23년도 여름방학 동안 UNIST에서 인공지능을 이용한 환경원격탐사 랩실의 인턴을 하게 되었다.
랩실에 가기 전에 공부를 좀 해놓고 싶었지만 학기 중에 6전공 수업의 과제를 수행하면서 추가적으로 공부하기엔 너무 힘들었다... 이제 인턴 시작까지 5일 남았는데 그 안에 빠르게 공부를 하기 위해 인터넷을 뒤져보던 중 캐나다 정부에서 만든(왜 정부에서 만든거지) Remote Sensing 분야의 대한 tutorial이 있길래 이것을 공부해보기로 하였다. 양이 많아서 다 하진 못할 것 같다.
What is Remote Sensing?
Remote Sensing은 물리적인 접촉 없이 지구표면의 대한 정보를 얻어오는 것을 말한다. 보통의 경우 인공위성을 사용한다. 전체적인 과정은 반사되거나 방출된 에너지를 감지하고 기록한 뒤에 이 데이터들을 적철히 처리하고 분석하여 원하는 방법에 적용하는 방식이다.
Sensing and recording reflected or emitted energy and processing, analyzing, and applying that information.
위 문장에서 process는 incident radiation(반사된 전자기파인듯?)과 target 사이의 상호작용을 포함한다고 한다.
위의 사진은 imaging system의 7단계 처리과정을 보여준 것이다.
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Energy Source or Illumination (A) - Target에 electromagnetic energy를 제공하는 energy sourc를 의미한다. 여기서 electromagnetic과 radiation은 다른 것이라고 하는데 열심히 찾아봤는데 솔직히 무슨 소리인지 잘 모르겠다. Chat GPT한테 물어보니 Radiation은 전자기파의 방출이나 전달을 의미하며 Electromagnetic은 그냥 전자기와 관련된 개념을 의미한다고 한다. 찾아보니까 Radiation의 종류엔 Electromagnetic radiation, particle radiation, acoustic radiation, gravitational radiation 등이 있고 Electromagnetic Radiation엔 Radio waves, microwaves, ingrared light, UV light, X-rays, gamma rays가 있다고 한다. 아직 뭔가 와닿진 않는다.
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Radiation and the Atmosphere (B) - Soruce에서 Target까지 에너지가 이동하는 것을 말한다. 사이트에선 이 에너지가 통과하는 대기와 접촉하고 상호작용을 한다고 한다.
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Interaction with the Target (C) - 에너지가 대기를 통과해 Target에 도달하면 Target과 radiation의 특성에 따라 Target과 상호작용한다고 한다.
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Recording of Energy by the Sensor (D) - Energy가 Target으로부터 내뿜어지거나 산란?되면 sensor를 통해 electromagnetic radiation을 기록하고 수집한다.
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Transmission, Reception, and Processing (E) - Sensor가 수집된 데이터를 전기신호 형태로 station에 보낸다. station은 이 데이터를 이미지로 변환한다.
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Interpretation and Analysis (F) - 해석된 이미지는 빛의 의해 비춰진 target의 대한 정보를 얻는데 사용된다.
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Application (G) - 마지막 단계는 우리가 얻은 정보를 target의 대해 더 잘 이해하기 위해 혹은 새로운 정보나 특정 문제를 푸는데 도움을 주기 위해 적용할 수 있을 때 끝난다.
Electromagnetic Radiation
위에서 설명한 target을 비추기 위한 energy는 보통의 경우 electromagnetic radiation이다. 모든 electromagnetic radiation은 wave theory(파동학?)에 의해 예측가능한 방식으로 행동하고 몇가지 기초적 특성을 가지고 있다.
Electromagnetic radiation은 radiation이 이동하는 방향의 수직인 방향으로 크기가 변하는 전기장(E)와 전기장의 오른쪽 방향으로 수직인 자기장을 가지고 있다. 두 field(장?)모두 빛의 속도로 이동한다.
wavelength(파장)와 frequency(진동수)는 Remote Sensing을 이해하는데 중요하다.
파장은 한 wave(파동?)주기의 길이이다.
파장의 길이는 연속적인 파장의 꼭대기의 거리이다. Wavelength는 λ로 표현한다. 파장의 단위시간은 정하기 나름이다. 진동수는 단위 시간 당 고정된 지점을 wave가 통과한 횟수이다. 보통의 경우 hertz(Hz)로 나타낸다.
파장과 진동수는 c=λv라는 공식을 항상 만족한다. 여기서 c는 빛의 속도이다. 따라서 파장과 진동수는 서로 반비례 관계임을 알 수 있다.
The Electromagnetic Spectrum
Electromagnetic Radiation은 파장의 길이의 따라 여러가지 종류로 나뉘게 된다.
