1. 서 론

최근 기후변화와 여름철 고온 등으로 인한 녹조현상, 각종 사고로 인한 화학물질 및 유류 유출 등 수질오염사고와 관련된 사회적 관심이 높아지고 있다. 그 중 화학사고로 인한 유해화학물질 유출은 접촉시 인체에 악영향을 끼치며, 대기·수질·토양을 오염시키고 주변 농작물의 변색이나 괴사를 유발하는 등 다양하고 복합적인 피해가 발생한다(You and Chung, 2014). 초기대응이 미흡한 경우 치명적인 환경재난으로 확대되기 때문에 발생 시 적절한 조치와 대응이 필요하며 피해복구에 전문적인 대응이 요구된다. 특히 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다. 이 경우 공장 화재 등 오염원이 확실한 경우가 아닐시 물고기 등 수중생물 폐사로 유출이 간접적으로 확인되기도 한다. 2018년 5월 11일 경상북도 영천시 보성공단의 세제제조업체에서 공장내 보관탱크에 보관중이던 13 m³의 차아염소산나트륨이 보관탱크의 이음부 파손으로 지하저장탱크에 약 10 m³가 유입되고 나머지 3 m³가 인근 농수로로 누출되었다. 이 사고로 인해 약 3 kg의 어류가 폐사하였으며 인근 주민들은 악취로 인한 호흡기 자극을 호소했다(ME, 2020). 산성의 화학물질이 수계로 누출되거나 산성비 형태의 간접적인 경로로 유입되면 히드로늄 이온(H₃O⁺)을 형성하여 수중 pH 저하를 유발한다. 산에 의한 손상 정도는 산 누출량, 물의 완충능력, 유량에 따른 희석속도에 따라 영향을 받으며 일반적으로 pH5 미만의 환경에서는 대부분 어류에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2013). 화학물질의 특성에 따라 수계에서 자연분해 되는 경우도 있으나, 반응이 일어나지 않는 물질일 경우 수계내 잔류로 인한 영향이 장기간 지속되어 하상 퇴적물에 흡착되거나 생물체 내에 축적되어 2차 피해를 야기한다.

화학사고 발생으로 유출된 유해화학물질로 인한 국민건강 및 환경상의 위해를 예방하기 위해 환경부에서는 화학물질관리법과 화학물질 등록 및 평가에 관한 법률을 제정하여 유해화학물질을 관리하고, 화학사고대응정보시스템(Chemical Accident Response Information System, CARIS)의 운영으로 화학물질로 인한 사고·테러 발생 시 대응기관에 화학물질정보와 취급업체정보, 피해예측범위 산정결과를 제공하고 있다(NICS, 2020). 또한, 2012년 9월 구미에서 발생한 불산 유출사고를 계기로 화학사고의 예방과 체계적 대응을 위해 전담기구인 화학물질안전원을 설립해 화학사고/테러대응, 화학사고 예방, 화학사고/테러관련연구를 수행하고 있다. 관계법령의 수립과 전문기관의 설립의 영향으로 최근 6년간 화학사고 발생건수는 2014년 129건, 2015년 113건, 2016년 78건, 2017년 87건, 2018년 66건, 2019년 57건으로 감소하는 추세를 보이고 있다(ME, 2020). 그러나 사고 발생시 화학물질의 탐지는 간이탐지장비인 pH 페이퍼, 간이식별탐지키트, 검지관식탐지장비, 전자식탐지장비인 휴대용이온분광기, 휴대용FT-IR 등을 사용하여 직접 탐지하기 때문에 현장 인력에 의존적이며 설치식 검출센서 또한 화학물질의 유출이 우려되는 곳에 제한적으로 설치되어 미설치 지역에 대한 능동적 탐지가 어렵고, 지점 측정방식으로 하천 등에 유출된 화학물질의 공간적 분포 탐지가 불가능하여 초동 대응에 한계가 있다. 또한 이러한 접촉식 측정 방식은 독성 화학물질인 경우 장비 설치 및 상태확인 등 장비 운영에 위험성을 수반한다. 따라서, 원격탐사와 같은 비접촉식으로 안전하며 드론 등에 탑재운영하여 공간적 범위의 수중 화학물질 유출 식별 및 탐지 기술 개발에 대한 필요성이 제기되고 있다. 특히 최근 위성이나 항공기 및 드론 등에 탑재되어 운용가능한 초분광영상은 위성이나 항공기 및 드론에 탑재하여 토지 피복, 지질 상태, 작물의 생장 및 질병의 유무 및 토양의 수분 함유도 등의 연구에서 시작되어 최근에는 국방, 의료, 식품, 농업, 지질 및 광물 분야 및 환경분야 등 넓은 분야에서 다양하게 활용되고 있는데 화학물질 탐지 가능성에도 활용할 수 있다. 좀 더 구체적으로 하천환경에서도 초분광 영상은 위성영상이나 드론영상을 통해 하천의 수리량을 해석하고자 할 때 활용되기 시작하였다. 항공 및 위성 원격탐사에 초분광영상을 활용하여 강의 수질(Chl-a, TSS, Tubidity)등을 모니터링하는 방법론을 개발하는 연구(Kisevic et al., 2016)사례가 있으며, 물 반사율의 현장 측정을 기반으로 한 수질(Chl-a, CDOM, TSS)의 초분광 원격감지 알고리즘을 개발(Fan, 2014)하는 사례도 있었다. 또한, 드론기반 초분광 영상을 활용하여 하천 수심 계측 기술을 개발(You, 2018)하는 등의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 하천으로 유해화학물질이 유출되는 상황에서 드론에 탑재되어 촬영된 초분광 영상을 기반으로 용해 또는 부유하는 화학물질을 식별 및 탐지하고자 한다. 초분광영상을 물질 식별에 활용할 때 탐지 및 분류하고자 하는 대상에 따라 고유 분광라이브러리를 구축하는 것은 핵심이다. 그러나 기존에 수행되었던 초분광 라이브러리는 일반적으로 광물, 토양, 식생, 인공물, 액체 등의 단일 대상물 분광라이브러리를 구축 후 사용되었으나(Yang and Cho, 2019), 하천수와 섞여 있는 화학물질과 같이 용매에 기저한 물질에 대한 라이브러리 구축에 참고할 만한 사례는 드물었다. 화학물질은 아니지만 액상의 특정 물질의 분광 라이브러리 구축 사례로는 USGS (Kokaly et al., 2017), Johns Hopkins University (Baldride et al., 2009), NASA (Baldridge et al., 2009)와 The ECOSTRESS spectral library version 1.0 (Meerdink et al., 2019) 등이 있었다. 구체적으로 예를 들어 보면, USGS (Kokaly et al., 2017)에서 구축한 물 용매에 혼합된 Montmor (4종), H₂O Ice (1종), Melting snow (16종), Red Coated Algea Water (1종), Seawater Open Ocean (1종), Seawater Coast Chl (1종)과 JHU (9종)의 Frost, Ice, Distilled Water, Sea Foam, Sea water, Coarse Granular Snow, Fine Snow, Medium Granular Snow, Tap water에 대해 시료를 채취하여 실내 분광계로 수집한 분광정보를 기반으로 고유 분광라이브러리를 구축한 바 있다. 그러나 문제는 USGS 사례를 포함한 다른 경우에서도 시료를 실내 분광계 기반으로 분광라이브러리 사례가 주를 이루고 있어, 정확하게는 실제 본 연구에서 추구하고자 하는 태양광 상태 자연하천에서 적용 가능한 물 용매 포함 분광라이브러리는 아니었다. 따라서 하천수 용매에 부유 혹은 혼합된 유해화학물질의 분광 라이브러리 구축상 다음과 같은 문제가 제기되었다.

