장지오노의 <나무를 심은 사람> 원작의 삽화. <그림 출처 = scrapsfromtheloft.com> <바람이 씨를 뿌렸다. 버드나무, 갈대, 목초지, 정원과 꽃, 그리고 어떤 삶의 방식이 되살아났다. 그러나 그 변화는 매우 서서히 이루어져 사람들은 놀라지 않고 금방 적응하였다.’_’나무를 심은 사람’에서
40년 동안 나무를 심어 폐허의 땅을 거대한 숲으로 되돌려 놓은 한 늙은 양치질 이야기입니다. 매년 식목할 때면 꼭 떠오르는 책이기도 합니다. 오직 씨앗을 심는 일이 얼마나 위대한 것인지를 깊은 울림으로 일깨워줍니다. 반대로 우리나라에서는 작년 식목일을 잊을 수가 없어요. 4월 4일부터 5일까지 21시간 동안 강원 일대를 강타한 화마는 생각만 해도 아찔합니다. 식목과 숲 보호는 우선순위가 없습니다. 다시는 그런 일이 없도록 인공위성이 산불 감시를 할 수 있다면 얼마나 좋을까요.
사후에 진가를 발휘하는 고해상도 위성
산불이 도심까지 덮친 지난해 강원산불 현장. <사진의 출처=정책브리핑> 지난해 강원도 산불 이후 한동안 해프닝이 벌어졌습니다. 4월 10일 발표로 산불 피해 면적이 당초 발표한 것보다 3배 이상 늘어난 1757ha로 집계된 것입니다. 아리랑위성 3A호가 찍은 영상으로 다시 정밀 분석한 이후 더 정확해진 집계 결과였습니다. 산불 직후 추산된 면적은 도면상 추정치로 현장 정밀조사 결과를 더해 보름 후 발표한 최종 피해면적은 2,832ha였습니다. 위성사진 판독과정에서 구름에 가려진 부분이 더해지고 산불 사후 10일 정도 지나 갈채가 쏟아져 면적이 늘었습니다.
이러한 피해 면적의 집계는 복구 계획을 세우는 데 중요한 지표가 되므로 중요합니다. 이렇게 산불 발생 후 중요한 역할을 하는 것이 앞서 말한 아리랑 3A호, 즉 지구 근처에서 근접 촬영을 할 수 있는 저궤도 위성입니다. 3A호의 공간 해상도는 0.4~0.5m이며, 큰 트럭과 자가용을 구분할 수 있는 정도의 정밀도를 가지고 있습니다. 숲이 검게 탄 흔적을 적나라하게 확인할 수 있습니다. 실은, 사람이 볼 수 있는 가시광선 영역에서의 영상만으로는 산불 사전 후의 차이를 거의 느낄 수 없습니다. 이때 중요한 것은 근적외선 영상까지 입혀 가공한 자료입니다.
아리랑 3A호가 찍은 지난해 강원도 산불 근적외선 합성 영상(왼쪽)과 컬러 영상. 근적외선 영상에서는 검게 탄 면적을 보다 쉽게 육안으로 확인할 수 있다. 사진제공: 한국항공우주연구원 근적외선은 눈에 보이지 않는 파장대 중 가시광선 영역에 가장 가깝습니다. 근적외선의 식생활력도가 높을수록 높게 반사되는 특성 때문에 산림 안에서 피해 면적만 어두워집니다. 산림청에서는 이 정보를 지리정보시스템(GIS)에 도입하여 다양한 현장 정밀조사 결과를 합쳐 고도화하는 과정을 거칩니다. 모든 저궤도 위성이 아리랑 3A호만큼 정확도를 발휘하는 것은 아닙니다. 2000년 강원도 산불 당시 미국 위성 랜서트가 찍은 영상은 해상도가 30~100m 정도에 불과했습니다 “해상도가 낮은 영상으로 분석하는 데는 한계가 있다”는 게 연구진의 판단이었습니다.산불 위험도 인공위성 육감으로도 감지
Landsat8 영상으로부터 획득한 RGB 영상과 지표면 반사도를 NDVI 값으로 산출한 이미지(2018년 8월 22일 영상). 식생활력도 알 수 있다. <그림의 출처=대한원격탐사학회지 유철희&박선영 2018>
강원도 산불 이후 획득된 아리랑 3호의 위성영상(왼쪽)과 산불 사전에 획득한 센티넬 2호 위성영상(오른쪽)의 지표면 반사도를 NDVI 값으로 산출한 영상. 짙은 녹색이 식생활력도가 높음을 나타내며 산불 사전 후의 차이를 확인할 수 있다. <출처 : The 40th Asian Conference on Remote Sensing, Yeji Kimetal., 2019> 인공위성이 한반도를 보는 방법은 ‘눈’이기도 하지만, 눈에 보이지 않는 ‘육감’도 활용합니다. 여기서 육감과는 다른 감각을 뜻하죠. 숲의 수분, 광합성의 정도, 열과 온도, 이산화탄소 등입니다. 인공위성의 여러 채널을 통해 각각 이런 상태를 탐지할 수 있습니다. 예를 들면, 이중 식생의 활력을 잘 나타내는 식생 지수(NDVI)가 있습니다. 숲속지붕(캐노피)의 광합성 능력을 탐지하는 것입니다.
