Radiation - Target Interactions
Radiation이 대기에서 산란되거나 흡수되지 않았을 경우엔 지구의 표면에 닿을 수 있다. 지구표면에 부딪힐 때 발생할 수 있는 상호작용엔 3가지가 있다.
- absorption
- transmission
- reflection
총 입사 에너지는 이 3가지 유형 중 하나 이상과 상호작용한다.
각 상호작용과의 비율은 radiation의 파장길이와 부딪히는 물질과 상태에 따라 달라진다.
absortion은 radiation(energy)가 target에 흡수되는 것을 말하고 transmission은 통과하는 것을 말한다. Reflection은 target에 부딪혔을 때 뱡향이 바뀌면서 튕겨져나가는 것을 말한다. Remote Sensing에선 target에서 reflect되는 radiation을 측정하는 것에 가장 중점을 둔다.
reflection엔 specular reflection과 diffuse reflection 이렇게 두가지 종류가 있는데 각 종류는 에너지가 반사되는 방식에 따라 분류되는 것이고 서로 완전 반대의 방식이다.
표면이 매끄러울 땐 모든(혹은 거의) 에너지가 표면으로부터 한 방향으로 멀어지는 거울처럼 반사되는 specular reflection이 일어난다.
Diffuse reflection은 표면이 거칠 때 일어나고 에너지의 반사가 모든 방향으로 균일하게 일어난다. 대부분의 지구 표면은 완전한 반사(specular) 혹은 완전한 확산(diffuse) 그 사이에 있다. 특정 target이 반사 혹은 확산 혹은 그 사이 어딘가로 반사할지는 들어오는 radiation의 파장과 표면의 거친 정도의 상대적인 차이에 따라 달라진다. 만약 파장의 길이가 표면의 변화(굴곡?)이나 표면을 이루는 입자의 크기보다 훨씬 작으면 diffuse reflection이 지배적으로 일어난다. 예를 들어 고운 모래의 경우 긴 파장인 microwave에겐 매끄러운 편이지만 가시광선에겐 꽤 거친 표면일 수 있다.
chlorophyll(엽록소)라고 불리는 식물 잎에 있는 화학적 혼합물(화합물)은 빨강과 파랑 파장은 강하게 흡수하고 초록 파장은 강하게 반사한다. chlorophyll 함량이 가장 높은 여름에 잎은 우리 눈에 가장 초록색으로 보인다. 가을엔 엽록소가 잎에 덜 함량되어 있기 때문에 흡수가 덜 일어나고 이에 비례해서 빨강 파장을 더 많이 반사한다. 이것은 잎이 빨강 혹은 노란색으로 보이게 한다.(노랑은 빨강과 초록으로 만들어지는 색깔이다.)
건강한 잎의 내부적인 구조는 완벽하게 infrared 근처 파장의 diffuse reflector 역할을 한다. 만약 우리 눈이 near-infrared 영역에 민감했다면 나무는 이러한 파장에서 매우 밝게 빛나보였을 것이다. 사실 IR 영역 근처의 반사를 측정하고 모니터링하는 것은 과학자들이 얼마나 건강한 식물이 건강한지를 결정하는데 사용하는 방법이기도하다.
Water: 길이가 긴 visible과 near infrared radiation은 짧은 visible radiatio보다 더 물에 잘 흡수된다. 따라서 짧은 파장을 강하게 반사하기 때문에 물은 일반적으로 파랑이나 푸른녹색으로 보이게 된다. 그리고 빨강 혹은 near infrared(근적외선) 영역에서 물을 보면 어둡게 보이게 된다. 만약 수역의 상층부에 부유 퇴적물이 있으면 더 높은 반사율과 더 밝은 물의 모습으로 보이게 된다. 이 때 물의 겉보기 색깔은 좀 더 긴 파장 쪽으로 이동한 것처럼 보이게 된다. 부유 퇴적물은 얕은 물과 쉽게 혼동될 수 있는데 이것은 두 현상이 매우 유사하게 보이기 때문이다. 해조류에 들어있는 Chlorophyll(엽록소)는 파란 파장을 더 흡수하고 초록파장을 반사한게되고 물 안에 해조류가 있을 때 물이 좀 더 초록색으로 보이게 한다. 수면의 지형(거친, 매끄러운, 부유물질 등)은 잠재적인 specular reflection과 색깔과 밝기에 대한 다른 영향으로 인해 물에 관련한 해석을 어렵게 만들 수 있다.
