항공사진, 위성사진을 이용한 지구환경 변화의 정량분석 사례

지난 호에서는 이미지 프로세싱 소프트웨어를 사용한 고서화의 낙관, 인장, 전각 등의 데이터베이스화와 동양의 고서화 및 서양화의 진위감별시의 응용사례에 대하여 소개했다. 이번 호에서는 항공사진, 위성사진을 이용한 지구환경 변화의 정량분석에 관하여 소개한다.

유우식
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그림 1. 1980년 5월 18일 미국 북서부 워싱톤주 세인트 헬렌스 산(Mt. St Helens)의 대규모 분화 전후의 비교 사진(분화 후의 산의 윤곽을 빨간 선으로 표시하여 분화 전후의 윤곽변화를 비교하기 쉽게 하였다.)

지구환경은 지구가 형성된 이래 지속적으로 변화해왔다. 지구 환경의 변화는 자연적인 현상으로 비교적 그 주기가 수만 년 이상의 매우 긴 기간에 걸쳐 일어나는데 반해, 최근에는 인간의 활동으로 인한 환경변화의 속도가 과거와는 비교할 수 없을 만큼 빠른 속도로 진행되고 있다. 지구의 기온이 오랜 시간 동안 하강하여 남극, 북극, 대륙, 산 위의 얼음층이 확장되는 빙하기에 형성된 빙하들이 근래에 그 규모가 급격하게 줄어들면서 해수면 상승으로 이어지고 있다. 지구온난화로 대표되는 지구 환경변화에 관한 뉴스를 자주 접하게 되었다.

지구(또는 기후) 온난화는 전 세계적인 바다와 지표 부근 공기의 기온 상승을 의미하며 산업혁명이 일어나기 시작한 19세기 후반부터 시작된 것으로 보아 인간의 활동과 밀접한 관계가 있을 것으로 추측되고 있다. 실제로 20세기 초부터 지구 표면의 평균 온도는 1980년에 비해 0.8° 정도 기온이 상승했다고 한다. 지구 온난화의 원인에 대해서는 여러가지 의견이 있으나, 대부분의 과학자들은 90% 이상의 온실기체 농도의 증가와 화석연료의 사용과 같은 인간의 활동에 의해 발생한 것으로 추측하고 있다.

<그림 1>은 1980년 5월 18일에 분화한 미국 북서부 워싱톤주 세인트 헬렌스 산(Mt. St Helens)의 분화 전후의 사진이다. 분화로 산의 높이가 2950m에서 2550m로 400m 낮아졌다. 이러한 대규모의 화산분화는 많은 분염을 배출하여 기후변화에도 영향을 주게 된다. 대규모 분화가 대기온도에 미치는 영향은 8~17°정도로 산업화 이전부터의 대기온도변화의 10~20배 정도에 달할 수 있다는 보고도 있다. 실제로 1991년에 필리핀의 피나츠보산(Mt. Pinatubo)의 분화로 지구표면의 기온이 1992년에 평균 0.3° 하강되었고 1994년에 이전의 수준을 회복하였다는 관측결과가 보고되었다. 지구규모의 자연활동이 지구환경에 미치는 영향이 얼마나 큰지를 시사한다.

이번 호에서는 지상의 넓은 영역을 원거리 촬영, 항공촬영(드론을 사용한 촬영을 포함) 또는 위성촬영을 통하여 얻은 각종 이미지를 활용하여 지구환경을 조사하고 분석하는 방법을 예로 들어 소개한다. 이번 호에서 사용한 모든 이미지 자료의 색도분석, 윤곽추출, 이미지의 수치화, 정량해석, 통계분석은 상용화된 이미지 프로세싱 소프트웨어인 웨이퍼마스터스의 픽맨(PicMan)을 사용하였다.

1. 위성사진 또는 위성관측자료를 통한 지구환경변화의 정량분석
전 세계의 온난화로 인해 여러가지의 지역적인 영향이 발생하고 있는데 대표적인 현상으로는 지구 기온의 상승에 따른 빙하의 감소(그림 2), 해수면 상승 및 강수량과 강수패턴의 변화, 아열대 사막의 확장(그림 3) 등이 있다. 지구 온난화로 북극의 축소와 지속적인 빙하, 영구 동토층, 해빙의 감소 등도 관찰되고 있다. 또한 극한 기후와 폭염의 증가, 가뭄과 폭우, 해양 산성화 등의 급격한 환경의 변화가 관찰되고 있으며 일부 종의 멸종 등도 우려되고 있는 상황이다. 인간 생활에 있어서는 농업 수확량의 감소와 기후변화로 인한 난민의 발생 등이 나타나고 있다.

우리나라에서 유럽까지 해상 수송하게 되면 인도양과 대서양을 통해야 한다. 지구온난화로 인한 북극 해빙의 감소로 여름철에는 북극을 통과하여 유럽으로 해상수송이 가능해지면 지금까지의 해상수송에 필요한 기간이 부산에서 네덜란드 로테르담까지의 항해거리가 스웨즈운하를 통과하는 경로보다 7000㎞ 정도 짧아져서 수송기간도 약 10일 정도 단축되는 효과가 기대된다. 또한 미국 동부의 뉴욕까지도 파나마 운하를 통과하는 경로보다 5000㎞ 정도 짧아져서 수송기간이 약 6일 정도 단축될 수 있다고 한다. 북극해항로의 개척이 가져오는 경제적인 효과도 있겠으나 급격한 지구환경의 변화로 인한 부작용 또한 클 것으로 예상된다. 

오존(O3)층은 태양이 방출하는 자외선의 대부분이 지구에 도달하지 못하도록 지구를 보호하는 기능을 한다. 그런데 각종 냉각장치에 사용되는 냉매제인 프레온 가스(CFCs), 비행기나 자동차에서 배출되는 일산화질소(NOx) 등의 산업공해로 인하여 극지방에 오존 구멍이 생기게 되었으며, 확대 일변도이던 것이 국제적인 배출규제 등의 협력으로 안정화 되어가는 경향을 보이고 있다.(그림 4) 전체적인 오존의 농도가 옅어지게 되면 자외선 투과율이 높아지게 된다. 이로 인하여 식물의 엽록소가 감소하고 광합성 작용이 억제되며 식물성 플랑크톤의 광합성 작용이 억제되어 수중생물의 먹이연쇄가 파괴될 수 있다는 우려가 있다. 또한 가축의 암 발생률이 높아지고 인체의 피부암의 발생률이 높아진다는 보고도 있다.

이처럼 지구규모의 환경변화를 평가하기 위해서는 각종 관측데이터를 활용하게 되는데 항공 또는 위성사진을 통하여 정보를 얻는 경우가 대부분이다. 개인의 힘으로 할 수 있는 연구는 제한적이겠으나 많은 단편적인 정보를 취합하여 관심있는 대상의 경향을 파악하는 일은 개인적인 레벨에서도 가능한 일이다. 중요한 문제 제기는 사소한 호기심과 의문에 대한 추론을 통하여 답을 구하는 과정에서 시작되는 점을 감안하면, 접근 가능한 각종 이미지로부터 유용한 데이터를 얻을 수 있는 이미지 프로세싱 기술의 확보와 적극적인 활용은 매우 중요하다.  

그림 2. 지구 온난화에 따른 북극권의 빙하면적의 감소(50.2%의 빙하면적이 감소하여 북극해 항로의 개척이 가능해 보인다.)