첫째, 용해된 물질에 비해 하천수와 같은 용매의 부피가 상대적으로 매우 큰 관계로 분광특성도 용매의 특성에 지배되어 화학물질 간 구분이 잘 되지 않아 고유라이브러리로서의 용도가 약하게 될 수 있었다. 둘째, 라이브러리를 구축할 경우 초분광 장비 및 야외 촬영조건의 영향을 어떻게 감안할 것인가이다. 셋째, 기존 분광 라이브러리 구축 관련 참고문헌에서는 구축 시 표준화된 절차를 제시하지 않고, 시료를 실내 분광기 혹은 지점식 분광복사계, 항공 초분광 카메라로 촬영한 스펙트럼을 라이브러리로 제시하였다. 따라서, 드론탑재가 가능한 경량의 초분광 카메라를 이용하여 하천수에 포함된 화학물질의 라이브러리를 구축할 때 적용할 표준화된 방법이 없었다. 넷째, 드론 등에 탑재되어 운용되는 초분광 카메라는 일반적으로 수백개의 화소로 이루어진 선을 초당 수십회로 주사하여 동일한 물질이라도 촬영된 화소는 공간적으로 복수로 존재하므로 지점식으로 단일 화소를 제공해주었던 실내 분광계나 지점식 분광복사계와 비교하여 훨씬 많은 화소에서 분광정보를 제공하여 취사선택이나 단일 분광 라이브러리를 뽑아내기 위한 평균이나 이상치 제거 등의 추가 알고리즘이 필요하였다. 종합적으로 초분광 영상을 하천수에 포함된 화학물질 식별에 활용하는 데 근간이 되는 고유분광 라이브러리가 없음을 확인하였고, 구축하는 표준 절차와 방법도 기존 연구에는 불분명하였다. 이는 초분광 영상을 드론에 탑재하여 본격적으로 운용하기 시작한 시점이 최근 2 ~ 3년내이므로 활용이 시작되고 있는 단계에서 아직 전반적인 활용체계가 구축되지 않았다고 볼 수 있다. 분광라이브러리 구축을 위한 정형화된 절차의 정립이 필요하였다.

따라서 본 연구에서는 드론에 탑재하는 선주사 방식의 초분광센서를 기반으로 실험대상으로 선정한 대표적인 18종의 유해화학물질이 하천수에 용해 또는 부유한 상태에서 고유분광 라이브러리를 구축하는 표준화된 일련의 과정을 제안하고 고유분광라이브러리를 구축하여 제시하고자 하였다. 초분광 영상은 야외에서 하천수에 주입된 18종의 유해화학물질을 용기에 담아 고안된 초분광 지상촬영 장비를 통해 확보하였다. 분석하는 과정에서 하천수에 혼합된 화학물질이 초분광 영상으로 상호 구분이 가능한지 확인하고 수집된 각각의 화학물질의 고유 분광특성을 표준화하여 화학물질별 고유 분광라이브러리를 구축하였다. 또한, 하천수를 대상으로 화학물질의 분광라이브러리 구축을 위해 개발한 표준절차 제시와 함께 표준 절차 단계별 초분광 영상 분석 및 라이브러리 구축을 실행할 수 있는 후처리 전용 소프트웨어도 개발하였다.

2. 연구대상 하천 및 유해화학물질

고유분광라이브러리 구축을 위해 수급한 유해화학물질은 고농도의 원액에 가까운 위험물이기 때문에 하천수에 혼합된 유해화학물질의 분광 라이브러리를 구축하기 위하여 본 연구에서는 경상북도 김천시 덕곡동에 위치한 낙동강수계의 감천에서 채수하여 유해화학물질 용액 제조에 사용하였다. 감천은 상류에 공단 및 산업단지가 구성되어 있으며, 2006년 7월 낙동강 주요 취수장서 퍼클로레이트가 검출된 사고와 2008년 3월 김천 코오롱 유화에서 화재사고로 인해 유출된 페놀이 구미광역정수장에서 검출된 사례가 있어 실제 수질오염사고 중 화학물질 유출 발생이 우려되는 지역이므로 본 연구의 시험하천으로 선정하였다.

