우주에서 촬영한 열화상: 환경을 '보는' 새로운 방법
- Natasha Spencer-Jolliffe
- 6월 14일
- 5분 분량
항공 우주 기반 영상기술이 환경보전과 기후변화 완화를 돕는다
원문 링크 보기: https://www.theearthandi.org/post/thermal-imaging-from-space-new-ways-of-seeing-the-environment
우주 기반 및 기타 원격촬영 기술은 지구 생태계를 보호하는 데 있어 이 세상 어디에서도 볼 수 없는 더없이 강력한 도구이다. 원격 이미징의 최신 개발 덕분에 지구 표면 물체와의 거리는 더 이상 물체의 상태를 모니터링하는 데 방해가 되지 않는다.
항공 열화상 촬영은 숲과 도시, 바다에 이르기까지 다양한 유형의 환경을 모니터링하여 물체와 표면의 열적 특성을 기록하고 이해하는 데 사용되는 원격감지 기술의 한 유형이다. 수집된 데이터는 과학자와 정책 입안자들에게 기후변화의 퍼즐 조각을 더 많이 제공하고 생태계 건강에 대한 보다 나은 통찰력을 제공한다.
이 애플리케이션의 등장은 결코 우연이 아니다. 기후변화의 가속화, 자연 경관의 파괴, 인구 밀도가 높은 도시 환경의 증가와 같이 시급한 생태학적 문제는 열화상 기술의 발전을 촉진하는 원동력이었다.
새로운 '보기' 방식
원격감지를 통해 사용자는 사람의 눈으로는 볼 수 없는 방식으로 '보고', 숨겨져 있는 정보를 추출하고 이해할 수 있다. 체코 올로모우츠에 있는 팔라츠키 대학교 지리정보학과 박사과정에 있는 테레자 포한코바는 "이를 통해 완전히 새로운 방식으로 작업을 하고 우리 주변의 시스템을 더 잘 이해할 수 있다."고 <지구와 나(The Earth & I)>와의 인터뷰에서 말했다.
항공 촬영과 휴대용 장치에서 얻은 적외선/열화상은 오늘날 환경 모니터링에 가장 널리 사용되는 원격감지 도구이다. 적외선(열)은 위성이나 무인항공기(UAV)에 장착된 센서로 감지되어 과학자들이 도시 거리나 수역의 표면 온도를 모니터링할 수 있다.
열화상 촬영의 작동 원리
열화상 촬영은 절대영도(-273.15°C) 이상의 온도를 갖춘 모든 물체가 방사선을 방출한다는 점을 바탕으로 한다. 특정 파장과 방사선 양은 물체의 온도에 따라 달라진다. 연구자들은 가시광선과 적외선을 포함한 광범위한 스펙트럼의 방사선을 감지할 수 있다.
열화상 촬영은 일반적으로 대기 영향을 제거하기 위해 교정과 대기 보정이 필요하다. 이 방법을 사용하면 연구자들은 이미지를 비교할 수 있다. 교정과 보정 후에는 밝은 부분과 어두운 부분을 볼 수 있다. 밝은 곳은 방출되는 방사선 양이 더 많은 영역, 더 따뜻한 지역을 나타내고, 어두운 영역은 더 차가운 지역을 나타낸다.
열화상 촬영 적용 방법
과학자들은 열화상을 활용하여 산불, 특히 인간이 미처 감지하지 못한 초기 단계의 화재를 식별하는 데 사용하고 있다. 2024년 6월, 연구원들은 열화상을 사용하여 산불의 수명 주기를 조사했다. 즉, 화재 전 연료 상태 평가부터 활성 화재 위치와 배출량 파악, 화재 후 대기질과 식생 및 더 광범위한 기후에 미치는 영향 평가까지 검토했다.
연구자들은 또한 인간과 가축에게 질병을 전파할 수 있는 야생동물 사체를 식별하는 데에도 드론 기반 열화상을 활용하고 있다. 예를 들어, 아프리카에서는 아프리카돼지열병에 감염된 멧돼지 사체도 질병을 전파할 수 있기 때문에 사람들이 정기적으로 멧돼지 사체를 수색한다. 2023년 연구에서 과학자들은 드론 기반 열화상 카메라가 어떻게, 그리고 왜 이러한 사체 42구를 성공적으로 찾아내고 부패 상태를 분석하며, 지상 수색을 도와 수거할 수 있는지 보여주었다.
