6  RADAR

6.1 Lab

RADAR 활용을 위해 실습 주제는 ‘Detecting Oil Pollution in the Mediterranean Sea’.

2021년 3월, 전 세계는 제51회 지구의 날(Earth Day)을 기념하였다1. 이 전통은 1970년 뉴욕에서 열린 대규모 시위를 시작으로 시작되었으며, 그 1년 전에는 미국 역사상 최대 규모의 기름 유출 사고가 캘리포니아 주 산타바바라 연안에서 발생했다. 이 참사에 대한 대중의 반응은 환경 운동의 확장에 강력한 자극이 되었다.

해양에서 발생하는 기름 유출의 대부분은 원유 생산지에서 소비지로 운송되는 과정에서 발생한다. 유조선, 시추 플랫폼, 해저 송유관과 관련된 사고는 전체 해양 유출 사고의 약 25%에 불과하며, 나머지 75%는 일상적인 운송 과정에서 발생한다. 그러나 사고 발생 시에는 최대 4만~5만 톤의 기름이 유출되어 최대 100km²의 넓은 해역에 영향을 줄 수 있다. 주요 해양 기름 유출 지역은 중동과 유럽, 아메리카, 일본을 잇는 유조선 항로 상에 위치하며, 이 외에도 지중해, 카리브해, 남중국해, 동해에서도 심각한 해양 기름 오염이 관찰되고 있다.

미국 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)에 따르면, 1톤의 기름이 수면에 유입된 지 불과 10분 만에 두께 약 10mm의 기름막(slick)이 형성된다. 이후 기름막은 점차 얇아지며(1mm 미만), 최대 12km²에 달하는 넓은 해역으로 퍼지게 된다. 바람, 파도, 해류가 없는 조건에서는 1m³의 원유가 약 1시간 반 만에 반경 50미터로 확산된다. 이후에는 기상, 바람, 파도 등 여러 요인의 복합적인 영향으로 더 넓게 확산되며, 이러한 오염을 완전히 제거하는 데에는 수개월에서 수년이 소요될 수 있다.

기름막은 수중으로 투과되는 빛의 스펙트럼 구성과 강도에 영향을 준다. 얇은 원유막을 통과하는 빛의 투과율은 파장 280nm에서 약 10-11% 에서 60-70%에 이르며, 두께 30~40nm의 기름막은 적외선 복사를 거의 완전히 흡수한다.

6.1.1 Case

2018년 10월 7일, 지중해에서 두 상선이 충돌하는 사고가 발생했다. 보도에 따르면, 튀니지 화물선이 프랑스령 코르시카섬 북쪽 해역에서 키프로스 국적의 컨테이너선 선체를 들이받았다. 인명 피해는 없었지만, 이 사고로 인해 연료가 해상에 유출되었다.

이 사고는 일련의 인적 오류로 인해 발생했다. 튀니지 선박의 선장은 통화 중이었고, 레이더 경보를 무시한 것으로 알려졌다. 또한, 키프로스 선박은 ‘부적절한’ 위치에 정박해 있었다. 양 선박의 손해는 약 1,350만 유로로 추정되며, 여기에 정화 작업 비용으로 약 1,000만 유로가 추가로 소요된 것으로 집계되었다. Vesseltracker에서 제공한 충돌 영상 시청하기

6.1.2 Task

레이더 영상을 활용하여 유출된 기름막의 위치를 파악하고, 그 길이를 측정한 뒤 기름막이 차지한 면적을 계산하시오. 또한, 오염이 해상에서 어떻게 확산되었는지 분석하라.

Task performance algorithm:

  1. EO Browser를 사용하여 프로젝트에 필요한 데이터를 다운로드.

  2. QGIS에서 영상을 불러와 표시.

  3. 10월 8일, 10월 9일, 10월 14일 기준으로 기름막의 길이를 측정.

  4. 서로 다른 날짜에 유출된 기름의 면적을 디지털화(digitize).

  5. TimeManager 플러그인을 사용하여 디지털화된 데이터를 애니메이션으로 시각화.

  1. EO Browser에 로그인 하였으면, 좌측 패널에서 아래와 같은 옵션을 설정.

    • Data sources: Sentienl-1 체크

    • Time range [UTC]: 2018/10/01 ~ 2018/10/14

    • Click Search buttion

  1. 우측 상단 맵 검색에 다음과 같이 검색: Corsica, France

  1. 2018-10-08, Sentinel-1 AWS-IW-VVVH, 17:21:45 UTC옵션에서 Visualize선택.

위성 레이더 영상은 기름 유출의 확산을 모니터링하는 데 매우 적합하다. 이는 수면 위에 떠 있는 기름이 파도의 움직임을 약화시키기 때문이다. 레이더는 주로 수면의 질감(texture)을 측정하며, 기름막은 주변보다 뚜렷하게 구분되어 회색 배경 속에서 검은색으로 나타난다.

그러나, 시각화를 선택하고나면, 아래와 같이 선박 사고로 인한 기름 유출이 하나도 보이지 않는다. 오히려 주변 육지의 색이 밝게 표시가 되어있다.

왜냐하면, SAR-Urban 조합은 도시 지역 분석에 최적화되어 있기 때문에 기름 오염이 탐지되지 않았다고 생각한다. 해양은 도시 지역처럼 높은 반사 신호를 가지지 않기 때문에, 해양의 세부적인 특성이 잘 관찰되지 않았을 가능성이 있다. 또한, SAR은 표면 거칠기의 차이에 따라 물체를 구분하는데, 얇은 기름막이 해양 표면을 매끄럽게 만들어 반사 신호를 감소시켰다. 따라서, 적절한 조합을 선택하는것은 Remote Sensing에서 매우 중요한 부분을 차지한다.

  1. 기름막을 확인하기 위해, Water surface roughness visualization script 조합을 사용해보자.

    해당 조합은 EO Browswer에서 기본으로 주어지지 않기 때문에, Custom을 통해 새로운 조합을 생성해야 한다.

    Custom 조합을 제공해주는 사이트에서 조합을 가져오자. Sentinelhub-custom scripts

해당 페이지에서, Sentinel-1 - Water surface roughness visualization 순으로 클릭.

  1. 아래 처럼 제공되는 스크립트 복사.

Script text:

var val = Math.log(0.05 / (0.018 + VV * 1.5));

return [val];

  1. 다시 EO Browser로 돌아와서 조합 맨 아래 Custom 클릭 후, 복사한 조합 붙여넣기.

Refresh Evalscript 를 클릭하면, 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.

조합을 사용한 덕분에 이전에는 안보이던 선박으로부터 유출된 기름 라인이 하얗게 표시된 것을 볼 수 있다.

빨간 동그라미 안에 있는 검은 점이 사고 지점이다.

  1. 각각 10월 8, 9, 14일 이미지 다운로드 (아래와 동일한 옵션으로)

    우측 중단 버튼()을 클릭.

    Analytical 탭에서,

    • Image format: TIFF

    • Image resolution : HIGH

    • Coordinate system : Popular Web Mercator (EPSG:3857)

    • Layer : Custom

NOTE: You may see a message appearing during downloading; it will not affect the download, so don’t worry.

10월9일과 14일은 적당한 시간대를 선택 후, 동일한 방법으로 저장.

  1. https://www.forbes.com/sites/davidbressan/2021/04/22/the-oil-spill-that-inspired-earth-day/↩︎