보통의 경우 ultraviolet(UV, 자외선)영역이 Remote Sensing 분야에서 실질적으로 쓰이는 가장 짧은 파장이다. 이 전자기파는 가시광선 바로 밑(짧은)의 영역을 의미한다. 일부 지구표면물질들은 (주로 돌이나 광물) UV radiation으로 비췄을 때 눈에 보이는 형광색이나 빛을 방출한다.
visible spectrum은 말그대로 사람이 볼 수 있는 파장의 영역을 의미한다. 이 영역이 매우 작은 것을 인지하는 것이 중요하다. 이 사실은 우리가 볼 순 없지만 센서에 의해 감지될 수 있는 전자기파가 많다는 것을 의미한다. 가시광선 영역대의 파장의 길이는 대략 0.4 ~ 0.7 µm이다. 1µm은 1x10^-6m이다. 가장 긴 파장이 빨강색이고 짧은 것은 보라색이다. 이 영역만이 우리가 색깔이라는 개념을 적용할 수 있는 영역이다. 우리가 보는 햇빛은 사실 여러 길이를 가진 전자기파들의 조합이라고 한다.
Intrared(IR, 적외선)영역은 0.7µm ~ 100µm 영역대를 의미한다. 가시광선 영역보다 100배 넘게 넓다. IR 영역은 radiation properties의 따라 reflected IR과 thermal IR로 나뉜다. reflected IR 영역은 가시광선 영역과 매우 비슷한 방식으로 사용된다고 한다. 이에 반해 thermal IR 영역은 열(아마 열복사)의 형태로 지구 표면에서 방출되는 에너지라는 점에서 두 영역과는 좀 다르다. reflected IR은 0.7 ~ 3µm까지이고 thermal IR은 3µm ~ 100µm을 의미한다. 두 영역을 각각 반사 적외선과 열 적외선이라고 부른다.
1mm ~ 1m까진 microwave 영역이고 최근(문서가 최근이 아님...)에 remote sensing 분야에서 관심을 받고 있는 영역대라고 한다. remote sensing분야에서 사용되는 영역 중 가장 파장이 긴 영역이다. 이 영역 안에서 짧은 영역대는 thermal IR과 비슷한 특성을 가지고 있고 긴 영역대는 라디오 방송에서 쓰이는 영역대라고 한다. 이 영역대는 특수한 성질을 가지고 있다고 하는데 3챕터에서 이 얘기를 한다고 한다.
Interactions with the Atmosphere
radiation이 지구표면에 도달하기 전에 대기를 통과하는데 대기에 있는 입자와 가스들이 들어오는 빛과 전자기파에 영향을 줄 수 있고 이는 scattering(산란)과 absorption(흡수)를 일으킨다.
Scattering은 대기 중에 존재하는 입자나 큰 가스 분자가 상호작용하여 electormagnetic radiation의 방향을 바꿔버릴 때 일어난다. 얼마나 크게 sacttering이 일어날지는 radiation의 길이, 입자와 가스의 풍부함(밀도?), radiation이 대기를 통과하는 거리 등을 포함한 몇가지 요인에 따라 달라진다. 발생하는 Sacttering의 종류는 3가지이다.
- Rayleigh scattering
- Mie scattering
- Nonselective scattering
Rayleigh scattering(레일리 산란)은 radiation의 파장의 비해 입자가 매우 작을 때 일어난다. 이런 것들은 작은 먼지 조각이나 질소와 산소 분자와 같은 입자일 수 있다. Rayleigh scattering은 짧은 파장의 에너지가 긴 파장보다 훨씬 더 많이 산란되게 한다. Rayleight scattering은 대기의 상층권에서 지배적으로 발생하는 산란 매커니즘이다. 낮에 하늘이 파랗게 보이는 것은 이 현상 때문이라고 한다. 햇빛이 대기를 통과함으로써 가시광선 영역에서 짧은 파장을 가진 파랑색과 같은 파장들이 다른 긴 파장을 가진 전자기파보다 산란이 잘 되기 때문이다. (산란이 되면 그 색깔이 보이는건가..? 프리즘을 떠올려야 할 듯)
이 현상에 대해 좀 더 알아봤는데 생각보다 복잡하였다. 정오시간 땐 위의 이유로 하늘이 파란색으로 보이지만 일몰과 일출 땐 하늘이 붉은 주황색인 것을 볼 수 있는데 일몰 땐 햇빛이 대기를 통과하는 길이가 길어지므로 우리 눈에 빛이 보이기 전에 이미 파란색 파장은 전부 제거가 된 상태로 들어오기 때문에 붉게 보인다고 한다. 처음엔 파란색이 더 많이 산란 되니까 오히려 더 파랗게 보여야하는 것이 아닌가 하는 의문이 들었는데 산란이 되는 순간의 파란 파장이 보여야하는데 그 순간들이 이미 다 지나간 것이라고 이해하면 될 것 같다. NASA 사이트에서 이에 대한 설명을 자세히 해놓았고 그 링크를 첨부하겠다.
https://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/
산란이라는 개념에 대해 좀 더 알아보았는데 전자기파는 파동의 형태로 퍼져나가고 공기 중의 입자와 물리적으로 부딪혀서 산란이 일어나는 것이 아니라 빛의 에너지와 입자 간의 어떤 상호작용에 의해 전기장과 자기장이 변화하여 이로 인해 빛의 에너지가 재분배 되는 것이라고 한다.
