산불을 감시하지 그래? 인공 위성

 

장지오노의 나무를 심은 사람 원작 삽화 <그림의 출처=scrapsfromtheloft.com> 바람이 씨를 뿌렸다. 버드나무, 갈대, 목초지, 정원과 꽃, 그리고 삶의 방식이 되살아났다. 그러나 그러한 변화는 아주 서서히 일어났고 사람들은 놀라지 않고 바로 적응했다.”_<나무를 심은 사람>으로

40년 동안 나무를 심어 폐허의 땅을 거대한 숲으로 되돌려 놓은 한 늙은 양치기의 이야기입니다. 매년 식목일만 되면 떠오르는 책이군요. 단지 씨를 심는 것이 얼마나 위대한 일인지, 깊은 울림으로 가르쳐 줍니다. 반대로 한국에서는 작년 식목일을 잊을 수가 없어요. 4월 4일부터 5일까지 21시간 동안 강원도 일대를 강타한 화재는 다시 떠올려봐도 끔찍합니다. 정원수와 숲 보호는 우선순위가 없죠. 다시는 그런 일이 없도록 인공위성이 산불을 감시할 수 있다면 얼마나 좋을까요?

사후에 진가를 발휘하는 고해상도 위성

산불이 도심까지 덮쳤던 지난해 강원 산불 현장. <사진의 출처= 브리핑> 지난해 강원도 산불 이후 한동안 해프닝이 있었습니다. 지난 4월 10일 발표로 당초 산불 피해 면적이 발표 때보다 세 배 이상 늘어난 1,757헥타르로 집계됐습니다. 아리랑위성 3A호가 찍은 영상으로 다시 정밀 분석한 뒤 더 정확해진 집계 결과였습니다. 산불 직후 추정된 면적은 도면상 추정치로 현장 정밀조사 결과를 거쳐 보름 뒤 발표한 최종 피해 면적은 2,832헥타르입니다. 위성사진을 판독하는 과정에서 구름에 가려진 부분이 더해져 산불이후 10일 정도 지나 갈변하는 소나무가 포함되면서 면적이 확대되었습니다.

이러한 피해 면적의 집계는 복구 계획 수립에 있어 매우 중요한 지표가 되기 때문에 중요합니다. 이처럼 산불 발생 후 중요한 역할을 하는 것이 앞서 언급한 아리랑 3A호, 즉 지구 근처에서 근접 촬영을 할 수 있는 저궤도 위성입니다. 숲이 검게 그을린 흔적을 적나라하게 확인할 수 있죠. 실은, 사람이 볼 수 있는 가시광선 영역에서의 영상만으로는, 산불 사전 후의 차이를 거의 느낄 수 없습니다. 이때 중요한 것은 근적외선 영상까지 붙여서 가공한 자료입니다.

아리랑 3A호가 찍은 지난해 강원 산불 근적외선 합성 영상(왼쪽)과 컬러 영상. 근적외선 영상에서는 검게 그을린 면적을 보다 쉽게 육안으로 확인할 수 있다. 사진제공 : 한국항공우주연구원의 근적외선은 눈에 보이지 않는 파장대 중 가시광선 영역에 가장 가깝습니다. 근적외선의 식생활력도가 높을수록 높게 반사되는 특성이 있어 산림 중 피해면적이 어두워집니다. 산림청은 이 정보를 지리정보시스템(GIS)에 넣어 각종 현장 정밀조사 결과를 수집하고 고도화하는 과정을 거칩니다. — 모든 저궤도 위성이 아리랑 3A호만큼 정확도를 발휘하지는 않습니다. 세월이 흘러 2000년 강원도 산불이 났을 당시 미국 위성랜싯이 찍은 영상은 해상도가 30100m 정도에 불과했습니다. 해상도가 낮은 영상으로 분석하는 데는 한계가 있다는 게 연구진의 판단이었습니다.산불위험도 육감으로도 감지

Landsat 8 영상에서 획득한 RGB 영상과 지표면 반사도를 NDVI치로 산출한 화상(2018년 8월 22일 영상). 식생활역도를 알 수 있다. <그림의 출처=대한원격탐사회지 유철희, 박성연 2018>

