[ ArcGIS Image Analyst] 위성영상으로 산불 피해 지역 분석하기

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2019년 4월 강원도 고성·속초와 강릉·동해·인제 일대를 덮친 대형 산불이 발생했습니다. 산림 피해규모는 당초 530ha로 집계되었으나, 위성영상(아리랑 3호)을 통한 조사 결과 1,757ha로, 이후 위성영상에서 구름에 가려져 있던 지역 및 현장 조사를 통해 최종 피해 지역은 2,832ha로 나타났습니다. 산불 발생 이후 복구를 추진하기 위한 첫 번째 노력은 산불로 인한 피해 지역을 측정하고 평가하는 것입니다. 피해 지역에 투입되어야 하는 비용 및 보상 규모, 리소스를 결정해야 하기 때문입니다.

2015년 8월, 미국 몬타나주 글레이셔 빙하 국립 공원에서도 대형 산불 발생 이후 산림 재생과 식생의 존속 기준을 만들기 위해 산불 피해 지역을 측정하기 위한 노력이 있었습니다. 산불 발생 전후 위성영상으로 표준화된 산불 피해 인덱스(Normalized Burn Index)를 사용해 피해 면적을 계산하고 결과 데이터를 피처 클래스로 게시하여 다른 사람들과 공유했습니다.


이번 실습에서는 Landsat8 위성영상을 사용해 몬타나주 글레이셔 빙하 국립 공원의 산불 피해 지역을 평가해보겠습니다. 이를 위해 산림 피해 지역을 더 잘 구분할 수 있도록 이미지 밴드 조합을 변경하고, 피해 지역을 강조할 수 있는 맞춤형 밴드 색상 조합을 만듭니다.


ArcGIS Pro 바로가기
위성영상 다운받기
  1. 몬타나 산불 콘텐츠 링크로 이동하세요.
  2. 다운로드 버튼을 클릭해 파일을 저장하세요.

ArcGIS Pro에서 해당 프로젝트를 열어보겠습니다(Open in ArcGIS Pro 버튼을 눌러 ArcGIS Pro에서 바로 프로젝트를 열 수도 있습니다).

3. ArcGIS Pro를 시작하고 ArcGIS 라이선스 계정을 통해 로그인하세요.

4. 다른 프로젝트 열기를 클릭하세요.

5. 열린 프로젝트창에서 다운받은 Montana Fires 프로젝트 패키지를 선택하세요.

3개의 레이어가 콘텐츠 창에 나타납니다. 상위 2개 레이어는 위성영상 레이어이며 현재 선택되어 있지 않습니다. 세 번째 레이어는 몬타나주 글레이셔 빙하 국립공원의 범위를 나타내는 다각형 피처 클래스입니다.


위성영상 수정하기
  1. 콘텐츠 창에서 2014.tif 레이어를 체크해서 지도에 표시하세요. 레이어를 오른쪽 마우스 클릭 한 뒤 레이어로 확대/축소를 선택하여 레이어 위치로 이동하세요.

위성영상이 어둡기 때문에 피해 지역을 보기가 어렵습니다. 이미지 밝기, 대비 및 감마를 조정하여 가시성을 높일 수 있습니다.

2. 콘텐츠 창에서 2014.tif 레이어를 클릭하세요.
3. 리본 메뉴에서 래스터 레이어 탭의 모양 클릭하세요. 개선 그룹에서 레이어의 밝기를 20으로, 대비를 25로, 감마를 1.8로 조정하세요.

위성영상 이미지가 자동으로 변환됩니다.

이제 위성영상을 좀 더 자세하고 명확하게 볼 수 있습니다. 대체적으로 식생이 잘 덮여있는 것처럼 보입니다. 초목의 종류와 산의 경사는 산불이 퍼지는 속도에 영향을 미칩니다. 위성영상을 통해 해당 지역의 계곡과 호수도 볼 수 있으며 산봉우리 일부 지역은 눈으로 덮여 있는 것도 나타납니다. 이 위성영상이 8월에 찍힌 것으로 보아, 산에 빙하나 만년설이 있는 것으로 짐작할 수 있습니다. 그림자를 통해 일부 지역은 구름으로 가려져 있는 것을 볼 수 있습니다.
이제 산불이 발생한 이후의 위성영상을 살펴보겠습니다.

4. 콘텐츠 창에서 2014 레이어를 선택 해제하고 2015 레이어를 체크하여 나타내세요.

2015년의 위성영상은 2014년보다 명확하게 보이지만 밝기, 대비 및 감마 보정으로 가시성을 더 좋게 할 수 있습니다.

