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AVHRR GIMMS NDVI 자료의 일관성 평가 연구사례 (2) - 서론

작성일 작성자 유병혁

시계열의 연속적인 지구관측(EO, Earth Observation)에 기초한 식생 예측은

지역적 규모에서 지구적인 규모에 이르기까지 식생 내 1년 미만 변이와 경년 변동의 해석을 향상시켜 왔습니다.

 

AVHRR 자료 기반의 다양한 지구관측 자료들은 이러한 규모의 식생 연구들에서 많이 사용되어 왔습니다.

AVHRR NDVI는 육생의 일차 순생산량(terrestrial NPP; net primary production)을 평가하는데 사용되었으며,

전 지구적인 육생 NPP에 있어서 기후에 의한 증가를 분석하기 위해 GIMMS NDVI를 이용한 시계열 NPP 추세가 분석되기도 하였습니다.

많은 연구에서 지역적 규모에서 지구적 규모까지 AVHRR NDVI 시계열이 분석되었으며, 식생 기후계절학적 변화가 NDVI에 기초하여 분석되기도 했습니다.

 

AVHRR NDVI의 장기간 시계열 분석은 식생의 녹색도 또는 NPP에서 관측된 변화의

지구생물물리학적 원인을 밝히기 위해 강우와 기온과 같은 기후 변수들과 상호 비교되기도 하였습니다.

 

한편 알베도와 같은 다른 지구물리학적 매개변수들은 환경변화와 동반한

연속적인 규모의 추세를 분석하기 위해 Meteosat 기상위성 자료로부터 도출되어 왔습니다.

 

1981년부터 현재까지 전 기간에 걸쳐 유일하게 업데이트된 전지구적 커버리지 AVHRR 데이터 셋은,

GIMMS (Global Inventory Monitoring and Modelling Study) 8km 해상도 NDVI 15일 주기 합성 데이터 셋입니다.

 

AVHRR NDVI 데이터 기록은 필요한 NDVI 값들에 영향을 미치는 다양한 NDVI 인자들로부터

일관된 데이터 셋을 보정 취득하기 위해서  서로 다른 위성 센서로부터 취득된 자료들을 포함합니다.

오후 관측 NOAA 위성의 궤도 이동(orbital drift)으로 인한 태양 천정각(solar zenith angles)의 변화 보정도 이에 해당됩니다.

 

전지구적 커버리지 GIMMS 데이터(1981-2006)의 최신 업데이트 배포는 2007년에 만들어졌으며,

최근에는 2007 대륙별 규모 데이터가 처리되어 GIMMS 그룹에 의해 이용 가능하도록 제작되었습니다.

 

AVHRR 센서는 본래 식생 모니터링 목적으로 설계된 것은 아니기 때문에 이 목적으로는 단점이 있는 것으로 알려져 있습니다.

AVHRR의 2번 채널(근적외 밴드)은 대기 수증기에 의해 상당한 흡수가 있는 파장 간격을 중첩하므로 관측된 NDVI에 영향을 미치게 됩니다.

본 논문의 연구지역인 사헬(Sahel)지역은 낮은 대기 내 수증기의 총량이 1년을 통해 장소마다 매우 다양한 편에 속합니다.

 

1km 해상도 지역 커버리지(LAC; Local Area Coverage) AVHRR 자료를 8km 해상도

AVHRR NDVI로 변형하기 위한 데이터 축소 기법은 또한 데이터의 품질에 영향을 미치게 됩니다.

GIMMS 데이터를 제작하는데 사용되는 각 위성들은 하나의 센서가 새 것으로 교체될 때

태양센서(sun-sensor)의 기하학적인 변화가 원인이 되어 통과시간의 변화가 발생하게 됩니다.

이러한 각 위성의 수명에 따른 NOAA 궤도의 이동은 NDVI에 가장 중요하며 심각한 영향을 미치게 됩니다.

 

이것이 보정되지 않으면, 위성 통과시간의 변화는 NDVI 추세에 영향을 미치게 되므로, 추세분석을 위한 데이터 셋의 유용성은 약화될 것입니다.

GIMMS NDVI 프로젝트에서 위성 궤도 이동에 대한 보정은 실험적 모드 분해(Empirical Mode Decomposition, EMD) 변환 기법을 이용하여 수행됩니다.