강원도 산불 이후 획득된 아리랑 3호 위성영상(왼쪽)과 산불 미리 획득된 센티넬 2호 위성영상(오른쪽)의 지표면 반사도를 NDVI 값으로 산출한 영상. 짙은 녹색이 식생활력이 높다는 것을 나타내며 산불 사전 후의 차이를 확인할 수 있다. <출처: The 40th Asian Conference on Remote Sensing, Yeji Kimetal., 2019> 인공위성이 한반도를 보는 방법은 눈이기도 하지만 눈에 보이지 않는 제육감도 활용합니다. 여기서육감은다른감각을의미합니다. 숲의 습기, 광합성 정도, 열과 온도, 이산화탄소 등입니다. 인공위성의 여러 채널을 통해 각각 이런 상태를 탐지할 수 있습니다. 예를 들어 이중식생의 활력을 잘 보여주는 식생지수(NDVI)가 있습니다. 숲 지붕(캐노피)의 광합성 능력을 탐지하는 건데요.

식물 같은 경우에는 잎이 짙은 녹색을 띄죠. 식물의 잎에서는 초록색을 가장 많이 반사해서 우리 눈에 들어오기 때문이죠. “식물은 잎의 색소인 엽록소로 적색, 청색 계열의 빛을 광합성을 위해 흡수합니다. 반면 잎의 세포 구조는 근적외선 파장 영역을 강하게 반사합니다” 강한 흡수가 식물을 과열시켜 조직을 손상시키는 일이 있어, 태양 방사 에너지를 방출할 수 있도록 진화해 온 것입니다. 이 덕분에 우리는 태양 방사 에너지의 양으로 식생의 활력도를 알 수 있습니다.

“식생지수가 -1에 가까우면 물에 해당하고, 0에 가까운 값(-0.1~0.1)은 바위나 모래 같은 건조한 지역, 1에 가까운 곳은 온대 및 열대 우림, 양수값(약 0.20~0.4)은 관목과 초원을 나타냅니다”

측정치를 계산하는 방법은 좀 복잡해 보여요. 여기서 Red와 NIR는 각각 적색 가시광선 및 근적외선 영역에서의 반사도를 뜻합니다. 만약어떤숲이전년도또는며칠전에는관목정도의식생활력도를기록했는데어느순간불모지에가까운수치가떨어졌다면어떤이유로광합성이적어진것이다.다른특별한원인이없다면산불을의심해볼수있다. 나뭇잎의 수분량이 많은지 적은지도 알 수 있어요. 주로 단파복사(SWIR) 파장을 사용하여 측정합니다. 흡수량이 늘어나면 수분량이 많아진다는 뜻이에요. 이 지표와 근적외선 반사율로 먼저 NDVI와 같이 측정치를 계산하면 숲의 건조도를 알 수 있습니다. 지면의 건조 상태에 따라 산불 발생 위험도를 탐지하는 것입니다.

위성, 실시간 산불감시도 가능할까

정지궤도에 나란히 서 있는 천리안 2A호(왼쪽)와 2B호. 정지궤도위성은 한반도를 2분에 한 번씩 촬영해 상시 모니터링에 특화되어 있다. 자료제공 : 한국항공우주연구원의 사후 피해면적 조사만큼이나 중요한 것이 감시기능입니다. 항상 한반도를 주시하고 산불이 감지된다고 알려 주는 거예요. 조종사는 보통 산불을 가장 먼저 알아채는 것으로 알려져 있습니다만. 이걸 인공위성으로 한다면 더할 나위 없어요. 해상도 높은 저궤도 위성이 마침 위를 지나가다 발화점을 발견한다면? 안타깝게도 현재까지 대부분의 위성 영상은 관심 지역의 주문 촬영 위주로 이루어지고 있다는 점에서 한계가 있습니다. 저궤도 위성은 한 번에 촬영할 수 있는 폭도 최대 14에서 16로, 반복 주기도 하루 이상입니다. 연구진은 이를 시간의 해상도가 낮다고 표현합니다. 저궤도 위성의 시간 해상도의 한계를 극복할 수 있는 것이 정지 궤도 위성입니다.