본 연구에서는 국립환경연구원에서 제시한 테러 가능 물질 38종 중 국내반입이 가능하고 안정성이 보장된 물질 18종을 대상으로 연구를 수행하였다(Table 1). 선정된 유해화학물질은 유기물질 5종, 무기물질 13종이며 샘플시료로 제작한 3,000 ppm 농도의 유해화학물질의 pH별 분류는 산성 8종, 중성 7종, 염기성 3종이다. 연구대상으로 선정된 18종의 유해화학물질은 각각 물질의 분자량과 순도를 고려하여 증류수에 희석해 0.5M의 Stoke solution으로 제조하였다. 제조된 0.5M Stoke solution을 연구대상 하천의 하천수를 이용하여 3,000 ppm으로 희석해 시료를 제조하였다. 본 연구의 목적은 화학물질이 초분광 영상으로 상호 구분이 가능한지 확인하는 것이기 때문에 18종의 화학물질을 동일한 농도로 제조하여 시료로 사용하였다.

초분광영상을 촬영하기 위해 준비한 시료는 안정성이 확보되고, 구면에서 발생하는 빛의 산란을 최소화 할 수 있도록 유리 재질의 덮개가 있는 넓고 얕은 용기로 선택하였다. 플라스틱 용기의 경우 변질 우려가 있고, 실험실에서 흔히 사용하는 비커의 경우 세로로 긴 형태이기 때문에 용기 벽에 표기된 눈금으로 인해 그림자가 발생할 수 있으며, 구면으로 된 용기의 벽에서 빛이 산란되어 반사도를 과다하게 높일 가능성이 있고, 덮개가 없기 때문에 유해화학물질을 취급하기에 어려운점이 있다. 따라서 덮개가 있는 지름 80 mm, 높이 45 mm의 크리스탈라이징 디쉬에 250 mL씩 취해 초분광영상 촬영 대상으로 하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Preparation of hazardous chemicals

3. 분광자료 수집

분광자료를 수집하는 장비에는 분광계(Spectrometer), 분광복사계(Spectroradiometer), 초분광 센서(Hyperspectral Sensor)가 있다. 분광계는 실내에서 특정 광원을 발생시켜 샘플에 직접 투과하여 측정하는 Active 방식이며, 분광복사계는 물체가 자연광(태양)을 흡수 한 후 반사하는 빛의 정보를 수집하는 Passive 방식의 장비이다. 분광계와 분광복사계는 일반적으로 주사되는 분광신호를 시간평균하여 1회 촬영시 1개의 분광정보를 제공한다. 이에 비해 본 연구에서 이용한 초분광센서는 드론에 장착하여 물체가 자연광(태양)을 흡수하여 반사하는 빛의 정보를 수집하는 Passive 방식이며 초당 120회 선주사를 하는 방식이다. 초분광영상 수집을 위해 사용한 초분광 센서는 Fig. 2(a)에 나타난 바와 같이 Corning사의 microHSI 410 SHARK를 활용하였다(Corning, 2017). 지정된 초분광센서는 파장대가 VNIR (Visible and Near-infrared) 400 ~ 1,000 nm, 분광해상도가 4 nm로 모두 150개의 분광정보를 제공한다. 센서 크기는 렌즈포함 13.6 cm × 8.7 cm × 7.0 cm, 중량은 0.68 kg로 다른 초분광장비에 비해 상대적으로 경량이므로 드론에 탑재되어 운용되기 용이하고 대당 가격도 대략 5천 ~ 6천만원으로 비교적 저렴한 편이라 실무 활용이 기대되는 장비이다. microHSI 410 SHARK의 분광정보 수집 방식은 라인스캐닝(Liner Scanning)으로 라인스캐닝 방식 중 푸시 브룸(Push Broom) 방식으로 다수의 광학 센서를 선형으로 배치해 프리즘을 통해 들어오는 빛을 공간적으로 기록한다(Fowler, 2014). 본 장비는 GPS 및 IMU (Inertial Measurement Unit)가 내장되어 드론 장착 시 공간적 경로 추적을 용이하게 하였으며, Kalman 필터로 측정값의 오차를 제거한다. 촬영 각도는 29.5도로 주사선 당 682개 화소를 300 Hz의 측정빈도로 수집이 가능하다. 라인스캐닝 기술을 통해 촬영된 초분광 영상은 매 촬영 시간에 수집되는 분광특성을 공간적으로 선형으로 저장하고 플랫폼이 이동하는 경로의 선형으로 저장된 분광특성이 기록됨으로써 최종적으로 공간을 측정할 수 있게 된다(Fig. 2(b)). 예를 들어, 고도 150 m에서 운용할 경우 지상 약 75 m 길이의 라인에서 11 cm 크기 684개 화소로 150개 파장의 분광 스펙트럼 정보를 얻을 수 있으며, 일정한 속도로 움직이는 드론 경로를 따를 경우 공간해상도 11 cm 크기 2차원 공간에서의 초분광 데이터큐브를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 라이브러리 구축 목적이므로 드론을 운반체로 이용하는 대신 라인스캐닝 방식에 따라 이동식 촬영이 가능하도록 약 1.4 m 높이의 이동식 거치대에 초분광센서를 탑재하여 유해화학물질 샘플을 촬영하였다(Fig. 2(c)). 초분광 카메라가 탑재된 거치대는 Fig. 2(d)와 같이 일정한 속도로 이동시켜 선주사하여 Fig. 2(e)와 같이 다양한 화학물질 샘플들을 거의 동시에 같은 자연광 조건에서 촬영할 수 있었다. 드론이나 지상거치대에 탑재된 초분광 카메라는 특히 선주사 방식으로 인해 바람, 비행진동, 촬영각도, 비행경로 전환 시 발생하는 기체의 흔들림에 기존 비교적 안정적인 유인항공기에 비해 매우 민감하게 반응하여 적절하게 후처리되지 않으면 초분광 영상 생성에 어려움이 컸다. 이런 이유로 많은 경우 드론 탑재 초분광 카메라로 적절한 영상정합에 실패해서 적절한 초분광 영상 자체를 확보하지 못한 경우가 속출하였다. 이 경우, 흔들림 자체의 수학적보정 뿐만아니라 흔들림 자체를 최소화해줄 수 있는 짐벌의 설치가 필수적이었다. 본 연구에서는 DJI사의 RONIN-MX (Figs. 2(b) and 2(c))를 적용하여 흔들림이 최소화된 초분광 원시자료를 취득하였고 결과는 Fig. 2(e)와 같이 안정적인 영상을 획득 할 수 있었다. 또한, 바닥재료에 의한 영향을 최소화하기 위하여 촬영 대상 샘플 아래에 백색 A4용지를 설치하였다.