위의 사진을 통해서 우리는 관찰된 target의 복잡한 구성과 이것과 상호작용하는 radiation의 파장의 길이에 따라 매우 다른 absorption, transmission, reflection 반응을 볼 수 있다는 것을 알 수 있다. 이런 다양한 파장에서 지구 표면 위에 있는 target에 의한 반사된 에너지를 측정함으로써 우리는 그 object의 대한 spectral response(스펙트럼 반응?)를 만들 수 있다. 서로 다른 파장대의 대한 다른 특징의 반응 패턴을 비교해보면서 우리가 한 파장에서만 관찰했다면 구분이 불가능 했던 것들도 구분할 수 있게 된다. 예를 들어 물과 식물은 가시광선 영역에선 어느정도 비슷한 reflect 반응을 보이지만 infrared 영역에선 거의 항상 구분이 가능하다. Specral respoonse는 같은 target에 대해서도 꽤 다양해질 수 있으며 또한 시간과 위치에 따라서도 달라질 수 있다. 스펙트럼상 어디를 봐야하는지 아는 것과 관심있는 target의 특징의 spectral response에 영향을 줄 수 있는 요소들의 대한 이해는 표면과 electromagnetic radiation의 상호작용을 올바르게 해석하는데 대단히 중요하다.
밤에 초승달이나 반달을 볼 때 우리는 아마 달의 테두리나 검은 부분을 아주 조금 볼 수 있을 것이다. 우리가 이것들을 볼 수 있는 이유는 태양에서 지구로 온 빛이 지구를 때리고 달로 올라간 다음 다시 지구에 있는 우리 눈으로 들어왔기 때문이다.
Passive vs Active Sensing
자연적으로 사용가능한 에너지를 측정하는 Remote sensing system을 passive sensors라고 한다. Passive sensors는 자연적으로 발생한 에너지를 측정하는 것만 가능하다. 모든 반사되는 에너지에 대해서 이 센서는 태양이 지구를 비추고 있는 시간에만 사용될 수 있다. 밤에는 태야응로부터 사용가능한 에너지가 없다. 하지만 thermal infrared와 같이 자연적으로 방출되는 에너지 같은 경우엔 기록될 수 있을만큼 충분히 에너지가 있다면 밤이나 낮에도 측정될 수 있다.
Active sensors는 자신이 에너지를 직접 생성한다. 조사하려는 target에 직접적으로 radiation을 방출한다. target으로부터 반사된 radiation은 센서에 의해 감지되고 측정된다. active sensor의 장점은 낮,밤이나 계절에 구애받지 않고 어느 시간대이던 측청값을 얻을 수 있다는 것이다. Active sensor는 태양에선 충분히 제공되지 않는 파장(microwavw나 비춰지는 target을 더 잘 컨트롤하는 영역대)을 조사하는데 사용될 수도 있다. 그러나 active system은 target을 적절하게 비추기 위해 상당히 많은 양의 에너지를 생성해야한다. Active sensor의 예시로는 laser fluorosensor와 synthetic aperture radar(SAR)이 있다.
Camera나 차량 속도 측정을 위한 radar도 active sensor의 예시이다.
Characteristics of Images
솔직히 이 섹션은 뭐가 뭔지 잘 모르겠다. 대략적으로 요약하자면 photographs는 빛이 필름에 물리적으로 기록된 것을 말하고 Images는 이러한 제약없이 어떠한 형태로든 사진으로 보이면 된다는 것 같다. 또한 photograph는 우리가 일반적으로 아는 것처럼 픽셀단위로 쪼개져 각 채널의 해당하는 밝기를 나타내는 값으로 표현될 수 있다는 것을 말해주고 있다. (Digital Image)
임정호 교수님 1장과 2장의 내용을 원래 건너뛰었었는데 내가 모르는 것들이 많은 것 같아서 여기에 추가적으로 적으려한다.