열화상의 픽셀 크기에 따라 연구자들은 온도가 더 높은 정확한 위치를 파악할 수 있다. 유럽우주국의 센티넬(Sentinel)이나 NASA-미국지질조사국(USGS)의 랜드샛(Landsat)과 같이 장기간 운영되는 우주 위성 임무 덕분에 과학자들은 시간별 지도를 비교해볼 수 있다. 뒤이어 현지 의사 결정권자는 이러한 통찰을 바탕으로 전략을 조율하고 온도의 쾌적성을 조정할 수 있다.
아부엘로(AVUELO) 프로젝트
스미스소니언 열대연구소(STRI), 코스타리카 수산연맹, 미국-파나마의 대학 및 연구소와 협력하여 항공 열화상 분야에서 획기적인 연구를 진행하고 있는 NASA의 아부엘로(AVUELO: 항공 검증통합 실험: 육상에서 해양으로) 프로젝트가 있다. 아부엘로의 목표는 "열대 식생과 해양 연구를 위한 새로운 종류의 우주 탑재형 이미지를 교정하는 것"이다. STRI에 따르면, 이는 현장 조사를 통해 수집한 데이터와, 파나마-코스타리카의 현장에서 소형 비행기로 수집한 '항공영상분광법'을 결합하여 달성할 수 있다고 한다.
파나마와 코스타리카의 열대우림에 초점을 맞춘 이 프로젝트는 데이터를 활용해 연구자들이 "수천 종의 나무와 해양생물이 어떻게 독특한 생태계를 만들어내는지" 이해하는 데 도움을 주는 것을 목표로 한다. 서식지 단편화, 종(種)의 상호 작용, 생물다양성 위협의 영향, 특히 야행성 종과 그 보존의 맥락을 이해하는 것도 목표로 삼고 있다.
2025년 2월 6일, 아부엘로 팀은 열대우림 내 약 80km에 달하는 핵심 연구 현장에서 과학자들이 나뭇잎을 수집하고 측정하는 첫 번째 열대 조사를 시작했다. 지상 인력이 실험실에서 샘플을 분석하는 동안, NASA의 아비리스 이미저를 탑재한 항공기가 상공에서 데이터를 수집했다.
아부엘로 프로젝트는 대규모 생태계를 연구하고 보전하는 데 있어 인간의 한계를 극복하기 위한 최첨단 기술의 활용을 보여준다. 지상에서 아부엘로 연구원들이 울창한 열대우림과 해안 맹그로브, 강과 호수를 탐사하면서 육상 연구의 어려움은 분명하게 드러났다. 다행히 흐린 날씨에도 불구하고 자료를 수집하려는 지점은 대부분 맑아서 연구진들은 관련 데이터를 얻을 수 있었다.
원격감지 기술의 적용은 생태계마다 다를 수 있다. 예를 들어 열대우림의 우기에는 이미지를 얻을 수 없기 때문에 적외선/열화상의 경우 데이터 연속성을 유지하는 것이 어렵다. 적외선/열화상은 광학 원격탐사로 알려진 한 유형이기 때문이다. 레이더 위성 원격탐사와 달리 광학 원격탐사는 적외선이 구름의 영향을 받기 때문에 구름이나 안개를 통과하여 실행할 수가 없다. "열화상 사용의 가장 큰 차이점은 구름의 존재 여부다."라고 포한코바는 설명한다.
IT 발전과 연계된 기후 보호
전 세계적으로 매일 방대한 양의 데이터가 영상을 통해 생성되고 있다. 2020년 보고서에 따르면 상업용 위성 촬영 회사들이 매일 100TB(테라바이트) 이상의 데이터를 수집하고 있다. 포한코바는 "우리가 받는 정보량은 사실상 무한하다."고 말한다.
인공지능(AI)의 발전은 열화상 평가 프로세스를 가속화하는 데 도움이 되었다. 그녀는 "원격 감지는 IT 발전과 밀접한 관련이 있다."고 덧붙인다.
AI의 발달로 과학자들은 대량의 이미지를 보다 효율적으로 분류하여 표면 유형을 식별하고 다음 연구 단계로 더 빠르게 진행할 수 있다. 문제는 대부분의 데이터가 공유 대가를 지불해야 하는 상업적 기업에서 생산되기 때문에 공개적으로 사용할 수 없다는 것이다. 포한코바는 "게다가 구매 비용도 만만치 않다."고 말한다.
