경과학과) ;
  • 김희섭 (한국항공우주연구원 위성활용부)
  • Received : 2022.12.13
  • Accepted : 2022.12.19
  • Published : 2022.12.31
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Abstract

Throughout the wavelengths used by remote sensing sensors, the mid-wave infrared (MWIR) has wide applicability in our life such as land, environment, disasters, and military defense. However, due to the unique characteristics of the MWIR, remote sensing techniques in this wavelength region has not been greatly developed. Recently, the applied remote sensing techniques for the MWIR sensors are presenting in a new research field, and various research results are being reported domestically and internationally. In this study, research results on the MWIR remote sensing techniques developed were investigated and related literature records were statistically analyzed. Furthermore, based on the literature review of the current and past MWIR remote sensing techniques and major research results, current status and research trends of MWIR remote sensing are presented.

원격탐사 센서가 사용하는 파장 영역 중 중적외선 파장 영역대는 국토, 환경, 재해, 군사 등의 폭넓은 분야에서 넓은 응용성을 가진다. 그러나, 중적외선 영역대의 독특한 특성으로 인하여 관련된 기술개발이 크게 발달하지 못한 측면이 있다. 최근 들어 중적외선 원격탐사 기술의 발전은 새로운 연구분야를 제시하고 있으며, 국내외 적으로 다양한 연구 결과가 보고되고 있다. 본 연구는 최근까지 개발된 중적외선 원격탐사 기술에 대한 연구 결과에 대한 문헌 기록을 분석하여 관련 기술의 현황 및 주요 연구 결과를 체계적으로 정립하여 중적외선 원격탐사 기술의 현황 및 연구동향을 제시하였다.

Keywords

1. 서론

복사 스펙트럼 중 중적외선(mid-wave infrared, MWIR) 영역은 약 2.5–50 µm의 파장대 영역으로서 섭씨 1,000도 이하의 온도에서 흑체 복사 파장영역에 해당한다. 이는 물체의 물리적인 특성인 복사열을 감지할 수 있는 원격탐사 센서를 이용하여 열화상(thermal imaging) 기술에서 중적외선 센서가 사용되는 이유이다. 또한 대기중의 많은 분자성분들의 주요 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)이 중적외선 파장 영역대에 존재하므로 개별 성분에 대한 흡수 스펙트럼 분석을 통해 정량적인 수치를 파악하는데 매우 유용하다. 따라서 화학 물질의 감지나 환경 모니터링 뿐만 아니라, 의학, 국방, 보안 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다. 예를 들면, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) 분광법과 nondispersive infrared detector (NDIR) 측정기법은 가스검출기에 널리 사용되고 있다(Angelbratt et al., 2011; Dai et al., 2015). 국방 분야의 경우 탐지 대상에 약 중적외선을 방사하여 목표를 탐지하거나, 상대방의 적외선 탐지기를 마비시키는 용도로 사용되기도 한다(Choi et al., 2010; Kim et al., 2016).

그러나, 중적외선 원격탐사는 그동안 개발된 가시광선이나열적외선관련하드웨어나소프트웨어기술에 비해 상용화가 진행되지 못하여 상대적으로 빈약한 규모를 가지고 있었으나, 최근 중적외선 원격탐사의 필요성과 관련된 원격탐사 기술이 발전되고 있음에 따라 향후 다양한 연구개발이 기대되고 있다(Grayer et al., 2019). 본 연구에서는 이러한 상황에서 중적외선 원격탐사의 중요성과 기술동향, 그리고 주요 연구 분야에 대해 소개하고, 이와 관련된 기술개발의 방향에 대해 논의하고자 한다.

