KOMPSAT-3/3A 영상 기반 하천의 탁도 산출 연구

김다희; 원유준; 한상명; 한향선

doi:https://doi.org/10.7780/kjrs.2022.38.6.1.23

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김다희 (강원대학교) 원유준 (강원대학교) 한상명 (강원대학교) 한향선 (강원대학교)

저널정보: 대한원격탐사학회 대한원격탐사학회지 대한원격탐사학회지 제38권 제6호

발행연도: 2022.12

수록면: 1,285 - 1,300 (16page)

DOI: https://doi.org/10.7780/kjrs.2022.38.6.1.23

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탁도는 부유물질에 의한 빛의 산란 또는 흡수로 인한 수체의 흐림을 나타내는 수치로 수질 관리 분야에서 중요 지표로 활용되고 있다. 탁도는 소규모의 하천에서 변동성이 심할 수 있으며, 이는 국가하천의 수질에직접적으로 영향을 준다. 따라서 고해상도의 탁도 공간정보 산출은 매우 중요하다. 이 연구에서는 Korea Multi-Purpose Satellite-3 및 -3A (KOMPSAT-3/3A) 영상으로부터 한강 수계 하천의 고해상도 탁도 매핑을 위한eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) 알고리즘 기반의 탁도 산출 모델을 개발하였다. 이를 위해 총 24장의KOMPSAT-3/3A 영상과 150장의 Landsat-8 영상으로부터 계산된 대기 상단(Top Of Atmosphere, TOA) 반사율을 활용하였으며, Landsat-8 TOA 반사율은 KOMPSAT-3/3A의 관측 파장 대역에 적합하도록 교차검보정을 수행하였다. 국가수질자동관측망에서 측정된 탁도를 탁도 산출 모델의 참조자료로 사용하였고, 입력 변수로는탁도가 실측된 위치에서의 TOA 분광반사율과 탁도 분석에 널리 이용되어 온 분광지수인 정규식생지수, 정규수분지수, 정규탁도지수, 그리고 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)의 대기 산출물(에어로졸 광학 두께, 수증기량, 오존)을 사용하였다. 또한 고탁도와 저탁도에 대한 KOMPSAT-3/3A TOA 분광반사율을 분석하여 탁도를 설명할 수 있는 새로운 정규탁도지수(new normalized difference turbidity index, nNDTI)를 제안하였고, 이를 탁도 산출 모델에 입력 변수로 추가하였다. XGBoost 기반 탁도 산출 모델은 현장관측 탁도와 비교하여 2.70 NTU의 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE) 및 14.70%의 정규화된 RMSE(normalized RMSE)를 가지는 탁도를 예측하여 우수한 성능을 보였으며, 이 연구에서 새롭게 제안한 nNDTI가탁도 산출에 있어 가장 중요한 변수로 사용되었다. 개발된 탁도 산출 모델을 KOMPSAT-3/3A 영상에 적용하여 하천 탁도를 고해상도로 매핑하였으며, 탁도의 시공간적 변동에 대한 분석이 가능하였다. 이 연구를 통하여고해상도의 정확한 탁도 공간정보 산출에 KOMPSAT-3/3A 영상이 매우 유용함을 확인할 수 있었다.

Turbidity, the measure of the cloudiness of water, is used as an important index for waterquality management. The turbidity can vary greatly in small river systems, which affects water quality innational rivers. Therefore, the generation of high-resolution spatial information on turbidity is veryimportant. In this study, a turbidity retrieval model using the Korea Multi-Purpose Satellite-3 and -3A(KOMPSAT-3/3A) images was developed for high-resolution turbidity mapping of Han River systembased on eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) algorithm. To this end, the top of atmosphere (TOA)spectral reflectance was calculated from a total of 24 KOMPSAT-3/3A images and 150 Landsat-8 images. The Landsat-8 TOA spectral reflectance was cross-calibrated to the KOMPSAT-3/3A bands. The turbiditymeasured by the National Water Quality Monitoring Network was used as a reference dataset, and asinput variables, the TOA spectral reflectance at the locations of in situ turbidity measurement, the spectralindices (the normalized difference vegetation index, normalized difference water index, and normalizeddifference turbidity index), and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-derivedatmospheric products (the atmospheric optical thickness, water vapor, and ozone) were used. Furthermore,by analyzing the KOMPSAT-3/3A TOA spectral reflectance of different turbidities, a new spectral index,new normalized difference turbidity index (nNDTI), was proposed, and it was added as an input variableto the turbidity retrieval model. The XGBoost model showed excellent performance for the retrieval ofturbidity with a root mean square error (RMSE) of 2.70 NTU and a normalized RMSE (NRMSE) of14.70% compared to in situ turbidity, in which the nNDTI proposed in this study was used as the mostimportant variable. The developed turbidity retrieval model was applied to the KOMPSAT-3/3A imagesto map high-resolution river turbidity, and it was possible to analyze the spatiotemporal variations ofturbidity. Through this study, we could confirm that the KOMPSAT-3/3A images are very useful forretrieving high-resolution and accurate spatial information on the river turbidity.

#KOMPSAT-3 #KOMPSAT-3A #Turbidity #New normalized difference turbidity index #XGBoost

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