Stefan-Boltzman Law
흑체(모든 전자기파를 흡수하고 전자기파를 어떤 절대온도 Ts에서 최대로 뿜어내는 물체)가 방사하는 총 전자기파의 양?(에너지?)는 흑체의 절대온도의 4제곱의 비례한다는 법칙이다.
시그마는 슈테판 볼츠만 상수라고한다.
Wien's Displacement Law
어떤 절대온도 T를 갖는 물체에 대하여 다음과 같은 식을 통해 그 물체가 지배적으로 내뿜는 전자기파의 파장을 알아낼 수 있다. -> 온도가 높을수록 주파장이 짧다.
입사와 방사의 관한수식들
지표면에 입사되는 총 radiant flux는 3개의 flux의 양으로 표현될 수 있다. 지표면에서 반사되는 복사속(radiant flux), 지표면에 흡수되는 flux, 지표면을 통과(transmit)하는 flux이다.
Hemispherical reflectance(반구반사도)는 지표면에 입사된 총 flux로 반사된 flux를 나눈 것이다.
Hemispherical transmittrance(반구투과도)와 Hemispherical absorptance(반구흡수도)도 같은 맥락이다.
여기서 생긴 의문점이 지금 분모에 있는 total flux가 지표면에 닿았을 때의 에너지를 의미하고 있는 것인데 센서는 우주에 있고 초기 에너지가 대기를 통과하면서 바뀔텐데 어떻게 저 값을 알고 나누느냐였다. 대학원생분께 물어봤는데 대기가 없다는 가정이 들어간 것이고(센서가 쏜 에너지 그대로) 지표면에서 reflect된 에너지도 그냥 Sensor가 받은 에너지라고 생각하면 된다고 한다. 결국 그냥 센서가 받은 에너지 / 센서가 쏜 에너지이다.
Irradiance(복사조도)는 단위 면적 당 지표면에 입사되는 복사속의 양이고 Exitanace(방출도)는 단위 면적 당 빠져나가는 복사속의 양이다. 둘 다 단위는 W/m^2이다.
방출되는 flux를 단위 면적 당 단위각도로 측정하는 Radiance(복사휘도)라는 개념이 있는데 잘 이해 못했다..
무작위로 움직이는 물질의 입자의 에너지를 kinetic heat이라고 부른다. 절대 0도보다 높은 온도를 가지고 있는 물체는 이 random motion을 보인다.
이 kinetic heat의 양은 calories라는 단위로 표현된다. (물 1g의 온도를 1도 올리기 위해 필요한 열의 양=1cal)
태양빛에 의해 반사되는 infrared 영역은 0.7~3.0µm이고 지구에서 방출되는 infrared 영역은 3~14µm이다.
Emissivity는 물체가 열을 흡수하는 정도를 나타낸다. (이름이랑 의미가 반대인 것 같은데)
M_b는 흑체의 Emissivity를 나타내고 1이다. 높을수록 많이 흡수한다는 뜻. 모든 물체는 0~1 사이의 emissivity를 가진다.
증류수는 8~14µm 영역대에서 0.99 emissivity를 가진다. 알루미늄은 0.08, 스테인레스는 0.16
kinetic 온도가 같은 두 돌덩이가 있을 때 두 돌의 겉보기 온도(apparent temperature)는 다를 수 있는데 이것은 두 rock의 emissivity가 다르기 때문이다. emissivity에 영향을 줄 수 있는 요소는 다음과 같다.
색깔, 표면의 거친정도, 수분함량, 밀도, 파장, FOV(이건 왜 있지), 보는 각도
위 사진은 어떤 물체의 대한 radiant flux(그냥 들어오는 에너지라고 생각하자..)가 무엇으로 구성되어있는지를 보여준 식이다. 위의 지표면 설명한 곳과 똑같다. 대부분의 물질은 thermal radiation에 대해 불투명해서 물체의 다른 쪽으로 thermal radiation이 투과하여 나오지 못한다고 한다. 따라서 맨 오른쪽 항을 제거할 수 있다.
gsw = swath =
theta는 FOV이다.
inverse-square law: 지표면으로부터의 거리가 2배 짧아지면 받는 에너지가 4배 많아진다.