2. 자료 및 방법

중적외선 원격탐사와 관련된 현재까지의 연구결과에 관한 기초자료 제공과 및 향후 연구 분야에 관한 및 전망을 위하여, 중적외선 원격탐사와 관련된 국내외 연구 논문, 보고서 및 지식재산권 등에 관한 자료수집과 수집된 자료에 대한 기술 통계 분석(descriptive statistics analysis)을 수행하였다. 이를 위하여 전 세계에서 발간된 학술지 논문의 키워드 검색을 통하여 연도별 제목과 본문의 내용을 추출하였고, 중적외선 원격탐사와 관련된 플랫폼과 탑재 센서별, 기술 및 활용 현황에 대한 주요 이슈에 대하여 통계적인 분석을 수행하였다(Fig. 1). 이러한 방법은 학술 연구 분야에 대한 기술 조사와 관련된 연구로 사용된 방법론과 유사하다. 예를 들어, 지구관측 위성에 대한 기술분류 및 연구동향(Kim et al., 2001), synthetic aperture radar (SAR) 관련 기술에 대한 자료수집 및 통계 분석 방법(Lee, 2006), 초분광 원격탐사 (hyperspectral remote sensing) 기술에 대한 고찰 방법 (Kim et al., 2005), 원격탐사에 필요한 대기보정 기술에 관한 연구동향 분석(Lee and Yum, 2019)에서 이와 유사한 방법이 사용되었다.

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Fig. 1. Search and classification process of research data related to atmospheric correction used in this study

Fig. 1에서는 자료수집 및 분석과정에서 중적외선 원격탐사와 관련된 문헌 자료 분석과정이 묘사되어 있다. 관련 문헌 검색 조건에서 사용된 키워드는 “중적외선”, “원격탐사”이며,영문으로는“Midwave Infrared”, “MWIR”과 “remote sensing”에 대한 관련어 검색을 통하여 1960년대부터 2021년 12월까지 출판된 모든 문헌 자료를 획득하였다. Fig. 1의 자료수집 및 분석과정 1단계에서는 국가과학기술정보센터(National Digital Science Library, NDSL)에서 운영하는 과학기술정보 통합 서비스 (http://www.ndsl.kr)와 한국교육학술정보원(Korea Education & Research Information Service, KERIS)에서 운영하는 학술연구정보서비스(http://www.riss.kr), 그리고 구글에서 운영하는 Google scholar (https://scholar. google.com/)의 키워드 검색을 통하여 문서 정보와 원문 자료를 수집하였다. 중적외선 원격탐사와 관련된 지식재산권 검색에는 특허청의 국내외 특허정보검색 서비스(http://www.kipris.or.kr)에서 동일한 키워드 검색을 통한 문헌 정보를 획득하였다.

중적외선 원격탐사 자료 분석을 위한 2단계에서는 1단계에서 획득한 문헌 자료에 대하여 각각의 제목(title)과 초록(abstract)의 기술 내용을 기반으로 연구과정에서 사용된 원격탐사용 센서 및 중적외선 원격탐사 관련 기술에 관한 내용이 포함된 문헌자료만 추출하였다. 이 과정에서는 전자 문서의 경우 문헌 자료의 제목과 초록내에서 사용된 단어를 개별 추출하였으며, 이미지 문서의 경우 개별 확인과정을 통하여 중적외선 원격탐사 분야가 아닌 문헌자료를 제외하였다. 또한, 수집된 모든 문헌자료에 대한 1차 선별 검사를 수행하였으며, 이 과정에서는 키워드 재확인 및 연구 과정이나 내용 부분을 확인하여 중적외선 원격탐사와 직접적으로 관련이 없는 문헌자료를 제외하였다.

3. 연도별 연구 동향

1960년부터 2021년까지 키워드 검색을 통하여 확보된 문헌자료의 분석결과, 중적외선 원격탐사와 관련되는 문헌은 주로 1990년대 이후부터 발간되기 시작됨을 확인하였으며 각 연도별 발간된 학술연구논문의 숫자는 Fig. 2와 같다. 국내에서는 LANDSAT 위성의 중적외 채널을 이용한 정규탄화지수(Normalized Burn Ratio, NBR)에 관한 연구 내용이 실려 있는 논문(Won et al., 2007)을 시작으로 2000년대 후반부터 중적외선 원격탐사 관련 논문의 게재수가 점차 늘어나지만 2008년과 2014년에 각각 4편의 학술 논문이 게재된 것이 최대값이었으며, 최근 5년간에는 연간 1–2편 정도의 논문이 발간되고 있어서, 중적외선 원격탐사 분야의 기술 확보 및 활용범위 증대를 위하여 보다 활발한 연구가 필요하다.

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Fig. 2. The number of articles published by (top) domestic and (bottom) international journals by year.

