1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 ICESat-2 위성의 작동 원리
2.2 연구 대상지 및 위성 자료 수집
2.3 ICESat-2 수면고도(WSE) 추출 및 전처리
2.4 지상 수위 자료 및 위성-지상 수위 매칭
3. 연구 결과
3.1 ICESat-2 수위 분포 변화
3.2 ICESat-2 수위와 지상 수위 간 정확도 평가
3.3 위성 기반 하천 수위 자료의 활용 가능성 및 SWOT과의 비교
4. 결 론
5. 향후 연구
1. 서 론
하천 수위는 유량 산정, 홍수 및 가뭄 대응, 하천 시설물 운영, 수자원 관리 및 수생태계 평가에 활용되는 핵심 수문 인자이다. 지상 수위계는 높은 시간 해상도의 관측이 가능하지만 특정 지점에 설치되므로 공간적으로 연속적인 수위 정보를 제공하는 데 한계가 있다. 특히 중·소규모 하천, 접근이 어려운 구간 및 관측소가 부족한 지역에서는 수위 자료의 공간적 공백이 발생하며, 이는 하천 수문 특성의 정량적 이해와 광역 수자원 관리에 제약이 된다. 이를 보완하기 위해 최근 위성 고도계 자료를 활용한 하천 수위 모니터링 연구가 활발히 수행되고 있다.
위성 레이저 고도계인 Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 (ICESat-2)는 2018년 발사 이후 빙하, 해양 및 지표 고도 관측 자료를 제공해 왔으며, 최근 내륙 수체 수위 모니터링에도 활용 가능성이 주목되고 있다. 탑재체인 Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS)은 포톤 계수 방식으로 지표 또는 수면에서 반사된 포톤을 검출하며, 6개의 레이저 빔을 이용해 위성 진행 방향을 따라 관측한다. 미션 초기 성능 평가에서는 약 10 cm 수준의 수직 정확도가 보고되었다(Markus et al., 2017; Neumann et al., 2019; Smith et al., 2019).
ICESat-2는 기존 레이더 고도계에 비해 높은 데이터 밀도와 공간 해상도를 제공하여 중·소규모 하천이나 소규모 호수에서도 Water Surface Elevation (WSE) 변화를 포착할 수 있을 것으로 기대된다. 약 17 m 규모의 관측 발자국과 약 0.7 m 간격의 샘플링 특성을 활용한 하천 수위 추정 연구가 수행되고 있으며(Coppo Frias et al., 2023; Musaeus et al., 2024), 미국 오하이오강 유역에서는 지상 수위계와 높은 일치도 및 약 0.1~0.3 m의 Root Mean Square Error (RMSE)가 보고되었다(Li et al., 2023). 이는 ICESat-2의 전 지구 하천 수위 관측 가능성을 보여준다.
그러나 ICESat-2가 제공하는 정보는 주로 WSE이며, 관측 자료에는 포톤 노이즈, 주변 지형 반사, 수면 반사 특성 및 식생 영향 등 다양한 오차 요인이 포함될 수 있다(Chen et al., 2024; Xie et al., 2022). 따라서 위성 기반 수위 자료를 실제 하천 모니터링과 수자원 관리에 활용하기 위해서는 지상 수위계와의 비교를 통한 정확도 및 오차 특성의 정량적 검증이 필수적이다. 최근에는 평균 오차뿐 아니라 오차 분포, 편향 및 관측 조건에 따른 불확실성을 함께 분석하는 연구가 증가하고 있으나, 대부분 단일 위성 자료를 대상으로 하며 서로 다른 관측 체계의 위성 자료를 동일 하천 구간에서 비교한 연구는 아직 제한적이다(Scherer et al., 2023).
한편, 2022년 말 발사된 Surface Water and Ocean Topography (SWOT) 위성은 Ka-band Radar Interferometer (KaRIn)를 이용하여 약 120 km 폭의 스와스 영역에서 수면고도를 2차원적으로 관측한다(Biancamaria et al., 2016; Durand et al., 2010). SWOT은 하천, 호수 및 저수지 등 내륙 수체의 WSE를 공간적으로 연속된 형태로 제공한다는 장점이 있다(NASA and JPL, 2023). 반면 ICESat-2는 위성 궤적을 따라 고정밀 WSE를 제공하는 선형 관측 특성을 가진다. 두 위성 모두 하천 수위 관측에 활용될 수 있으나, 관측 방식, 공간 해상도, 자료 구조 및 오차 특성에서 차이를 보인다.