지금 정지 궤도에는 천리안 2A호와 2B호가 나란히 타고 있는 상태입니다. 2B호는 얼마 전 정상궤도에 안착한 뒤 시험 운영을 시작했습니다. 정지 궤도 위성에 특화된 것이 바로 모니터링 기능이라고 할 수 있습니다. 현재 2A호는 2분에 한 번씩 한반도 전체가 촬영되고 있습니다. 일단 시간 해상도는 확보한 것 같습니다 덕분에 아주 짧은 간격으로 구름 사진을 찍어서 이동 방향을 타임랩스 영상으로 구현해 기상 상황을 바로 알려줍니다. 그러나 3만 6000km 떨어진 곳에서는 저궤도 위성 정도의 공간 해상도를 기대할 수 없습니다. 현재 천리안 2A호의 공간 해상도는 0.5-2km에 달합니다. 500미터 이상의 큰 화재가 아니면 찾아내기 어려운 것이군요. 즉, 시간 해상도가 높은 천리안은 공간 해상도가 낮고, 저궤도 위성은 그 반대의 샘입니다.

▶쌍둥이 같은 2A호와 2B호는 뭐가 다를까?https : / blog.naver.com/karipr/221845078293

지난해 8월 천리안 2A호의 산불 탐지 영상. 붉은 표지가 산불을 탐지하는 곳이다. 촬영 당시 포착된 곳은 없었다. <영상의 출처=국가기상위성센터> 발화점과 연기에서도 탐지되는 현재 천리안 2A호는 23종의 기본 산출물과 부가 산출물 29종을 국가기상위성센터가 제공하고 있습니다. 현재는시범운영중이나,정식운영이시작되면평년최저~최고치를기준으로위험도를4구간(관심-주의-경계-심각)으로구분하여표현할수있습니다. 특정 지역의 산불 위험도 등급이 심각한 상태를 지속할 때는 해당 지역에 산불 발생 위험 경고를 하는 방식이 될 것으로 보입니다.

천리안 2A호가 제공하는 기상·환경 산출물을 한눈에 볼 수 있다. <그림의 출처=국가기상위성센터>

천리안 2A호가 제공하는 기상·환경 산출물을 한눈에 볼 수 있다. <그림 출처=국가 기상위성 센터>에 앞서 고해상도 위성은 상세한 피해 면적 조사에 특화되어 있다고 말했습니다. 정지궤도 위성은 이보다 한발 앞서 산불 탐지도 가능합니다. 발화점이나 연기를 감지하여 산불의 유무를 결정하는 결과물인 것입니다. 주변 픽셀보다 유독 온도가 높은 곳을 지정하거나 이산화탄소 탐지에 특화된 채널을 이용하여 파악합니다. 물론 이것을 실시간으로 정보로 얻기 위해서는 비교할 수 있는 데이터가 대량으로 축적되어 있어야 하고, 국민들의 생활과 밀접한 만큼 정보의 신뢰도가 매우 높아야 합니다.

저희 위성영상연구팀은 이러한 결과물을 보다 잘 활용할 수 있도록 다양한 방법으로 처리방법을 개발하고 있습니다. 인공위성이 찍은 영상은 일반 사용자들이 목적에 맞게 사용하기가 매우 어렵습니다. 가시광선 영역 외의 채널 영상은 물론 실제와 달리 비틀리거나 왜곡되거나 대기로 인한 산란 등으로 오차가 자주 발생합니다. 이것을 비춰 주지 않으면 고가의 위성 영상도 무용지물입니다. 본 연구팀은 위성 영상 분석 기술을 고도화하여 보다 정확한 정보를 사용자의 경험에 맞게 구현할 수 있도록 노력합니다.

한 걸음 더 나아가면 아까 말씀드린 한국의 인공위성(저궤도위성, 천리안2A2B)을 하나의 시스템처럼 활용하는 데도 박차를 가하고 있습니다. 산불 감시와 촬영 분야만 봐도 이미 시간 해상도가 높은 정지궤도 위성은 실시간 모니터링에 투입되고, 공간 해상도가 높은 저궤도 위성은 정확한 피해 면적 산출에 활용됩니다. 공간의 해상도도 높이면서 시간 해상도까지 확보한 천리안 2B호는 어떻습니까. 산불탐지-위치파악-촬영일정 전달-산불촬영-피해지역 모니터링-피해면적 측정 등의 과정을 하나의 시스템으로 완성해 줄 한국위성군단의 활약이 더욱 기대됩니다.

기획제작: 항공우주 에디터 이종원 내용 감수: 위성활용부 박성용 선임연구원 김예지 연구원