UNIST 미 NASA 연구진 인공위성측정 토양수분자료 혼합 기술개발
▲ 지면 자료 동화 시스템을 통해 생산된 토양 수분 변수의 성능 비교: (a) 지면 자료 동화를 통해 생산된 표층 토양 수분 자료의 성능.(b)땅속(뿌리 근처) 토양 수분 자료의 성능.자료동화를 거친 인공위성 자료의 정확도가 자료동화를 거치지 않은 경우(회색)보다 높다.(c) SMAP 위성자료를 사용했을 때 나타나는 북미지역의 토양수분성능 개선도. (d) ASCAT 위성자료를 사용했을 때 나타나는 북미지역의 토양수분성능 개선도. 적색점이 많을수록 자료 동화를 거친 인공위성 자료의 품질이 우수함을 보여준다. © 특허뉴스의 날씨를 예측하는 기상모델이나 기후변화를 예측하는 기후모델과 같은 수치예보시스템에서 지면(land) 초기화 기법(시뮬레이션에 입력할 초기치를 찾는 것)은 대부분 강점 시점의 관측자료를 강제력(땅 상태에 영향을 미치는 강수량 기온 바람 방사선)을 이용한 적분값으로 생산한다.
그러나 초기화에 사용되는 지면 자료는 오프라인 실험으로 산출된 토양 수분 자료는 관측 강수량 자료의 불확실성, 지면 모수화 오차 등으로 신뢰성 문제가 있다.
최근 인공위성의 마이크로파(microwave) 센서를 이용해 추출한 토양 수분 자료를 지면 모델에 자료 동화(Dataassimilation)하는 방식의 고도화된 지면 자료 생산 기법이 개발되고 있다.
위성이 생산하는 자료를 이용하면 전 지구적 예측 모델에서 초기장으로 사용되는 초기 자료의 품질을 크게 높일 수 있다. 일반적인 지면 자료는 모든 지역과 시간에 대해 규칙적으로 입수하기 어렵기 때문에 위성으로는 이 한계를 극복할 수 있기 때문이다.
이런 시기 UNIST 도시환경공학과 서은교 박사(조지메이슨대 연구원)와 이명인 교수 연구팀은 미 항공우주국(NASA)과 함께 인공위성이 관측하는 토양수분 정보의 정확도를 높이고, 지구 규모의 대용량 자료를 신속하게 처리해 가뭄을 실시간으로 가깝게 감시할 수 있는 기술을 개발했다.
가뭄 피해에 선제적으로 대응하기 위해서는 가뭄 정도(토양 수분 부족 정도)를 실시간으로 감시하는 기술이 필요하다. 최근 미국과 유럽의 인공위성은 마이크로 파장대의 전파를 이용해 지표층 최대 5cm 정도 깊이까지 토양 속 수분 정보를 알아본다. 하지만 관측 가능한 수분 정보에 시·공간적인 제약이 있어 쓰임새가 제한적이었다. 관측에 사용되는 마이크로 파장대의 전파가 식물 성장에 중요한 근층수 10㎝ 깊이까지 도달하지 못하고 인공위성이 자전하는 지구 극궤도를 돌며 관측 지역의 공백이 넓기 때문이다.
연구팀은 인공위성에서 관측한 토양수분 정보를 모델 시뮬레이션 자료에 ‘혼합'(자료동화)하는 방식으로 토양수분 정보의 정확도를 높였다. 모델 시뮬레이션은 강수량, 방사열, 지표온도, 바람 등의 변수를 복합적으로 고려해 근층을 포함한 지구 전체의 토양 수분량에 대한 정보를 제공한다는 장점이 있다. 따라서 인공위성에서 직접 관측한 토양수분정보와 모델 시뮬레이션 자료를 혼합하면 보다 넓은 범위에서 정확한 토양수분정보 생성이 가능하다.
실제 과거 북미 지역에서 발생한 가뭄 정보를 이용해 자료 동화 방식으로 생산된 토양 수분 정보와 인공위성 관측 정보의 정확도를 비교한 결과 자료 동화 방식 생산 정보의 가뭄 모니터링 정확도가 높았다.
▲ 이명인 교수(왼쪽)와 서은교 연구원(오른쪽)이 인공위성 토양수분 자료를 분석하고 있다. © 특허뉴스 제1저자인 서은교 박사는 “자료 동화를 위해 ‘지역 앙상블 변환 카르만 필터링 기술’을 이용했다”며 “이를 통해 정확도 높은 토양 수분 정보를 산출하기 위한 최적의 자료 ‘혼합비율’을 빠르고 정확하게 찾아낼 수 있다”고 설명했다.
가뭄은 직접적으로 농작물 피해나 물 부족과 같은 문제를 일으켜 전 세계적으로 곡물 및 원자재 가격 상승을 유발하는 자연재해이다. 게다가 지구 온난화로 가뭄 주기가 짧아지고 강도가 심화되고 있어 가뭄 모니터링과 사전 예측이 점차 중요해지고 있다.
이명인 교수는 “이번 연구는 가뭄 모니터링뿐만 아니라 가뭄을 중장기적으로 예측할 수 있는 기술개발에도 사용될 것”이라고 기대했다.
인공위성 관측자료와 시범 시뮬레이션 자료를 혼합해 지구 곳곳의 가뭄을 감시(모니터링)할 수 있는 기술로 농작물 작황을 예측하거나 대형 산불 발생을 선제적으로 예방하는 데도 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
이번 연구는 원격탐사 분야 최고 학술지인 원격탐사 오브 인바이런먼트(Remote Sensing of Environment)에 12월 9일자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다.
논문명은 SMAPand ASCATsoilmoistureretrievalsintotheJULESlandsurface modelusing the Local Ensemble Transform Kalman Filter이다.
<저작권자 ⓒ 특허뉴스 무단전재 및 재배포 금지> http://www.e-patentnews.com/7203 지면자료동화시스템에 의해 생산된 토양수분변수의 성능비교 : (a) 지면자료동화에 의해 생산된 표층토양수분자료의 성능.(b)땅속(뿌리근처) 토양수분자료 성의 www.e-patentnews.com