 

그러나 GIMMS 보정 계획은 GIMSS 데이터셋이 본래 동적이므로 데이터가 추가되는 해당 년도에 매시간 재 보정되어야 한다는 것을 의미합니다.

몇몇 연구들은 AVHRR 데이터를 SPOT VGT, MODIS, SeaWifs와 같은 보다 최신의 데이터 자원들과 비교하는 연구를 수행해 왔습니다.

그러나 센서들 사이에 교차검증에 주력하는 이러한 연구들은 적색과 위성밴드들의 분광반응함수 편차 분석이 필수적입니다.

30년간 연속 측정에 기초한 추세 분석 수행 가능성의 중요성을 고려하여, AVHRR GIMMS NDVI 추세분석 품질을 다른 자원과 비교 평가하는 것은 매우 중요합니다.

 

지역적이고 대륙적인 규모에서 AVHRR GIMMS NDVI 시계열 추세 분석의 품질과 신뢰성을 평가하는 것은

충분한 시간 폭을 차지하는 다른 중해상도 위성 센서들의 시계열 자료 부족으로 상호비교에 제약이 있어 왔습니다.

 

최근 Terra MODIS NDVI (2000년 3월-현재)의 8년치와 SPOT VGT 10일 주기 합성 데이터(1998년 4월-현재)의

10년치 자료가 이용 가능해짐에 따라, 8년간 자료에 기초한 GIMMS NDVI 시계열 추세의 신뢰성 분석이 가능해졌습니다.

 

이 기간에는 3대의 AVHRR 센서들이 실가동되었습니다.

NOAA-14호, NOAA-16호, NOAA-17호 위성은 서로 다른 적도 통과시간

(오전과 오후 위성들이 결합)과 다양한 궤도 이동각으로 특성화되어 있습니다.

 

이러한 특성은 이방성 반사율 분포 함수(BRDF, Bidirectional Reflectance Distribution

Function)-효과들이 시간이 지남에 따라 다양하기 때문에 NDVI 시계열에 필수적인 영향을 미치게 될 것입니다.

 

최근에는 NASA가 투자하는 Land Long Term Data Record(LTDR)가 향상된

대기보정 계획과 DRDF 보정을 적용한 일일 반사율 자료(1981년-현재)를 개발하고 있습니다.

 

Terra MODIS NDVI와 SPOT VGT NDVI의 처리는 식생 모니터링을 위해 특별히 설계된 분광 밴드들에 기초합니다.

이러한 처리는 보다 향상된 위성항법, 대기보정, 기하학적인 왜곡 감소, 그리고 향상된 방사측정 감도를 포함하고 있습니다.

따라서 MODIS, SPOT-4호, SPOT-5호의 VGT 프로덕트는 AVHRR 센서로부터 도출된 NDVI 프로덕트보다 더 향상된 것으로 예상됩니다.

 

본 논문의 분석 중심지는 아프리카의 사헬(Sahel)과 수단(Sudanian) 지역으로, 기니(Guinean)

지구 일부를 포함하며 습윤 열대(humid tropics)와 건조 열대 지역(dry topical zones)이 대표적인 지역입니다.

이 지구들은 연 평균 강우와 관련 생물군계(biomes)에 기초한 생태환경지구(eco-climatic zone)들이기도 합니다.

 

 

 

(A) 사헬, 수단-사헬, 수단 및 사헬 지구의 연 평균 강우량(Africa Rainfall Climatology (ARC) from NOAA-Climate Prediction Centre).

(B) SPOT VEGETATION 데이터로부터 도출된 2000년 서아프리카(West Africa) 토지피복도. 추세 분석을 위한 데이터 분석의 위치가 표시되었습니다.

 

일반적으로 사헬-수단과 기니 지역은 지역적 강우 분포와 더불어 북쪽에서 남쪽까지 뚜렷히 분포하는 식생이 특징입니다.

사헬 북부지역의 식생피복은 일년생과 다년생 잔디들 사이로 자라나는 관목들로 구성되어 있으며,

남쪽으로는 지역적으로 불과 5%의 삼림 피복을 가지는, 초지와 탁 트인 낙엽성 사바나 삼림으로 구성되어 있습니다. 

반면에, 수단 지역은 드문드문한 수목과 더불어 경작지와 혼합되어 탁 트인 낙엽성 삼림이 있는 낙엽성 관목지가 우세합니다.