Fig. 2.

Hyperspectral imaging equipment and acquired hyperspectral image

본 연구에서는 하천에 유출가능한 유해화학물질의 분광 라이브러리를 Figs. 1 and 2에 제시된 화학물질 시료와 초분광 촬영 조건에서 2019년 10월 16일 태양각 고도가 높은 오후 1시 30분에 촬영된 초분광 영상으로부터 구축하였다. 촬영일에는 원활한 광원의 확보가 이루어졌으며, 유해한 화학시료 운반이 비교적 안전적이고 접근성이 용이한 건물의 옥상에서 촬영하였다. 촬영일자의 기온은 15.3℃ (9.9℃ ~ 22.4℃), 상대습도는 72.6%, 태양 방위각은 215°53′ 18.25″, 고도는 38°54′ 12.9″로 나타났다.

분광계와 분광복사계는 광원의 빛의 세기와 물체로부터 반사되는 빛의 세기를 측정하여 비교적 정확한 반사도 값을 산정할 수 있다. 하지만 초분광센서는 소수점으로 표현되는 빛의 세기를 센서내에서 저장할 수 없기 때문에 이미지 저장 단계에서 정규화된 디지털 숫자인 DN (Digital Number)으로 저장하며, 본 연구에서 활용한 초분광센서(microHSI)에서는 장비 자체적으로 채택한 NUC (Non-Uniformity Correction) 과정을 거친 W/m²/sr의 단위를 가지는 휘도(Radiance)로도 저장된다. 따라서, DN값으로 분광정보를 추출 했을 때는 반사되는 실제 빛의 세기인 Radiance로 환산하여 이용해야 한다. 초분광센서를 통해 기록되는 빛의 세기인 휘도(Radiance)는 광원에 영향을 받는다. 물질로 입사되는 광원의 세기가 클수록 물질에서 다시 반사되는 휘도 또한 커지고, 반대로 광원의 세기가 작을수록 반사되는 휘도가 작아진다. 이러한 광원의 세기에 대한 영향을 받지 않고 휘도의 특성을 보유하는 반사도(Reflectance)를 활용해야한다. 표준 참조 패널(Spectralon)인 99.9%의 반사도를 갖는 백색판(White Plate) (Fig. 3)의 분광정보를 활용할 경우 휘도로부터 도출되는 반사도는 Eq. (1)과 같이 표현 할 수 있다.

Fig. 3.

Irradiance, Radiance, Reflectance

촬영된 화학물질로부터 Fig. 4(a)와 같이 용기 중앙의 100개 픽셀로부터 추출된 반사도로 표출된 원시 분광 스펙트럼은 Fig. 4(b)로 나타난다. 화학물질별로 미세하게 차이가 나나, 전반적으로 Figs. 4(b) ~ 4(d)에 나타난 바와 같이 하천수에 섞인 화학물질은 서로간 차이가 매우 미미함을 알 수 있다. 또한 기존 실험실 내 인공조명을 통해 분광계(지점 및 시간평균)로부터 확보된 통상의 분광라이브러리는 하나의 분광스펙트럼을 제공해주므로 별도의 표준화된 가공 절차 없이 그 자체로 물질 간 구분이 가능한 분광라이브러리로서의 역할을 수행할 수 있다. 그러나, 본 접근방식과 같이 선주사 방식의 초분광 카메라로부터 하나의 시료에서 다수의 분광스펙트럼이 취득가능하고(예: 100개 스펙트럼), 하천수와 같은 용매가 라이브러리 구축 대상인 화학물질에 비해 매우 강한 반사도를 가지고 있는 경우, Fig. 4에 나타난 원시 분광스펙트럼을 곧바로 화학물질 라이브러리로 간주하면, 추후 식별 등에 활용할 수 있는 활용도가 매우 낮아질 수 있다. 따라서, 다음과 같은 분광 라이브러리 구축에 필요한 원칙을 정했다.

첫째, 화학물질이 용해되어 있는 하천수 자체의 분광 특성이 강하고, 개별 하천수 마다 분광특성이 상이할 수 있으므로 화학물질의 표준분광 라이브러리 구축 시 하천수 분광특성은 제거해야 한다. 둘째, 지점 분광복사계와 달리 면단위를 기록한 초분광 영상으로부터 표준 분광라이브러리 구축 시 초분광 데이터큐브에서 복수의 분광스펙트럼을 추출하여 후처리해 평균화된 고유 분광라이브러리를 구축하는 과정이 필요하다. 셋째, 초분광 촬영 시 태양광 강도, 각도 등 각종 현장 조건에 따라 동일 조건의 하천수에 용해된 화학물질도 다소 상이한 분광특성을 보일 수 있으므로 반사도(reflectance)로 전환 시 절대 반사도가 알려진 복수의 반사천을 활용한 방사보정을 통해 표준화된 정량화가 필요하다. 넷째, 화학물질의 농도 및 태양광 세기 등에 의해 동일 화학물질의 분광 스펙트럼 패턴이 유사하더라도 반사도 강도의 차이가 나타나 적절하게 표준화시켜주는 과정을 거치지 않으면 추후 식별 등에 활용가능한 라이브러리 구축이 어려울 수 있다. 결과적으로 드론에 탑재되어 현장에서 수집되는 초분광 영상으로부터 하천수 용해된 화학물질을 식별하기 위한 화학물질별 고유분광 라이브러리 구축을 위해서는 기존 라이브러리 구축방식 외에 새로운 표준화된 절차를 정립할 필요가 있다. 본 연구의 핵심은 위와 같은 필요성에 근거하여 표준 라이브러리 구축 절차 및 방안을 제시하는 데 있다.