SWOT의 수문학적 활용은 초기에는 전 지구 하천 관측 범위와 유량 산정 가능성을 중심으로 검토되었다. Pavelsky et al. (2014)은 50~100 m 수준의 하천 폭을 기준으로 SWOT이 미계측 유역의 하천 유량 관측 범위를 확장할 수 있음을 제시하였다. Durand et al. (2023)은 WSE, 수면폭 및 수면경사 자료를 이용한 위성 기반 유량 산정 프레임워크를 정립하고, 품질관리와 불확실성 평가가 유량 산정 정확도에 중요함을 강조하였다. Andreadis et al. (2025)은 전 지구 65개 지상 관측 하천 구간에서 SWOT 기반 유량 산정 가능성을 평가하여 지상 관측자료와 중간 이상의 상관성 및 미계측 하천의 유량 변동 추적 가능성을 보고하였다. 이러한 연구들은 SWOT의 활용이 수면고도 관측에서 유량 및 수문·수리학적 변수 산정으로 확대되고 있음을 보여준다.
그러나 SWOT 기반 수문 변수 산정의 기초가 되는 WSE의 정확도와 관측 특성을 국내 하천 환경에서 검증한 연구는 아직 부족하다. 국내 하천은 보 운영, 하상 준설, 제방 및 하천 구조물, 합류부 지형 등 인위적·지형적 요인이 복합적으로 작용하므로 해외 대하천 중심의 적용 사례를 그대로 적용하기에는 한계가 있다. 또한 SWOT의 면 단위 관측과 ICESat-2의 고정밀 선형 관측을 동일 하천 구간에서 비교하는 것은 두 위성의 관측 특성과 적용 가능성을 이해하는 데 중요하다. 이에 본 연구에서는 보 운영으로 수위가 비교적 안정적이고 장기간의 지상 수위계 자료를 동일 기준면에서 확보할 수 있어 비교·검증에 적합한 낙동강 달성보 구간을 연구 대상지로 선정하였다.
본 연구는 달성보 구간에서 ICESat-2 위성 수위 자료의 정확도를 지상 수위계 관측자료와 비교하여 정량적으로 평가하고, 동일 구간의 SWOT 위성 수위 자료를 활용하여 두 위성의 관측 특성, 오차 구조 및 활용 가능성을 비교·분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 통해 국내 하천에서 위성 기반 수위 모니터링의 적용 가능성을 제시하고, 향후 폭이 좁은 지류 하천, 보 영향이 적은 자유유하 구간 및 다양한 지형 조건으로의 확장 적용을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 ICESat-2 위성의 작동 원리
ICESat-2는 NASA에서 운영하는 위성 레이저 고도계 임무로, 빙하, 해빙, 해양, 육상 지형 및 내륙 수체의 고도 관측을 목적으로 2018년에 발사되었다. 탑재체인 Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS)은 포톤 계수(photon-counting) 방식으로 개별 레이저 포톤의 왕복 시간을 측정하여 지표 및 수면까지의 거리를 산정하고, 위성의 정밀 궤도 정보와 기준 타원체 및 지오이드 모델을 이용하여 Water Surface Elevation (WSE)을 산정한다(NASA, 2023). ATLAS는 3쌍의 강(strong)·약(weak) 빔으로 구성된 총 6개의 레이저 빔을 사용하며, 각 빔 쌍은 약 3.3 km, 동일 쌍의 강·약 빔은 약 90 m 간격으로 배치되어 있다(Markus et al., 2017). 또한 약 10 kHz의 반복률로 레이저 펄스를 발사하여 약 0.7 m 간격의 along-track 관측을 수행하며, 단일 풋프린트의 직경은 약 10~17 m 수준이다.
포톤 계수 방식은 높은 공간 해상도를 제공하는 반면, 태양광 및 대기 산란과 주변 지형 반사 등에 의한 배경 노이즈가 함께 수신될 수 있다(McGarry et al., 2021). 따라서 수면고도 및 지형 정보를 추출하기 위해서는 신호 포톤과 노이즈 포톤을 구분하는 과정이 필요하며, 원시 포톤 자료인 ATL03은 포톤 분포를 기반으로 수면 및 하상 신호를 식별하는 데 활용될 수 있다. 기존 연구에서는 커널 밀도 추정(kernel density estimation)과 통계적 필터링을 통해 수면(top)과 하상(bottom) 고도를 추정한 바 있으며(Datta and Wouters, 2021), 두 고도가 동시에 검출되는 경우 굴절(refraction) 보정을 통해 수심 추정에도 활용할 수 있다.