기니 지역은 폐쇄된 반낙엽성 및 퇴화된 상록수림이 우세합니다.

기니 지역의 일부를 포함하는 사헬-수단 지역은 드문드문한 초지부터 중밀도의 상록수림까지 다양한 식생피복유형과 밀도들로 구성되어 있습니다.

 

이것은 본 연구지역이 광범위한 식생 유형과 NPP 단계에 따라, 장기간 EO 데이터셋들 간에 NDVI

시계열 추세 분석 일관성을 처리하고자 하는 원격탐사 목적에 본 연구지역이 적절하다는 것을 나타냅니다.


기후변화의 시각으로, 사헬 지역은 지난 3-4년 간 강수(그 결과 NDVI도 변화)에 있어서 가장 큰 변화를 겪고 있는 지역입니다.

이로 인해 사헬 지역은 특히 식생 녹색도/NPP를 모니터링하는데 있어 관심있는 지역으로 선택되었습니다.

 

따라서 이 지역은 각종 EO 기반 분석에서 연구지역이 되어 왔으며, 주요 목적은

식생 피복과 생산성에 있어 이러한 동적인 변화의 원인을 모니터링하고 밝히는데 있었습니다.

 

일부 연구에서는 1980년대 중반에 심각한 사헬지역의 가뭄이 시계열 AVHRR 데이터 상 사하라 사막의 남쪽으로 확산이 뚜렷한 것을 밝혀냈습니다. 

그러나, 이와 함께 1988년에 거의 전체적인 회복이 발견되었는데 이것으로 1980년부터 1997년까지 체계적인 증가 또는 감소가 뚜렷하지 않다는 결론이 유도되었습니다.

 

다른 연구에서는 1981년부터 2003년까지 취득된 AVHRR GIMMS 시계열을 시험되였으며, 서로 반대되는 추세의 2개 기간이 발견되었습니다.

1982-1993년은 평균 NDVI 이하로 기록된 반면, 1994-2003년은 1994년과 1999년에서 최대값을 가지면서 지역적 정규 NDVI 상태의 이상 추세가 특징적이었습니다.

 

본 연구에서 시계열 추세 분석을 위한 AVHRR GIMMS NDVI 데이터셋의 품질과 강건성은 사헬 지역을

기록한 Terra MODIS와 SPOT VGT NDVI 데이터와 비교하여 화소 기반 선형 회귀 분석을 이용하여 평가될 것입니다.

 

GIMMS와 Terra MODIS NDVI 간의 직접적인 비교를 위해서, MODIS 1km 해상도 반사율

자료는 NDVI 계산에 앞서 공간 평균을 통해 AVHRR GIMMS 데이터의 공간해상도로 재표집되었습니다.

3개의 서로 다른 위성 플랫폼으로부터 중첩되어 연 단위로 각각 통합된 NDVI 데이터의 8년간 추세 분석은 본 논문에서 상호 비교되었습니다.

 

GIMMS 데이터셋은 (LAC-to-GAC 재표집 기법과 마찬가지로) 통과시간의 변화에 따라

AVHRR 센서에 문제가 발생되므로 GIMMS 기반 장기간 식생 생산성 추세 분석은 이상적으로 적합하지 않습니다.

그러나 여전히 현재 전 지구적으로 가장 긴 기간을 관측한 중저해상도 데이터셋이므로

토지 황폐화(land degradation)와 식생 생산성(vegetation productivity) 분석을 위해 매우 큰 중요성을 가지고 있습니다.

향후 연구에서는 LTDR 데이터셋이 교체될 수도 있습니다.

 

AVHRR GIMMS, Terra MODIS와 SPOT VGT NDVI 데이터셋들 간 비교는 GIMMS NDVI 값이 대기 상부(top-of-atmosphere) 반사율로부터

계산되는데 반해, Terra MODIS와 SPOT VGT NDVI 자료들은 대기 보정된 반사율로부터 계산되는 근본적 결함(fundamental flaw)을 가지고 있습니다.

 

그러나 본 연구는 연 단위로 통합된 NDVI 내 시계열 추세에 상호비교를 분석함에 따라,

단일 채널의 반사율과 NDVI 보다는 대기보정에 의한 영향이 적은 것으로 가정되었습니다.



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