Fig. 4.

Example of spectral extraction and extracted spectral spectrum

4. 분광라이브러리 구축 절차 및 방안 제시

4.1 방사보정(Radiometric Calibration)식 도출

초분광영상을 적절하게 사용하기 위해서는 대기흡수와 산란 효과를 제거하는 방사보정을 수행해야 한다. 일반적으로 이 과정은 대기효과를 제거하는 것 이외에 초분광 자료를 센서의 복사휘도(Radiance)에서 반사도(Reflectance)로 변환시키는 것을 포함한다(Mustard et al., 2001). 초분광센서로 대상체의 분광 자료를 수집하는 시간과 유사하게 지상에서 분광복사계를 이용해 분광복사 측정값을 수집하는 것이 바람직하다(McCoy, 2005). 하지만 원격탐사 수행시에는 현장으로의 접근이 어렵고, 초분광센서와 분광복사계 두가지 장비의 동시 운용이 어려울 수 있기 때문에 표준 참조 패널(Spectralon)이나, 보정용 패널을 이용하여 분광 자료를 반사도로 변환시킨다. 또한, 초분광 영상 촬영 당시의 광량 및 장비 조건에 따라 동일한 화학물질에 대해서도 상이한 결과가 도출될 수 있으므로 측정값(DN, Radiance)을 반사도(Reflectance)로 변환할 때 기준이 되는 참조값이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 초분광영상 촬영 시 보정용 패널로 55%, 44%, 22%, 5%의 단계적인 표준 반사도를 갖는 특수 소재로 제작된 반사천(Fig. 5(a))을 함께 촬영하여 초분광센서로 기록된 휘도(Radiance)를 반사도(Reflectance)로 전환하는 방사보정을 수행하였다. 사용된 반사천은 정확한 반사도를 이미 알고 있으므로 화학물질의 초분광 영상 촬영과 동일한 조건에서 촬영하여 관계식을 구축하면 0 ~ 100% 반사도 관계로 정치시킬 수 있다. 여기에서 주목해야 할 부분은 사용된 초분광센서(microHSI)는 400 ~ 1,000 nm 파장대에서 4 nm 간격으로 모두 150개의 분광정보를 빛의 세기인 DN (혹은 Radiance) 형태의 자료로 제공한다. 반사천은 150개 모든 파장대에서 실제 반사도가 정해진 값이다라는 것이다. 예를 들어, 55% 반사천에서는 모든 파장대의 반사도가 이 값으로 나타난다. 본 연구에서는 Passive 방식의 분광정보 수집 장비 중 오랜 연구가 수행 되어오고 있고, 신뢰도 높은 장비인 분광복사계(PSR-2500)를 사용하여 실제 측정값을 우선 검증해 보았다(Fig. 5(b)). 400 ~ 420 nm 부근 일부를 제외한 대부분 파장대에서 반사천이 제공하는 값과 거의 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다. 그러나, 본 연구에서 라이브러리 구축을 위해 사용한 초분광센서(microHSI)로 수집한 반사천의 분광정보는 Fig. 5(c)와 같이 분광복사계 자료와는 다르게 520 nm 까지 상승하는 추세를 보이고, 700 nm의 파장대부터는 일정한 반사도를 보이지 않는 것을 확인 할 수 있었다.

따라서, 분광복사계의 분광정보를 참값으로 간주하고 비슷한 경향을 보이도록 420 nm 파장까지의 반사도는 정규분포를 따라 모델링을 하였으며, 420 nm 이상의 파장에서는 일정한 반사도를 나타내도록 방사보정을 수행하였다(Fig. 5(d)). 400 ~ 420 nm의 파장대에서 분광복사계 측정값을 따라 상승하도록 정규분포로 모델링을 적용한 관계식은 Eq. (2)와 같다.

여기서 $\mu$는 평균, ${\sigma }^2$은 분산이다. 단, ${\lambda }_t$에서 R값을 가져야 하므로 $\frac{1}{\sqrt{2\pi {\sigma }^2}}exp\left(\sigma \right)=R$을 만족해야 한다. 본 연구에서는 Fig. 5(d)와 Eq. (3)과 같이 실제 분광기의 분광정보를 활용하여 $\sigma$를 산정하여 방사보정에 적용하였다.

위와 같은 방사보정은 초분광센서로부터 수집된 150개 파장의 분광스펙트럼에 대해 모두 수행하였으며, 그 결과는 Table 2에 제시하였다. Fig. 5(e)는 파장 597.66 nm (No. 45, Table 2)에서 휘도(Radiance)를 반사도(R)로 변환식을 도출한 결과를 사례로 제시하였다. 4.1절에서 제시한 방사보정 기법을 기반으로 150개 파장에서 각각 구축된 관계식을 촬영된 초분광영상 전체(pixels)에 적용하여 방사보정을 완료하였다. 방사보정의 전 과정은 전용 S/W 개발로 코드화하여 추후 라이브러리 구축 시 편리를 도모하였다.

Fig. 5.