해외의 경우, 국제 학술지 논문 수의 변화 추세는 1994년 1편의 논문을 시작으로 이후 2010년대부터 중반까지는 2편 이하의 논문이 발간되었다. 그리고 2010년 중반부터 점차 발간된 논문의 숫자가 증가하는 추세를 보이며 2018년에 10편의 논문이 최대값으로 나타났다. 이러한 결과는 중적외선 대역을 사용하는 센서의 개발 및 상용화 시기가 맞물리면서 중적외선 원격탐사 자료의 분석기술과 활용사례가 증가한 것과 관련이 있는 것으로 설명할 수 있다. 그러나, 최근 국내 논문의 발간횟수가 줄어들고 있는 것처럼 해외에서도 가장 최근의 발표된 논문은 연도별 감소하는 경향을 보이고 있다.

4. 국내외 학술지별 연구 동향

1970년대부터 2021년까지 기간 동안의 조사된 각종 문헌별 자료분류를 통하여 국내 및 해외에서 출판된 총 문헌자료는 402건(국내: 37건, 국제: 365건)이었으며, 이중 학술논문은 총 93건(국내: 25건, 국제: 68건), 연구보고서는 총 7건(국내: 5건, 국제: 2건), 특허는 총 302건(국내: 7건, 국제: 295건)으로 조사되었다(Fig. 2). 이러한 결과를 토대로, 중적외선 원격탐사 분야에서의 문헌 검색 결과는 주로 학술연구 논문이나 특허위주로 발간이 되었음을 알 수 있다. 특히, 중적외선 분야의 센서 개발이나 분석활용 방법론에 대한 기술적 중요성으로 인하여, 국제 특허가 상대적으로 많은 수를 차지하고 있다. 중적외선 분야에서 주요 기술적 우위를 보유하고 있는 선진국에 비해 국내에서는 아직 관련된 연구 및 활용사례가 적으므로, 향후 연구 개발 기술의 수준을 높일 필요가 있다.

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Fig. 3. Distribution of documents published by research journals, reports, and patents related to mid-wave infrared remote sensing through keyword search (Index of colors represent as DJ: domestic journal, IJ: international journal, DR: domestic report, IR: international report, DP: domestic patent, IP: international patent, respectively).

중적외선 원격탐사와 관련된 국내 학술지 논문 25건 중 학술 연구 논문이 가장 많이 실린 저널은 대한원격탐사학회지(Korean Journal of Remote Sensing, KJRS) 9건(국내 논문 중 36%), 항공우주산업기술동향(Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, CITTA) 4건(국내 논문 중 16%), 한국지리정보학회지(Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, JKGIS) 3건(국내 논문 중 12%), 한국군사과학기술학회지 (Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, JKIMST) 2건(국내 논문 중 8%)과 나머지 1건씩(국내 논문 중 4%)이 한국산학기술학회지(The Korea Academia-Industrial cooperation Society, JKAIS), 대 한 토 목 학 회 지 (Journal of Civil and Environmental Engineering Research,JSCE), 한국항공우주학회지(Journal of Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, JKSS), 대한조선학회지(Journal of the Society of Naval Architects of Korea, JSNA), 한국가스학회지(Journal of the Korean Institute of Gas, JKIG), 한국농림기상학회지 (Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, KJAFM), 한국광학회지(Korean Journal of Optics and Photonics, KJOP)에서 발간되었다(Fig. 4). 국내에서 원격탐사 관련된 연구를 주로 다루고 있는 대한원격탐사학회지에서 대부분의 논문이 발간되고 있으므로, 해당 분야에 대한 연구개발에 집중적으로 기여하고 있음을 알 수 있다.

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Fig. 4. Number of papers published in the domestic journals on topics related to mid-wave infrared remote sensing.

국제 학술지 논문의 발간 수는 총 68건이며, 국내 발간 논문보다 2.72배 많은 수의 논문이 발간되었다. 가장 많은 논문이 발간된 해외 학술지는 Remote Sensing of Environment (RSE)에서 19건(국제 논문 중 27.9%)이며, 그 다음으로 Acta Astronautica (AA), Remote Sensing (RS), IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (IEEE)에서 각각 6건(국제 논문 중 8.8%), Journal of Photogrammetry and Remote Sensing (JPRS)에서 3건(국제 논문 중 4.4%), Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (JQRST), International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation (IAEOG), Atmospheric Measurement Techniques (AMT)에서 각각 2건(국제 논문 중 2.9%)으로서, 상위 8개 학술지에서 모두 46건(국제 학술지의 67.6%)의 논문이 발간되었다 (Fig. 5). 상위 8개 학술지를 제외한 나머지 22개의 학술지에서는 1건씩의 논문이 출판되었으며, 학술지 목적과 성격에 맞는 주제로 연구결과가 제시되었다. 국내학술지는 주로 기상이나 지표 원격탐사에 집중되어 있는 반면, 국제 학술지는 원격탐사 분야 뿐 아니라 대기, 해양, 지리, 지질, 물리학 분야를 다루는 다양한 학술지에서 중적외선 원격탐사와 관련된 연구논문들이 게재되었다.

