Sentinel-1 SAR 데이터를 이용한 우리나라 농지의 토양수분 산출 실험

이수진; 홍성욱; 조재일; 이양원

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자료유형: 학술저널

저자정보: 이수진 (부경대학교) 홍성욱 (세종대학교) 조재일 (전남대학교) 이양원 (부경대학교)

저널정보: 대한원격탐사학회 대한원격탐사학회지 대한원격탐사학회지 제33권 제6호

발행연도: 2017.12

수록면: 947 - 960 (14page)

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토양수분은 지구복사에너지평형과 물순환에 영향을 미치는 중요한 인자이므로, 수문학 연구에 있어서 토양수분의 함량을 파악하는 것은 매우 중요하다. 현재 수동형 마이크로파 위성의 토양수분 자료는10~36 km의 저해상도로서 국지규모의 수문분석에 사용하기에는 어려움이 있다. 또한 현장관측 토양수분자료는 지점 자료이므로 공간연속성을 보장하지 못하는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 Sentinel-1의SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상을 이용하여 우리나라 농지에서 10 m 해상도의 토양수분 산출 가능성을 살펴보았다. 2015-2017년 4월부터 10월까지 5개의 토양수분 지상관측지점을 대상으로, Sentinel-1 후방산란을 이용하여 선형회귀와 SVR(support vector regression) 방법으로 토양수분 산출을 수행하였다. 편파에 따라 후방산란계수의 토양수분에 대한 민감도가 다르지만, 산출정확도는 VV 편파와 VH 편파가 유사하였다. 토양수분은 식물계절학(phenology)보다는 수문기상과 지면특성에 보다 더 영향을 받기 때문에토양수분 산출에 있어 특별한 계절성은 발견되지 않았다. 대체로 입사각이 작을수록 후방산란과 토양수분간의 관계 패턴이 더 뚜렷하게 나타났으며, 또한 지면에 수분이 충분히 고르게 분포하는 경우 표면 간섭이 줄어들어(시간적으로는 강수시, 공간적으로는 논에서) 산출정확도가 상대적으로 높게 나타났다. 전체적으로RMSE(root mean square error) 6.5% 정도의 오차를 보였으나, 향후 지면 거칠기, 지형, 토성 등 다양한지면 변수의 영향을 반영한다면 보다 더 정확도 높은 토양수분을 산출할 수 있을 것으로 사료된다.

Soil moisture plays an important role to affect the Earth’s radiative energy balance and water cycle. In general, satellite observations are useful for estimating the soil moisture content. Passive microwave satellites have an advantage of direct sensitivity on surface soil moisture. However, their coarse spatial resolutions (10-36 km) are not suitable for regional-scale hydrological applications. Meanwhile, in-situ ground observations of point-based soil moisture content have the disadvantage of spatially discontinuous information. This paper presents an experimental soil moisture retrieval using Sentinel-1 SAR (Synthetic Aperture Radar) with 10m spatial resolution for cropland in South Korea. We developed a soil moisture retrieval algorithm based on the technique of linear regression and SVR (support vector regression) using the ground observations at five in-situ sites and Sentinel-1 SAR data from April to October in 2015-2017 period. Our results showed the polarization dependency on the different soil sensitivities at backscattered signals, but no polarization dependence on the accuracies. No particular seasonal characteristics of the soil moisture retrieval imply that soil moisture is generally more affected by hydro-meteorology and land surface characteristics than by phenological factors. At the narrower range of incidence angles, the relationship between the backscattered signal and soil moisture content was more distinct because the decreasing surface interference increased the retrieval accuracies under the condition of evenly distributed soil moisture (during the raining period or on the paddy field). We had an overall error estimate of RMSE (root mean square error) of approximately 6.5%. Our soil moisture retrieval algorithm will be improved if the effects of surface roughness, geomorphology, and soil properties would be considered in the future works.

#Soil Moisture #SAR #Sentinel-1 #Backscatter

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