Transcript 3조(Mineral): 김진숙, 박준형, 윤진구, 이지영, 최승민

13. 토양, 광물, 지형학 관련 원격탐사
김 진 숙, 박 준 형, 윤 진 구, 이 지 영, 최 승 민
* 서론
• 지구표면의 74%는 내륙해수, 호수, 저수지, 하천 등을 포함하여 물
이 차지하며, 26%만이 땅이다. 하지만 거의 대부분의 사람들은 암
석으로 이루어진 땅 그리고 흙이라고 부르는 풍화된 암석 위에서 살
아가고 있다. 인간은 이러한 토양으로부터 여러 가지 자원들을 얻고
있다.
이런 정보를 획득하기 위해서 원격탐사는 굉장히 유용하게 사용되고
있다. 원격탐사는 지표면이 식물로 덮여 있지 않은 경우에 한해서 토
양의 식별, 목록자성 및 지도 작성 등이 가능하며, USLE(Universal
Soil Loss Equation) 및 여러 수분모델의 생물, 물리적 정보를 제공
하며, 토양침식 모델링이 가능하도록 해준다.
또한, 원격탐사는 암석과 광물들의 화학적 조성에 대한 정보를 제공
하는데 그 기술 중 영상분광학 기술을 사용하면 암석과 광물의 고유
한 형태와 관련된 특정 흡수밴드를 파악할 수 있다.
* 토양특성과 분류법
• 토양은 식물의 자연배지
로 이용되는 지구 표면의
다져지지 않은 물질로 지
표면에서부터 최대 약
200cm 깊이 사이에 존
재하는 풍화된 물질이다.
• 토양은 다양한 크기와 성
분을 가진 무기질 광물입
자와 유기물들의 혼합물
이다. 이러한 입자들이
토양 체적의 약 50%를
구성하고 있으며 나머지
는 공기와 물로 채워지는
공극이다.
• 토양의 종단면을 확인해
보면 그림과 같다.
* 토립자의 크기와 구조
• 토양층의 있어서 토립자의 평균직경은 토양을 분류하
기 위한 중요한 변수 중의 하나이다.
• 일반적으로 사질, 실트질, 점토질의 세 가지 분류등급
이 있다. 다음의 그림은 이들의 직경에 근거를 두고 토
립자를 분류하기 위하여 사용되는 세 가지의 등급기준
을 보여준다.
•
•
•
모래는 직경 0.05 - 2.0mm 로 사질 입자가 큰 비율을 구성하는 토양.
실트는 직경 0.002 - 0.05mm로 실트질 입자가 큰 비율을 구성하는 토
양
점토는 직경 0.002mm 미만으로 점토질 입자의 크기에 의해서 특성이
지배되는 토양
* 토양특성의 분석에 원격탐사를 왜 이용하는가?
• 토양도를 작성하기 위해서는 대상지역의 현장조사자
료 없이 원격탐사만으로 토양도를 만든다는 것은 현실
적으로 가능한 일이 아니다. 하지만 보다 정확한 토양
분류를 수행함에 있어 그들에게 도움이 되는 적절한
자료로서 그 가치를 부여하기 위해서 이다.
또는 어떤 토양의 특성은 이상적인 조건하에서 원격으
로 측정될 수 있다.
• 이론적으로는 항공기 또는 위성에 탑재된 센서가 기록하는
노출토양으로부터의 총 용승 복사휘도 Lt는 그림에 표시한
근원으로부터의 전자기에너지의 함수이며, 이를 정리하면
다음과 같다.
• Lt = Lp + Ls + Lv
* 토양 분광 반사특성
•
•
•
•
•
토양 조직(모래, 실트, 점토의 구성비율)
토양 함수량(예를 들어, 건조, 습윤, 포화)
유기물 함량
산화철 함량
표면 조도
* 토양 구조와 함수량
• 토양에서 입자의 크기와 그 토양이 저장할 수 있는 함
수량 사이에는 상관성이 있다.
• 토립자 사이의 공극은 틈새 공기공간(interstitial air
space)이라 부른다.
• 무기물과 산화철이 존재하지 않는 건조토양의 파장별
총 반사는 토립자 표면으로부터의 거울 반사 에너지
와 산란에 의한 토양 용적 반사의 평균적 함수이다.
