동네 높은 곳에서 우리를 지켜보는 CCTV처럼 위성은 매시간 동북아시아 주변의 해양환경을 감시하고 이상 상황에 대한 정보를 제공해준다. 우리나라는 현재 천리안 해양관측위성뿐만 아니라 정밀하게 지구를 관측할 수 있는 다목적 위성(Korea Multi-Purpose SATellite, KOMPSAT) 3호와 3A호, 전천후 지구를 관측할 수 있는 레이더 위성인 다목적 위성 5호를 운용하고 있다. 그렇다면 왜 이렇게 다양한 종류의 위성을 띄우는 것일까?

활용 목적에 따라 적합한 영상자료를
선택하는 기준 - 해상도

다목적 위성은 흔히 ‘아리랑 위성’이라고도 하며, 광학, 적외선 그리고 마이크로파를 관측할 수 있는 극궤도 지구 관측위성이다. 1999년 12월 21일에 발사된 다목적 위성 아리랑 1호는 전자광학 카메라(OSMI)가 탑재되었다. OSMI는 우리나라 최초의 극궤도 해색센서이지만 실제로 해색 관측을 위한 요건을 엄밀하게 갖추지 못해 기대만큼 활용되지 못했으나 함께 탑재된 전자광학 카메라(EOC)는 공간해상도가 화소당 6.6미터인 흑백 영상을 성공적으로 제공했다. 다목적 위성 2호는 1호 개발의 경험을 토대로 국내 기술진의 주도로 개발되었다. 여기에 당시 세계에서 일곱 번째로 탑재된 1미터급 고해상도 카메라는 1호와 비교해 40배 이상 높은 공간해상도를 갖추었다. 다목적 위성 1· 2호 개발을 통해 많은 기술과 경험을 쌓은 국내 위성 개발진은 이후 광학 관측 능력에서 해상도가 화소당 70센티미터급인 다목적 위성 3호, 영상 레이더를 탑재한 다목적 위성 5호, 해상도가 화소당 55센티미터급으로 가시광과 적외선을 관측할 수 있는 다목적 위성 3A호를 개발했다.

앞에서 설명했듯이 다목적 위성 개발의 핵심은 주로 공간해상도를 높이는 기술이었다. 그렇다면 공간해상도가 높은 위성이 무조건 성능이 뛰어날까? 2006년 발사된 다목적 위성 2호는 공간해상도가 화소당 1미터인 데 비해, 2010년에 발사된 천리안 해양관측위성의 공간해상도는 화소당 500미터라면 오히려 기술이 퇴보한 것이 아닐까 하는 의문이 생긴다. 사실, 원격탐사* 영상자료는 공간해상도, 분광해상도, 방사해상도 그리고 시간해상도에 따라 그 특징이 결정된다. 이 네 가지 해상도는 활용 목적에 따라 적합한 영상자료를 선택하는 기준이 된다.

공간해상도

공간해상도(Spatial Resolution)는 위성 센서(카메라)에서 파악할 수 있는 지상 표면의 최소 단위(화소 또는 pixel)로 정의된다. <그림 1>에서 보듯이 공간해상도가 높을수록 지표면의 대상을 명확하게 파악할 수 있다. 집이나 식당의 목적지를 찾아가기 위해 사용하는 지도 앱(app)은 공간해상도가 중요하다. 하지만 공간해상도가 높으면 자료의 양이 늘어나 위성에서 관측할 수 있는 영역이 좁은 지역으로 한정된다. 다시 말해, 천리안 해양관측위성은 한 번 관측으로 동북아시아 전체의 바다 환경을 파악할 수 있지만 다목적 위성으로는 약 15제곱킬로미터 정도, 즉 동네 범위 정도만 관측할 수 있다. 공간해상도를 높이느냐 마느냐는 관측 영역과 직접적인 관련이 있으며, 시간해상도와 타협 관계에 있다. 공간해상도의 질을 높이고 좀 더 영역을 넓게 관측하려 한다면 위성 개발 비용이 천문학적으로 늘어나게 된다. 따라서 천리안 위성이 아리랑 위성보다 공간해상도가 낮은 이유는 천리안 위성이 관측 영역을 넓히는 대신에 공간해상도를 낮추는 방향으로 타협한 결과라고 할 수 있다. 덕분에 천리안 해양관측위성은 동북아 해역이라는 넓은 영역을 한 번에 관측할 수 있게 되었다.