5. 모양 탭에서 밝기를 10, 대비를 15, 감마를 1.5로 조정하세요.

2015년 위성영상과 2014년의 위성영상은 뚜렷한 차이점이 두 가지 있습니다. 첫째, 2015년도에 큰 회색 구름이 아랫부분을 덮고 있습니다. 이 구름은 실제로 이 영상이 촬영되었을 때 산불이 진행 중이었으므로 불에 타고 있는 연기를 나타냅니다.

둘째, 이미지의 중간-위쪽 부분에 있는 호수의 왼쪽 상단에 긴 붉은 색 띠가 있습니다. 이것은 산불로 인한 피해 지역입니다. 2014년에는 이 지역이 식생으로 덮여 초록색을 띠고 있으나 2015년에는 산불로 인해 토양이 드러나 붉게 보입니다.


다른 밴드 조합 보기

Landsat 위성영상은 인간의 눈에는 보이지 않는 일부를 포함하여 전자기 스펙트럼의 파장 범위를 측정합니다. 이 범위를 ‘스펙트럼 대역’이라고 합니다. 밴드는 다음 표에 설명되어 있습니다.

밴드 2, 3 및 4 (파란색, 녹색 및 빨간색)은 사람의 눈에 보이는 빛의 스펙트럼을 구성합니다. 현재위성영상은 이 세 가지 밴드를 결합해서 보여주고 있습니다. 다음으로, 산불 발생 지역을 강조하고 피해 지역의 경계가 더 잘 보도록 밴드 조합을 조절해보겠습니다

  1. 콘텐츠 창에서 2015 레이어를 클릭하세요.

레이어 아래에는 위성영상에서 현재 사용하는 밴드, 즉 가시광선을 포함하는 Red, Green, Blue 밴드가 있습니다. Near Infrared(밴드 5)와 같은 근적외선 밴드를 사용하면 지역의 식생 대비를 향상시킬 수 있습니다.

2. 모양 탭에서, 랜더링 그룹에 밴드 조합을 클릭하고 색상 적외선을 선택하세요.

이미지가 변경되며 새 밴드 조합이 표시됩니다. 콘텐츠 창에서 레이어 이름 아래의 밴드도 변경되어 이 이미지가 NearInfrared, Red, Green 밴드로 결합되어 나타나는 것을 볼 수 있습니다.

이 위성영상에서 식생은 빨간색으로 나타납니다. 산불로 인해 식생이 사라진 지역은 진한 갈색으로 나타납니다. 원본 이미지와 비교하여 보면 산불 지역이 더 명확하게 드러납니다. 특히 호수 북쪽 지역의 산불이 더 명확하게 보입니다. 아래쪽에서 발생한 화재는 여전히 산불 연기에 의해 다소 가려져 있습니다. 다음으로, 구름을 관통하는 단파 적외선 밴드 (6과 7)를 사용해보겠습니다.

3. 밴드 조합에서 토지/물 인터페이스를 클릭하세요.

콘텐츠 창에 있는 레이어 아래의 밴드는 Shortwave Infrared1, 2 밴드와 Near Infrared 밴드로 변경됩니다. 즉, 이 이미지는 밴드 5, 6 및 7을 결합한 결과입니다. 이 밴드 조합의 주목적은 육지와 물 표면을 나타내는 것이지만 아래쪽에 있던 산불 연기가 거의 나타나지 않아 산불 발생 지역 경계가 훨씬 명확하게 보입니다.

4. 밴드 조합에서 식생 분석을 클릭하세요.

이 조합은 Red, NearInfrared 및 Shortwave Infrared 1 (4, 5, 6번 밴드)를 사용합니다. 따라서 색상 적외선 조합의 식생 강조와 토지/물 인터페이스 밴드 조합의 연기 침투가 결합돼 있습니다. 아랫부분의 산불 주변에는 약간의 연기가 보이고 호수 북쪽의 화재는 산 경사면과 다소 혼합되어 있지만, 산불 발생 지역이 다른 밴드 조합에 비해 잘 드러납니다.

산불로 인한 연기를 조금만 더 줄일 수 있다면 이 밴드 조합이 산불 피해를 시각화하는 데 가장 적합할 것입니다. 따라서 원하는 대로 이미지를 조정하기 위해 맞춤형 밴드 조합을 만들어보겠습니다.


맞춤형 밴드 조합 생성하기
  1. 콘텐츠 창에서 2015 레이어를 클릭하세요.

