Distributional Characteristics of Suspended Particulate Matter in the Hallyeohaesang National Park using Landsat-8 Imagery

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Landsat-8 위성영상을 이용한 한려해상국립공원 해역의 부유물질 분포특성 연구

이병관¹*·백승균²

1국립공원관리공단 국립공원연구원 해양연구센터

2한국해양대학교 해양과학기술연구소

Distributional Characteristics of Suspended Particulate Matter in the Hallyeohaesang National Park using Landsat-8 Imagery

Byeong-Kwan Lee

¹

* and Seung-Gyun Baek

²

1National Park Research Institute, Korea National Park Service, Namwon 590-811, Korea

2Research Institute of Marine Science and Technology, Korea Maritime and Ocean University, Busan 606-791, Korea

요 약 :^Landsat-8위성영상과 CTD의광전도측정기(beam transmissometer)를이용하여한려해상국립공원해역의부 유물질 농도분포도를작성한결과 사천만, 남해도동측해역, 가덕도북측해역에서높은부유물질 농도분포를나타 내었다. 위성영상 관측일과현장측정일 사이에 2~3일의 시간적격차가있었으나 두 자료사이에높은 상관도를 나 타내었으므로위성영상을이용한부유물질농도분포도작성은연구해역의부유물질분포특성파악에유용할것으 로판단된다.

주요어 :부유물질, 광전도측정기, 위성영상, 한려해상국립공원

Abstract :The distribution map of suspended sediments in the Hallyeohaesang National Park was generated using Landsat-8 image and beam transmissometer for CTD. As a result, the suspended sediment was higher concentration in Sacheon Bay, eastern sea of Namhae Island and northen sea of Gadeok Island. The correlation between the radiance of Landsat-8 band 3 image and the measured suspended sediment concentration was high despite of temporal gap of 2~3 days between the survey date of Landsat-8 image and the date of in-situ measurement. Therefore the generation of suspended sediments distribution map may be very useful to estimate distribution and behavior of suspended sediment.

Key words : Suspended Particulate Matter, Beam transmissometer, Landsat 8, Hallyeohaesang National Park

서 론

연안 해역이나 해양에서 부유물질의 분포는 해양환경 특 히 연안의 환경 변화를 모니터링 하는데 중요한 지표 역할 을 한다. 따라서 연안 하구에서 담수의 유입에 따른 육지로 부터의부유사퇴적현상및퇴적물의이동 경로를규명하는 데 좋은 자료가 된다. 또한 해양 환경에서 수질 등급 판정 에 사용되어 각종 오염물의 이동 경로를 파악하고 연안 양 식 및 어장 환경 파악에 중요한 자료가 된다(한국해양연구 원 1999).

우리나라 연안 해역은 조수간만의 차이에 의해서 부유물 질의농도가크게변하고, 많은대규모의 연안간척사업및

기타 연안 토목공사 등에 의해서 부유물질의 농도가 크게 변화되어 그 변화로 주위의 연안환경에 큰 영향을 미치는 이러한 해역에서는 주기적이고 장기적으로 그 환경변화를 모니터링할 수 있는 시스템이 필요하다(민지은 2005). Landsat 위성의 과거부터 지금까지 축적된 자료를 이용하면 이러한 주기적인 분석이가능하다.

CZCS, SeaWiFS, MODIS, OSMI 등해색관측용위성센서

들은 높은 분광해상도와 시간해상도를 가지고 있기 때문에 대양에서의 대규모 해양환경변화를 모니터링하기에 매우 효 과적이지만 수백~수천 m 정도의 낮은 공간해상도로 인하여 연안에서의 작고 미세한 변화를 감지하는 데 있어서는 한계 가 있다. 따라서연안에서 해양환경변화를모니터링하기위

*Corresponding author E-mail: [email protected]

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해서는 Landsat 위성과 같이 보다 고해상도의 위성을 이용

해야 한다. Landsat 위성영상은 30m의 높은 공간해상도를

가지기 때문에 적조 발생 및 이동, 연안류 및 조류에 의한 부유물질 확산 규모 등 미세한 연안환경을 잘 분석할 수 있 다(민지은 2005).