본 연구에서는 하천 수면고도 검증을 주된 목적으로 하므로, ICESat-2의 내륙 수면 관련 표준 산출물인 ATL13을 활용하여 WSE를 산정하였다. ATL13은 ATL03 포톤 자료를 기반으로 수면 반사 신호를 통계적으로 추출한 자료로, 내륙 수체의 수위 분석에 활용되고 있다(Xie et al., 2022). 이를 바탕으로 본 연구에서는 위성 기반 WSE의 정확도를 지상 관측값과 비교·검증하였다.
2.2 연구 대상지 및 위성 자료 수집
연구 대상 지역은 낙동강 수계의 달성보(Dalseong Weir) 상류 구간으로 선정하였다. 이 구간은 보 운영으로 수위가 인위적으로 조절되어 수면이 비교적 평탄하고 단기간의 수위 변동 폭이 크지 않으며, 장기간 운영 중인 지상 수위계로부터 동일 기준면(EL.m)의 연속 관측자료를 확보할 수 있다. 따라서 강우나 유량 변화에 따른 급격한 수위 변동 등 외부 요인의 영향을 상대적으로 줄인 상태에서 위성 기반 수위 자료의 정확도를 지상 관측값과 직접 비교·검증하기에 적합하다.
Fig. 1은 낙동강 달성보 주변 유역의 위치와 주요 하천 분포를 나타낸다. 연구 대상 구간은 낙동강 본류와 금호강 합류부 인근에 위치하며, 하류에서는 진천천(Jincheon Stream)이 합류한다. 본 연구에서는 2019년부터 2024년까지 연구 대상 구간을 통과한 모든 ICESat-2 위성 패스를 분석에 활용하였으며, 반복 관측된 수면고도 자료를 이용하여 시기별 특성과 전반적인 정확도를 평가하였다.
ICESat-2 자료는 NASA NSIDC에서 제공하는 ATL13 (ATLAS/ICESat-2 Inland Water Surface Height) 산출물을 사용하였다. ATL13은 포톤 기반 레이저 고도계 관측자료를 기반으로 전처리 및 품질 관리가 수행된 내륙 수체의 수면고도(WSE) 정보를 제공하는 표준 산출물이다.
2.2.1 ICESat-2 자료
2019년부터 2024년까지 연구 대상 구간을 통과한 모든 ICESat-2 위성 패스를 선별하고, 각 패스에서 해당 하천 구간의 수면고도 자료를 추출하여 지상 수위계 관측값과 비교하였다. Fig. 2는 연구 기간 동안 달성보 상류 구간을 통과한 ICESat-2 위성 궤적의 공간 분포를 나타내며, 반복 관측을 통해 동일 하천 구간의 시기별 수면고도 자료를 확보하였다.
분석에는 NASA NSIDC에서 제공하는 ATL13 (ATLAS/ICESat-2 Inland Water Surface Height) 산출물을 활용하였다. ATL13은 포톤 기반 레이저 고도 관측자료의 전처리 및 품질 관리가 수행된 내륙 수면고도 정보를 제공하며, 이를 기반으로 ICESat-2 수면고도의 정확도를 평가하였다.
2.2.2 SWOT 위성 자료 설명
SWOT (Surface Water and Ocean Topography) 위성은 미국 항공우주국(NASA)과 프랑스 우주국(CNES)이 공동으로 수행하는 위성 임무로, 전 지구 해양 및 내륙 수체의 수면고도 관측을 위해 2022년 말 발사되었다. 탑재체인 Ka-밴드 레이더 간섭계(Ka-band Radar Interferometer, KaRIn)는 기존 단일 빔 고도계와 달리 스와스(swath) 형태의 2차원 수면고도 관측이 가능하다. Fig. 3은 KaRIn을 이용한 수면고도 관측 개념을 나타내며, 위성 진행 방향에 직교하는 약 120 km 폭의 스와스를 통해 하천·호수·저수지 등 내륙 수체의 공간적으로 연속적인 수면고도 분포를 관측한다. SWOT은 약 21일의 반복 주기로 전 지구 담수 및 해양을 관측하도록 설계되었으며, 내륙 수체에서의 공간 해상도는 약 50–100 m, 수직 정확도는 데시미터(decimeter) 수준 이하로 보고되고 있다. ICESat-2와 SWOT은 모두 수면고도(WSE)를 제공하지만, ICESat-2가 위성 궤적을 따라 선형 관측을 수행하는 반면 SWOT은 면적 기반의 2차원 수면고도 분포를 제공하여 관측 방식과 공간적 대표성에서 차이를 가진다(Lee et al., 2025).