식생 분석 밴드 조합은 Shortwave Infrared 1 밴드를 사용하여 연기를 줄이고 Near Infrared와 Red 밴드를 사용하여 식생을 강조합니다. 추가로 Shortwave Infrared 1을 Shortwave Infrared 2로 전환하면 연기(또는 구름) 침투가 개선됩니다.

2. Shortwave Infrared 1 밴드를 오른쪽 클릭하고 Shortwave Infrared 2로 변경하세요.

3. Red 밴드를 오른쪽 클릭하고 Blue로 변경하세요.

산불 지역의 연기가 줄어든 것을 볼 수 있습니다.

4. 모양 탭에서 밴드 조합을 클릭하고 사용자 지정을 클릭하세요. 밴드 조합 사용자 정의 창이 열립니다.
5. 빨간색은 ShortWaveInfrared_2, 녹색은 NearInfrared, 파란색은 Blue를 선택하세요.

6. 밴드 조합의 이름을 ‘산불 피해 지역 분석’으로 입력하고 추가 버튼을 클릭하세요.
밴드 조합 버튼을 클릭하면 드롭다운 메뉴에 밴드 조합이 추가되어 다른 이미지에 빠르게 적용할 수 있습니다.
7. 프로젝트를 저장하세요.


산불 피해 정도 계산하기

이번에는 산불 피해 영역을 정략적으로 식별하는 계산 식을 사용합니다. 이 계산 식은 NBR(표준화된 피해 비율, Normalized Burn Ratio)로 Near Infrared와 Shortwave Infrared 2 밴드(5, 7 밴드)를 수학적으로 비교하여 산불로 인한 손상 심각도를 결정합니다. 그다음 2014년도와 2015년도의 NBR 값을 비교해 손상된 영역만 표시합니다.

NBR은 2014년, 2015년 총 두 번에 걸쳐 계산하며 래스터 지오프로세싱 도구를 사용하고 다음 계산 식을 적용합니다.

NBR = (밴드 5 – 밴드 7) / (밴드 5 + 밴드 7)

1. 리본 메뉴에서 보기의 카탈로그 창을 클릭하세요.

2. 폴더 옆에 있는 드롭다운 화살표를 클릭하십시오. Montana Fires 폴더, commondata 폴더, 마지막으로 raster_data 폴더를 엽니다.

현재 맵에 있는 두 개의 래스터 데이터셋(위성영상)이 나타납니다.

3. G_2014.tif 파일을 클릭하세요.

개별 밴드가 나열됩니다. 여기서 밴드 5(Near Infrared), 밴드 7(Shortwave Infrared 2)이 필요합니다.

4. NearInfrared 밴드 오른쪽 클릭 후 현재 맵에 추가를 클릭하세요. 밴드가 맵에 추가됩니다. RGB 색상으로 표시되지 않기 때문에 흑백 이미지처럼 보입니다.
5. ShortWaveInfrared_2 밴드 현재 맵에 추가를 선택하세요.
6. G_2015.tif 파일을 클릭 후 NearInfrared, ShortWaveInfrared_2 밴드를 맵에 추가하세요.
7. 리본 메뉴에서 분석 탭에 도구를 클릭하세요.

지오프로세싱 창이 열립니다.

8. 지오프로세싱 창에서 도구 찾기에 Raster Calculator를 입력하고 검색하세요. 목록에서 Raster Calculator (Spatial Analyst Tools)을 클릭하세요.

래스터 계산기 도구가 열립니다. 이 도구를 사용하면 계산 식을 기반으로 새로운 래스터 데이터 세트를 만들어 픽셀값을 결정할 수 있습니다.
래스터 밴드 조합과 기존 위성영상을 사용하여 산불 피해 정도에 대한 계산 식을 만들 수 있습니다.

  •  산불 피해 정도 계산 식: (밴드 5 – 밴드 7) / (밴드 5 + 밴드 7)

9. 래스터 아래의 G_2014.tif_NearInfrared를 더블 클릭하여 계산 식에 추가하세요.

10. 도구에서 뺄셈 연산자를 더블 클릭하고, G_2014.tif_ShortWaveInfrared_2 래스터를 더블 클릭하세요.

11. 산불 피해 정도 계산 식을 적용하기 위해 식에 () 괄호를 넣고 뒤에 / 나눗셈 연산자를 추가하세요.
12. G_2014.tif_NearInfrared 래스터를 더블 클릭하여 추가하고 도구에서 + 덧셈 연산자를 넣은 뒤 G_2014.tif_ShortWaveInfrared_2래스터를 더블 클릭하세요.
13. 뒤에 넣은 식에도 괄호를 추가하세요.

