인공위성이 산불을 감시한다면?

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바람이 씨를 뿌렸다. 버드나무과의 무, 갈대, 목초지, 정원과 꽃, 그런 삶의 방식이 다시 살아났다. 그러나 그 변이는 서서히 생겨났으므로, 사람들은 놀라지 않고, 간단하게 적응할 수 있었다」_<와인 무를 심은 사람>으로, 40년간 와인 무를 심고, 폐허의 지상을 거대한 숲으로 되돌린, 어느 늙은 목자의 이야기입니다. 매년 나무심기 때면 꼭 떠오르는 책이기도 합니다. 단지 씨앗을 심는 일이 얼마인가 하는 위대한 일인가를 깊은 울림으로 깨닫게 합니다. 반대로 우리 와인라에서는 지난 해 식목일을 잊을 수가 없습니다. 4월 4일부터 5일까지 21시간 동안 강원도 일대를 강타한 화재는 떠올려도 끔찍할 것이다. 식수와 숲 보호는 우선순위가 없습니다. 두 번 다시 그런 일이 없도록 인공위성이 산불 감시를 할 수 있다면 얼마나 과일이 좋을까요.​

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작년에 강원도 산불 후에 잠시 해프닝이 있었어요. 지난 4월 10일 발표로 산불 피해 면적은 당초 발표보다 3배 이상 상시 높은 1,757ha로 집계됐습니다. 우리 아리랑 위성 3A호가 찍은 영상으로 다시 정밀 분석한 뒤 더 정확해진 결과였습니다. 산불 직후에 추계된 면적은 도면상의 추정치로, 현장 정밀 연구 결과를 더해 더욱이 보름 후에 발표한 최종 피해 면적은 2,832 ha였습니다. 위성사진을 판독하는 과정에서 구름에 가려진 부분이 추가되어 산불로부터 열흘 정도 지과 인서가 갈변하는 소과인무가 포함되어 면적이 상시적으로 늘어났습니다.이 피해면적의 집계는 복구계획을 책정하는 데 있어 매우 중요한 지표이기 때문에 중요할 것이다. 이처럼 산불이 난 뒤 중요한 역할을 하는 것이 이미 언급한 아리랑 3A호, 즉 인근에서 근접 촬영할 수 있는 저궤도 위성이다. 3A호의 공간 해상도는 0.4에서 0.5미터로 큰 트럭과 자가용을 구별할 수 있을 정도의 정확도를 가지고 있습니다. 숲의 검게 그을린 흔적을 적과 토라에게 확인하는 것이 실은 사람이 볼 수 있는 가시광선 영역에서의 영상만으로는 산불 사전 후의 차이를 별로 느낄 수 없습니다. 이때 중요한 것은 근적외선 영상까지 입혀서 가공한 자료입니다.​

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근적외선은 눈에 보이지 않는 파장대 중에서 가시광선 영역에 가장 가깝습니다. 근적외선의 식생활력이 높을수록 높게 반사되는 특성 때문에 산림 중 피해 면적만 어두워집니다. 산림청에서는 이 정보를 지리정보시스템(GIS)에 접목시켜 다양한 현장 정밀조사 결과를 통합하여 고도화시키는 과정을 거칩니다. 모든 저궤도 위성이 아리랑 3A호만큼 정확도를 발휘하는 것은 아닙니다. “또한 세월을 거슬러 2000년 강원도 산불 당시 미국 위성 랜싯이 촬영한 영상은 해상도가 30~100m 정도에 불과했습니다” 해상도가 아침에는 영상으로 분석하는 데 한계가 있다는 게 연구진의 판단이었습니다.

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인공위성이 한반도를 보는 방법은 ‘눈’이기도 하지만 눈에 보이지 않는 ‘육감’도 활용한다. 여기서육감은다른감각을의미합니다. 산림의 수분, 광합성의 정도, 열과 온도, 이산화탄소 등입니다. 인공위성의 여러 채널을 통해 각각의 상태를 탐지할 수 있습니다. 예를 들어 이중식생의 활력도를 잘 나타내는 식생지수(NDVI)가 있습니다. 숲 지붕(캐노피)의 광합성 능력을 탐지하는데 식물의 경우 잎이 짙은 녹색을 띠죠? 식물의 잎으로는 녹색을 가장 많이 반사해서 우리 눈에 들어오기 때문이죠. 식물은 잎의 색소인 엽록소로 적색, 청색 계열의 빛을 광합성을 위해 흡수한다. 반면 잎의 세포 구조는 근적외선 파장 영역을 강하게 반사한다. 강한 흡수가 식물을 과열시켜 조직에 손상을 줄 수 있기 때문에 태양의 방사에 택지를 방출할 수 있도록 진화해 온 것입니다. 이 덕분에 우리는 태양 복사에 택지의 양으로 식생의 활력도를 알 수 있습니다.

