GOCI-II 대기상한 반사도와 기계학습을 이용한 남한 지역 시간별 에어로졸 광학 두께 산출 (Retrieval of Hourly Aerosol Optical Depth Using Top-of-Atmosphere Reflectance from GOCI-II and Machine Learning over South Korea)

서지정보

· 발행기관 : 대한원격탐사학회
· 수록지 정보 : 대한원격탐사학회지 / 39권 / 5호 / 933 ~ 948페이지
· 저자명 : 양세영, 최현영, 임정호

초록

대기 중 에어로졸은 인체에 악영향을 끼칠 뿐 아니라 기후 시스템에도 직간접적인 영향을 미치므로 에어로졸의 특성과 시공간적인 분포에 대한 이해는 매우 중요하다. 이를 위해 위성기반 관측을 통해 에어로졸광학 두께(Aerosol Optical Depth, AOD)를 산출하여 에어로졸을 모니터링하는 다양한 연구가 수행되어 왔다.
하지만 이는 주로 조견표를 활용한 역 산출 알고리즘에 기반하여 이루어지기 때문에 많은 계산량을 요구하며불확실성이 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 Geostationary Ocean Color Imager-II (GOCI-II)의 대기상한반사도와 30일 동안의 대기상한반사도 중 최솟값과 관측 시점 값의 차이 값, 수치 모델 기반 기상학적 변수 등을 활용하여 기계학습 기반 고해상도 AOD 직접 산출 알고리즘을 개발하였다. Light Gradient Boosting Machine(LGBM) 기법이 사용되었으며, 추정된 결과는 지상 관측 자료인 Aerosol Robotic Network (AERONET) AOD를 활용하여 랜덤, 시간 및 공간별 N-fold 교차검증을 통해 검증되었다. 세 가지 교차검증 결과 R2=0.70–0.80,RMSE=0.08–0.09, 기대오차(Expected Error, EE) 안에 있는 비율은 75.2–85.1% 수준으로 안정적인 성능을 보였다. Shapley Additive exPlanations (SHAP) 분석에서는 반사도 관련 변수들이 기여도의 상위권 대부분을 차지하고 있는 것을 통해 반사도 자료가 AOD 추정에 많은 기여를 하는 것을 확인하였다. 서울과 울산 지역에 대한 시간 별 AOD의 공간 분포를 분석한 결과, 개발된 LGBM 모델은 시간의 흐름에 따라 AERONET AOD 값과 유사한 수준으로 AOD를 추정하고 있었다. 이를 통해 높은 시공간 해상도(i.e., 시간별, 250 m)에서의 AOD 산출이 가능함을 확인하였다. 또한, 산출 커버리지 비교에서 LGBM 모델의 평균 산출 빈도가 GOCI-II L2 AOD산출물 대비 8.8%가량 증가한 것을 통해 기존 물리모델기반 AOD 산출 과정에서 발생하던 밝은 지표면에 대한 과도한 마스킹의 문제점을 개선시킨 것을 확인하였다.

영어초록

Atmospheric aerosols not only have adverse effects on human health but also exert directand indirect impacts on the climate system. Consequently, it is imperative to comprehend thecharacteristics and spatiotemporal distribution of aerosols. Numerous research endeavors have beenundertaken to monitor aerosols, predominantly through the retrieval of aerosol optical depth (AOD) viasatellite-based observations. Nonetheless, this approach primarily relies on a look-up table-based inversionalgorithm, characterized by computationally intensive operations and associated uncertainties. In thisstudy, a novel high-resolution AOD direct retrieval algorithm, leveraging machine learning, was developedusing top-of-atmosphere reflectance data derived from the Geostationary Ocean Color Imager-II (GOCIII),in conjunction with their differences from the past 30-day minimum reflectance, and meteorologicalvariables from numerical models. The Light Gradient Boosting Machine (LGBM) technique washarnessed, and the resultant estimates underwent rigorous validation encompassing random, temporal,and spatial N-fold cross-validation (CV) using ground-based observation data from Aerosol RoboticNetwork (AERONET) AOD. The three CV results consistently demonstrated robust performance, yieldingR2=0.70–0.80, RMSE=0.08–0.09, and within the expected error (EE) of 75.2–85.1%. The ShapleyAdditive exPlanations (SHAP) analysis confirmed the substantial influence of reflectance-related variableson AOD estimation. A comprehensive examination of the spatiotemporal distribution of AOD in Seouland Ulsan revealed that the developed LGBM model yielded results that are in close concordance withAERONET AOD over time, thereby confirming its suitability for AOD retrieval at high spatiotemporal resolution (i.e., hourly, 250 m). Furthermore, upon comparing data coverage, it was ascertained that theLGBM model enhanced data retrieval frequency by approximately 8.8% in comparison to the GOCI-IIL2 AOD products, ameliorating issues associated with excessive masking over very illuminated surfacesthat are often encountered in physics-based AOD retrieval processes.

참고자료

· 없음