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Fig. 5. Number of papers published in the international journals on topics related to mid-wave infrared remote sensing.

5. 중적외선 원격탐사 기법

1) 중적외 파장대의 특성

중적외선의 파장 영역인 약 2.5–5.0 µm의 파장대 영역으로서 흑체 복사 파장영역에서 물체의 온도 약 500–1000 K에 해당하는 구간에서 최대 복사량을 나타낸다 (Fig. 6). 이 온도를 가지는 물체를 감지하는데 유리하므로 열화상을 이용한 피복분류 또는 화재감시 분야에서 중적외선 검출기가 유용하게 사용될 수 있는 이유이다. 그리고 이 영역에서는 대기중의 기체 성분들의 광 흡수 스펙트럼이 위치한 경우, 센서가 관측한 자료에서 광 흡수 스펙트럼 분석을 통하여 특정 기체 성분을 알아내는데 매우 유용하다. 예를 들어, Fig. 7은 주요 대기 중 기체 성분(H2O, O3, CO, CO2, CH4, C2H2)의 파장 별 흡수계수를 나타내고 있다. 중적외선 원격탐사 기법을 이용하면 중적외 파장 영역에서 광 흡수도가 큰 기체 성분들에 대한 탐지 및 정량적인 양까지 측정할 수 있게 된다. 최근 발전하고 있는 센서 네트워크, 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 인공지능(Artificial Intelligence, AI) 기술은 환경으로부터 정보를 얻고 이를 가공하여 보다 고차원적인 정보를 추출할 수 있게 되었으며 중적외선 분광학은 이 부분에서 활용성이 클 것으로 예상된다.

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Fig. 6. Blackbody radiation distribution as a function of temperature. Grey shade area represents spectral wavelength range of 2.5–5.0 μm.

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Fig. 7. Spectral gas absorption coefficients for H2O, O3, CO2, CO, CH4, and C2H2. Absorption data acquired from the HITRAN database (source: https://hitran.org/) (Gordon et al., 2022).

2) 중적외 원격탐사 기법

이전 섹션에서는 중적외선의 분광학적 특성과 활용 가능성에 대하여 다루었다. 여기에서는 중적외선 원격 탐사 기법을 이용하여 획득한 다양한 정보를 다루기 위하여 문헌에서 인용된 주요 원격탐사 자료와 연구 결과를 소개하고자 한다. Fig. 8은 중적외 밴드를 포함하고 있는 지구관측 위성 목록과 발사 후 운영 종료까지의 타임라인을 조사한 결과를 나타낸 것이며, 현재까지 93개 (현재까지 80개, 향후 13개 신규 위성 발사 예정)의 위성 탑재 센서에서 MWIR 영역에서 관측자료를 생산하였거나, 생산할 예정이다. Fig. 9는 2022년 현재 발사하였거나,발사예정인 중적외 밴드를 포함하는 위성목록이다. 총 13개의 위성이 발사 계획중인 것으로 조사되었으며, 주로 정지궤도 위성에 탑재된 센서들이 중적외 밴드를 포함하고 있다.

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Fig. 8. Lifetimes of different earth observing satellite instruments that have potential use in application development for MWIR band.

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Fig. 9. Same as Fig. 8 but for the satellites scheduled for launch.

중적외 밴드를 가지고 있는 원격탐사 센서는 수동형적외 센서의 일종으로 주간과 야간 모두 동일한 방식으로 작동할 수 있다. 특히, 연속 파장대의 복사에너지를 측정할 수 있는 초분광 적외선 센서는 다양한 목표(토양 성분, 기체 성분 등)를 분류할 수 있다. 이 중 가장 널리 사용되고 있는 것은 관측 역사가 가장 길고 다중 밴드 관측정보를 제공해주는 Earth Observation Satellite (EOS) 또는 LANDSAT 위성 시리즈로서, 지표의 열화상 정보 또는 대기중의 기체성분에 관한 정보 분석을 위하여 사용되고 있다.