* 토양 유기물
• 토양 상부에 유기물 함량이 많을수록 입사 에너지의
흡수는 커지고 분광 반사는 작아진다.
* 표면조도
• 입사 복사량의 크기에 비하여 표면 조도가 작을수록
지형으로부터의 거울 분광반사율은 커지게 된다. 이
와 같은 정보는 토양수분, 유기물질, 산화철을 함유하
지 않는다는 가정 하에서(이것들이 함유 된다면 큰 비
율로 흡수하여 실트질 또는 사질토와 같이 나타나기
때문에 분석상 문제를 발생시킴), 어떤 토양조직에서
방출되어야만 하는 분광반사량에 대한 일반적인 내용
을 정리하는데 사용할 수 있다.
• 큰 입자로 구성된 사질토는 점토와 실트질 토양보다
는 가시 및 근적외 에너지의 입사 파장을 산란시켜야
한다. 따라서 Coarse grained sand로 이루어진 사질
해변은 가장 밝게 나타나고, 점질토는 가장 어둡게 나
타난다.
* 광물, 암석과 관련된 원격탐사
• 암석이란, 입자들이 상호 연결되거나 또는 다양한 형태의 시멘
트(일반적으로 규소 또는 칼슘 카보네이트) 결합으로 이루어진
광물들의 집합이다. 최소한의 식생과 토양만이 존재하여 원격탐
사 시스템으로 암석이 직접 관측되는 경우는 암석의 종류를 구
별할 수 있으며, 이들의 특성과 관련된 정보를 얻을 수 있다.
• Clark(1999)은 다음과 같이 Hapke(1993)의 방정식에 기초하여
단일 광물이나 복합광물로 구성된 암석의 반사에 대한 모델링이
가능하다고 제안하였다.
• 향상된 반사 이론과 광물들의 기존 광학상수를 사용하면, 다음
과 같은 이론적인 반사 스펙트럼의 계산이 가능하다: 1)균일한
크기의 입자로 구성된 순수광물, 2)다양한 크기의 입자로 구성
된 순수광물, 3)다양한 크기의 입자로 구성된 혼합광물. 이는 특
정 광물이나 암석들의 반사곡선이 다양한 파장대에서 어떻게 보
여 지는지를 예측할 수 있다는 것을 의미해 중요하다.
* 이미지 분광계(Imaging Spectrometer)
• 암석의 종류와 광물 구성에 대한 양적인 정보를 획득
하는데 유용하다. 실험실, 현장 혹은 항공원격탐사에
서 사용된다. 지표면에서의 반사나 방사 분광학은 재
료의 화학적 결합에 따라 민감하게 반응한다. 이미지
분광계를 사용하여 암석의 종류나 광물 구성을 결정
하는 기본적인 특징을 다룰 수 있다.
* 에너지-물질 상호작용-반사 및 흡수 과정
• 모든 광물이 동일한 형태로 입사 광자를 흡수하고 산
란한다면, 광물학적인 원격탐사에 대한 기본 이론은
존재할 수 없다. 각 광물들은 입사 에너지를 다르게
산란하거나 흡수한다. 광물이 입사 에너지를 어떻게
산란, 흡수하는지를 결정하는 과정은 많이 있다. 이
과정들은 조사 대상인 파장에 따라 다른 방법으로 산
란, 흡수를 측정한다.
• 현재로서는 이미지 분광계가 현장에서 사용하는 분광
복사계와 유사하게 흡수 정보의 대부분을 기록할 수
있기 때문에 가장 이상적인 방법이다.
Percent Reflectance (offset for clarity)
90
80
Laboratory
Spectra
Alunite
70
60
50
1 2 3
5
4
Landsat Thematic Mapper
40
23
29
30 31
7
30
20
10
GERIS
hyperspectral
0
0.4 0.6
0.8
28
32
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Wavelength,  m
2.2
2.4
Relative Reflectance
Index of Refraction or
Extinction Coefficient
6
Quartz Optical Constants
n, index of refraction
K, extinction coefficient
4
K
n
2
n
Quartz (powdered)
n
0
n K
8
K
12
10
Wavelength, m
14
16
0
8
10
12
Wavelength, m
14
16
* 지질학(Geology)
지질학(Geology)은 암석에 대한 학문 분야이다. 지질학은
지구의 거대한 역사를 말해주며 지구의 지질학적 형성을
설명해 준다. 지질학적 관점에서 보면, 인류는 비교적 최
근에 생겨난 것이며, 지구상의 공유하는 수백만 종 중의
하나이다.
