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토양수분자료동화기법 기반 고해상도 Sentinel-1 SAR 토양수분 산정
신용철 ( Yongchul Shin ),김상우 ( Sangwoo Kim ),이태화 ( Taehwa Lee ),천범석 ( Beomseok Chun ),정영훈 ( Younghun Jung ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-
본 연구에서는 Sentinel-1 A/B SAR 센서 영상과 토양수분자료동화기법을 사용하여 우리나라의 시공간적으로 분포한 토양수분을 산정하였다. Sentinel-1A/B 기반 토양수분은 TDR 기반 실측토양수분과 Sentinel-1A/B 기반 후방산란계수와의 선형회귀분석을 통하여 산정하였다. 산정된 Sentinel-1A/B 기반 토양수분의 검증은 모의토양수분과 TDR 기반 실측 토양수분의 Pearson 상관계수와 RMSE(Root Mean Square Error)을 이용하였다. 토양수분자료동화기법은 토양수분과 유전자알고리즘을 이용하여 토양의 수리학적 매개변수를 추출할 수 있다. 본 연구에서는 토양수분자료동화기법을 이용하여 Sentinel-1A/B 기반 토양수분 영상, ASOS(Automated Synoptic Observing System) 기상 자료 및 TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)/GPM(Global Precipitation Measurement) 강우 자료로 우리나라 토양의 수리학적 매개변수를 추출하였다. 추출된 토양의 수리학적 매개변수는 SWAP 모형의 입력 자료로 사용되었으며, TRMM/GPM 위성 강우 자료를 이용하여 2001년부터 2018년까지의 장기간 일별 토양수분을 모의하기 위하여 사용되었다. 전체적으로, SWAP 모형으로 산정된 장기간 일별 모의토양수분이 다양한 지표 환경(나지, 농경지, 임지 및 도시)에서 TDR 기반 실측토양수분과 Sentinel-1A/B 기반 토양수분과 유사한 것으로 나타났다. 또한 대체로 강우 변화에 따른 토양수분 공간분포의 변화가 장기간 일별 모의토양수분에 잘 반영되는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 홍수, 가뭄, 산불과 같은 물 관련 재해뿐만 아니라 농업, 수문 등 다양한 분야에서 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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TIGGE/S2S 기상 예측 자료를 이용한 중·장기 토양수분 예측
김민규 ( Minkyu Kim ),이태화 ( Taehwa Lee ),김상우 ( Sangwoo Kim ),신용희 ( Yonghee Shin ),신용철 ( Yongchul Shin ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-
토양수분은 토양 입자사이의 공극에 존재하는 수분을 의미하며 지표수, 지하수 함량 및 작물 생장, 농업생산성 예측에 직·간접적으로 영향을 미치는 주요 수문인자 중 하나이다. 최근 기후변화로 인한 홍수, 가뭄, 산불과 같은 자연재해의 규모 및 발생빈도가 증가하고 있어 토양수분에 관한 관심이 증가하고 있는 추세이다. 현재 위성 영상 및 수문모형을 이용한 토양수분 산정에 관한 많은 연구가 수행되었으나, 기상 예측 시나리오를 이용한 우리나라 중·장기 토양수분 예측에 관한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기상 예측 시나리오와 토양수분자료동화기법을 이용하여 중기 및 장기별 토양수분을 예측하였다. 유전자 알고리즘과 연계된 토양수분자료동화기법은 실측 토양수분과 기상자료로부터 토양의 수리학적 매개변수를 추출하며, 추출된 매개변수를 SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)모형의 입력값으로하여 일별 토양수분을 산정한다. 토양수분은 농촌진흥청에서 제공하는 6개 지점(구미선산, 계룡두마, 장수장수, 평창원교, 수원서둔, 영덕병곡)의 TDR(Time Domain Reflectometry)기반 실측 토양수분자료를 이용하였으며 기상자료는 중기 예측 기상 자료인 TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)와 계절 예측자료인 S2S(Subseasonal to Seasonal)을 결합한 예측 기상 시나리오를 사용하였다. 예측 기상 시나리오 및 토양수분자료동화기법으로부터 산정된 토양수분 예측값이 실제 토양수분을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 기후변화에 따른 농업, 수문, 환경 등 다양한 분야에서 기초 연구 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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Sentinel-1A/B SAR와 토양수분자료동화기법을 이용한 고해상도 토양수분 산정
신용철 ( Yongchul Shin ),김상우 ( Sangwoo Kim ),이태화 ( Taehwa Lee ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-
