[스크랩] 정규식생지수(NDVI) 및 지리산국립공원 위성영상 분석

 

안녕하세요.. 지리산북부사무소에 근무하는 강병선입니다.

환경부에서 받은 Landsat TM 인공위성영상과 국립공원수치지도를 이용하여 토지피복분류, 정규식생지수 및 기본적인 표고, 경사, 방향도를 만들어 보았습니다.

건강하세요..

1. 사용자료 : Landsat TM 인공위성영상, 수치지도

 

2. 프로그램 : PCI Geomatics, Arc View, Arc Info, Autocadd

 

3. 분석내용

 가. 인공위성영상자료 이용 : 토지피복분류도 제작, 정규식생지수로 제작

 나. 수치지도 이용 지형분석 : 지리산국립공원의 표고도, 경사도, 방향도 제작

 

4. 분석방법

 o 피복분류도

  - Landsat TM 인공위성영상을 이용하여 USGS 분류기준에 의거 피복형태를 6가지(산림, 농경지, 나지, 개발지, 수계, 암석)로 나누어 분석시행

  - 분석은 무감독 분류(unsupervised classification) 후에 감독분류(supervised classification) 시행

 o 정규식생지수(NDVI)

  - Landsat TM 인공위성영상의 밴드중 3번 밴드와 4번밴드를 이용하여 식생지수 파악

  - 계산식

ND = (tm band 4 - tm band 3 ) / (tm band 4 + tm band 3)

 o 표고도, 경사도, 방향도

  - 정규식생지수(NDVI)와의 상관관계를 알아보기 위하여 수치지도를 이용하여 분석 후 ArcView에서 중첩분석 시행

  ※ 정규식생지수 (NDVI)

원격탐사 기술을 이용한 위성영상은 분광반사 특성이라고 하는 물리량을 가지고 컴퓨터 상에서 수치적으로 해석하여 처리 결과를 화상의 형태로 출력한다. 따라서 광역적이고, 균질한 위성자료의 특징을 충분히 살려 녹지 식생을 간단히 또한 효율적으로 조사할 수 있는 수단으로서 최근 인공위성 자료의 고도화와 컴퓨터 기술의 발전에 따라 원격탐사 기술이 이용될 수 있게 되었다. 또한 위성 자료는 주기적인 정보를 취득할 수 있기 때문에 과거의 자료와 현재의 자료를 상호 비교하는 것이 가능하고 녹지의 시계열 변화를 단기간에 파악할 수 있으며 녹지내의 식생의 활력도를 수치적으로 표현하여 분석할 수 있다.  

식생지수는 식생지역의 광학적 특성을 이용하여 그 특징을 잘 나타내는 위성영상자료들의 몇 가지 band 값의 조합에 의해 생성되는 지수이며, 주어진 이미지 화소((Pixel)에서 식생의 양에 대한 상관 관계를 가지고 있다.

 

 

<그림 1> 나뭇잎의 분광반사특징

식생지역에 있는 나뭇잎 세포는 수분이 풍부한 세포와 공기를 포함하고 있는 공간 사이에 반사지수에서 큰 대조 때문에 빛의 매우 효과적 산란자이다.  <그림 1>과 같이 잎에 있는 Chlorophyll, protochlorophyll, Xanthophyll 등은 높은 빛 흡수율 때문에 가시광선영역인 400～700㎚에서 어둡게 보이며, 파장대 550㎚부근에서는 반사정도가 조금씩 증가하는데 이는 이들 색소가 이곳에서 최소로 흡수되기 때문이다.   파장대 700～1,300㎚의 스펙트럼 범위에서 식물은 매우 밝게 보이는데, 이는 스펙트럼 관계 때문이다.   다른 물체들은 이 파장대 범위에서 강한 흡수가 없으나 위에서 언급한 바와 같이 식물은 강하게 분산한다.  또한 파장대 1,300～2,500㎚ 영역에서 식생은 비교적 어둡게 보이는데 이는 대개 잎 내부의 수분에 의한 빛 흡수 때문이다.  다른 식물물질들도 이 스펙트럼 범위에서 역시 흡수한다.  잎에 투과된 빛 중에서 Blue와 Red band는 클로로필에 의해 흡수되며, Green band는 클로로필에 의해 부분적으로 반사된다.  Infrared band는 mesophyll에 있는 세포벽에 의해 강하게 산란되며, 반사된다.   이와 같은 원리를 효과적으로 이용한 것이 식생지수들로, 식생지수를 이용하여 식생질의 상태를 파악하는 등의 여러 가지 조사 및 분석을 할 수 있다.