레일리 산란은 파장의 0.1배 이하 정도의 크기의 입자가 있을 때 일어난다.
Mie scattering은 입자의 크기와 파장의 길이가 비슷할 때 일어난다. 먼지, 꽃가루, 연기, 수증기 등이 주로 이것을 일으킨다. Mie scattering은 Rayleigh scattering에 의해 산란되는 파장들보다 비교적 더 긴 파장들에 영향을 준다. Mie scattering은 큰 입자가 풍부한 대기하층부에서 일어나고 혹은 구름이 흐릴 때 잘 일어난다. 또한 산란된 파장은 기존보다 더 길어진다. (0.1 ~ 10배 정도 크기의 입자)
Nonselective scattering은 입자가 파장의 길이보다 훨씬 클 때 일어난다. 물방울이나 큰 먼지 입자들이 이 경우에 해당된다. 이 현상의 이름은 모든 파장들이 균일하게 산란된다는 사실에서 유래했다. 이 현상은 안개나 구름이 우리 눈에 흰색으로 보이게하는데 그 이유는 RGB와 같은 색상들이 모두 균일하게 산란되고 이 파장들이 합쳐지면 흰색 파장이 되기 때문이다.
(10배 이상)
Absorption은 electromagnetic radiation이 대기와 상호작용은 또 다른 main 매커니즘이다.
이 현상은 대기중의 분자들이 다양한 파장의 에너지를 흡수한다. 오존, 이산화탄소(carbon dioxide), 수증기(water vapour)은 대기중에서 absorption을 일으키는 주요 대기 성분이다.
Ozone은 태양에게서 오는 대부분의 생물들에게 해로운 ultraviolet radiation을 흡수한다. 이 방어층이 없으면 우리의 피부가 피부에 노출될 때 피부가 타버릴 것이다.
우리는 carbon dioxide가 greenhouse gas(온실가스)라는 것을 익히 들어왔다. 그 이유는 carbon dioxide가 열복사와 관련된 thermal infrared 영역의 파장을 대기중에 가두기 때문이다. 이것은 대기중에 열을 가둬서 대기 온도를 올리는 역할을 한다. 대기중의 수증기는 infrared영역에서 길이가 긴 파장과 microwave 영역의 짧은 파장쪽을 주로 흡수한다. (22µm and 1m)
대기권 하층부의 수증기의 존재는 장소나 일년 중 시기에 따라 매우 다양하다. 예를 들어 사막위의 대기는 에너지를 흡수하기 위한 수증기가 매우 적고 열대야에는 매우 집중되어 있다. -> 습도
이 수증기들은 전자기파 스펙트럼의 매우 특정한 영역만을 흡수하기 때문에 remote sensing의 목적으로 관찰할 지역에 영향을 준다. (뭔소리?)
Absortion 현상에 크게 영향을 받지 않는 스펙트럼 영역은 Remote sensing에서 유용한 영역이 되고 이 영역을 atmoshperic windows라고 한다. 가장 주된 태양과 지구라는 에너지/전자기파 근원지의 특성과 우리가 사용할 수 있는 atmospheric windows를 비교함으로써, 우리는 원격탐지에 가장 효과적으로 사용할 수 있는 파장들을 정의할 수 있다.
우리의 눈에 가장 민감한 visible spectrum 영역은 atmospheric window임과 동시에 the peak level of the sun이다. 후자가 이해가 안됐는데 GPT한테 물어보니 태양의 에너지 최고점이라는 말이고 태양이 방출하는 빛에서 가장 에너지가 집중되어 있는 파장을 의미한다고 한다. 쉽게 말하면 태양이 가시광선 영역에 해당하는 길이의 파장을 가진 전자기파를 많이 생성한다는 것이다. 이러한 이유 때문에 우리의 눈이 이 영역을 잘 구분할 수 있도록 진화한 것이라고 한다. 또한 thermal IR 영역의 10µm 부근도 window에 해당된다. 이 영역은 지구가 방출하는 열복사 에너지에 포함되는 영역이다. 이에 반해 1mm 이상의 micro wave 영역은 상대적으로 매우 큰 영역이 window에 해당된다.
TMI -> 파란 빛은 빨간 빛보다 4배 산란이 잘되고 자외선은 16배 더 잘된다고 한다.