14. Output raster에서 찾아보기 버튼을 클릭하세요.

15. Output raster 창에서, 프로젝트 아래 폴더를 클릭하고 Montana Fires 폴더를 더블 클릭하세요.
16. 이름을 ‘2014_nbr’로 변경하고 저장을 클릭하세요.
17. 실행을 클릭하세요
도구가 실행되고 새 이미지가 맵에 추가됩니다. 밴드와 마찬가지로 새로운 레이어는 흑백이며 산불 피해에 대한 정보는 거의 제공하지 않습니다. NBR이 2014년에서 2015년 사이에 변경된 정도를 결정할 때만 산불 피해 지역의 경계가 분명해질 것입니다.

18. 지오프로세싱 창의 표현식에 있는 래스터를 2014년도에서 2015년도로 변경하세요.

19. Output raster에서 결과 이름을 ‘2015_nbr’로 변경하고 실행을 클릭하세요(저장 위치는 그대로 둡니다).


NBR의 변화 결정

다음으로 Raster Calculator 도구를 사용하여 두 이미지 사이의 NBR 변화를 계산합니다. 이렇게 하면 2014년에서 2015년 사이에 산불로 인해 변화된 지역을 제외한 나머지가 모두 제거됩니다.

1. 지오프로세싱 창에서, 기존에 있는 계산 식을 지우세요.
2. 계산 식 창에 ‘2014_nbr’ – ‘2015_nbr’ 식을 입력하세요.

3. Output raster를 ‘change_nbr’로 변경하고 실행을 클릭하세요.

산불 피해 지역이 흰색으로 나타나고 주변의 회색 및 검정색 영역과 강하게 대조되는 것을 볼 수 있습니다. 또한 산 정상부에 있는 눈도 흰색으로 나타납니다. 이제 색상을 조정하여 대비를 더 강조해보겠습니다.

4. 콘텐츠 창에서 change_nbr 레이어의 색상 램프를 클릭하세요.

5. 심볼 창이 열리면 색 구성표에서 초록색에서 빨간색을 나타내는 색상 램프를 선택하세요.

레이어의 심볼이 업데이트됩니다.

산불로 인한 피해 지역이 빨간색으로 더욱 명확하게 보입니다.

6. 심볼 창과 지오프로세싱 창을 닫으세요.
7. 콘텐츠 창에서 2015_nbr 레이어를 오른쪽 클릭하고 제거를 클릭하세요.

8. 아래 레이어들도 삭제하세요.

  • 2014_nbr
  • tif_ShortWaveInfrared_2
  • tif_NearInfrared
  • tif_ShortWaveInfrared_2
  • tif_NearInfrared

산불 피해 지역 디지타이징

이제 산림 자원 관리 부서와 공유할 수 있는 산불 피해 지역 이미지를 얻었습니다. 이제 피처 클래스를 생성한 다음 편집 도구로 피해 지역 경계를 추정해보겠습니다.

1. 카탈로그 창에서 데이터베이스 폴더를 여세요.
이 폴더에는 Montana_Fires 및 Montana_Fires1이라는 두 개의 지오데이터베이스가 있습니다. Montana_Fires 옆의 홈 아이콘은 프로젝트와 함께 생성된 기본 지오데이터베이스임을 나타냅니다.
2. montana_fires1를 오른쪽 클릭하고 새로 만들기를 클릭하고 피처 클래스를 선택하세요.

3. 피처 클래스 생성 창에서 이름은 ‘산불’로 입력하고 나머지 설정은 그대로 둔 채 ‘마지막 경유지에 도착’ 버튼을 클릭하세요.

4. 카탈로그 창에서 새롭게 생성한 산불 피처 클래스를 오른쪽 클릭하고 현재 맵에 추가를 선택하세요.

5. 콘텐츠 창에서 산불 레이어의 심볼을 클릭하세요.
6. 심볼 창에서 갤러리 탭에 있는 검은색 윤곽선(2pts)을 선택하세요.

7. 위쪽 호수 근처의 산불 피해 지역으로 지도를 확대하세요.

8. 리본 메뉴에서 편집 탭을 클릭하고 피처 그룹의 생성을 클릭을 선택하세요.

9. 피처 생성 창에서 산불 피처레이어를 클릭하세요.

10. 산불 피해 지역 경계를 임의로 클릭하고 폴리곤 피처를 그리세요.

다른 곳을 클릭하면 다른 버틱스가 배치됩니다.