* 암석학(Lithology)
지질학자들은 원격탐사자료를 현장조사자료와 병행하여
암석의 유형을 구명하는 암석학에 사용한다. 다양한 암석
의 형태는 다음의 세가지 과정 중에서 한가지로 형성된다.
-화성암은 용해된 물질로부터 형성된다.
-퇴적암은 다른 암석이나 동,식물의 입자들로 형성된다.
-변성암은 기존의 암석에 열이나 압력이 가해짐으로써
형성된다.
* 구조
* 배수밀도 및 형태
• 지구의 경관은 다양한 하천의 밀도와 형태를 가지고
이루어져 있는데, 원격탐사 자료를 이용하면 이를 확
인 할 수 있다.
• 배수밀도(D)는 유역에서 하천의 총 길이(L)를 유역면
적(A)으로 나눈 것 이다.
* 배수형태
* 지형학(Geomorphology)
• 지질학자, 물리지리학자 등은 지구 표면의 지형적인 특징을 구
명하고 해석하기 위하 여 원격탐사자료를 개략적인 관점에서 사
용함.
• 원격탐사를 이용 많은 지형들은 크기, 모양, 높이, 3차원적 지형,
배치, 경사, 방향 등과 같이 관찰이 가능하고, 반복적인 속성을
보인다. 이 속성들은 지형을 다음의 아 홉 가지 유형으로 분류할
수 있도록 도와준다.
-화성암 지형(igneous landforms)
-수평층에서 발달된 지형(landforms developed on horizontal strata)
-습곡층에서 발달된 지형(landforms developed on folded strata)
-단층지배 지형(fault-controlled landforms)
-하천에 의해 형성된 지형(fluvial landforms)
-카르스트 지형(karst landforms)
-해안선 지형(shoreline landforms)
-빙하 지형(glacial landforms)
-풍화 지형(eolian landforms)
* 화성암 지형(igneous landforms)
1) 분석구 (cinder cone) 화산 : 전적으로 공기 중으로
분출되어 지표로 낙하하는 열분해적인 물질에 의해
생성. 이들이 축적되면서 원뿔체를 만들게 됨.
2) 용암돔 (shield) 화산 : 용암이 쏟아져 나오면서 형성
되는데 이는 용암의 점성에 따라 완만하거나 경사진
화산으로 만든다. (유동적이면 완만한 경사, 점성이
높을수록 급경사)
3) 현무암 : 일반적으로 흑백필름에서 어둡게 나타난다.( 장석, 각
섬석, 운모를 포함하고 있기 때문에) ↔ 석영안산암, 유문암은
밝게 나타남.
4) 복합 원뿔형 또는 층형의 화산 : 용해물질과 함께 분출된 용암에
의해 형성된 것이다.
4) 복합 원뿔형 또는 층형의 화산 : 용해물질과 함께 분출된 용암에 의해 형성된 것이다.
5) 관입 화성암 : 용해된 마그마가 지각 내에서 식으면서 결정화될
때 형성된다. (화강 암, 섬록암, 휘록암, 반려암등)
화강암 : 흑백필름에서 밝은 색으로 나타남.
휘록암, 반려암 : 어둡게 나타남.
6) 관입 화산암경(volcanic neck) : 관입화산암경을 둘러싸고 있는
저항력이 적은 물질 이 침식하게 되면, 저항력이 더 큰 화산암경
물질이 노출된다.
* 수평층에서 발달된 지형(landforms developed
on horizontal strata)
- 이암(mudstone) : 대개 홍수범람지역, 호수 또는 깊은 해양에
퇴적되는 눈으로는 판 별할 수 없는 아주 고운 퇴적물로 구성
되어 있다. (이암 퇴적물은 특히 삼각주에서 두껍게 형성)
- 사암(sandstone) : 거의 직경 1/12 in.(2mm) 이상까지의 설탕
조각과 같이 눈에 보이는 입자를 가지고 있다. 흑백사진에서
어두운 색으로 나타나는 사막에 노출되는 광맥 은 종종 밝은
색을 띄게 된다.
