NASA SMAP Science Team Meeting
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기후변화로 인한 홍수와 가뭄, 농업용수 부족, 산불위험은 더 이상 특정 지역의 예외적 현상이 아니라 전 지구적 물관리의 일상적 과제가 되고 있다. 이러한 변화 속에서 토양수분은 대기와 지표, 식생과 지하수, 농업과 재난관리를 연결하는 핵심 변수로 주목받고 있다. 지표면 아래 저장된 수분 상태는 강우 이후 유출 반응을 결정하고, 작물 생육과 관개 수요를 좌우하며, 가뭄과 홍수의 조기 감시에도 중요한 정보를 제공한다.
그러나 토양수분은 공간적으로 매우 이질적이고 시간에 따라 빠르게 변하기 때문에, 제한된 지상 관측만으로 넓은 유역과 대륙 규모의 변화를 파악하기에는 한계가 있다. 미국 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration; NASA)의 SMAP(Soil Moisture Active Passive) 위성은 이러한 한계를 보완하기 위해 2015년 발사된 대표적인 토양수분 관측 임무이다. SMAP은 전 지구 표면 토양수분과 동결·융해 상태를 주기적으로 관측하며, 수문, 기상 예측, 가뭄 연구 등 다양한 분야에서 활용되어 왔다.
발사 이후 10년이 지난 현재에도 SMAP 자료의 이용은 꾸준히 확대되고 있다. NASA와 국제 연구 커뮤니티는 자료 정확도 향상, 알고리즘 개선, 차세대 위성 임무와의 연계 가능성을 지속적으로 모색하고 있으며, 이러한 논의의 장 중 하나가 연구 성과를 공유하고 향후 방향을 논의하는 SMAP Science Team Meeting이다.
이번 NASA SMAP Science Team Meeting은 캘리포니아 아카디아에서 사흘간 개최되었다. SMAP Science Team과 국제 협력 연구자들이 참석한 가운데 위성 시스템 현황, 수문·기상 응용, 현장 검보정 관측망, 고해상도 토양수분 산출 알고리즘 등 폭넓은 주제가 다루어졌다. 이번 회의에는 광주과학기술원(Gwangju Institute of Science and Technology; GIST) 김형록 교수 연구팀이 참석하여 SMAP 및 NISAR 기반 토양수분 연구가 국제 현장에서 어떻게 논의되고 확장되는지를 가까이에서 접할 수 있었다.

첫날 회의는 SMAP 과학자 모임을 이끄는 Massa-chusetts Institute of Technology의 다라 엔텍하비와 NASA Jet Propulsion Lab의 사이먼 유에의 현황 보고로 시작되었다. 위성 시스템 상태, 알고리즘 개발 우선순위, 데이터 처리·배포 환경이 차례로 소개되었으며, 사용자 수와 다운로드 건수가 매년 증가하고 있다는 통계는 발사 10년을 넘긴 임무에 대한 연구 커뮤니티의 수요가 여전히 견고함을 보여주었다. 올해 Proceedings of the IEEE 특집 논문 출판과 NASA Senior Review 제안서 제출을 앞둔 만큼, 이날의 보고는 임무 연장의 과학적 타당성을 정리하는 자리이기도 했다.
이어진 과학 세션에서는 SMAP 토양수분 자료가 본래의 관측 목적을 넘어 다양한 분야로 확장되고 있음을 확인할 수 있었다. 물·대기 순환, 동결·해빙 과정을 포함한 대기-탄소 순환, 토양수분과 대류성 강수의 관계를 다룬 기상 예측 연구가 차례로 발표되었다. 태풍 예측에서 육지의 토양수분 분석이 영향을 줄 수 있다는 내용은 수문학과 기상학의 긴밀한 연결성을 보여주는 사례였다.
오후 세션에서는 식생과 생태수문학 연구가 이어졌다. 토양수분의 저장 특성을 분석하여 식물의 물 이용 전략을 해석하려는 연구들은 위성 관측이 생태학 이론과 연결되는 방식을 제시했다. 마지막 세션은 응용 연구와 차세대 위성으로 이어졌다. SMAP과 NA-SA-ISRO 공동 위성 NISAR를 결합해 현재 9km 수준의 토양수분 해상도를 3km까지 개선하려는 준비가 소개되었고, 이는 SMAP이 기존 임무에 머무르지 않고 다음 세대 관측 체계와 연결되고 있음을 시사했다.