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식생지수의 값이 -1에 가까운 경우는 물에 해당하고, 0에 가까운 값(-0.1~0.1)은 바위본의 모래를 함께 건조한 토지, 1에 가까운 곳은 온대 및 열대우림, 낮은 양수의 값(약 0.2~0.4)은 관목과 초원을 본인 소유합니다.측정치를 계산하는 비결은 좀 복잡해 보여요. 요기서 Red와 NIR는 각각 적색 가시광선 및 근적외선 영역에서의 반사도를 의미한다. 만일 어느 숲이 전년도의 노화로 얼마 전에는 「관목」정도의 식생활력도를 기록하고 있었는데, 어느 순간 불모의 땅 근처까지 수치가 내려갔다고 하면, 어떠한 이유로 광합성을 작게 한 것입니다. 다른 특별한 원인이 없다면 산불을 의심해 볼 수도 있습니다. 본인의 무 잎에 있는 수분량이 많거나 적을 수도 있습니다. 주로 단파복사 SWIR) 파장을 사용하여 측정하는데, 이 흡수량이 증가하면 수분량이 많다 라는 뜻입니다. 이 지표와 근적외선 반사율을 가지고 이미 NDVI와 같이 측정치를 계산하면 숲의 건조도를 추측할 수 있습니다. 지면의 건조 상태에 따라 산불 발발의 위험도를 탐지하는 것입니다.​

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사후 피해 면적 연구만큼 중요한 것이 감시 기능입니다. 거의 매일 한반도를 주시하다 산불이 감지되면 알려주거든요. 다만, 항공기 조종사가 산불을 가장 빨리 알아챈다고 알려져 있는데요. 이것을 인공위성이 한다면 나무랄 데가 없다. 해상도가 높은 저궤도 위성이 한반도 위를 통과할 때 발화점을 발견한다면? 안타깝게도 현재까지 대부분의 위성영상은 흥미로운 주문촬영 위주로 이루어지고 있다는 점에서 한계가 있습니다. 저궤도 위성은 한 번에 촬영할 수 있는 폭도 최대 14킬로미터에서 16킬로미터로, 재방문 주기도 하루 이상 됩니다. 우리 연구진은 이것을 시간 해상도가 낮다고 표현하고 있는데요. 저궤도 위성의 시간 해상도의 한계를 극복할 수 있는 것이 정지 궤도 위성입니다.최근 정지 궤도는 천리안 2A호와 2B호가 현재 운행되고 있는 것입니다. 2B호는 얼마 전 정상궤도에 안착한 뒤 시범운영을 시작했습니다. 정지 궤도 위성에 특화된 것이 모니터링 기능입니다. 현재 2A호는 한반도 전체를 2분에 한 번씩 촬영하고 있습니다. 일단 시간 해상도는 확실히 확보한 것 같아요. 덕분에 매우 짧은 간격으로 사진을 찍어 이동 방향을 타이더랩스 영상으로 구현하고 기상 상황을 즉시 알려줍니다. 그러나 3만6000km 떨어진 곳에서의 저궤도 위성 정도의 공간 해상도는 기대하기 어렵습니다. 현재 천리안 2A호의 공간 해상도는 0.5~2㎞ 입니다. 500미터 이상의 큰 화재가 아니면 잡기가 매우 힘이 듭니다. 즉, 시간 해상도가 높은 천리안은 공간 해상도가 낮고, 저궤도 위성은 그 반대의 샘인 셈이죠.쌍둥이같은 2A호와 2B호는 뭐가 다르니? https://blog.naver.com/karipr

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현재 천리안 2A호는 23종의 기본 산출물과 부가 산출물 29종을 정부 기상 위성 센터에서 재제공하고 있습니다. 현재는 시범운영 중이지만 정식운영이 시작되면 평년 최저~최고치 사이를 기준으로 위험도를 4개 구간(관심-주의-경계-심각)으로 구분하여 구현할 수 있습니다. 특정 지상의 산불 위험도 등급이 심각한 상태를 지속할 경우 해당 지상에 산불 발생 위험 경고를 내리는 방식이 될 것으로 보인다.​

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이미 고해상도 위성은 자세한 피해 면적 조사에 특화되어 있다고 합니다. 정지궤도위성은 이보다 한 걸음 더 이미 산불 탐지도 가능합니다. 발화점이 본인의 연기를 감지하여 산불의 유무를 자결하는 결과물입니다. 주변의 픽셀보다 특히 온도가 높은 곳을 특정하여 본인, 이산화탄소 탐지에 특화된 채널을 이용하여 파악하는 것입니다. 물론 이를 실시간으로 정보를 수집하기 위해서는 비교할 수 있는 데이터가 대량으로 축적되어 있어야 하고, 국민의 생활과 밀접한 만큼 정보의 신뢰성도 매우 높아야 합니다.한국의 위성영상 연구팀은 이러한 결과물이 보다 유용하게 활용될 수 있도록 다양한 방법으로 처리기법을 개발 중에 있습니다. 인공위성이 촬영한 영상은 일반 사용자가 목적에 맞게 사용하기가 무척 어렵습니다. 가시광선 영역 밖의 채널 영상은 물론 실제와 달리 뒤틀림, 왜곡된 본인의 대기로 인한 산란 등으로 오차가 빈번하게 발생합니다. 이런걸 어지럽게 하고 싶지 않다면 비싼 위성영상도 무용지물입니다. 연구팀은 위성영상 분석기술을 고도화하고 보다 정확한 정보를 사용자 경험에 맞게 구현하도록 노력합니다.우리가 한발 더 나아가 이미 이야기를 쓴 우리나라 (저궤도위성 천리안2A2B)을 마치 하본인의 시스템처럼 활용하는 데도 박차를 가하고 있습니다. 산불 감시와 분야만 봐도 이미 시간 해상도가 높은 정지궤도 위성은 실시간 모니터링에 투입되고, 공간 해상도가 높은 저궤도 위성은 정확한 피해 면적을 산출하는 데 활용됩니다. 공간 해상도를 높이면서 시간 해상도까지 확보한 천리안 2B호는 어떻습니까. 산불탐지-위치파악-촬영 일정 전달-산불촬영-피해지역 모니터링-피해면적 측정 등의 과정을 하본인의 시스템으로 완성해주는 우리 위성군단의 활약이 더욱 기대되네요.기획제작 : 항공우주 에디터 이종원 화감수 : 위성활용부 박성용 성이다 연구원 김예지 연구원