[논문 리뷰] Integrated monitoring of ice in selected Swiss lakes. Final project report

Manu Tom, Melanie Sütterlin외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 02.

Arctic and Antarctic ice dynamics참고 문헌 59인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 스위스 알프스 호수의 빙상 모니터링을 위해 위성 영상(MODIS/VIIRS), 공공 웹캠, 현장 측정 데이터를 통합한 접근 방식을 제시한다. 빙상 및 빙해 일자를 결정한다. 다중 소스 데이터를 성공적으로 융합하여 특히 작은 호수인 숭모리츠 호수의 경우 검출 정확도를 향상시켰으며, 기후 관련 빙상 변수를 위한 다중 플랫폼 모니터링 시스템의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Various lake observables, including lake ice, are related to climate and climate change and provide a good opportunity for long-term monitoring. Lakes (and as part of them lake ice) is therefore considered an Essential Climate Variable (ECV) of the Global Climate Observing System (GCOS). Following the need for an integrated multi-temporal monitoring of lake ice in Switzerland, MeteoSwiss in the framework of GCOS Switzerland supported this 2-year project to explore not only the use of satellite images but also the possibilities of Webcams and in-situ measurements. The aim of this project is to monitor some target lakes and detect the extent of ice and especially the ice-on/off dates, with focus on the integration of various input data and processing methods. The target lakes are: St. Moritz, Silvaplana, Sils, Sihl, Greifen and Aegeri, whereby only the first four were mainly frozen during the observation period and thus processed. The observation period was mainly the winter 2016-17. During the project, various approaches were developed, implemented, tested and compared. Firstly, low spatial resolution (250 - 1000 m) but high temporal resolution (1 day) satellite images from the optical sensors MODIS and VIIRS were used. Secondly, and as a pilot project, the use of existing public Webcams was investigated for (a) validation of results from satellite data, and (b) independent estimation of lake ice, especially for small lakes like St. Moritz, that could not be possibly monitored in the satellite images. Thirdly, in-situ measurements were made in order to characterize the development of the temperature profiles and partly pressure before freezing and under the ice-cover until melting. This report presents the results of the project work.

연구 동기 및 목표

• 다양한 데이터 소스를 활용해 스위스 호수 빙상에 대한 통합 모니터링 시스템을 개발한다.
• 저해상도, 고주기 위성 데이터(MODIS/VIIRS)를 활용해 빙상 및 빙해 시기를 탐지하는 데의 실현 가능성을 평가한다.
• 특히 해상도가 낮은 작은 호수에 대해 공공 웹캠이 보정 및 독립적 모니터링 도구로 얼마나 유용한지 평가한다.
• Freeze-up 및 빙상 동역학을 더 잘 이해하기 위해 수온 및 압력 프로파일의 현장 측정 데이터를 확보한다.
• 기후 필수 변수(ECV)로서의 장기적 호수 빙상 모니터링을 위한 다중 소스 프레임워크를 구축한다.

제안 방법

• 250–1000m 해상도를 가진 MODIS 및 VIIRS의 일일 위성 영상을 활용해 빙상 범위의 시간적 모니터링을 수행한다.
• 표면 반사율 및 스펙트럼 반사도 변화 기반으로 빙상 존재 여부를 감지하기 위한 자동화된 영상 처리 기법을 구현한다.
• 스위스의 작은 호수(예: 숭모리츠 호수)에서 위성 해상도가 부족한 경우를 대비해 기존 공공 웹캠을 활용해 시각적 검증 및 독립적 빙상 탐지 수행한다.
• Freeze-up 및 빙상 안정성 특성을 규명하기 위해 수온 프로파일 및 빙하 압력의 현장 측정 데이터를 확보한다.
• 위성, 웹캠, 현장 데이터의 결과를 융합해 빙상 및 빙해 일자 탐지의 정확성과 견고성을 향상시킨다.
• 다양한 데이터 소스 간 결과를 비교 및 검증하여 다중 플랫폼 접근 방식의 일관성과 신뢰성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저해상도, 고주기 위성 데이터(MODIS/VIIRS)는 스위스 호수의 빙상 및 빙해 일자를 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 공공 웹캠은 특히 해상도가 낮은 작은 호수에 대해 빙상 모니터링의 보완 또는 독립적 자료로 얼마나 활용될 수 있는가?
• RQ3 현장에서 확보한 수온 및 압력 측정 데이터는 호수 빙상의 Freeze-up 및 녹는 과정 이해에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 위성, 웹캠, 현장 데이터를 융합함으로써 기후 필수 변수로서의 호수 빙상 모니터링에 어떤 추가 가치를 제공하는가?
• RQ5 단일 소스 방법 대비 다중 소스 접근 방식은 빙상 탐지 정확도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• MODIS 및 VIIRS 위성 데이터 통합으로 매일 갱신되는 시간 해상도를 확보해 빙상 및 빙해 사건을 일관되게 탐지할 수 있었다.
• 공공 웹캠은 작은 호수(숭모리츠 호수)에서 위성 데이터의 해상도가 부족한 경우 시각적 검증 및 빙상 탐지에 유용한 자료로 기여했다.
• 현장 측정 데이터는 빙상 형성 및 빙상 기간 동안의 세밀한 열층화 및 압력 역학을 규명하여 과정 이해를 지원했다.
• 다중 소스 접근 방식은 복잡하거나 작은 호수 환경에서 빙상 탐지 신뢰도를 크게 향상시켰다.
• 목표 호수의 빙상 및 빙해 일자가 성공적으로 확정되었으며, 숭모리츠 호수의 경우 소형 및 노출도로 인해 빙상 형성 지연 현상이 뚜렷하게 관측되었다.
• 이 프로젝트는 GCOS 기준 기후 필수 변수로서의 다중 플랫폼 빙상 모니터링 시스템의 실현 가능성과 추가 가치를 입증했다.