원격탐사 영상에서 지표 물질의 인식은 기본적으로 파장별 스펙트럼 차이에 기인하지만,  Landsat 등의 영상자료는 식생의 스펙트럼 차이를 반영하기에는 너무나 그 밴드 간격이 넓기 때문에 정확한 식생 형태를 인식하기에는 충분치 않다. 따라서 원격탐사자료의 분석에는 분리된 여러 개의 밴드를 영상의 물리적 특성과 관련된 정보들로  통합하는 것이 필요하다.  <그림 2>에 나타내고 있는 것과 같이,  기본적으로 건강한 식생의 경우 파장대 700～1,300㎚ 범위 즉, 근적외선 영역에서 밝게 나타나고, 적색광선역의 반사강도는 낮다.  반대로 약해진 경우에 근적외선역의 반사강도는 낮아지며 적색광선역의 반사강도는 높아진다.   따라서 Landsat TM(Thematic Mapper) 자료를 이용해서 식생지수를 산출하기 위해서는 band 4 또는 band 5, Landsat MSS(Multi Spectral Scanner)의 경우는 band 6 또는 band 7이 적합하다.

식생을 밝게 나타나게 하려면, 파장대 400～700㎚ 또는 파장대 1,300～2,500㎚ 대 파장대 700～1,300㎚의 범위 영역비를 사용하며, 적외선영역/가시영역 비가 전통적인 접근방법이다.  보통 파장대 650㎚를 포함하는 가시광선영역이 선호되는데 이는 원격탐사기구에 의한 식생스펙트럼의 가장 어두운 부분에 가깝기 때문이다.   기본적으로 식생이 밝은 영역이 위에 어둡게 보이는 영역이 밑에 위치하도록 한다. 

전형적인 TM4/TM3, TM5/TM7이 보통 좋지만 많은 토지들이 이들 조합에서 상당히 밝게 나타나며, MSS의 경우에는 일반적으로 MSS7/MSS5, MSS6/MSS5가 사용된다.  

 

그림 2. 식물의 분광반사특성

녹지(삼림, 경작지) 탐지를 위한 Landsat-TM 자료의 활용에서 여러가지의 접근방법이 있는데, 식생지수나 정규식생지수가 이러한 것 중에 하나이다.  이것은 녹지 수관의 분광특성에 대한 기본 지식을 가지고 원자료보다 더 쉽게 알 수 있는 압축된 자료를 제공해 준다. 그 중 대표적인 것이 정규식생지수(NDVI : Normalized Difference Vegetation Index)이다.

정규식생지수(NDVI)의 개념의 Krigler(1969)에 의해 처음으로 설명되었으며, Rouse et al(1973) 등이 처음으로 활용사례를 제안하였다.   정규식생지수(NDVI)는 가장 일반적인 식생지수중의 하나이다.   비율식생지수(RVI)가 0에서 무한까지의 범위인 반면 이 지수는 -1과 1사이의 값으로 산출된다

5. 분석결과

 

  가 피복분류도 제작

 

 

- 위성영상을 이용하여 지리산국립공원을 산림지, 농경지, 나대지, 개발지, 수계, 암석지의 6가지 토지피복으로 구분하여 분석하였다. 그 결과 산림지가 95%로서 가장많이 나타났으며, 개발지가 21.0078km²의 4%로 그 뒤를 따르고 있었다. 개발지는 주로 도로, 집단시설지구, 야영장 등 콘크리트 구조물로 된 부분이 중점적으로 나타났다.

  나. 정규식생지수(NDVI) 지도 제작

 

 

- NDVI는 식생의 활력도를 표현하고 지수로서 숫자가 높을수록 식생의 높은 활력을 의미하고 있다. 지리산국립공원은 NDVI 지수 185-219가 86%나 차지하고 있어 전체적으로 높은 활력도를 유지하고 있었다.

 

    1) NDVI 와 방향의 상관관계

구분	비식생	128 -139	139 -150	150 -162	162 -173	173 -185	185 -196	196 -208	208 -219	219 -231	합계
평지	0.169	0.181	0.243	0.425	0.716	1.670	3.430	5.940	2.435	0.028	15.236
북	0.408	0.392	0.933	2.779	6.753	20.485	39.650	34.444	4.505	0.021	110.369
동	0.058	0.141	0.205	0.589	1.569	4.167	12.821	55.626	45.384	0.454	121.014
남	0.043	0.043	0.129	0.427	1.026	3.132	8.951	42.143	50.211	0.542	106.647
서	0.224	0.247	0.646	2.095	5.526	16.525	38.819	51.127	11.318	0.024	126.552
합계	0.902	1.004	2.156	6.314	15.590	45.978	103.672	189.281	113.853	1.068	479.818

  - 분석결과 NDVI지수가 높은 208~219에서 남향이 가장 높은 상관관계를 보이고 있었다. 보통 NDVI 지수는 남사면보다 북사면에서 높게 나타나며, 이는 햇볕의 광량보다는 수분의 함수량과 식생의 활력도가 더욱 큰 정관계를 가지고 있기 때문이다. 따라서 일반적으로 광량이 풍부한 남사면보다는 수분함유량이 높은 북사면에서 NDVI지수가 높게 나타난다. 이번 분석에서 사용된 영상은 가을영상이기 때문에 일반적으로 활엽수가 많은 북사면과 침엽수가 많은 남사면의 특성상, 활엽수가 이미 낙엽이 된 상태이기 때문에 남사면에서 NDVI지수가 높게 나타난 것으로 사료된다.