Fig. 3.
Conceptual diagram of the SWOT satellite mission showing the Ka-band Radar Interferometer (KaRIn) swath observation geometry for measuring surface water (JPL, 2025)
SWOT은 일반적으로 폭 약 100 m 이상의 하천 및 호수를 주요 관측 대상으로 설계되어 중·소규모 하천에 대한 적용에는 한계가 있을 수 있다. 반면 ICESat-2는 선형 관측이라는 제약이 있으나 좁은 하천이나 소규모 수역까지 관측할 수 있어 두 위성은 상호 보완적인 특성을 가진다. 따라서 동일 하천 구간에서 ICESat-2와 SWOT 수위 자료를 함께 분석하는 것은 서로 다른 관측 체계에 따른 수위 자료의 정확도 특성과 활용 가능성을 비교·평가하는 데 의미가 있다.
2.3 ICESat-2 수면고도(WSE) 추출 및 전처리
ICESat-2 자료는 Hierarchical Data Format 5 (HDF5) 형식으로 제공되며, 본 연구에서는 내륙 수면고도 산출물인 ATL13 Inland Water Surface Height를 활용하였다. ATL13에는 수면 반사 포톤 선별 및 수면고도 산정 과정이 반영되어 있으나, 관측 조건, 주변 지형 반사, 식생 및 수면 반사 특성 등의 영향으로 이상값이 포함될 수 있어 추가적인 전처리를 수행하였다.
먼저 낙동강 달성보 구간의 공간 범위를 설정하고 해당 영역을 통과하는 ICESat-2 위성 패스에서 ATL13 WSE를 추출하였다. 이후 각 포인트가 실제 하천 수면 영역에 위치하는지 확인하여 제방, 하천변 지형, 식생 및 주변 육역에 위치한 포인트를 제외하였다. 또한 수면 영역 내에서도 주변 WSE 분포와 비교하여 물리적으로 해석하기 어려운 극단값을 이상치로 제외하였다. 따라서 전처리는 하천 수면 영역을 기준으로 한 공간 필터링과 WSE 분포 검토를 중심으로 수행하였다.
ICESat-2 WSE는 분석 목적에 따라 두 가지 방식으로 활용하였다. 첫째, point-level WSE는 ATL13의 개별 수면고도 포인트로, 달성보 주변 하천 수면 영역에 포함된 전체 자료를 이용하여 공간적 산포와 오차 분포 특성을 분석하였으며 Figs. 7, 8, 9에 활용하였다.
둘째, 지상 수위계와의 직접 비교를 위해 각 관측일별로 달성보 수위계 인근 하천 수면에 위치하고 공간적 대응성이 높은 ICESat-2 포인트 1개를 선별하여 matched point-level WSE로 정의하였다. 포인트 선정에는 수위계와의 공간적 근접성, 하천 수면 내부 위치, 수면 경계부와의 거리 및 주변 제방·육역의 영향 가능성을 고려하였다. 따라서 Table 2의 ICESat-2 WSE는 패스 내 전체 포인트의 평균 또는 중앙값이 아닌, 지상 수위계와의 직접 비교를 위해 선별한 개별 WSE이다.
Table 1.
Summary statistics of gauge WSE during the study period and satellite observation dates
Table 2.
Comparison between ICESat-2 matched point-level WSE and gauge observations at Dalseong Weir
이에 따라 Table 2 및 Figs. 5 and 6은 관측일별 matched point-level WSE와 지상 수위계의 직접 비교 결과를, Figs. 7, 8, 9은 전체 point-level WSE를 이용한 오차 분포 분석 결과를 나타낸다.
Fig. 4는 ATL13 자료를 이용한 WSE 추출 및 정확도 평가의 전체 분석 흐름을 나타낸다. 연구 대상 구간의 point-level WSE를 선별한 후 수위계와 공간적으로 대응되는 matched point-level WSE를 이용하여 지상 관측값과 비교하고, 전체 point-level WSE의 오차 분포와 동일 구간의 SWOT WSE를 분석하여 두 위성 관측 자료의 특성과 활용 가능성을 평가하였다.
Fig. 4.