많은 연구들에서 위성영상을 이용하여 부유물질에 대한 분석은주로넓은 대양에대하여이루어졌으나최근 연안지 역에대한 육상관측위성을이용한 부유물질 농도추정 분석 은 시도되고 있다(Ahn et al. 2005). 부유물질 농도추정은 처음에는 CZCS나 SeaWiFS 영상의 2개 밴드의 비를 이용한 알고리즘이 사용되었으나, Ahn et al. (2001)이 단일 밴드, 즉 SeaWiFS 5번 밴드(중심값: 555 nm)를 이용하는 것이 더 높은 상관관계를 나타낸다는 것을 발견하였다. 따라서 Ahn

et al. (2001)은현장 관측된부유물질의 농도값과해수광학

자료를 이용하여 경험식에 의한부유물질 농도추정 알고리 즘을 개발한 바 있다. 그러나 위성영상을 이용한 부유물질 농도추정을 위한 알고리즘 개발은 주로 현장관측에서 얻은 부유물질 농도와 해수광학자료 사이의 상관관계를 이용한 경험식에 의존하고 있다.

본 연구에서는 한려해상국립공원 주변 해역의 부유물질 분포특성을파악하기 위하여 2013년 4계절 동안현장측정 한 부유물질농도 자료와 비슷한 시기에 촬영된 Landsat-8 위성영상자료의 화소값을 이용하여 부유물질 농도 추정식을 유도하고 이로부터 연구 해역의 해류 발달에 따른 부유물질 의 농도 분포와 이동 경로를 조사하고자 하였다.

연구지역

남해의 해저지형은 비교적 완만한 동-서 방향의 등심선이 해안선에 평행하게 발달하며 남해에는 연간 약 8.0~10.0×10⁶

ton에 달하는 퇴적물이 섬진강과 낙동강을 통해 공급되며(김

등 2004) 전반적으로 남해의 연안수와 외양의 대마난류수

사이에는 강한 연안 전선이 형성된다. 해수는 동지나해를 북상하는 고온, 고염의 쿠로시오 해수와 연안지방으로부터 흘러나오는 담수와 기상의 영향으로 형성된 연안수가 있다 (방 등 1995). 내대륙붕에 전형적인 연안 니질 퇴적대를 이 루며 넓게 분포하는 니질 퇴적상은 현재의 해양환경에서 육 상으로부터공급된세립물질이집적되어형성된현생퇴적물 로 외대륙붕의사질퇴적상과뚜렷한경계를보이며점차바 다쪽으로 전진하여 외대륙붕의 사질퇴적상을 피복하는 퇴적 양상을 보이는 지역이다.

재료 및 방법

해수의부유물질농도를분석하기위해서국립공원연구 1 호를 이용하여 CTD SBE 19 Plus(Sea-Bird Electronics)에 부착된 광전도측정계(Beam transmissometer)를 이용하여 수 층의 수괴혼탁도를 측정하였다. 상대적인 수치로 표현되는 수괴혼탁도를 보정하기 위하여 일부의 수층에서 채수한 후 여과하여 실제부유퇴적물함량을 분석하였다. 분석한부유 퇴적물함량은광전도측정계의투과도를부유퇴적물농도로 환산하는데 이용하였다. 조사대상지역에서 채수기로 채수한 해수는 냉동보관 한 후, 실험실로 이동하였다. 해수중의 부 유 퇴적물 분석은 현장에서 채취한 해수를 실험실로 옮긴 즉시 실시하여 부유 퇴적물 함량의 변화를 최소화하였다.

여과는 해수를 충분히 혼합 시킨 후 정확히 1 L를 취하여

미리 무게를 측정한 여과지(직경 47 mm, 공경 0.45µm)로 여과한 다음여과지를 24시간동안 건조시킨 뒤 정밀 전자 저울을 이용하여 무게를 측정하여 여과 전후의 무게 차이로 부유 퇴적물 농도(mg/L)를 계산하였다.

Landsat 8호는 2013년 2월 11일 발사된 미국 NASA와

USGS에서 운용하는 지구관측위성으로서 Landsat 7호의

ETM+ 센서에대비하여 가시역 및 근적외역의 OLI 센서와

열적외역의 TIRS 센서로 분리되었으며, OLI 센서에는연안

/에어로졸 1번 밴드와 근적외역의 9번 밴드가 추가되었고,

TIRS 센서는 두 개의 열적외선 밴드로 나누어졌다.

부유물질농도 추정을 위하여 부유물질농도 현장 측정일에 가장 근사한 관측일자의 Landsat-8 4개 영상을 선정하였다.

부유물질 농도추정에는 Landsat-8 위성의 OLI 3번밴드(중

심파장 560 nm) 영상을 Radiance 영상으로 변환한 후 현장

관측 위치에서의 Radiance 값을 추출하여 현장 측정자료와 비교함으로써 경험식을 유도하였고, 이를 적용하여 연구지

Figure 1. Study area and location of Survey stations.