11. 피처가 다 그려졌으면 더블 클릭을 해서 피처 생성을 마치세요.

12. 편집 탭에서 저장을 클릭하세요.

13. 편집한 내용을 저장하는 창이 뜨면 확인을 클릭하세요.
14. 아래 부분의 산불 지역으로 맵을 이동하세요.

15. 피처 생성 창에서 산불 피처의 폴리곤 생성 버튼을 클릭하세요.

16. 해당 산불 지역도 디지타이징하세요.

17. 디지타이징이 완료되면 편집 메뉴의 저장 버튼을 클릭하세요.
18. 피처 생성 창을 닫으세요.


산불 피해 지역 디지타이징

산불 피해 지역 경계 피처를 만들었지만 아직 레이어의 속성 정보가 없습니다. 이번에는 속성 테이블을 편집하여 각 산불 지역을 식별하고 피해 지역의 면적을 계산합니다.

1. 콘텐츠 창에서 산불 레이어를 오른쪽 클릭하고 속성테이블을 선택하세요

속성 테이블에는 두 개의 피처가 있습니다. 두 번째로 디지타이징한 피처는 아직 선택되어 있습니다.

2. 속성테이블 리본 메뉴에서 선택 해제를 클릭하세요.

3. 리본 메뉴에서 추가 버튼을 클릭하세요.
4. 새로운 필드에서 필드명을 이름으로 데이터 유형을 텍스트로 선택하세요.

5. 피처 레이어의 리본 메뉴에서 저장 버튼을 클릭하세요.

6. 필드 아래에 새 필드를 추가하려면 여기를 클릭하세요를 클릭해 새 필드를 추가하세요.
7. 필드 이름을 면적으로 데이터 유형을 Float으로 선택하세요

8. 리본 메뉴에서 저장을 클릭하세요.
9. 필드 뷰를 닫고 속성 테이블로 돌아가세요.
10. 첫 번째 피처의 이름 필드를 더블 클릭하고 ‘레이놀즈’를 입력한 뒤 엔터를 누르세요.
11. 두 번째 피처 이름을 ‘톰슨’으로 변경하세요.
12. 면적 필드를 오른쪽 클릭한 후 필드 계산을 선택하세요.

13. 필드 계산 창이 열리면 Shape_Area 필드를 더블 클릭하고 나누기 / 연산자를 클릭하고 뒤에 10,000을 입력하세요.

해당 계산 식은 제곱미터(m2)로 표현되는 면적을 헥타르(ha)로 변환하기 위한 식입니다.

14. 실행 버튼을 클릭하세요. 이를 통해 지역별 산불 피해 면적을 추정할 수 있습니다.
15. 지오프로세싱 창을 닫고 리본 메뉴의 편집에서 저장을 클릭하세요.
16. 프로젝트를 저장하세요.


결과 공유하기
  1. 콘텐츠 창에서 산불 레이어를 오른쪽 클릭하고 공유를 클릭한 뒤 웹 레이어로 공유를 선택하세요.
  2. 웹 레이어 공유 창이 열리면 이름을 ‘글레이셔_빙하_국립_공원_산불’로 입력하세요.
  3. 요약 정보는 다음과 같이 입력하세요.
  • 2015년 8월의 여름 동안 발생한 글레이셔 빙하 국립공원의 산불 피해 지역 경계
  1. 태그에는 산불, 레이놀즈, 톰슨, 글레이셔 빙하 국립공원, 몬타나를 입력하고 엔터를 누르세요.
  2. 공유 대상은 모두로 선택하세요

6. 분석 버튼을 클릭해 레이어 공유에 문제가 없는지 확인하세요.
7. 발행 버튼을 클릭하세요.

이 레이어는 ArcGIS Online에 게시되며 내 콘텐츠에서 접근할 수 있습니다. 공유 대상을 모두로 설정했기 때문에 해당 콘텐츠는 다른 사람들에게도 공유될 수 있습니다.


이번 실습에서는 두 가지 산불의 피해 지역을 평가하기 위해 Landsat 위성영상을 사용했습니다. 먼저 여러 가지 스펙트럼 밴드 조합을 통해 위성영상을 보고 피해 위치를 확인합니다. 그런 다음, 래스터 계산 툴을 사용해 피해 영역을 강조 표시합니다. 마지막으로 두 가지 산불 피해 지역을 모두 디지타이징하여 ArcGIS Online에 공유했습니다. 실제 몬타나주의 산림 자원 관리부는 산불 복구에 이 레이어를 활용할 수 있습니다.

[문의]  한국에스리 02)2086-1960

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