An Optimized Band Selection of Airborne Hyperspectral Imagery for Vegetation Indices

Abstract

식생 원격탐사에서 대표적으로 사용되는 식생지수는 다양하며 목적에 따라 용도가 다르다. 식생지수들이 가지는 공통적인 장점으로 간단하고 명료한 계산을 통해서 식생정보를 취득할 수 있다. 하지만 대부분 식생지수는 국외의 서로 다른 환경에서 개발되어 국내 산림과 수종의 반사특성과 유사한지에 대한 검토가 불충분하다. 활용성 측면에서, 기존의 식생지수 사례의 대부분은 다중분광영상 기반으로 제한적인 공간 해상도로 인해 산림과 같은 넓은 공간단위의 대상지역에 대해서만 적용이 가능하였다. 기존의 식생지수들 중에서 어떠한 식생지수를 선택적으로 사용해야 할지에 대해서 확인할 필요가 있으며 소규모의 공간단위를 가지는 지표대상물의 탐지가 가능한 고해상도 자료가 끊임없이 요구되어왔다. 항공 초분광영상은 기존의 항공측량의 장점인 높은 공간해상도를 가지며, 초분광센서의 장점인 방사/분광 해상도 또한 우수하다. 2000년대 초반부터 국외에서 주목받고 있으며 기존의 다중분광영상의 제약점을 상당부분 해소할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 실제로 기존의 다중분광영상 기반 식생지수들은 대상 수종에 따라, 시기에 따라, 그리고 사용된 자료에 따라 초분광영상 기반의 식생지수들로 변환되어 매우 다양하게 존재한다. 일반적으로 다중분광영상을 활용하여 산출되는 식생지수들은 대표적으로 red와 NIR영역을 사용하며 일부 blue, green밴드를 사용하기도 한다. 수많은 밴드를 가지는 초분광영상의 분광특성으로 인해, 초분광영상 기반의 식생지수들은 670㎚와 800㎚과 같은 특정밴드를 사용한다. 하지만 항공 초분광영상은 운용설정에 따라 센서가 가지는 밴드수를 조절할 수 있어 이에 따른 분광밴드의 파장대역이 달라질 수 있다. 이 때문에 식생지수 산출식에 제안된 특정파장대역과 동일한 밴드로 취득될 가능성은 매우 희박하다. 따라서 초분광 영상을 이용한 식생지수 산출 시 기존의 파장영역과 인접한 밴드를 선택하는 것이 일반적이다. 하지만 항공 초분광영상에서는 운용설정에 따라 밴드수와 분광해상도가 달라지기 때문에 기존의 식생지수에 제안된 밴드와 정확히 일치하지 않는 문제점이 발생한다. 따라서 인접한 밴드를 선택하였을 때 발생되는 차이점을 확인할 필요가 있다. 본 연구는 식생지수의 산출에 대해 최근 국내에 도입되기 시작한 항공 초분광 영상이 가지는 효용성을 평가하고, 식생지수 산출에 있어서 적절한 밴드선택을 경험적 탐색과정을 통해 적응적 밴드 선택 기법을 제안하였다. 더하여 밴드선택에 따른 변동특성을 고려한 항공 초분광영상을 활용으로 도시녹지 탐지분야로의 응용방안을 검토하였다. 연구방법으로 우선 분광혼합분석을 통해 픽셀로 취득되는 정보에 대해 순수한 지표대상물을 설명하는 endmember를 산출하고, 9개의 식생지수들과의 상관관계를 분석하였다. 다음으로 인접밴드의 선택에 따른 식생지수의 변동성을 확인하기 위해서 인접밴드를 포함한 4개의 후보밴드를 설정하고 이들을 사용하여 대표적 두 개의 비율기반의 식생지수를 산출하였다. 산출된 식생지수들에 대해서 차연산 기법을 적용하여 식생지수에 의한 변동성을 확인하였다. 이후 분광미분 기법을 적용함으로써 적절한 밴드선택의 기준을 마련하였다. 연구결과 순수한 식생픽셀을 설명하는 endmember와의 상관성이 높은 식생지수로는 MCARI, MTVI1, TVI가 약 0.75 이상의 높은 피어슨 상관계수를 가졌다. 인접밴드의 선택에 따른 비율기반 식생지수의 변동성은 red와 NIR영역인 각각 680.2㎚ 810.7㎚에서 변동이 적음을 확인하였다. 분광미분을 통하여 사용된 항공 초분광영상에 적합한 적응적 밴드선택을 마련할 수 있었다. 밴드선택의 기준은 비율기반 식생지수 대상밴드인 red와 NIR 영역의 인접한 밴드들 중에서 안정적 반사특성을 가지는 밴드의 선택이다. 나아가 항공 초분광영상을 기반으로 산출된 식생지수의 활용으로 도시를 구성하는 핵심인프라 중의 하나인 도시녹지탐지로의 적용 가능성을 검토하였다. 다중분광영상으로 탐지가 어려웠던 소규모 녹지공간을 탐지함으로서 녹피율 추정의 정확성을 높이고 도시녹지의 정량적 총량 관리를 지원할 수 있다. 연구의 한계점으로 항공초분광영상 자료가 부족하여 계절적으로 10월 중순의 식생의 활력이 분석의 기준이 되었다. 또 수종에 따라서 밴드선택의 기준에 변동이 발생할 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 식생지수의 적절한 밴드선택을 위해 토지피복과 식생의 수종, 계절적 변동에 민감성에 대해서 검토할 필요가 있다.