    2) NDVI와 고도의 상관관계

구분	비식생	128 -139	139 -150	150 -162	162 -173	173 -185	185 -196	196 -208	208 -219	219 -231	합계
0-200	0.127	0.033	0.057	0.092	0.131	0.364	0.513	0.232	0.024	0.000	1.573
200-400	0.104	0.275	0.319	0.610	1.063	2.874	5.504	6.048	2.670	0.023	19.490
400-600	0.150	0.192	0.355	0.740	1.510	4.734	10.577	18.958	12.112	0.198	49.525
600-800	0.034	0.054	0.148	0.669	2.354	7.964	20.430	44.338	37.365	0.466	113.821
800-1000	0.057	0.081	0.176	0.675	2.280	8.688	24.792	54.837	41.693	0.367	133.646
1000-1200	0.055	0.063	0.160	0.582	1.831	7.458	21.320	43.229	17.354	0.014	92.066
1200-1400	0.074	0.057	0.136	0.545	2.029	7.372	15.184	19.370	2.559	0.000	47.325
1400-1600	0.113	0.095	0.304	1.208	2.857	5.321	5.217	2.265	0.076	0.000	17.456
1600-1800	0.139	0.123	0.460	1.139	1.491	1.193	0.133	0.005	0.000	0.000	4.682
1800-2000	0.049	0.032	0.042	0.055	0.045	0.012	0.001	0.000	0.000	0.000	0.235
합계	0.902	1.004	2.156	6.314	15.590	45.978	103.672	189.281	113.853	1.068	479.818

- 분석결과 고도 1,000m~1,200m 사이에서 NDVI지수가 높게 나타났는데, 이는 보통 등산로 및 도로가 있는 곳에서 떨어진 지역이기 때문에 식생의 침해요소가 적어 NDVI지수가 높은 것으로 사료된다.

 

    3) NDVI와 경사의 상관관계

구분	비식생	128 -139	139 -150	150 -162	162 -173	173 -185	185 -196	196 -208	208 -219	219 -231	합계
0-10	0.208	0.309	0.334	0.540	0.856	2.006	4.134	6.890	2.677	0.030	17.983
10-20	0.105	0.133	0.310	0.907	2.498	8.560	22.240	38.614	18.752	0.150	92.269
20-30	0.184	0.180	0.646	2.232	6.062	18.951	44.429	82.962	50.522	0.455	206.624
30-40	0.230	0.238	0.582	1.830	4.487	12.309	25.164	46.575	31.706	0.329	123.450
40-50	0.131	0.115	0.230	0.671	1.412	3.521	6.568	12.137	8.663	0.094	33.543
50-60	0.039	0.025	0.048	0.125	0.253	0.572	1.049	1.943	1.427	0.012	5.494
60-70	0.005	0.004	0.006	0.009	0.020	0.057	0.077	0.143	0.101	0.000	0.420
70-80	0.000	0.000	0.000	0.000	0.001	0.001	0.007	0.014	0.004	0.000	0.027
80-90	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.001	0.004	0.003	0.001	0.000	0.008
합계	0.902	1.004	2.156	6.314	15.590	45.978	103.672	189.281	113.853	1.068	479.818

- 분석결과 경사 20~30도에서 NDVI 값이 높게 나타났으며, 이는 식생이 20~30도 경사에서 식생이 풍부하고, 양호한 생장상태 유지하기 때문인 것으로 사료된다.

  다. 표고도

 

 

 - 분석결과 지리산국립공원은 800~1,000m 고도가 전체지역의 28%를 차지하고 있으며, 특히 900m를 중심으로 600~1,200m는 전체의 71%를 차지하고 있었다.

  라. 경사도 제작

 

 

- 분석결과 경사 20-30도가 가장많은 43%를 차지하고 있으며, 10~40도의 경우 전체의 88%를 차지하고 있어 전체적으로 완만한 경사를 유지하고 있음을 보여주고 있다.

  마. 방향도 제작

 

 

- 분석결과 북사면의 면적은 110.369km²로서 전체의 27%를 차지하고 있었으며, 사면은 식생의 활력도에 영향을 미치므로 NDVI를 통하여 식생과 사면의 상관관계를 파악하였다.

6. 분석자료 dB구축 및 향후계획

 - ArcView는 GIS관련 프로그램으로서 각종 주제도의 제작, 편집, 중첩분석이 용이한 프로그램으로 각종 분석자료는 ArcView 3.2에서 통합관리하며 지속적인 주제도 제작 및 구축으로 지리산국립공원의 자연생태계 변화 관찰 시행

 

<주제도 구축>

출처 : 한국국립공원레인저협회

글쓴이 : 강병선 원글보기

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