Derivation of radiometric calibration equation of hyperspectral image using reflectance tarps

4.2 분광 스펙트럼 추출

사실 방사보정은 초반 420 nm까지 보정하는 과정을 제시한 것을 제외하면 대체적으로 초분광 영상을 활용할 때 적용되는 과정이라, 화학물질 라이브러리 구축에만 나타나는 독특한 제작 절차라 하기는 힘들다. 그러나 하천수에 용해된 화학물질을 담는 용기의 크기와 하천수 깊이 및 추출할 경우 선택할 화소의 위치와 개수는 표준화된 절차의 일환으로 제시되어야 한다. 본 연구에서는 방사보정된 초분광영상에서 유해화학물질이 담긴 비커의 다지점(pixels)의 분광정보(Reflectance)를 추출하였다. 이때, 용기(유리)의 곡면으로 인해 산란된 빛의 영향이 없는 부분으로 선정하였으며, 추후 유효성 검토를 통해 이상치를 제거할 것을 고려해 100개 이상의 지점을 선택해서 분광정보를 추출하였다(Fig. 6(a)). 추출한 반사도는 하천수와 화학물질이 혼합된 시료의 반사도이며 하천수와 불산 혼합시료 100개 지점의 분광정보는 Fig. 6(b)와 같다. 본 연구의 원활한 수행을 위하여 개발한 소프트웨어에서 분광 스펙트럼을 추출하고 방사보정을 수행하는 장면은 Figs 6(c) and 6(d)와 같다.

Fig. 6.

Spectral spectrum extraction

4.3 하천수 분광정보 제거

초분광영상으로 수집되는 액체의 휘도는 바닥반사, 물기둥에 의한 흡수, 수표면 반사, 대기에 의한 흡수를 포함하며 Eq. (4)와 같이 나타낼 수 있다(Legleiter et al., 2009).

여기서, $\lambda$는 파장, L_T는 총 휘도, L_b는 바닥 반사, L_c는 물기둥에 의한 흡수, L_s는 수표면 반사, L_p는 대기에 의한 흡수이다. 물기둥에 의한 흡수, 수표면 반사, 대기에 의한 흡수의 총 합은 바닥에 의해 반사된 휘도의 총합보다 적기 때문에 액체의 휘도는 바닥반사에 지배적이라고 할 수 있다.

시료의 특성을 제외한 나머지 조건들로 인한 휘도의 영향을 제외하기 위하여 본 연구에서는 바닥(Base)이라고 할 수 있는 시료와 동일한 조건에서 촬영한 하천수(용매)의 반사도 값을 혼합물의 반사도에서 제거해줌으로써 유해화학물질의 특성을 분리해내었으며 그 관계식은 Eq. (5)와 같다.

여기서, $\lambda$는 파장, R_object는 하천수와 유해화학물질 혼합물의 반사도이며, R_base는 하천수의 반사도이다. Eq. (5)와 같이 유해화학물질의 특성을 분리해내는 과정을 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7.

Separation of the reflectance of hazardous chemicals in the mixture

4.4 추출 자료 이상치 제거

화학물질의 특성이 추출 된 100개 분광 스펙트럼 중 유효한 자료만 선택하기 위하여 Friedman (1984a, b)의 Super Smoother와 표준편차를 이용하였다. 각 스펙트럼에서 특정 파장의 반사도를 추출하여 표준편차를 구하고, Super Smoother를 적용한 반사도 값에서 신뢰도 구간 99.73% 이내의 $\pm 3\sigma \left(\lambda \right)$자료만을 남기고, 아웃라이어에 해당하는 반사도를 포함한 스펙트럼을 제거한다. 유효 반사도 범위는 Eq. (6)의 식으로 표현할 수 있으며, 브롬의 경우 각 파장에 대한 유효 반사도 산정결과는 Table 3과 같이 도출되었으며, Fig. 8에 유효 반사도 범위와 제거되어야 하는 분광 스펙트럼을 나타내었다.

Fig. 8.

Example of outlier removal (Bromine)

여기서, $\lambda$는 파장, R_SS는 Super Smoother 처리된 화학물질의 반사도를 나타낸다.

4.5 Super Smoothing

하천 수리량 분석시 계측자료의 무작위 거동에 의한 변동을 제거하고 국지적 경향을 반영한 다음 전체적인 추세를 도출하는 평활화(smoothing) 기법을 사용하는데, 본 연구에서는 이변량 자료를 탄력적 대역폭으로 나누어 각각의 구간에서 가중선형회귀(weighted linear regression)를 적용하여 최확값을 산출하고 주어진 간격(span)에서 동일한 작업을 반복하여 최확값들을 추정하고 이들을 연결하여 평활화된 추세곡선을 구하는 Friedman (1984a, b)의 Super Smoother를 사용하였다. 대역폭은 국소적 패턴(local pattern)을 추정하기 위한 수단으로 사용되며, 대역폭이 지나치게 크면 회귀함수가 직선에 가까운 밋밋한 곡선이 되고(과소적합, under-fitting), 작게하면 회귀함수가 휜 정도가 큰 곡선이 된다(과다적합, over-fitting). 따라서 본 연구에서는 파장별 반사도 값을 최대한 유지하고 무작위 거동에 의한 변동을 제거하고 국지적인 경향을 반영하기 위하여 대역폭(최적 너비 크기)을 작게 설정하여 적용하였다.

산점도에서 임의의 $x_i$위치에서의 평활화된 값 (혹은 최확값)인 $\hat{f}\left(x_i\right)$는 다음과 같이 최소제곱법을 활용한 국부적인 회귀분석을 통해 추정된다.

여기서 N은 $x_i$ 주위의 국지적인 대역폭을 의미하고 LOWESS에서는 고정값을 Super Smoother에서는 위치마다 최적화되도록 한다. 만약 특정 대역폭 J가 주어지고, 대역폭 내 변수의 개수가 N이면 국지적 선형회귀추적자는 다음 Eq. (8)과 같다.

여기서 $\hat{\alpha }$과 $\hat{\beta }$는 $i_{-J/2},...,i_{+J/2}$에서 존재하는 국지적인 자료의 선형회귀로 구해질 수 있고, ${\hat{y}}_i$은 위치 $x_i$에 해당하는 평활화된 최확값이 된다. 대역폭 J가 고정되는 LOWESS는 여기에서 종료되나 변동되는 Super Smoother는 다음과 같은 추가적인 작업이 소요된다.