Workflow for extracting ICESat-2 Water Surface Elevation (WSE) from ATL13 data and evaluating its accuracy. Point-level WSE refers to individual ATL13 WSE samples within the Dalseong Weir river surface area. For direct comparison with gauge observations, one matched point-level WSE was selected for each observation date based on spatial correspondence with the Dalseong Weir gauge location. All point-level WSE observations were used for error distribution analysis
2.4 지상 수위 자료 및 위성-지상 수위 매칭
지상 수위 자료는 낙동강 달성보 수위계의 관측값을 활용하였으며, 동일 기준면(EL.m)의 연속 관측자료를 ICESat-2 및 SWOT 수위 자료의 정확도 평가를 위한 기준값으로 사용하였다.
ICESat-2와 SWOT은 특정 시점에 불연속적으로 관측하므로, 각 위성 관측일과 동일한 날짜의 지상 수위계 관측값을 매칭하였으며 별도의 시간 보간은 수행하지 않았다. 다만 연구 구간은 상류 강정고령보와 하류 달성보 운영의 영향을 받으므로, 강우나 보 방류에 따른 단기간 수위 변동이 발생할 경우 위성 관측 시점과 지상 수위 자료 간 시간 대표성 오차가 발생할 수 있다.
ICESat-2와 지상 수위계의 직접 비교에는 앞 절에서 정의한 관측일별 matched point-level Water Surface Elevation (WSE)를 사용하였다. Table 2는 선별된 matched point-level WSE와 해당 관측일의 지상 수위계 관측값으로 구성하였다.
한편, 전체적인 오차 분포 특성은 달성보 주변 하천 수면 영역의 전체 point-level WSE를 이용하여 분석하였으며, Figs. 7, 8, 9에 연도별 오차 분포, 절대오차 누적분포함수 및 히스토그램을 제시하였다.
SWOT 자료는 ICESat-2 관측 위치와 공간적으로 대응되는 픽셀을 추출하여 해당 관측일의 지상 수위계 관측값과 비교하였다. 다만 약 17 m 규모의 footprint를 갖는 ICESat-2의 선형 관측과 달리 SWOT은 픽셀 기반의 면 관측이므로, 픽셀 내 수면 경계부, 제방 및 주변 육역의 영향에 따른 공간적 대표성 차이가 포함될 수 있다. 따라서 공간적으로 대응되는 위치를 사용하더라도 두 위성이 완전히 동일한 수면 영역을 관측한 것으로 해석하기에는 한계가 있다.
최종 비교 자료를 이용하여 위성 기반 WSE와 지상 수위계 관측값 간의 차이를 산정하고, 평균오차, 평균절대오차, Root Mean Square Error (RMSE) 및 오차 분포 특성을 분석하였다. 또한 표와 그림에는 분석 자료 단위를 명시하여 matched point-level WSE 기반 직접 비교와 전체 point-level WSE 기반 오차 분포 분석을 구분하였다.
3. 연구 결과
3.1 ICESat-2 수위 분포 변화
위성 관측 시점의 수문학적 대표성을 검토하기 위해 2019~2025년 달성보 지상 수위계 자료와 ICESat-2 및 SWOT 관측 시점의 지상 수위를 비교하였다(Table 1). 연구 기간 전체의 지상 수위는 13.15~20.64 EL.m 범위에서 변동하였으며 평균은 13.62 EL.m였다. 반면 ICESat-2와 SWOT 관측 시점의 지상 수위는 각각 13.57~13.82 EL.m와 13.48~13.77 EL.m 범위로, 위성 자료는 주로 평시 관리수위 수준의 안정적인 조건에서 획득되었다. 따라서 본 연구의 정확도 평가는 안정적인 수면 조건에서의 WSE 정확도와 활용 가능성을 검토한 결과로 해석할 수 있으며, 홍수기, 갈수기, 강우 직후 및 보 수문 개방 등 수위 변동성이 큰 조건에 대해서는 추가 검증이 필요하다.
ICESat-2로 추정된 Water Surface Elevation (WSE)는 달성보 지상 수위와 전반적으로 유사한 범위와 변동 경향을 보였다(Fig. 5). 다만 ICESat-2는 위성 궤적을 따라 특정 시점에 관측되므로 지상 수위계와 같은 연속적인 시간 변화를 제공하지 못하며, 일부 시기의 세부적인 수위 변동을 포착하는 데 한계가 있다. 그럼에도 연구 기간 동안 달성보 구간의 전반적인 수위 수준은 비교적 잘 반영하였다.