- 석회암(limestone) : 탄산칼슘으로부터 형성되는데 대부분은
암초를 형성하므로 동물 의 뼈대와 같이 구성된다. 습한 환경
에서는 석회석이 용해되면서 생성된 카르스트 지형을 볼 수 있
다. 구릉지역과 같이 기복이 많은 지역은 때론 뚜렷한 배수형
태를 보 이지 않지만, 돌리네라 불리는 타원형의 함몰지를 보
인다.
- 혈암(shale) : 퇴적암인 혈암은 실트와 점토입자의 퇴적 및 압
밀에 의해 형성된다. 세구조-중구조 엽상형 배수형태를 띠게
되는데 혈암은 일반적으로 흑백영상에서 밝은 색으로 보인다.
Landsat
LandsatTM
TM
Band
4
Band 4
Digital
Digital
Elevation
Elevation
Model
Model
TM
TMBands
Bands4,3,2
4,3,2(RGB)
(RGB)
Shaded
Shaded
Relief
ReliefMap
Map
Slope
Slope
Map
Map
TM
TMBands
Bands7,4,2
7,4,2(RGB)
(RGB)
* 습곡층에서 발달된 지형(landforms developed
on folded strata)
습곡지형은 돔형의 단사
(ramp shaped), 배사, 그
리 고 향사형태로 나타난
다.
• 구릉(hogback) : 침하되면서 급경사를 이룬 암반의
저항층에 각각 다른 형태의 침식 이 일어나면서 형성
된 가파른 능선.
Canoe Mountain
St
ri
ke
Brush Mountain
Hogback
ridges
San Rafael
Swell
* 단층지배 지형(fault-controlled landforms)
• 단 층 지 배
landforms)
지 형 (fault-controlled
Wasatch
Mountains
Wasatch
Fault
Springville
Spanish Fork
Garlock
Fault
San Andreas
Fault
* 하천에 의해 형성된 지형
• 풍화, 침식, 그리고 물의 흐름에 의한 운반 및 퇴적작
용에 의해서 형성된다.
• 형성된 지형의 종류( 계곡, 범람원, 하안단구, 삼각주,
선상지, 산기슭의 완사면)
* 카르스트 지형 (석회암에서 생성된 지형)
• 암석의 절반 이상이 탄산칼슘인 탄산염 광물로 구성
되어 있다.
• 지표에서부터 아래쪽으로 석회암이 용해되면서 형성
- 암석의 절반 이상이 탄산칼슘인 탄산염 광물로 구성되어 있다.
- 지표에서부터 아래쪽으로 석회암이 용해되면서 형성된 함몰지역.(돌리네)
된 함몰지역.(돌리네)
• (석회암에서 생성된 지형)
* 해안선 지형
• 세계 인구의 2/3 이상이 해안선에서 100마일 이내 지
역에 밀집.
• 해안 지역의 지형형태에 영향을 미치는 인자 1)파도
와 해류의 흐름을 일으키는 태양에 너지 2)달과 태양
의 중력에 의해 생성되는 조류 3)인간의 활동.
• 해안선 지형의 종류 (해변, 사주, 갯둑, 해안 외주, 석
호, 하구)
• 해안 지역의 지형형태에 영향을 미치는 인자
1)파도와 해류의 흐름을 일으키는 태양에 너
지 2)달과 태양의 중력에 의해 생성되는 조류
3)인간의 활동.
• - 해안선 지형의 종류 (해변, 사주, 갯둑, 해안
* 빙하지형
• 빙하지형은 1)이동하는 얼음 2)얼고 녹는 과정의 반
복 3)빙하가 녹은 물에 의해 형성.
• 대륙빙하와 고산빙하가 있다. (모두 침식과 퇴적에 의
한 독특한 지형.)
* 풍화지형
• 바람에 의한 물질의 침식, 운송, 퇴적을 풍화 작용이
라 한다. 바람은 전형적으로 해안지역과 사막에 침식
및 퇴적작용을 형성한다. 풍화지형은 충분한 모래의
공급과 이를 운반할만한 충분한 풍속이 있을 때 발달.)
감 사 합 니 다.