제 2 절 C. polykrikoides 적조 탐지 반사도 모델 개발
우리나라 주변해역과 같이 다양한 환경요인의 영향을 받아 광학적으로 복잡한 환 경에서도 활용가능한 반사도 알고리듬을 개발하기 위해서는 다양한 광학적 해수 환경에 서의 반사도 자료가 필요하다. 광학적으로 복잡한 해수 환경이라 함은 식물플랑크톤 (), 용존유기물(), 부유물질() 등의 해수 구성요소들이 각각 다양한 농도로 존재하 여 해수 반사도에 영향을 주는 Case 2 water를 말한다. 맑은 해역에서 적조가 대 발생 한 경우에는 적조종의 식물플랑크톤의 광특성이 이외의 해수 구성요소의 광특성보다 반 사도에 절대적인 영향을 주게 되어 쉽게 구별해 낼 수 있다. 그렇지만 적조 발생초기 또는 소멸기에 적조종의 광특성의 영향이 상대적으로 감소하거나, 강 하구와 같이 부유 물질의 농도가 높아 탁도가 심한 해역에서 적조가 발생했을 경우, 이외의 다양한 연안 의 적조의 반사도 특성을 고려하기 위하여 해수 구성요소의 농도를 조절하여 반사도 시 뮬레이션을 실시하였다. 반사도 계산식은 아래와 같다.
반사도 시뮬레이션을 위해 Radiative Transfer Equation(RTE)을 바탕으로 하는 HydroLight software version 5.1(Mobley and Sundman, 2012)를 활용하였다. 이 모델은 광해양학과 해색원격탐사에서 개선되어야 하는 사항들을 해결하기 위해 설계되었으며 특정한 환경 조건에서의 spectral radiance distribution을 예측하는데 활용될 수 있다. 본 연구에서는 입력 자료들이 Case 2 water 조건 하에서 가상으로 반사도를 모사하기 위해 설정되었으며, 입력 자료의 정보는 표 6-2-1와 같다.
자연 해수의 반사도를 시뮬레이션하기 위해서는 입력 자료로 적조종의 식물플랑크 톤 흡광계수, 역산란계수 뿐만 아니라 부유물질 및 용존유기물의 흡광계수와 역산란계 수가 입력 자료로 필요하다. 부유물질 및 용존유기물, 그리고 적조가 아닌 해역의 식물 플랑크톤 흡광계수와 역산란계수는 International Ocean-Color Coordinating Group(IOCCG)에서 제공하는 IOPs 자료를 사용하였다. 참고적으로 시뮬레이션에 입력되 는 자료의 범위는 현장자료에서 얻은 자료의 범위를 포함하도록 설정하였고 그 범위는 표 6-2-2와 같았다. IOCCG의 IOPs 자료는 알고리듬 테스트 및 비교 분석을 위해 다수의 현장자료를 바탕으로 모델로 생성되었다(IOCCG, 2006). 따라서 이 자료에서 제공되는 식 물플랑크톤 흡광계수는 적조 해역 반사도 특성과 비교할 적조가 아닌 해역의 자료로 사 용되었다. 적조 해역의 식물플랑크톤 흡광계수는 배양종 흡광 분석을 통해 다양한 엽록 소 농도에서의 측정한 자료를 이용하였다. C. polykrikoides 적조종 이외에 여름철 우리
나라 연안에서 유해 적조를 발생시키는 종으로 알려진 Akashiwo sanguinea, Alexandrium tamarense, Scrippsiella trochoidea 종들을 실험실에서 배양하여 다양한 농도에서 흡광 자료를 측정하였다. 적조종 흡광 분석을 통해 적조종간의 유사성 및 차이점을 분석하고 흡광 자료를 반사도 모델 개발에 입력 자료로 사용하였으며 C. polykrikoides 특화 적조 탐지 알고리듬 개발 가능성에 대하여 살펴보았다.
Parameters 모델 입력 자료 현장자료
IOCCG synthetic
data 비 적조 해역 C. polykrikoides
적조 해역 Chl a 5 ~ 30 0.459 ~ 11 18 ~ 53
0.015 ~ 1.453 0.027 ~ 0.148 0.027 ~ 0.228
0.003 ~ 0.378 0.003 ~ 0.261 0.035 ~ 0.171 표 6-2-2. 반사도 시뮬레이션 입력 자료와 현장자료의 범위 비교
Paramet
ers 정 의 입력 값
Absorption coefficient
of pure sea water Pope and Fry (1997)
Absorption coefficient of phytoplankton
based on the measurement
IOCCG database
,
Absorption coefficient of detritus/mineral and CDOM
IOCCG database
: 0.003-0.378 (n=7)
: 0.015-1.453 (n=13)
Backscattering
coefficients of pure sea water
Smith and Baker (1981) Rayleigh-like phase function
Backscattering coefficients of phytoplankton
IOCCG database Fournier-Forand function
Backscattering coefficients of detritus/mineral
IOCCG database Fournier-Forand function
Chl a Proxy for
phytoplankton biomass 5, 10, 15, 20, 30 표 6-2-1. 반사도 시뮬레이션 입력 자료
광학적으로 다양한 해수 환경에서의 반사도를 시뮬레이션하기 위해 적조 생물의 농 도와 용존유기물질, 부유물질에 변화를 주어 총 2,275개의 반사도 스펙트럼을 생성하였 다. 네 가지 적조종에 의해 발생한 적조 반사도와 적조가 아닌 경우의 반사도를 생성하 기 위해 다섯 종류의 식물플랑크톤 흡광스펙트럼이 사용되었고 적조종의 농도는 5, 10, 15, 20, 30 으로 다섯 가지 농도로 조절하였다. 적조종이 극우점한 적조 해역이 더라도 일반적으로 다양한 종들과 함께 존재하고 있다. 따라서 적조 해역을 자연 상태 의 조건과 좀 더 유사하게 모사하기 위해 적조종의 흡광스펙트럼에 적조가 아닌 경우의 흡광스펙트럼을 혼합하여 사용하였다(적조종 흡광스펙트럼 80% + 비 적조 흡광스펙트럼 20%). 용존유기물질과 부유물질의 흡광스펙트럼은 각각 13 가지와 7 가지로 농도를 다 양하게 설정하여 사용하였다(5 × 5 Chl a × 13 × 7 ). 반사도 는 스펙트럼 분석을 위해 400 ~ 800 파장에서 3 간격으로 고해상도의 스펙트럼 을 시뮬레이션 하였다.