중적외선 대역은 한편으로는 가시광선 대역에 비하여 대기 투과도의 영향을 최소화할 수 있으며, 높은 잡음 대 신호비(Signal to Noise Ratio, SNR)을 확보할 수 있음으로 인해 지상의 목표를 탐지하고 특성을 분석하는데 사용 가능하다. 중적외 채널의 주요 활용 사례로는 목표 탐지, 산불 대응, 식량 안보, 광업/지질학 분야가 있으며, 보다 상세한 내용은 다음에 설명한다.

원격탐사에서 가장 많이 사용되는 기술 분야는 목표물 탐지이며, 탐지 대상에 대한 특정 요구 사항을 충족하기 위해 대상의 물리적, 광학적 특성을 이해하고 식별해야 한다. 원격탐사 플랫폼에 탑재된 센서의 중적외밴드를 사용하면 위성 데이터에서 이전에는 사용할 수 없었던 정확한 정보를 수집하여 대상 물질에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있다. Fig. 10은 고해상도 중적외선 영상을 제공하는 Airborne Hyperspectral Scanner (AHS)로부터 토지피복도 분류를 수행한 연구사례로서, 주야간 중적외 영상을 이용하여 기존의 토지피복 분류 정확도를 증가시킨 결과를 보고하였다(Baek and Jang, 2012).

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Fig. 10. Land cover map created by day and night deviation images of the mid-infrared band of the Airborne Hyperspectral Scanner (AHS) (image from Baek and Jang, 2012).

중적외 원격탐사의 또다른 활용분야는 열원과 탄화영역의 감지 능력이 사용된다. 산불과 같이 비 접근 지역이나 통제가 어려운 지역의 화재는 지역 사회와 천연자원에 악영향을 미친다. 대규모 산불은 넓은 지역을 빠른 속도로 이동하며 확산 방향의 예측이 어려울 수 있지만, 빠르고 효과적인 감지는 지역의 시설물을 보호하는 데 매우 중요하다. 이러한 대규모 화재에 대응할 수 있는 중요한 요소는 정확한 위치정보와 범위 및 강도에 관한 정보를 얻는 것이다. 항공기나 인공위성의 중적외밴드는 화재로 인한 스모크를 투과하여 지면에 대한 정보를 관측할 수 있을 뿐만 아니라 연소 활동의 위치와 규모를 정확히 찾을 수 있다. Fig. 11은 VIIRS의 중적외채널의 두 가지 해상도를 가지는 375 m I-Band 및 750 m M-Band 데이터를 이용하여 화재 지역에 대한 탐지 및 화재 복사 전력(Fire Radiative Power, FRP)를 산출하였고 기존의 위성 대비 최대 4배 빠른 속도로 산출물을 생산할 수 있음을 보고하였다(Zhang et al., 2017).

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Fig. 11. VIIRS data of eastern China. (a) VIIRS I-Band false colour composite image with the region selected and shown as (c) false colour composite, (d) the MWIR and LWIR brightness temperature difference, and (e) fire/confirmed active fire pixel mask output outlined in red. (b) Cloud/water/candidate thermal anomaly pixel/confirmed thermal anomaly pixel (white/blue/orange/red) derived from I-Band data using the techniques detailed herein (image from Zhang et al., 2017).

중적외 원격탐사는 식량 안보 분야에서도 활용되고 있다. 농지의 생산성과 수확량을 개선하는 동시에 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 최소화하며 농업 생산 및 관련 재고를 보다 잘 관리하기 위한 정밀 농업은 식량안보 분야에서 중요한 이슈이다. 중적외 원격탐사 정보를 사용하면 작물 건강 및 스트레스와 같은 요인을 평가하고 신속하게 관리할 수 있으며, 토양 성분을 평가하고 작물과의 호환성을 보장함으로써, 시정 조치가 아닌 예방 조치를 취할 수 있다. 중적외 영역에서 수분에 의한 흡수가 포함되어 있기 때문에 식물의 잎 수분 함량에 대해 열적외 영역보다 더 민감하다(Ullah et al., 2014). Berni et al. (2009)은 항공관측 기반의 AHS를 이용하여 올리브 과수원의 나무 캐노피 컨덕턴스(canopy conductance, Gc)와 작물 수분 스트레스 지수(Crop Water Stress Index, CWSI)를 산출하여 작물의 건강 지표로 평가하는 데 사용하였다.