연구 기간 동안의 ICESat-2 WSE와 이에 대응하는 지상 수위는 Table 2에 정리하였다. Table 2의 ICESat-2 WSE는 앞서 정의한 관측일별 matched point-level WSE로, 지상 수위계와의 직접 비교를 위해 선별한 개별 포인트 기반 수위값이다.
Table 2에 따르면 ICESat-2 WSE는 약 13.72~13.98 m, 동일 시점의 지상 수위는 약 13.57~13.82 m 범위였으며, 두 자료 간 차이는 약 0.04~0.26 m로 나타났다. 연도별 오차는 Fig. 6과 같이 일부 시기에는 약 0.1 m 이하였으나 다른 시기에는 약 0.15~0.26 m 수준을 보였다. 이러한 차이는 위성 관측과 지상 수위 자료 간의 시간 대표성 차이, 하안부 및 주변 지형 반사에 따른 공간적 대표성 차이, 수면 거칠기 등이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.
종합적으로 ICESat-2 기반 수위 자료는 안정적인 관리수위 조건에서 달성보 구간의 지상 수위 범위를 비교적 잘 재현하였으며, 다음 절에서는 위성 수위와 지상 수위 간의 정확도를 정량적으로 평가하였다.
3.2 ICESat-2 수위와 지상 수위 간 정확도 평가
ICESat-2로 추정된 수면고도(WSE)와 달성보 지상 수위 간의 차이를 정량적으로 평가하였다. 오차(Error)는 각 ICESat-2 관측일에 대응되는 지상 수위를 기준으로 Eq. (1)과 같이 산정하였다.
여기서 는 ICESat-2 위성으로부터 추정된 수면고도, 는 동일 시점에 대응되는 달성보 수위관측소의 관측 수위를 의미한다. Fig. 7은 2019~2024년 달성보 주변 하천 수면 영역에 포함된 전체 point-level WSE와 지상 수위 간의 연도별 오차 분포를 나타낸다. 각 point-level 오차는 해당 WSE에서 관측일의 지상 수위를 차감하여 산정하였으며, Fig. 7은 Table 2의 matched point-level WSE 기반 직접 비교와 달리 전체 point-level WSE의 산포 및 오차 분포 특성을 보여준다.
연도별 오차 분포는 일부 연도에서 비교적 좁게 나타난 반면, 다른 연도에서는 넓은 산포와 일부 극단적인 이상치가 관찰되었다. 이러한 차이는 위성 관측 시점의 수문 조건, 수면 반사 특성 및 관측 기하 조건 등의 영향을 받은 것으로 해석된다. 다만 이상치가 전체 자료에서 차지하는 비율은 제한적이며, 대부분의 관측값은 비교적 좁은 오차 범위에 분포하였다. 전체적인 절대오차 분포를 평가하기 위해 누적분포함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 분석하였다(Fig. 8).
분석 결과, CDF는 작은 오차 구간에서 빠르게 증가하였으며 특히 절대오차 약 0.2 m 이하에서 누적 비율이 크게 증가하였다. 이는 일부 큰 오차가 존재하더라도 상당수의 ICESat-2 WSE가 비교적 작은 오차 범위에 분포함을 보여준다. 종합적으로 ICESat-2 수위 자료는 달성보 구간에서 지상 수위와 비교적 높은 일치도를 보였으며, 하천 수위 모니터링을 위한 보조 관측 자료로 활용될 가능성을 시사한다.
3.3 위성 기반 하천 수위 자료의 활용 가능성 및 SWOT과의 비교
앞선 분석 결과, ICESat-2로 추정된 하천 수위는 낙동강 달성보 구간에서 지상 수위계 관측값과 전반적으로 양호한 일치도를 보였으며, 연도별 오차 분포와 절대오차 누적분포함수(CDF)에서도 비교적 안정적인 경향을 나타냈다.
Fig. 9의 오차 히스토그램에서 대부분의 오차는 약 ±0.2 m 범위에 집중되었으며, 특정 방향으로 크게 치우치지 않은 분포를 보였다. 또한 CDF 분석에서도 다수의 관측값이 0.2 m 이하의 절대오차 범위에 포함되어, ICESat-2가 달성보 구간에서 데시미터 수준의 수위 변화를 관측하는 데 활용될 가능성을 보였다.