Table 1. In situ survey date and Landsat-8 scanning

No. survey date Landsat-8

1 2013-5-9(5), 2013-5-8(1), 2013-5-6(1) 2013-5-13 2 2013-8-5(5), 2013-8-10(1), 2013-8-9(1) 2013-8-1 3 2013-11-02(4), 2013-11-1(1), 2013-11-30(2) 2013-11-5 4 2013-12-26(5), 2013-12-22(1), 2013-12-23(1) 2013-12-23

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역전체에 대한부유물질농도 분포도를작성하였다. 작성된 계절별 부유물질농도분포도로부터현장관측위치에서의부 유물질농도를 추출한 후 현장측정농도와의 편차를 검증함으 로써 신뢰도를 평가해 보았다.

연구결과

Landsat-8 OLI 위성영상의 3번 밴드를 Radiance 영상으로

변환하는방법은 USGS에서제공하는 다음식을 적용하였다.

L_λ= gain*QCAL + bias

여기서 Lλ는 Radiance 값이고 QCAL는 영상에서의 화소값 (Digital Number)이며, gain과 bias는 센서의 관측변수로서 위성영상과 함께 제공되는 메타정보에서 확인할 수 있다.

작성된 Radiance 영상으로부터 현장측정 위치에서의 Radiance 값을 추출한후 이를현장측정부유물질 농도값과상관성을 분석하였다(Figure 2). 그 결과 봄, 여름, 가을의 상관도(R²) 는 각각 0.70, 0.94, 0.52를 나타내었고, 특히 여름철인 2013 년 8월 1일 위성영상은 높은 상관도를 나타내었다. 그러나 겨울철인 2013년 12월 23일 위성영상에서는 현장 측정된 부유물질농도와 전혀 상관도를 나타내지 않았으나, 탁도와 비교에서는 R²=0.65를 나타내므로 부유물질농도 현장측정 시에기계오작동등의문제가 있었을것으로사료된다.

Landsat-8 위성영상에 앞에서 유도한 경험식을 적용하여

촬영시기별 부유물질농도 분포도를 작성하였다(Figure 3).

작성된 부유물질농도 분포도의 계절별 특징을 살펴보면 봄 철인 2013년 5월 13일의 경우 다른 계절에 비해 높은 부유 물질농도를 나타내었다. 특히 남해 창선도 북쪽의 사천만 해역, 여수 금오도서쪽해역, 부산 가덕도 북쪽의부산신항

해역 등에서 20 mgL⁻¹이상의높은부유물질농도를나타내

었고, 고성 사량도 북동쪽 해역과 거제도 동남쪽 해역에서

도 16 mgL⁻¹이상의다소높은 부유물질농도분포를나타내

었다. 여름철인 2013년 8월 1일의 경우 봄철에 비해 부유물 질농도가 낮아져 10 mgL⁻¹ 이하의 분포 특징을 나타내었다.

이 시기에도 사천만과 남해 창선도 동쪽 및 서쪽 해역, 부 산 가덕도 인근 해역, 거제도 동쪽 해역에서 8 mgL⁻¹ 이상 의 다소 높은 부유물질농도 분포를 나타내었다. 가을철인 2013년 11월 5일에는 부유물질의더낮아져 7 mgL⁻¹이하의 분포 특성을 나타내었다. 사천만에서만 6 mgL⁻¹ 이상의 부 유물질농도를 내었고, 남해 창선도 서쪽 해역과 사량도 북 동쪽 해역, 부산 가덕도 북쪽에서 5 mgL⁻¹이상의 상대적으 로 높은 부유물질농도 분포를 나타내었다. 겨울철인 2013년 12월 23일의 경우 Landsat-8 위성영상의 Radiance 값과 부 유물질농도 현장측정 자료와의 상관성이 거의없는 것으로 나타났으므로 작성된 부유물질농도 분포도도 봄철, 여름철, 가을철과는 전혀 다른 양상을 나타내어 분포 특성을 파악하 기 곤란하였다.

작성된 부유물질농도 분포도의 신뢰도를 평가하기 위하여 분포도 영상으로부터 현장측정위치에서의 부유물질농도를 추출하고이를 현장측정 자료와비교하였다(Figure 4). 봄철, 여름철, 가을철의 경우 현장측정값과 분포도에서 농도값이 근사한 것으로 나타났으며, 특히 여름철의 경우 ST.02를 제 외한 나머지 측점들의 농도값은 거의 일치하는 것으로 나타 났다. 그러나 겨울철의 경우 ST.03을 제외한 나머지 측점들 에서는 큰 편차를 나타내었다.

춘계에 부유물질농도는 St.02, St.03 부근 저층이 대체로 높은것으로 분석되었다(Figure 5). 하계에 Line 1에서수층 별 해수의 수직단면 분포결과 춘계, 추계와 다르게 뚜렷한 성층을 보였으나, 탁도는 전반적으로 낮은 경향을 보였다.