중적외 스펙트럼 대역은 광물질의 식별 및 화학적 조성에 관한 측정이 가능하다. 광 에너지가 어떤 광물질의 분자로 전달되거나 반사되는 과정에서 광물질 함량 따라 다양한 조성 성분이 특정 파장의 에너지를 흡수하거나 반사하기 때문이다. 예를 들어, 중적외 파장에서 광물질의 흡수 및 반사 특성은 SiO2, Al2O3, and Fe2O3, 탄산염, 암모늄 및 황산염과 같은 물질을 탐지하는 데 사용할 수 있다. Desta et al. (2020)의 연구에서는 Fig. 12와 같이 알려진 광물질의 스펙트럼을 이용하여 중적외와 열적외 영역의 융합 분석을 통하여 다양한 광물 농도에 대한 온라인 분석이 가능하였으며, 광물 농도의 표시가 상당한 재정적 영향을 미칠 수 있는 채광 작업에 매우 유익할 것으로 판단하였다.

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Fig. 12. The mid-wave infrared (MWIR) and long-wave infrared (LWIR) reflectance spectra of (a) SiO2, (b) Fe2O3, and (c) Al2O3 (image from Desta et al., 2020).

6. 토의

중적외선 원격탐사 센서의 활용 기술 확보와 저변 활용을 늘리기 위해서는 사용자가 원하는 기능과 산출물을 생산할 수 있어야 한다. 현재까지 다양한 인공위성과 항공기 탑재용 센서가 개발되어 운용되었으나, 중적외 영역의 원격탐사 관련 연구는 제한적으로 이루어져왔다. 인공위성 원격탐사 분야에서 중적외 영역의 분광 자료는 대기 조성 물질의 투과도와 지표의 방사효과가 주요 고려 인자이므로 목표에 대한 산출물을 생산하기 위해서는 복사전달과정에 대한 정량적인 이해과정이 필요하다. 기존의 영상 기반의 열 온도 산출 방법과 복사전달 모델링 기반의 방해인자 제거 방법이 위성 자료의 특성과 목적에 따라 활용 가능하며, 최근에는 채널별 복사량을 이용하거나 타 위성자료와의 융합 분석을 통하여 단일 위성과 단일 밴드가 가지는 불리함을 극복하기 위한 노력이 수행되고 있다.

중적외선 원격탐사 분야는 개별 센서가 가지는 특성을 기반하여 기술적으로 해결해야 할 부분들이 남아있지만, 고유한 기술적 특징을 개발하여 활용할 수 있기 때문에 수요가 늘어날 것으로 전망된다. 앞으로의 중적외선 원격탐사의 미래는 중적외선 영역의 고유한 특성을 이용하여 영상 정보를 제공할 수 있는 기술개발과 현장에 적용되는 응용 산출물의 개발이 중요할 것이다. 특히, 국토, 환경, 안전 분야에 있어 중적외선 원격탐사의 기술적 유용성이 매우 크며, 사용자 요구에 따른 산출 자료의 생산 및 서비스 제공이 핵심사항일 것이다. 중적외선 원격탐사 분야는 하드웨어(광원, 검출기, 광소재 등)나 소프트웨어(자료 처리 및 분석용 코드 등) 전반에 걸쳐 개발이 진행이 필요한 분야로 국내 상황은 외국에 비해 기술적으로 낮은 수준으로 판단된다. 그러나, 국내외의 다양한 위성 발사 및 위성 활용 계획으로 인하여 중적외 원격탐사 연구가 늘어날 것으로 예측된다.