그림 1. 위성 영상의 공간해상도와 확대 영역의 예시(출처: Jensen, 2000)

분광해상도

분광해상도(Spectral Resolution)는 카메라가 빛을 얼마나 다양한 파장으로 분리해서 볼 수 있는지에 관한 능력을 뜻한다. 흑백 영상은 밴드가 하나이고, 우리가 일반적으로 사용하는 카메라는 빛의 3원색인 파랑·녹색·빨강 세 개의 밴드를 조합해서 컬러 영상을 만든다. 다목적 위성 3호는 빛을 파장별로 좀 더 세분화하여 4개의 분광(파장) 영상으로 관찰하며, 천리안 해양관측위성은 무려 8개의 분광 영상으로 바다를 관찰한다. 이렇게 세분화된 분광 영상으로 대상을 관찰하면 눈으로는 구분하기 어려운 아주 미세한 색 변화의 특성을 탐지하고 이해할 수 있다. 하지만 파장을 세분화한 만큼 카메라가 받아들이는 빛에너지의 양이 줄어들어 잡신호(noise)가 상대적으로 커져 공간해상도를 높이기 어렵다. 다목적 위성 2호의 관측 파장 폭은 70~100나노미터(10억분의 1미터), 천리안 해양관측위성의 파장 폭은 이보다 좁은 20~40나노미터이다. 만약 천리안 해양관측위성의 분광해상도를 더 늘린다면 이 관측 파장 폭은 더 줄어들어 관측에 필요한 세기의 빛에너지를 확보하기 위해 공간해상도가 더 줄어들도록 타협해야 할 것이다. 대상체의 모양을 자세하게 파악하기 위해 공간해상도를 높일 것인지, 대상체의 미세한 색 변화 분석을 위해 분광해상도를 높일 것인지는 위성을 활용하는 사람이 결정하여 카메라를 설계해야 한다. 최근에는 해양에서 적조 발생 상황 유무를 모니터링하던 연구에 초다분광(Hyperspectral)센서를 장착한 위성을 이용하여 적조의 종이나 적조 농도까지 파악하고 있다.

그림 2. 분광해상도가 중요한 이유는 분광해상도가 높아야
관찰 대상의 정확한 색을 구분할 수 있다.

방사해상도

방사해상도(Radiometric Resolution)는 카메라가 얼마나 미세한 밝기의 수준까지 구분할 수 있는지를 나타낸다. 하나의 화소 값을 뜻하는 비트(bit)의 수로 방사해상도를 나타낸다. 지구 자원 탐사위성인 미국의 랜드샛(Landsat) 위성은 8비트의 방사해상도로 0~255까지 256단계의 디지털 값으로 기록하는 데 비해, 천리안 해양관측위성은 12비트의 방사해상도로 4086단계의 밝기 값을 나타낼 수 있다. 따라서 비트 수가 높을수록 밝기나 색의 미세한 차이를 식별할 수 있지만 방사해상도를 높이기 위해서는 영상의 잡신호 양을 줄여야 한다. 이를 위해 분광해상도나 공간해상도를 낮추는 것으로 타협해야 한다.

그림 3. 방사해상도와 영상 품질의 관계. 방사해상도가 높을수록(8비트)
낮은 해상도(1비트)보다 더 다양한 밝기 수준을 표현할 수 있다.

시간해상도

시간해상도(Temporal Resolution)는 특정 지역에 대한 영상 자료를 얼마나 자주 얻는지를 나타내는 지표이다. 같은 지역을 자주 방문할수록 시간해상도가 높다. 이는 관측 영역의 결정인자인 공간해상도와도 관계있다. 예를 들면 극궤도 위성의 경우, 공간해상도가 4미터인 다목적 위성 2호는 28일 정도의 주기로, 공간해상도가 30미터인 랜드샛은 16일 주기로 관측한다. 공간해상도가 1킬로미터인 모디스(MODIS)의 경우에는 하루에 한 번 관측한다. 정지궤도 위성의 경우에는 관측 영역이 고정되어 있어 시간해상도를 크게 높일 수 있다. 극궤도 해색위성인 MODIS가 하루에 한 번 관측하는 데 비해, 천리안 해양 관측위성은 하루에 8번, 한 시간 간격으로 자료를 얻을 수 있다.

창의적인 아이디어와 새로운 기술력으로 해상도를 높이는 위성 개발

이 네 가지 해상도는 서로 맞물려 있기에 모든 해상도를 높일 수 없으며 적정선에서 타협해야 한다. 그러나 최근에는 창의적인 아이디어와 새로운 기술력으로 이러한 점들을 해결하기 위해 다음과 같이 노력하고 있다. 첫 번째, 공간해상도는 높지만 시간해상도가 낮은 위성의 단점을 해결하기 위해 군집 위성을 활용하고 있다. 저렴한 가격의 초소형 위성을 수백 대 쏘아 올려 관측 주기를 높인다. 이에 따라 공간해상도가 높으면서 시간해상도도 높은 자료를 얻기도 한다. 두 번째, 유럽의 센티넬(Sentinel) 위성처럼 공간해상도를 높이면서 센서의 관측 폭을 넓혀 시간해상도를 높이는 방법을 활용하고 있다. 세 번째, 천리안 해양관측위성처럼 통신이나 기상 관측에만 사용하던 정지궤도에 해색센서를 탑재하는 방법을 활용하면 하루 단위에서 시간 단위로 관측할 수 있다.

출처 : [천리안, 하늘에서 바다를 연구하다], 2020, 지성사, 유주형, 안재현 저