ICESat-2에서 나타난 약 0.1~0.26 m의 오차는 여러 요인이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다. 본 연구에서는 대기 조건보다 위성–지상 수위 간 시간 대표성 차이와 하안부·주변 지형 반사에 따른 공간적 대표성 차이가 주요 요인으로 해석된다. 특히 동일 관측일의 지상 수위를 기준값으로 사용하였으므로 강우나 보 운영에 따른 단기간 수위 변동이 존재할 경우 시간 대표성 오차가 발생할 수 있다. 또한 footprint가 하안부에 인접하면 식생, 제방 및 주변 지형의 반사가 ATL13 WSE에 영향을 줄 수 있다. 수면 거칠기와 미세 파랑도 추가적인 불확실성을 유발할 수 있으나, 보 운영으로 비교적 안정적인 수면 조건을 고려할 때 보조적 요인으로 판단된다.
한편 ICESat-2는 위성 궤적을 따른 선형 관측 자료인 반면, SWOT은 Ka-band Radar Interferometer (KaRIn)를 이용한 스와스 기반의 2차원 면 관측 자료로, 두 위성은 공간적 대표성과 자료 구성 방식에서 차이를 가진다(Lee et al., 2025).
본 연구에서는 두 위성 자료를 가능한 동일한 공간 기준에서 비교하기 위해 ICESat-2 footprint와 공간적으로 대응되는 단일 SWOT 픽셀을 이용한 matched-location 비교를 수행하였다. 각 관측 시점별 1개의 SWOT 픽셀을 사용하여 총 13개의 SWOT–gauge 비교쌍을 구성하였다.
다만 ICESat-2의 약 17 m 규모 footprint와 SWOT의 약 50~100 m 수준 픽셀은 관측 공간 단위가 다르므로 공간적 대표성 차이가 발생할 수 있다. 특히 SWOT 픽셀에는 수면 경계부, 제방 또는 주변 육역의 영향이 포함될 수 있어, 공간적으로 대응되는 위치를 사용하더라도 두 위성이 완전히 동일한 수면 영역을 관측한 것으로 해석하기에는 한계가 있다.
Table 3은 단일 SWOT 픽셀의 WSE와 동일 관측일의 지상 수위를 비교한 결과로, 오차는 SWOT WSE − Gauge WSE로 정의하였다. SWOT WSE는 Bias +0.138 m, MAE 0.188 m, RMSE 0.209 m를 보였으며, 오차 범위는 -0.33~+0.31 m였다. 전체 13개 관측 시점 중 10개에서 ±0.25 m 이내의 오차를 보여, ICESat-2보다 상대적으로 큰 오차 수준이지만 SWOT의 면 관측 특성과 공간적 대표성 차이를 고려할 때 국내 대하천 수위 모니터링에 활용 가능한 수준으로 판단된다.
Table 3.
Quantitative comparison between SWOT-derived WSE and corresponding gauge observations
Fig. 10에서도 SWOT WSE는 전반적으로 지상 수위와 유사한 변동 경향을 보였으나 양·음의 오차가 혼재하였다. 대부분의 시점에서 지상 수위보다 높게 산정되어 평균적으로 양의 편향을 보였으며, 2024년 3월 30일에는 -0.33 m의 비교적 큰 음의 오차가 나타났다. 이러한 차이는 단일 픽셀의 공간적 대표성, 수면–비수면 경계 추출, 픽셀 내 혼합 효과 및 위성 관측 위치와 수위계 위치 간 수면 경사 차이의 영향을 받은 것으로 해석된다.
이러한 결과는 ICESat-2와 SWOT이 서로 다른 관측 특성과 활용 목적을 가짐을 보여준다. ICESat-2는 고정밀 선형 관측을 통한 국지적 수위 분석과 지상 수위계 검증에 유리한 반면, SWOT은 개별 픽셀의 공간적 변동성이 상대적으로 크지만 하천 구간의 수면고도를 2차원적으로 관측할 수 있어 광역 수면고도 분포와 공간적 변동 분석에 강점을 가진다.
