위성영상 해상도

왜 배우는가: 위성영상 해상도는 같은 영상이라도 목적에 따라 필요한 수준이 달라서, 센서를 고르고 영상을 해석할 때 가장 먼저 확인하는 기준이다. 시험에서는 공간·분광·방사·주기의 네 측면을 구분해 설명하는 능력을 보기 위해 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제135회 2교시 5번, 제131회 3교시 2번, 제120회 4교시 2번, 제117회 1교시 12번, 제110회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

위성영상 해상도는 위성 센서가 지표면의 대상을 구별해 기록하는 능력을 공간·분광·방사·주기의 네 측면에서 나타낸 값이다.

위성영상 해상도(Resolution)는 한 가지 값으로 끝나지 않는다. 영상이 무엇을 얼마나 세밀하게 구분하는지를 측면별로 나누어 나타내므로, 답안에서는 네 가지 해상도를 빠짐없이 나열하고 각각이 무엇을 뜻하는지 구분해 쓰는 것이 기본이다. 시험 문제가 정의와 종류, 상호 관계를 함께 묻는 경우가 많으므로 키워드를 정확히 외워 두어야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 위성영상 해상도
• 공간해상도
• 분광해상도
• 방사해상도
• 주기해상도
• 지상표본거리(GSD)
• 화소
• 밴드

2. 개념 풀이

위성영상 해상도는 센서가 지표면을 얼마나 작은 단위로 나누어 기록하는지(공간), 얼마나 많은 파장 구간을 나누어 기록하는지(분광), 밝기를 몇 단계로 구분하는지(방사), 같은 지점을 얼마나 자주 기록하는지(주기)를 나타내는 네 가지 특성의 총칭이다.

원리는 영상이 격자 모양의 화소로 저장된다는 데 있다. 화소 하나가 지상에서 차지하는 크기, 화소에 담기는 파장 구간의 수, 화소 값의 단계 수, 같은 지점의 관측 간격이 각각 공간·분광·방사·주기 해상도를 결정한다. 네 가지는 서로 독립적이지 않다. 궤도와 관측폭(swath)이 재방문 주기를 정하고, 재방문을 자주 하려면 넓게 보는 방식이 필요해져 공간 세부가 줄어드는 경우가 많다. 그래서 답안에서는 네 해상도를 개별 정의로 끝내지 않고 상충 관계까지 함께 쓴다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 공간해상도(spatial resolution)는 영상에서 한 화소가 지상에서 차지하는 면적으로 나타낸다. 인접 화소의 중심 사이 지상 거리인 지상표본거리(GSD)로 보통 표시하며, GSD가 1m라면 인접 화소가 지상에서 1m 간격이라는 뜻이다. 다만 공간해상도는 샘플링 간격만이 아니라 회절, 수차, 초점 불량, 대기 왜곡에 의해서도 제한되므로 GSD가 실제로 구분되는 최소 물체 크기와 항상 같지는 않다.
• 분광해상도(spectral resolution)는 센서가 구분해 기록하는 파장 대역(밴드)의 수와 폭이다. 가시광 컬러 사진은 빨강·초록·파랑 세 밴드이고, 위성 센서는 근적외선과 단파장적외선 같은 밴드를 추가해 식생이나 수분 상태를 구분한다. 항공사진이 보통 1~3개 파장을 쓰는 데 비해 위성은 3개에서 수백 개 밴드까지 기록할 수 있다.
• 방사해상도(radiometric resolution)는 밝기 차이를 구분할 수 있는 단계 수이다. 비트 수를 n이라고 하면 단계 수는 다음과 같다.

$단계 수 = 2^{n}$

8비트는 0~255 범위의 256단계, 11비트는 0~2047, 12비트는 0~4095, 16비트는 0~65535 범위이다. 실제 유효 방사해상도는 비트 수보다 노이즈 수준에 의해 제한된다는 점을 함께 쓴다.

• 주기해상도(temporal resolution)는 같은 지점을 연속으로 관측하는 시간 간격이며 재방문 주기와 같은 뜻이다. 궤도 특성과 관측폭에 주로 좌우되어 위성에 따라 일 단위, 주 단위, 격월 등으로 다르다. 같은 위성이라도 위도가 높은 지역은 궤도가 겹치는 부분이 많아 더 자주 관측된다.

3. 등장 배경과 필요성

지구 관측은 초기에 항공사진이 중심이었다. 항공사진은 해상도가 높지만 촬영 범위가 좁고 반복 관측 비용이 커서 넓은 지역을 주기적으로 감시하기 어려웠다. 위성은 넓은 면적을 일정한 주기로 반복 관측할 수 있어 이 한계를 보완했고, 그 결과 센서가 무엇을 얼마나 세밀하게 기록하는지를 수치로 비교할 필요가 생겼다. 해상도 개념이 필요해진 이유는 여기에 있다.

광학영상은 태양광의 반사를 이용하는 전자광학 시스템에서 얻는다. 자외선에서 적외선에 이르는 파장은 마이크로파보다 짧아 높은 해상도를 얻기 쉽지만, 태양이 있는 주간에만 쓸 수 있다. 이 특성 때문에 광학 센서는 해상도와 관측 시간 조건을 함께 따져야 한다. 반면 마이크로파를 쓰는 합성개구레이더(SAR)는 주야간 관측이 가능해 광학 영상을 보완한다.