이는 성층에 의해서 표층 또는, 중층을 통한 이동이 우세하

Figure 2. Relationship between radiance of Landsat-8 band 3 images and suspended sediment concentration.

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Figure 4. Comparison of measured SS and estimated SS from Landsat-8 image.

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였고, 저층의 재동작용에 의한 영향이 상대적으로 감소한

것으로판단된다. 하계이후에추계에 Line 1에서수직단면

을비교한결과, 전수층의 혼합이활발하였으며, St.02~St.09 주변의저온저염과 St. 12~St. 20의고온고염의 수괴로구분 되었다. 광전도측정기(Beam Transmissometer)를 이용하여 수층의 수괴혼탁도를 측정하고, 해수를 여과하여 부유퇴적 물 농도를 분석한 결과, 춘계와 추계보다 하계에 평균 6.28 mgL⁻¹ 로 다소 높은것으로 분석되었다. 또한 최소값과 최 대값의편차도하계에더 큰것으로나타났다. 이는하계에 부유퇴적물의공급이상대적으로증가되었기때문인것으로 보인다. 지역별로는 수심이 낮은 20 m 부근의 ST.02, ST.03,

ST.06에서 전반적으로 높은 부유퇴적물 농도를 보였다. 해

수의 시공간분포를 비교한 결과, 수심에 따른 수층별 혼합 에 의한 저층 부유퇴적물의 재동작용으로 연안 ST.02, ST.03 에서매우높은농도가관측되었고, 수심 20 m 이하인 ST.09,

ST.12에서도 다소 높은 농도의 부유퇴적물이 관측되었다.

춘계에 부유퇴적물은 연안(ST.02, ST.03)과 저층에서 전반적

으로 높은 농도의 고탁도 플럼을 형성하였다. 하계에는 성 층에의해서 표층과중층을 통한고탁도플럼을형성하였다. 추계에는지역적인혼합 정도의차이에의해서저층을통한 고탁도 플럼이 특정지역의수심에서 넓게 발달하는 것으로 나타났다.

결 론

한려수도 해역의 부유물질 분포특성을 파악하기 위하여

현장측정 자료와 Landsat-8 위성영상의 화소값을 비교하여

부유물질농도 추정식을 유도하고 이를 적용하여 부유물질농 도 분포도를 작성하였다. 작성된 부유물질농도 분포도로부 터 연구 해역의 계절별 부유물질농도 분포 특성을 파악할 수 있었다.

그러나부유물질농도추정식유도과정에서현장측정자료

와 Landsat-8 위성영상 사이의 상관도가 봄, 여름, 가을의

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않았다. 이는 계절별 현장측정일과 Landsat-8 위성영상촬영 일 사이에 2~3일의시차가 있고 조석, 해류등으로 인하여 연구 해역의 해양환경이 시시각각 달라지기 때문으로 겨울 의 경우 위성영상 촬영일과 현장측정일 사이에 그 변화가 컸던 것으로 판단된다. 하지만 현장측정 자료 중 탁도와 위 성영상 화소값의 상관성은 오히려 높게 나타났으므로 겨울 철 현장측정에서 부유물질농도 측정시기계적인 오류가포 함되었을 것으로사료된다.

수층별 부유퇴적물의 거동특성은 상호 연관성을 갖고 있 으며 남해도 남측의 연안니질대의 변동양상은 하계에 갈수 록 증가되고, 추계로 갈수록 지역적인 집적작용이 차이를 나타낼 것으로 보인다.

결과적으로 봄, 여름, 가을의 경우 현장측정일과 위성영상 촬영일 사이에시차가 있음에도 불구하고현장측정 자료와 위성영상화소값사이에높은상관도를나타내는것은 부유 물질농도의 공간적인 변화가 크지 않거나 해양환경 요인의 지속성이 상당기간 유지되는 것으로 판단된다. 따라서 현장 측정일과의 시차가 다소 발생하더라도 위성영상을 이용한 부유물질농도 분포도 작성은 연구 해역의 해양환경을 이해 하는데도움이될 것으로판단된다. 따라서한려해상국립공 원의남해도 연안으로 집적되어 분포하는 세립질 저층퇴적 물의 분포와 기원(orgin)에 대한 모니터링이 필요할 것으로 생각된다.

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Ahn YH, SC Gallegos, R Iturriaga. 1998. The influence of resuspended sediment particles on the ocean color chlorophyll algorithm. Proceeding of Ocean Optics XIV meeting in Hawii.

(2014년 9월 2일접수; 2014년 10월 30일채택)