식물의경우에는잎이짙은녹색을띠죠? 식물의 잎에서는 녹색을 가장 많이 반사해 눈에 들어오기 때문이죠. 식물은 잎의 색소인 엽록소로 적색, 청색계의 빛을 광합성을 위해 흡수합니다. 반면 잎의 세포구조는 근적외선 파장 영역을 강하게 반사합니다. 강한 흡수가 식물을 과열시키고 조직을 손상시킬 수 있어 태양 복사에너지를 방출할 수 있도록 진화해 온 것입니다. 그 덕분에 우리는 태양 방사 에너지의 양으로 식생의 활력을 알 수 있습니다.
“식생지수 값이 -1에 가까우면 물에 해당하고, 0에 가까운 값(0.1~0.1)은 바위나 모래처럼 건조한 지역, 1에 가까운 곳은 온대나 열대우림, 낮은 양수값(약 0.2~0.4)은 관목과 초원을 나타냅니다.”
측정치를 계산하는 방법은 좀 복잡해 보입니다. 여기서 Red와 NIR는 각각 적색 가시광선 및 근적외선 영역에서의 반사도를 의미합니다. 만약 어떤 숲이 전년도 또는 며칠 전에는 「관목」정도의 식생활력도를 기록했는데, 어느 순간 불모지에 가깝게 수치가 내려갔다면, 어떤 이유에서든 광합성이 적게 된 것입니다. 다른 특별한 원인이 없다면 산불을 의심해 보실 수 있습니다. 나뭇잎의 수분량이 많은지 적은지도 알 수 있어요. 주로 단파복사 SWIR) 파장을 사용하여 측정합니다. 이 흡수량이 증가하면 수분량이 많다 라는 뜻이에요. 이 지표와 근적외선 반사율을 가지고 앞의 NDVI와 같이 측정치를 계산하면 숲의 건조도를 측정할 수 있습니다. 지상의 건조 상태에 따라 산불 발생의 위험도를 탐지하는 거죠.
위성이 실시간으로 산불 감시도 할 수 있는지
정지궤도에 나란히 올라가 있는 천리안 2A호(왼쪽)와 2B호. 정지궤도 위성은 한반도를 2분에 한 번 촬영하며 상시 모니터링에 특화되어 있다. 자료제공 : 한국항공우주연구원의 사후 피해면적 조사만큼 중요한 것이 감시기능입니다. 항상 한반도를 주시하고 있고, 산불이 감지되면 알려주는 겁니다. 보통 항공기 조종사가 산불을 가장 먼저 알아차리는 것으로 알려져 있습니다만. 이걸 인공위성으로 만들면 더할 나위 없어요. 해상도가 높은 저궤도 위성이 마침 한반도 위를 지날 때 발화점을 발견했다면? 안타깝게도 현재까지 대부분의 위성영상은 관심 지역의 주문 촬영 위주로 이루어지고 있다는 점에서 한계가 있습니다. 저궤도 위성은 한 번에 찍을 수 있는 폭도 최대 1416km로 재방문 주기도 하루 이상입니다. 연구진은 이를 시간 해상도가 낮다고 표현하고 있습니다. 저궤도 위성의 시간 해상도의 한계를 극복할 수 있는 것이 정지 궤도 위성입니다.