국지적으로 적합화된 대역폭(locally adaptive bandwidth)과 연동되는 평활화된 최확값을 산출하기 위해 Friedman’s Super Smoother는 $x$ 위치에서 관측값 $y=f\left(x\right)$와 대역폭을 $J\left(x\right)$라 할 때, Eq. (9)과 같이 추정 오차의 제곱이 최소가 되도록 하는 $J\left(x\right)$와 $f\left(x\right)$를 산출한다는 데 기본적인 원리를 두고 있다.

Eq. (9)을 최소화하기 위해 Super Smoother는 전체 자료수가 n인 경우, $0<J<n$ 사이의 다양한 크기의 초기 고정 대역폭(J)에 대해 Eq. (8)을 적용하여 복수의 평활화된 최확값 $f\left(x\right)$를 계산하고, 각각의 대역폭 J에 대해 다음과 같은 형태의 잔차(cross-validated residual)를 산정한다.

이때, $V_J=\frac{1}{n}\sum _{j=i-J/2}^{i+J/2}{\left(x_i-{\overline{x}}_J\right)}^2,{\overline{x}}_J=\frac{1}{J}\sum _{j=i-J/2}^{i+J/2}{x}_i$이다.

그리고, $J=0.2n$의 대역폭을 가진 $x_i$에 대해 Eq. (10)을 활용하여 도출된 $\left|r_{\left(i\right)\left(J\right)}\right|$를 평활화(smooth)한 결과로 $\hat{e}(f,J|x_i)$를 도출하고, 각각 점에서 최적 대역폭(optimal bendwidth), $J_{cv}\left(x_i\right)$을 산정하기 위해 다음 Eq. (10)을 사용한다. 식 Eq. (11)은 특정 $x_i$에서 복수의 대역폭 J에 대한 도출된 최확오차 $\hat{e}$들 중 ${\hat{e}}_{\min }$에 해당되는 J값이 곧 최적 대역폭 J_cv이 된다는 의미이다.

각 $x_i$에 대한 $J_{cv}\left(x_i\right)$는 다시 J = 0.2 n 대역폭으로 평활화된 다음, 초기 투입된 대역폭들 중 $J_{cv}\left(x_i\right)$와 가까운 대역폭을 Eq. (12)와 같이 선택한다.

그리고, 미리 구해둔 $x_i$에 대해 선택된 두 초기 대역폭 J_i1, J_i2에 해당하는 평활화된 최확값을 각각 $y_{i1}^{*},y_{i2}^{*}$라 할 때, 두 값을 활용하고 선형보간을 통해 $y_i^{*}$를 다음과 같이 구한다.

$x_i$에 해당하는 최종 평활화된 최확값 $y_i^{*}$은 다시 J = 0.5 n 대역폭으로 평활화된 값을 사용한다.

본 연구대상 화학물질인 브롬의 경우, 4.4절에서 제시한 추출 자료 이상치 제거 후의 분광 스펙트럼은 Fig. 9(a)와 같으며, Super Smoother를 적용하여 브롬의 분광 스펙트럼 추세를 도출해낸 결과는 Fig. 9(b)와 같다.

Fig. 9.

Example applying Super Smoother (Bromine)

4.6 Vector Normalization

유해화학물질들의 분광 스펙트럼들을 최종 라이브러리로 구축하고 각각의 유해화학물질을 상호 비교하는 것이 가능하도록 각각의 유해화학물질 분광 스펙트럼의 강도를 일치시키기 위하여 Vector Normalization을 수행하였다.

Super Smoother를 통해 도출된 하나의 분광 스펙트럼의 파장별 반사도 값을 Eq. (14)를 통하여 벡터화된 반사도의 크기를 산정한다.

여기서, I는 벡터화된 반사도의 크기, ${\lambda }_{\max }$는 최대파장, ${\lambda }_{\min }$는 최소파장, $R\left(\lambda \right)$는 반사도를 나타내며, Eq. (14)을 통하여 구한 벡터화된 반사도의 크기를 이용하여 최종적으로 Vector Normalize된 반사도를 산정한다.

여기서, $R^{\text{'}}\left(\lambda \right)$은 Vector Normalize된 반사도를 나타낸다. 해당 과정을 통하여 최종적으로 라이브러리 구축에 이용되는 Vector Normalized Reflectance를 도출하게 되며, Vector Normalization의 수행 결과는 Fig. 10과 같다.

Fig. 10.

Spectral spectrum before and after vector normalization (Hydrogen fluoride)

5. 도출된 유해화학물질 분광라이브러리

본 연구에서 제시된 분광라이브러리 구축 절차를 따라 구축한 18종 유해화학물질의 분광라이브러리는 Fig. 11과 같다.

Fig. 11.