7. 요약 및 결론

본 연구에서는 중적외 원격탐사와 관련된 연구 동향, 주요 연구 사례 및 활용분야에 대하여 고찰하였다. 이를 위하여 1970년부터 2021년까지 발간된 중적외 원격탐사 관련 연구자료에 대해 키워드 검색을 통하여 문헌자료를 획득하였으며, 각 문헌자료는 연도별, 발간지 별, 플랫폼별, 센서 별, 주제별 분류를 통하여 국내외 연구 동향과 사례를 제시하였다. 문헌자료의 통계적 분석을 통한 연구동향은 주로 중적외 원격탐사 기술이 국내에서는 비교적 늦게 시작되었으며 최근까지 연구실적물의 증가가 크게 나타나고 있지 않았으나, 해외에서는 최근까지 연구량이 계속 증가하고 있는 연도별 변화 패턴을 보이고 있었다. 이것은 중적외 채널을 가지고 있는 센서가 주로 해외 인공위성(EOS, LANDSAT 시리즈 등)이나 항공관측에 탑재되어 이로부터 생산된 자료를 이용한 연구결과가 주를 이루고 있기 때문으로 판단된다.

중적외 원격탐사 기법은 위성 개발 초기 단계에서는 주로 열 온도의 획득을 위하여 사용되었으나, 위성 탑재 센서의 발달에 따라 센서가 관측할 수 있는 파장 범위 및 관측 해상도, 관측 방식에 따라 다양한 방법론이 개발되고 있다. 특히, 중적외 파장대는 가시광선과 적외선 대역을 일부 포함하고 있는 특성으로 인하여 영상 기반의 경험적 접근방법과 복사전달 방정식의 해법들을 이용한 방법을 적용하여 원격탐사의 대상에 관한 물리적 광학적 특징 정보를 산출하는 것이 가능하다. 그러나 중적외 원격탐사의 사용 목적에 따라 센서가 감지하는 신호에 대한 전처리 및 가공에 필요한 요소를 개선 할 필요가 있다. 대표적으로 열 온도 관련 정보를 산출하기 위하여 기존의 열적외 영역에서 사용하던 방법론이 적용되면 대기투과도와 지표 반사도 등의 영향을 받을 수 있으므로 큰 오차가 발생할 수 있는 부분에 주의해야 한다. 이러한 중적외 원격탐사 방법의 능력과 한계를 이해하고 활용도를 높이기 위하여 다양한 원격탐사 플랫폼과 센서를 이용하여 다양한 환경조건에서 검증이 요구된다. 이러한 노력은 향후 중적외 원격탐사기법 개발 및 산출물 활용에 대한 기반 연구자료로 사용될 수 있을 것이다.

사사

본 연구는 2022년 한국항공우주연구원의 위탁연구 (FR22H00W01)에서 지원 받았습니다.

