다편파 산란계를 이용한 다편파 산란계를 이용한 벼 생육에 따른 후방산란계수 변화 벼 생육에 따른 후방산란계수 변화

분석분석

박지성 , 이은선지도교수 이훈열

강원대학교 지구물리학과

발표 순서발표 순서1. 연구 배경

2. 연구 목적

3. 기초이론 및 연구방법 - 벼의 생육 -후방산란계수 -산란계

4. 결과 및 해석

5. 결론

연구 배경연구 배경• 직접적인 접촉 없이도 관측대상의 특성을 파악할 수 있는

원격탐사 기술이 농업분야에서 주목 받고 있음

• 재 배 면 적 , 생 육 정 도 , 최 적 수 확 시 기 등 농 작 물 생육상태 , 벼의 작황 및 수확량 예측 등에 활용

• 마이크로파 L-band(1.27 GHz) 와 C-band(5.3 GHz), X-band(9.65 GHz) 의 다편파 산란계 시스템을 이용

• 벼의 생육에 따른 후방산란계수를 관측하고 , 초장 (Plant Height) 및 엽 면 적 지 수 (Leaf Area Index, LAI) 와 의 상관계수를 살펴봄

연구 목적연구 목적

• 세계 인구의 약 절반 이상이 주식으로 삼는 주요 농작물

• 적절한 물과 햇볕이 충분히 제공되는 환경에서 잘 자라며 물이 많은 열대 지방에서는 1 년에 두 번씩 추수

•파종 후 발아 - 생장 - 출수 -성숙의 단계를 거쳐 일생을 마침

•잎과 줄기 및 뿌리의 영양기관이 형성되고 커지는 영양생장기와 벼 알이 생겨나고 익는 생식생장기로 구분

기초이론 및 연구방법 기초이론 및 연구방법 - - 벼의 벼의 생육생육

초장•초장 (Plant height) : 벼의 길이

- 생육시기에 따라 시험포장에서 생육이 고른 3포기를 채취하여 생육측정자를 이용하여 초장 측정

엽면적지수•엽면적지수 (LAI) : 단위지표면적에서 자라고 있는 모든

잎들의 면 적 ( 양쪽이 아닌 한쪽 면 ) 의 합을 지표면적으로 나눈 비율 - LI-3100 Area meter(LI-COR Inc., USA) 를 이용하여 측정

• 농업과학기술원 답작 포장

- 북위 37°15′28.0″ - 동경 126°59′21.5″

연구지역

벼의 생육 변화 모습

(a) 5 월 25 일 ( 모내기 직후 )

(f) 10 월 11 일 ( 수확기)

(b) 6 월 19 일 (유효분얼기 )

(c) 7 월 27 일 (유수형성기 )

(d) 8 월 16 일 ( 출수기)

(e) 9 월 17 일 ( 황숙기)

시간에 따른 초장 및 LAI 의 변화 모습

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

DOY

Pla

nt h

eight

(cm

)

0

1

2

3

4

5

6

LAI

Plant height( )초장

LAI( )엽면적지수

• 마이크로파가 지표면에서 산란되어 안테나로 되돌아오는 신호

• 후방산란 : 수신 안테나에 도달하는 단위면적당 파워의 크기

• 지표면의 기하 , 거칠기 , 수분 함유량 등 지표면과 관련된 변수들과 안테나의 파장 , 입사각 , 편광 등 시스템과 관련된 변수들에 의하여 결정

• 마이크로파의 경우 짧은 파장에서는 표면 산란이 많이 발생하고 , 파장이 길어질수록 식물체의 줄기나 가지들로의 투과량이 커서 체적산란이 많이 발생

0

A

후방산란계수후방산란계수

0

A

- 후방산란계수

- 단위면적

2

3 4(4 )t t r

r

PGGP

R

rP

tP tG

rG

- 수신마이크로파 파워

- 송신마이크로파 파워

- 수신안테나의 이득

- 송신안테나의 이득

- 대상체의 후방산란 유효 면적 (Radar Cross Section, RCS)

• Dual-Polarization Square Horn 안테나 사용

• 입사각 : 20˚ ~ 60˚ (5˚ 간격 )

• 높이 : 4.16m

• 네트워크 분석기 - HP/AgiIent 8720D - 주파수 범위 : 20MHz ~ 20GHz

산란계산란계- 안테나 , 고정 스탠드 , 네트워크 분석기 , 노트북 컴퓨터 등으로 구성

Band중심주파수

(GHz)

대역(MHz)

파장(m)

거리해상도(m)

L 1.27 120 0.23 1.25

C 5.3 600 0.056 0.25

X 9.65 1000 0.031 0.15

• 네트워크 분석기를 사용하기 위하여 먼저 calibration kit 을 이용하여 각 band 마다 calibration 을 한 후 측정

• 각도 별로 8 회씩 측정하고 , 벼에서 산란되어 돌아오는 VV, VH, HV, HH 편파의 크기 (amplitude)와 위상 (phase) 정보를 동시에 얻음