지금 정지 궤도에는 천리안 2A호와 2B호가 나란히 올라가 있는 상태입니다. 2B호는 얼마 전 정상궤도에 안착한 뒤 시험운영을 시작했습니다. 정지궤도위성에 특화된 것이 바로 모니터링 기능입니다. 현재 2A호는 2분에 한 번씩 한반도 전체를 촬영하고 있습니다. 일단 시간 해상도는 확실히 확보한 것 같습니다. 덕분에 아주 짧은 간격으로 구름 사진을 찍어 이동 방향을 타임랩 영상으로 구현해 기상 상황을 즉시 알려줍니다. 그러나 3만 6000킬로미터 떨어진 곳에서 저궤도 위성 정도의 공간 해상도는 기대할 수 없습니다. 현재 천리안 2A호의 공간 해상도는 0.5~2㎞입니다. 500미터 이상의 큰 화재가 아니면 잡기 어렵습니다. 즉, 시간 해상도가 높은 천리안은 공간 해상도가 낮고, 저궤도 위성은 그 반대의 샘물입니다.
▶쌍둥이 같은 2A호와 2B호는 무엇이 다른가?http://blog.naver.com/karipr/221845078293
지난해 8월 천리안 2A호의 산불 탐지 영상. 빨간 표시가 산불을 탐지하는 장소다. 촬영 당시 탐지되는 장소는 없었다. <이미지 출처=국가기상위성센터> 발화점이나 연기로도 감지하는 현재 천리안 2A호는 23종의 기본 산출물과 부가 산출물 29종을 국가기상위성센터에서 제공하고 있습니다. 현재는 시범 운영 중이지만 정식 운영이 시작되면 평년의 최저~최고치 사이를 기준으로 위험도를 4구간(관심-주의-경계-심각)으로 구분해 표현할 수 있습니다. 특정 지역의 산불 위험도 등급이 심각한 상태를 지속할 경우 해당 지역에 산불 발생 위험 경고를 발하는 방식이 될 것으로 보입니다.
천리안 2A호가 제공하는 기상·환경 산출물이 한눈에 들어온다. <사진출처=국가기상위성센터>
천리안 2A호가 제공하는 기상·환경 산출물이 한눈에 들어온다. <그림 출처=국가 기상 위성센터>에 앞서, 고해상도 위성은 상세한 피해 면적 조사에 특화되어 있다고 밝히고 있습니다. 정지궤도위성은 이보다 한발 앞서 산불탐지도 가능합니다. 발화점이나 연기를 감지하여 산불의 유무를 결정하는 산물인 것입니다. 주변 픽셀보다 특히 온도가 높은 곳을 특정하거나 이산화탄소 탐지에 특화된 채널을 이용하여 파악하는 것입니다. 물론 이를 실시간 정보로 얻기 위해서는 비교할 수 있는 데이터가 많이 축적되어 있어야 하고 국민의 생활과 밀접한 만큼 정보의 신뢰도도 매우 높아야 합니다.
위성영상연구진은이러한결과물을더잘활용할수있도록다양한방법으로처리기법을개발하고있습니다. 인공위성이 찍은 영상은 일반 사용자들이 목적에 맞게 사용하기 매우 어렵습니다. 가시광선 영역 이외의 채널 영상은 물론 실제와 달리 왜곡되거나 대기에 의한 산란 등으로 오차가 빈번하게 발생합니다. 이런 걸 찍어주지 않으면 값비싼 위성영상도 무용지물입니다. 연구진은 위성영상 분석 기술을 고도화하여 보다 정확한 정보를 사용자의 경험에 맞게 구현할 수 있도록 하는 노력도 기울이고 있습니다.
여기서 한발 더 나아간 인공위성(저궤도위성 천리안-2A2B)을 마치 하나의 시스템처럼 활용하는 데도 박차를 가하고 있습니다. 산불 감시와 촬영 분야만 해도 이미 시간 해상도가 높은 정지궤도 위성은 실시간 모니터링에 투입되고 공간 해상도가 높은 저궤도 위성은 정확한 피해 면적을 산출하는 데 활용됩니다. 공간 해상도도 높이면서 시간 해상도까지 확보한 천리안 2B호는 어떤 것입니까. 산불탐지-위치파악-촬영스케줄전달-산불촬영-피해지역 모니터링-피해면적 측정 등의 과정을 하나의 시스템으로 완성하는 위성군단의 활약이 더욱 기대됩니다.
기획제작 : 항공우주에디터 이종원 내용감수 : 위성활용부 박선영 선임연구원 김예지 연구원