하지만 연구자들은 보편적으로 접근 가능한 데이터 소스인 위성 이미지에 접속할 수 있다. 단일 이미지에서 여러 계산을 수행하여 지표면이나 대기에 대한 정보를 추론할 수 있으므로 이미지와 관련된 활용도를 극대화할 수 있다.
열화상 기술의 도시 응용 분야
원격감지 기술과 이를 통해 생성되는 데이터는 도시 기후 연구에도 도움이 된다. 열화상 기술의 도시 응용 분야는 일반적으로 도시 열섬(UHI)을 대상으로 한다. 이 용어는 도시 환경이 주변 농촌 지역에 비해 더 높은 기온을 경험하는 현상을 의미한다.
도시 열섬은 일반적으로 높은 온도에 장시간 노출되는 도시와 지역에서 발견되며, 아스팔트나 콘크리트처럼 많은 양의 열을 흡수하는 불투수성(액체가 통과하지 못하는) 소재를 사용하기 때문에 발생하는 경우가 많다. 인구가 많고 교통이 발달한 뉴욕, 런던, 델리와 같은 주요 대도시가 도시 열섬의 주요 발생 지역이다.
연구원들은 열화상을 사용하여 공원의 식생, 도시 숲과 수역 등 도시 열섬 내 특정 표면의 냉각 효과를 측정한다.
무기 탐지에 사용
또한 항공 열화상 기술은 오염된 인공 무기의 탐지와 파괴 능력을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. <재래식 무기 파괴 저널>에 실린 연구에서 연구진은 이러한 무기의 감지- 탐지와 관련된 어려움을 강조했다. 무기 탐지를 목표로 하는 새로운 기술은 인도주의적 지뢰 활동(HMA)에서 일상적으로 마주치는 험난한 지형, 울창한 초목, 그리고 금속-플라스틱 재질 문제를 극복해야 한다.
도시 사례 연구: 체코의 원격탐사
유럽우주국(ESA)은 NASA의 열/적외선 에코스트레스 기술로 국제우주정거장에서 촬영한 체코의 수도 프라하를 포함한 유럽 도시 영상을 활용하여 극한의 기온을 더 잘 이해하고 있다.
2019년 연구진은 저고도 항공 원격탐사를 이용하여 체코 올로모우츠의 고해상도 열 모자이크를 검토하고 도시 기후 연구 데이터를 분석했다. <유럽 원격감지 저널(European Journal of Remote Sensing)>에 게재된 연구 논문에서 도시의 건물 캐노피 층의 낮 기온이 지상보다 섭씨 5도(9°F) 상승하는 것으로 나타났다. 또한 천연 재료가 인공 재료보다 가열 속도가 느리다는 결론을 내렸다.
포한코바는 도시 기후와 관련된 식생의 증발과 증산에 관한 연구를 수행해 왔다. 2019년부터 석사 논문을 위해 이 주제를 연구하기 시작했을 때, 그녀는 체코 내에서 이 기술에 대한 이해가 제한적이라는 점에 주목했다. 그녀는 "오늘날에도 체코에 대한 자세한 연구는 거의 없다."면서 "이 주제가 중요하며 반드시 다뤄져야 한다는 것을 보여주고 싶었다."고 덧붙였다.
포한코바는 체코 환경부와 체르노비체(Černovice) 마을을 포함한 체코의 여러 기관에 전달된 다수의 학술 프로젝트에 참여했다. 그녀는 "연구 결과는 수자원 관리와 관련된 더 나은 정책을 수립하는 데 활용되었다."고 말한다.
*너태샤 스펜서-졸리프는 프리랜서 저널리스트이자 편집자이다. 지난 10년 동안 너태샤는 다양한 출판물에 기고하며 환경, 과학, 비즈니스, 법률, 사회학적 관점에서 더 넓은 세계와 산업을 탐구해 왔다. 또한 연구소와 컨퍼런스에서 인사이트 제공자로서 인터뷰를 진행했다.
출처:
체코 올로모우츠의 팔라츠키 대학교 지리정보학과 박사 과정에 있는 테레자 포한코바의 인터뷰.
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