• 8 회씩 측정한 것을 평균내고 , 그래프를 그려 신호가 나타나는 구간의 data 값 이용

• 각 밴드 별 , 각도 별 후방산란계수 추출

후방산란계수 추출

• 6 월 19 일 C-band 45°

- 0.0001

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

0.0008

0 10 20 30 40 50 60

range (m)

am

plit

ude

VV

VH

HV

HH

• 물에 의한 전반사로 인해 모내기 직후에는 매우 낮은 후방산란계수값을 보임

• 파장이 짧은 X-band 는 표면산란의 영향을 많이 받음

• 낟알이 익어감에 따라 그래프의 모습도 변화

1) 벼 군락의 생육에 따른 후방산란계수의 변화 ◈ X-band

결과 및 해석결과 및 해석

• 낟알에 의한 후방산란계수의 증가가 보이지 않음

• 파장의 길이가 X-band 보다 길기 때문에 체적산란의 영향을 받는 시기가 좀 더 지속되어 나타남

◈ C-band

• 파장이 다른 band 보다 길기 때문에 체적산란의 영향을 계속해서 받음

• VV 편파의 경우 계속해서 증가하는 양상이 나타남

◈ L-band

2) 각 band 별 후방산란계수와 초장 및 LAI 와의 상관도◈ X-band

• HH 편파에서 가장 높은 상관계수를 나타냄• VV 편파의 경우 상관계수가 매우 낮음

incidence angleVV HV HH

초장 LAI 초장 LAI 초장 LAI

20° 0.19 0.36 0.80 0.85 0.58 0.66

25° 0.47 0.62 0.72 0.75 0.61 0.70

30° 0.45 0.56 0.65 0.75 0.75 0.83

35° 0.58 0.69 0.73 0.80 0.85 0.90

40° 0.57 0.68 0.77 0.84 0.82 0.90

45° 0.42 0.49 0.77 0.84 0.78 0.86

50° 0.27 0.33 0.71 0.77 0.74 0.82

55° -0.28 -0.23 0.80 0.84 0.79 0.87

60° -0.47 -0.49 0.79 0.80 0.77 0.85

• 0.9 가 넘는 높은 상관계수를 보임• 25°~ 40° 까지는 HV, 45°~ 60° 까지는 HH 의 상관계수가 높게 나타남

incidence angleVV HV HH

초장 LAI 초장 LAI 초장 LAI

20° -0.41 -0.28 0.91 0.87 0.61 0.63

25° 0.73 0.72 0.97 0.94 0.53 0.50

30° 0.82 0.80 0.96 0.94 0.87 0.84

35° 0.76 0.71 0.95 0.95 0.93 0.87

40° 0.71 0.74 0.93 0.96 0.95 0.91

45° 0.64 0.76 0.91 0.92 0.94 0.90

50° 0.71 0.77 0.89 0.89 0.94 0.91

55° 0.63 0.72 0.85 0.87 0.95 0.96

60° 0.39 0.46 0.91 0.91 0.94 0.96

◈ C-band

• 다른 편파에 비해 HH 편파의 상관계수가 높게 나타남

incidence angleVV HV HH

초장 LAI 초장 LAI 초장 LAI

20° -0.60 -0.75 0.36 0.28 -0.39 -0.22

25° -0.15 -0.18 0.56 0.46 0.47 0.53

30° 0.25 0.22 0.59 0.48 -0.22 -0.34

35° -0.87 -0.77 0.71 0.63 -0.07 0.14

40° 0.77 0.63 0.76 0.69 0.71 0.74

45° 0.90 0.86 0.74 0.68 0.91 0.92

50° 0.92 0.82 0.75 0.71 0.95 0.97

55° 0.81 0.72 0.78 0.74 0.93 0.95

60° 0.82 0.83 0.72 0.69 0.84 0.88

◈ L-band

• 파장이 짧은 X-band 는 벼가 성장함에 따라 체적산란은 줄어들고 표면산란이 많이 발생하게 됨 ( 낟알의 출현 및 성숙과 민감하게 반응 )

• X-band 보다 파장이 긴 C-band 와 L-band 에서는 체적산란의 영향을 받는 시기가 좀더 지속되어 나타남

• 초장 및 LAI 와의 상관계수는 C-band 의 경우 작은 입사각에서는 HV편파에서 큰 입사각에서는 HH 편파에서 0.9 가 넘는 높은 값을 보였고 , L-band 에서는 큰 입사각의 HH 편파에서 높은 값을 보임

• X-band 와 초장 및 LAI 의 상관계수는 다른 band 에 비해 낮은 값을 나타내었고 , 특히 VV 편파에서의 상관계수가 가장 낮게 나타남

• 낟알의 출현과 관련하여 벼의 발아 - 출수 - 성숙 등의 시기별 변화관찰을 위해서는 X-band 를 , 초장 및 LAI 의 변화 관찰을 위해서는 C-band 또는 L-band 활용

결론결론

감사합니다