Spectral library of 18 hazardous chemicals

6. 토 의

초분광영상의 반사판 촬영에서 확인 할 수 있듯, 특정 반사도를 표출하는 표준 반사판에서도 촬영장비(분광복사계인지, 초분광센서인지)에 따라 수집되는 분광정보가 다르며, 같은 조건의 동일 대상체라도 촬영 시간, 날씨 등의 조건에 따라 다른 결과가 수집될 가능성을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 추후 현장에서 활용될 장비인 초분광센서를 활용하여 수집되는 분광정보를 표준화 할 수 있는 방안을 제시하였으며, 촬영 조건 및 시료 제조 과정까지 상세하게 제시하였다. 기존에 연구된 분광라이브러리에 관한 연구들은 빛의 투과가 없는 지표물질을 대상으로 하였기 때문에 수집된 분광정보를 방사보정 정도만 수행해서 라이브러리로 구축한 사례가 많았다. 하지만 본 연구는 빛의 투과가 있는 액상 물질에 관하여 수행하였기 때문에 본 연구의 Test-bed인 감천에서 채수한 하천수를 대상으로 동일한 농도로 유해화학물질을 희석하고, 바닥물질과 시료를 담는 용기까지 특정하여 제시하였으며 추출된 분광정보에서 하천수를 제거하는 과정을 포함하였다. 또한, 유해화학물질 분광 스펙트럼간의 상호비교를 위하여 공기층에서 공기에 의해 파장이 감쇠되는 경향을 활용하여 공기층의 영향을 받는 800 ~ 850 nm의 반사도를 기저로 하여 이동을 하는 NIR-Standard 기법을 활용해보았으나, 본 기법으로는 기저로 설정된 파장대의 반사도를 활용할 수 없고, 화학물질간 차이를 확인하기 어려우며, 지상 1.4 m 높이에서 촬영되는 본 연구의 초분광촬영 방식에는 적용하는데 무리가 있는 것으로 판단하여 본 연구 방법에 적합한 Vector Normalize 기법을 적용하였다.

본 연구에서 제시한 초분광 센서를 활용한 유해화학물질 표준 분광라이브러리를 구축하는 과정은 다음과 같다. 1) 분석 시료를 동일한 농도로 제조하고, 2) 유해화학물질 용기, 초분광센서 운용 방법 및 촬영 조건에 맞추어 초분광영상을 촬영한다. 3) 수집된 분광정보를 방사보정을 통해 반사도 값으로 전환하고, 4) 보정된 초분광영상에서 해당 시료의 분광 스펙트럼을 추출한다. 5) 추출된 분광스펙트럼에서 하천수의 분광정보를 제거한 화학물질만의 특성을 추출하고, 6) 추출된 자료들 중 이상치를 제거하여 유효성 검토를 한 후 7) Super Smoother를 이용하여 표준화 시키고, 8) 유해화학물질 분광 스펙트럼간의 상호비교를 위하여 Vector Normalize를 수행하여 분광라이브러리를 구축한다.

구축된 유해화학물질 분광라이브러리를 살펴보면, 18가지 물질 모두 각기 다른 분광정보를 표출함을 확인 할 수 있었으며, 특히 옅은 갈색인 브롬의 경우 청색을 나타내는 500 nm 까지의 반사도가 다른 물질들보다 확연히 낮게 나타나는 것을 확인 할 수 있었으며, 색도가 있는 물질의 경우 저농도일 때 초분광센서로 감지가 가능하다는 것을 확인하였다. 또한, 분광라이브러리를 구축한 화학물질 중 강산 물질인 불산, 삼염화인, 염산, 옥시염화인, 황산의 경우 다섯가지 물질 모두 분광라이브러리가 달리 구축되어 화학물질 유출 시 산성 물질인 것을 확인하는데 그치지 않고, 어떤 물질인지 특정 할 수 있다는 가능성을 확인하였다. 플루오르 화합물인 플루오르화나트륨과 플루오르화칼륨의 경우 전체적인 분광 스펙트럼 패턴이 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 2-클로로에탄올, 글리시돌, 불산, 삼염화인, 염화2-클로로에틸디에틸암모늄, 염화티오닐, 플루오르화나트륨, 플루오르화칼륨의 경우 749.83 ~ 773.86 nm의 파장에서 유사한 패턴을 보이는 것을 확인 할 수 있었으나, 해당 물질들의 공통적인 화학적 특성은 확인 할 수 없었다.

7. 결론 및 향후연구

본 연구에서는 최신 하천원격탐사 기술로 활용되고 있는 초분광센서 기술을 활용하여 하천으로 유출되는 유해화학물질을 식별하기 위한 기초연구로 유해화학물질의 분광라이브러리를 구축하고자 하였다. 연구결과로부터 도출된 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) 18종의 유해화학물질의 분광라이브러리를 구축하는 표준을 제시하였다. 하천에서 직접 실험이 불가능 한 점, 대상체가 투과성 물질인 점 등의 한계를 극복하고자 분광라이브러리 구축법에 대한 전체 과정을 도출하고 표준화하여 제시하였다.

2) 분광라이브러리 구축을 코드화한 소프트웨어를 개발하였다. 분광라이브러리 구축을 효율적으로 수행하기 위하여 상용소프트웨어의 기능을 해당 연구목적에 적합하게 단순화하였고, 불필요한 기능들은 제거하여 구동이 용이하도록 제작하였다. 또한, 본 연구의 수행에 필요한 방사보정, Super Smoother, Vector Normalization 등의 과정을 포함하고 있어 분광라이브러리 구축에 최적화 하였다.

제시한 과정을 따라 18종의 유해화학물질의 분광라이브러리를 구축한 결과, 각각 유해화학물질의 분광라이브러리가 모두 각각의 특성을 가지고 있어 분광라이브러리를 이용한 유해화학물질의 구분이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 매우 유사한 스펙트럼을 보이는 화학물질의 경우, 화학물질을 구분할 수 있는 분광라이브러리에 대한 연구가 필요하다. 또한 구축된 분광라이브러리를 활용하기 위해 실제 식별이 가능한가에 대한 후속 연구가 필요하다. 유기물 농도, 조류 농도, 탁도, 수심 등과 같은 다양한 수환경 지표들과 종합한 연구가 필요하며, 그에 따른 가이드라인이 필요할 것으로 사료된다. 또한, 초분광 센서를 교량 등에 설치하거나 드론에 탑재하여 이동식으로 탐지하는 등의 하천에 적용 가능한 모니터링 시스템 구축에 대한 연구가 필요하다.

하천으로 유출이 가능한 다양한 유해화학물질에 대해 본 연구에서 제시된 표준을 활용하여 분광라이브러리 데이터베이스를 구축하면, 화학사고의 발생을 즉각적으로 확인하고 사고물질을 신속하게 식별하는 등 실시간 모니터링에 적용하여 화학사고 발생여부 감지 및 대응에 활용될 것으로 기대된다.