따라서 두 위성은 경쟁적 관측 수단이라기보다 관측 규모와 목적에 따라 상호 보완적으로 활용할 수 있다. ICESat-2는 고정밀 수위 검증과 제한된 구간의 분석에, SWOT은 광역 수면고도 및 공간적 변동성 분석과 관측망이 부족한 구간의 보완에 활용될 수 있으며, 두 자료의 통합은 국내 하천의 위성 기반 수위 모니터링에 기여할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 ICESat-2 위성 레이저 고도계 자료를 활용하여 낙동강 달성보 구간의 하천 수위 정확도를 지상 수위계 관측자료와 비교·검증하고, 동일 지역의 SWOT 수위 자료와 비교하여 두 위성 관측 체계의 특성과 활용 가능성을 평가하였다. ICESat-2 수위 자료는 지상 수위계와 전반적으로 양호한 일치도를 보였으며, 대부분의 관측값이 데시미터 수준의 오차 범위에 포함되었다. 이는 ICESat-2가 국내 하천에서도 수위 관측 및 관측 공백 구간의 수위 변동 파악에 활용될 가능성을 보여주며, 특히 고정밀 점·선형 관측을 통해 제한된 공간 범위의 수면고도 검증에 유용할 수 있다.
SWOT은 스와스 기반의 2차원 면 관측 특성으로 인해 동일 하천 구간에서도 공간적 수면고도 분포와 픽셀 간 변동성을 보였다. 본 연구에서는 ICESat-2 관측 위치와 대응되는 SWOT 픽셀을 이용하여 비교하였으며, 주변 픽셀, 수면–비수면 경계 혼재, 관측 기하 및 품질 조건 등에 따른 국지적 변동 가능성을 확인하였다.
이러한 결과는 ICESat-2와 SWOT이 하천 수위 관측에 서로 다른 강점을 가짐을 보여준다. ICESat-2는 고정밀 수면고도 검증과 제한된 구간의 수위 분석에, SWOT은 광역 수면고도 분포와 종방향·공간적 변동 분석에 유리하므로 두 위성은 상호 보완적으로 활용될 수 있다.
다만 본 연구는 보 운영으로 수위가 비교적 안정적이고 하폭이 넓은 낙동강 달성보 단일 구간을 대상으로 하였으므로, 결과를 좁은 지류, 급경사 하천, 만곡부, 합류부, 식생이 발달한 하천변 및 자유유하 자연하천에 직접 일반화하기에는 한계가 있다. 또한 SWOT의 제한된 관측 시점과 픽셀 선정 방식, ICESat-2와 SWOT 간 관측 시각 및 기하 차이는 비교 결과의 불확실성으로 작용할 수 있다.
그럼에도 본 연구는 국내 하천에서 ICESat-2와 SWOT 수위 자료를 비교·분석하여 위성 기반 하천 수위 모니터링의 적용 가능성과 두 관측 체계의 차이를 제시하였다. 이러한 결과는 기존 지상 수위 관측망의 공간적 한계를 보완하고, 미계측 또는 관측 공백 구간의 수위 정보 확보와 광역 수자원 모니터링을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.
5. 향후 연구
본 연구는 단일 하천 구간과 제한된 자료 조건을 대상으로 하였으므로, 향후에는 다양한 규모와 수문·지형 조건을 갖는 하천으로 검증 범위를 확대할 필요가 있다. 특히 좁은 지류, 급경사·만곡·합류부 및 다중 하도에서는 수면 경계와 주변 지형의 영향이 커질 수 있으므로, 하천 폭, 하도 형상 및 주변 토지피복에 따른 위성 수위 자료의 오차 특성과 적용 한계를 정량적으로 평가할 필요가 있다.
또한 ICESat-2와 SWOT의 비교 및 정확도 평가 방법을 고도화할 필요가 있다. SWOT의 면 관측 특성을 고려하여 단일 픽셀뿐 아니라 공간 평균, 거리 가중 평균, 대표 수면고도 추출 및 품질 플래그 기반 필터링 등을 검토하고, 장기간 자료를 활용하여 갈수기·평수기·홍수기 등 다양한 수문 조건과 위성–지상 관측 간 시간 차이의 영향을 평가할 필요가 있다. 아울러 ICESat-2의 포톤 노이즈와 주변 지형 반사, SWOT의 관측 기하와 수면–비수면 경계 혼재 등 주요 오차 요인을 정량화하고, 수체 마스크 개선, 이상치 제거 및 주변 지형 영향 보정 등의 기법을 검토할 필요가 있다.
향후에는 ICESat-2의 고정밀 수면고도와 SWOT의 광역적 수면고도 분포를 지상 수위계, 하천 단면자료, 수리모형 및 드론·LiDAR 지형자료와 연계하여 통합적인 하천 수위 모니터링 체계로 확장할 필요가 있다. 이러한 접근은 위성 기반 수위 관측의 적용 범위와 한계를 구체화하고, 기존 지상 관측망의 공간적 한계와 미계측 하천의 수위 정보 공백을 보완하는 데 활용될 수 있다.