References

  1. Angelbratt, J., J. Mellqvist, T. Blumenstock, T. Borsdorff, S. Brohede, P. Duchatelet, F. Forster, F. Hase, E. Mahieu, D. Murtagh, A.K. Petersen, M. Schneider, R. Sussmann, and J. Urban, 2011. A new method to detect long term trends of methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) total columns measured within the NDACC ground-based high resolution solar FTIR network, Atmospheric Chemistry and Physics, 11: 6167-6183. https://doi.org/10.5194/acp-11-6167-2011
  2. Baek, S.G. and D.H. Jang, 2012. Evaluating the land surface characterization of high-resolution middle-infrared data for day and night time, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, 15(2): 113-125 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.11108/kagis.2012.15.2.113
  3. Berni, J.A.J., P.J. Zarco-Tejada, G. Sepulcre-Canto, E. Fereres, and F. Villalobos, 2009. Mapping canopy conductance and CWSI in olive orchards using high resolution thermal remote sensing imagery, Remote Sensing of Environment, 113: 2380-2388. https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.06.018
  4. Choi, J.-H., J.-H. Kim, I.-H. Jung, P.-H. Lee, and T.-K. Kim, 2010. Study on IR signature characteristics for different transmittance over the Korean south sea during summer and winter seasons, Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, 13(2): 320-327 (in Korean with English abstract).
  5. Dai, X., X. Liu, L. Liu, B. Zhu, and Z. Fang, 2015. A novel image-guided FT-IR sensor using chalcogenide glass optical fibers for the detection of combustion gases, Sensors and Actuators B: Chemical, 220: 414-419. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.05.090
  6. Desta, F., M. Buxton, and J. Jansen, 2020. Fusion of mid-wave infrared and long-wave infrared reflectance spectra for quantitative analysis of minerals, Sensors, 20(5): 1472. https://doi.org/10.3390/s20051472
  7. Gordon, I.E., L.S. Rothman, R.J. Hargreaves, R. Hashemi, E.V. Karlovets, F.M. Skinner, E.K. Conway, C. Hill, R.V. Kochanov, Y. Tan, P. Wcislo, A.A. Finenko, K. Nelson, P.F. Bernath, M. Birk, V. Boudon, A. Campargue, K.V. Chance, A. Coustenis, B.J. Drouin, J.-M. Flaud, R.R. Gamache, J.T. Hodges, D. Jacquemart, E.J. Mlawer, A.V. Nikitin, V.I. Perevalov, M. Rotger, J. Tennyson, G.C. Toon, H. Tran, V.G. Tyuterev, E.M. Adkins, A. Baker, A. Barbe, E. Cane, A.G. Csaszar, A. Dudaryonok, O. Egorov, A.J. Fleisher, H. Fleurbaey, A. Foltynowicz, T. Furtenbacher, J.J. Harrison, J.-M. Hartmann, V.-M. Horneman, X. Huang, T. Karman, J. Karns, S. Kassi, I. Kleiner, V. Kofman, F. Kwabia-Tchana, N.N. Lavrentieva, T.J. Lee, D.A. Long, A.A. Lukashevskaya, O.M. Lyulin, V. Y. Makhnev, W. Matt, S.T. Massie, M. Melosso, S.N. Mikhailenko, D. Mondelain, H.S.P. Muller, O.V. Naumenko, A. Perrin, O.L. Polyansky, E. Raddaoui, P.L. Raston, Z.D. Reed, M. Rey, C. Richard, R. Tobias, I. Sadiek, D.W. Schwenke, E. Starikova, K. Sung, F. Tamassia, S.A. Tashkun, J.V. Auwera, I.A. Vasilenko, A.A. Vigasin, G.L. Villanueva, B. VispoelTS, G. Wagner, A. Yachmenev, and S.N. Yurchenko, 2022. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 277: 107949. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107949
  8. Justin, G., G. Samiran, and S.-S. Yoo, 2019. Embedded surface plasmon resonant disc arrays for improved MWIR sensitivity and increased operating temperature of PbSe photoconductive detectors, Proc. of 2019 SPIE Conference - Plasmonics: Design, Materials, Fabrication, Characterization, and Applications XVII, San Diego, CA, USA, Aug. 11-15, vol. 11082, pp. 106-115. https://doi.org/10.1117/12.2528779
  9. Kim, S.B., M.H. Ahn, K.H. Kim, M.G. Kim, and H.S. Sakong, 2001. Technology tree and domestic research status of satellite remote-sensing of the Earth, Korean Journal of Remote Sensing, 17(3): 253-273 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2001.17.3.253
  10. Kim, S.H., K.S. Lee, J.R. Ma, and M.J. Kook, 2005. Current status of hyperspectral remote sensing: principle, data processing technique, and applications, Korean Journal of Remote Sensing, 21(4): 341-369 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2005.21.4.341
  11. Kim, T., H. Lee, J.-Y. Bae, T. Kim, J. Cha, D. Jung, and H. H. Cho, 2016. Susceptibility of combat aircraft modeled as an anisotropic source of infrared radiation, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 52(5): 2467-2476. https://doi:10.1109/taes.2016.150513
  12. Lee, H. Y., 2006. Investigation of SAR systems, Technologies and application fields by a statistical analysis of SAR-related journal papers, Korean Journal of Remote Sensing, 22(2): 153-174 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2006.22.2.153
  13. Lee, K.-H. and J.-M. Yum, 2019. A review on atmospheric correction technique using satellite remote sensing, Korean Journal of Remote Sensing, 35(6-1): 1011-1030 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2019.35.6.1.11
  14. Ullah, S., A.K. Skidmore, A. Ramoelo, T.A. Groen, M. Naeem, and A. Ali, 2014. Retrieval of leaf water content spanning the visible to thermal infrared spectra, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 93: 56-64. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2014.04.005
  15. Won, M.S., K.S. Koo, and M.B. Lee, 2007. An quantitative analysis of severity classification and burn severity for the large forest fire areas using normalized burn ratio of Landsat imagery, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, 10(3): 80-92 (in Korean with English abstract).
  16. Zhang, T., M.J. Wooster, and W. Xu, 2017. Approaches for synergistically exploiting VIIRS I- and M-Band data in regional active fire detection and FRP assessment: A demonstration with respect to agricultural residue burning in Eastern China, Remote Sensing of Environment, 198: 407-424. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.06.028