토양수분은 지하수 함량, 작물 생장, 농업 생산성 예측 및 가뭄, 홍수, 산불과 같은 물 관련 재해에 직·간접적으로 영향을 미치는 주요 수문 인자 중 하나로써 지표 내 토양수분 함량 파악은 매우 중요하다. 본 연구에서는 Sentinel 전용전처리 도구인 SNAP(Sentinel Application Platform)을 이용하여 2018년 Sentinel-1A/B 22장의 이미지를 전처리하여 후방산란계수를 산정하였으며, 산정된 후방산란계수와 토양수분 실측값과의 관계를 이용하여 회귀공식을 도출하여 Sentinel-1A/B 기반 토양수분을 산정하였다. 토양수분자료동화기법은 실측된 토양수분과 유전자 알고리즘을 연계하여 토양의 수리학적 매개변수를 추출하며, 추출된 매개변수와 기상자료를 SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)모형의 입력값으로하여 일별 모의 토양수분을 재생산한다. 본 연구에서는 Sentinel-1A/B 기반 토양수분과 ASOS(Automated Synoptic Observing System) 기상관측소의 기상자료 및 TRMM(Tropical Rainfall Measuring)/GPM(Global Precipitation Measurement)위성강우자료를 이용하여 매개변수를 도출하였으며 도출된 매개변수를 SWAP 모형의 입력자료로 이용하여 장기간(2001∼2018) 일별 모의 토양수분을 산정하였다. 산정된 토양수분이 전체적으로 다양한 지표피복에서 토양수분 실측값을 잘 반영하는 것으로 나타났으며, 강우 변화에 따른 토양수분 공간분포의 변화가 모의 토양수분에 잘 반영하는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 홍수, 가뭄, 산불과 같은 물 관련 재해 뿐만 아니라 농업, 수문 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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이태화 ( Taehwa Lee ),김상우 ( Sangwoo Kim ),하예인 ( Yein Ha ),신용철 ( Yongchul Shin ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-
전 세계적으로 원격탐사 기반 토양수분을 이용한 농업 및 산림 가뭄평가기법들이 개발되었으나 산악지형에 산림이 우세한 우리나라의 경우 원격탐사된 토양수분 자료의 불확실성이 증가하게 된다. 또한, 토양으로부터 수분을 공급받는 작물의 경우 기상뿐만 아니라 토양특성에도 큰 영향을 받기 때문에 기상특성만을 고려한 가뭄지수는 지표 고유의 특성을 반영하는데 있어서 한계가 있다. 본 연구에서는 농업 및 산림 지역의 가뭄 평가시 기상 및 지표특성을 함께 고려하기 위하여 원격탐사된 토양수분과 수문모형 기반의 자료동화 기법을 연계하였다. LANDSAT(30 m X 30 m) 및 MODIS(500 m X 500 m) 이미지 자료를 이용하여 공간적으로 분포되어 있는 토양수분을 산정 하였다. 토양수분 이미지 자료의 경우 공간적으로 분포되어 있는 토양수분 분포를 측정할 수 있는 장점이 있으나, 기상 특성에 따라서 이미지 자료가 오염될 경우 시간적으로 불연속적인 단점이 있다. 이러한 시간적 해상도의 단점을 보완하기 위하여 프로세스 기반의 1-D HYDRUS 모형과 최적화 알고리즘을 연계한 자료동화기법을 이용하였다. 자료동화기법은 시간적으로 불연속인 각각의 토양수분 이미지로부터 HYDRUS 모형의 입력변수인 토양의 수리학적 매개변수를 도출하여 일별로 연속적인 토양수분 자료를 재생산 한다. 본 연구기법은 다양한 해상도에서 연속적인 토양수분 자료를 산정 및 가뭄평가에 사용함으로써 우리나라 지형특성을 고려하여 효율적으로 가뭄을 관측 및 예측하는데 기여할 수 있다.
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신용철 ( Yongchul Shin ),최경숙 ( Kyung-sook Choi ),정영훈 ( Younghun Jung ),박경원 ( Kyungwon Park ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-
전 세계적으로 원격탐사 기반 토양수분을 이용한 농업 및 산림 가뭄평가기법들이 개발되었으나 산악지형에 산림이 우세한 우리나라의 경우 원격탐사된 토양수분 자료의 불확실성이 증가하게 된다. 또한, 토양으로부터 수분을 공급받는 작물의 경우 기상뿐만 아니라 토양특성에도 큰 영향을 받기 때문에 기상특성만을 고려한 가뭄지수는 지표 고유의 특성을 반영하는데 있어서 한계가 있다. 본 연구에서는 농업 및 산림 지역의 가뭄 평가시 기상 및 지표특성을 함께 고려하기 위하여 원격탐사된 토양수분과 수문모형 기반의 자료동화 기법을 연계하였다. LANDSAT(30 m X 30 m) 및 MODIS(500 m X 500 m) 이미지 자료를 이용하여 공간적으로 분포되어 있는 토양수분을 산정 하였다. 토양수분 이미지 자료의 경우 공간적으로 분포되어 있는 토양수분 분포를 측정할 수 있는 장점이 있으나, 기상 특성에 따라서 이미지 자료가 오염될 경우 시간적으로 불연속적인 단점이 있다. 이러한 시간적 해상도의 단점을 보완하기 위하여 프로세스 기반의 1-D HYDRUS 모형과 최적화 알고리즘을 연계한 자료동화기법을 이용하였다. 자료동화기법은 시간적으로 불연속인 각각의 토양수분 이미지로부터 HYDRUS 모형의 입력변수인 토양의 수리학적 매개변수를 도출하여 일별로 연속적인 토양수분 자료를 재생산 한다. 본 연구기법은 다양한 해상도에서 연속적인 토양수분 자료를 산정 및 가뭄평가에 사용함으로써 우리나라 지형특성을 고려하여 효율적으로 가뭄을 관측 및 예측하는데 기여할 수 있다.
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하예인 ( Yein Ha ),이태화 ( Taehwa Lee ),김상우 ( Sangwoo Kim ),신용철 ( Yongchul Shin ),최경숙 ( Kyung-sook Choi ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-
지표면의 토양수분은 지표와 대기의 순환, 지표 유출 및 지하수 등에 영향을 미치기 때문에 수문분야에 있어서 매우 중요한 인자이다. 최근 원격탐사기술의 향상과 함께 인공위성 기반의 토양수분 관측에 관한 관심이 증가하고 있다. 인공위성 기반의 원격탐사된 토양수분 이미지 자료는 시·공간적으로 연속적인 토양수분 자료를 제공 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 현존하는 대부분의 원격탐사된 토양수분 이미지 자료들은 40km 이상의 저해상도 자료를 전 지구적으로 제공하고 있으나, 실제 자연현상과 농업 활동 등은 작게는 수 미터에서부터 수 킬로미터 단위까지 매우 다양한 크기에서 발생하고 있기 때문에 40km의 저해상도 자료의 실제 적용성에 있어서 문제가 되고 있다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해서 미국 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration-NASA)에서는 2014년에 고해상도(3~40km)의 지표토층 0-5cm 까지 투과할 수 있는 Soil Moisture Active and Passive(SMAP) 위성을 발사하였으나, 검·보정 기간(2015년 3~7월)중에L-band 센서의 안테나의 작동 불능으로 고해상도의 토양수분 자료의 이용여부가 불투명한 상황이다. 비록 SMAP위성의 고해상도 이미지가 현재는 제공되지 않지만, 검·보정 기간에 관측된 고해상도 이미지 자료를 이용하여 한반도의 토양수분 분포 및 농업가뭄 평가를 수행하였다. 약 3개월간의 검보정 기간에 측정된 토양수분 이미지와 토양수분자료동화기법을 연계하여 3km 해상도의 시·공간적으로 연속적인 토양수분을 재생산하여 한반도의 토양수분변화 및 농업가뭄을 평가하였다.
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미계측 유역에서의 위성영상 기반 토양 수분 자료를 이용한 자료 동화 기법의 TANK 모형 적용
황순호 ( Soonho Hwang ),전상민 ( Sang Min Jun ),김석현 ( Seok Hyeon Kim ),이현지 ( Hyunji Lee ),김계웅 ( Kyeung Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-
유량 관측 정보가 없는 미계측 유역의 경우, 수문모형을 이용한 유량 모의에 있어 모형의 매개변수를 결정하기 위해서는 어려움이 많다. 따라서, 유역 특성이 비슷하고 유량 관측 정보를 가지고 있는 유역에 대해 검보정을 실시하여 그 매개변수를 적용하거나 경험적인 식을 통해 도출한 매개변수를 이용하기도 한다. 하지만 그 역시 대상 유역에 부합하는 매개변수가 아니기 때문에 수문 모형의 모의 불확실성이 커질 수 밖에 없고, 이를 극복하기 위한 대안이 필요하다고 할 수 있다. 현재, 다양한 토양수분 관측 위성자료가 웹을 통해 제공되고 있는데, TANK 모형의 물수지 기반 알고리즘에서 가장 근본이 되는 자료는 토양수분 정보이기 때문에 위성영상 추출 토양수분 자료를 활용한다면 유량 관측 정보가 부족한 유역에 대하여 매개변수 도출에 관한 문제를 해결할 수도 있을 것이다. 그 대표적인 방법으로는 토양 수분 자료를 이용한 자료동화 기법을 이용하여 토양수분 관측 시점에 따라 수문모형의 매개변수를 업데이트하는 방법을 고려할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 경험식을 이용한 알고리즘을 기반으로 매개변수를 도출하여 TANK 모형을 모의 한 결과(a)와 경험식을 이용한 알고리즘을 기반으로 도출된 매개변수를 자료동화 기법을 활용해 업데이트하여 모의 한 결과(b)를 비교하여 위성영상 기반 토양수분 자료를 이용한 자료동화 기법의 미계측 유역에 대한 수문모형 적용성을 평가하였다. 대상유역은 통계적 분석을 위하여 유량 관측 자료가 존재하고 비교적 토지이용이 단순한 평창유역을 선정하였고, 본 유역을 미계측 유역이라 가정하여 결과(a)와 결과(b)를 비교 검토하였다.
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