공식 세션이 끝난 뒤 이어진 저녁 식사에서는 발표장에서 미처 나누지 못한 이야기들이 오갔다. 다양한 기관의 연구자들과 교류하며 각국의 연구 현장과 자료 활용 경험을 들을 수 있었다.

2일차 세션은 국제 파트너십 및 미션, 수문학 및 수문 과정, 알고리즘 및 과학 산출물이라는 세 가지 주제를 중심으로 진행되었다. 현재 운용 중인 위성의 한계를 극복하기 위한 차세대 미션, 토양수분 자료를 활용한 전 지구 수문 현상 규명, 물리 모델과 인공지능을 결합한 알고리즘 개발까지 다양한 연구가 소개되었다. 발표 전반에서는 우주 기반 관측 기술이 고도화될수록 이를 실제 데이터로 검증하는 현장 검보정(Calibration/Validation, Cal/Val) 관측망의 역할이 커진다는 점이 반복적으로 확인되었다.
첫 번째 세션에서는 L-band 관측의 연속성을 확보하고 공간 해상도를 높이기 위한 국제적 노력이 다루어졌다. GLOWS는 차세대 토양수분 관측을 위한 새로운 위성 임무 개념으로 소개되었다. 발표에서는 메타물질 렌즈 기반 안테나 기술을 활용하여 기존 수동형 마이크로파 관측의 공간해상도 한계를 개선하고, 보다 고해상도의 토양수분 정보를 제공하는 방향이 제안되었다. 유럽우주국 주도의 CIMR 미션은 다중 주파수를 활용해 전 지구 토양수분 및 식생 광학두께 산출물을 제공할 예정이며, HydroGNSS 미션은 위성항법장치 반사 신호를 이용해 토양수분과 동결·융해 상태를 저비용으로 관측하는 방향을 제시했다.
고해상도 L-band SAR 위성인 NISAR와 함께, 200m 해상도 토양수분 산출물을 검증하기 위해 호주 Yanco 지역에서 기획된 대규모 검보정 캠페인 Hi-MoVeS도 소개되었다. 이 캠페인은 위성 통과 시간에 맞추어 항공기 탑재 복사계 비행을 수행하고, 초원과 농경지 등 다양한 지표에서 조밀한 지상 토양수분 샘플링을 병행하는 방식으로 설계되었다. 이는 고해상도 위성 자료를 신뢰성 있게 활용하기 위해 지상 관측도 픽셀 내부의 공간적 이질성을 파악할 수 있을 만큼 정교해져야 함을 보여준다.
NASA Goddard Space Flight Center의 리자트 빈들리시는 올해 말 현업 적용을 목표로 하는 NISAR baseline 토양수분 산출 알고리즘의 초기 평가 결과를 발표하였다. NISAR 토양수분 산출물은 11년 이상 축적된 검증 결과를 보유한 SMAP 토양수분 자료와 비교되었으며, 두 자료 간의 높은 공간적 일관성과 유사한 분포 특성을 통해 NISAR 토양수분 산출 결과의 높은 신뢰도를 확인할 수 있음을 보여주었다.
수문학 세션에서는 SMAP 자료가 기후변화와 극한 기상 조건에서의 수문 현상 이해에 어떻게 활용되는지 논의되었다. SMAP 표면 토양수분 자료와 XG-Boost 알고리즘을 결합하여 전 세계 얕은 지하수의 깊이와 함양량을 추정하는 연구는 표층 자료로 심층 수문 현상을 해석할 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 대규모 강우 시 발생하는 하천 홍수 분석에서는 강우 이전 뿌리층 토양수분의 상태와 강우의 공간적 분포가 홍수 첨두량을 결정하는 주요 요인임이 제시되었다. 이는 큰 홍수가 단순히 많은 강우만으로 설명되지 않으며, 유역의 사전 상태가 홍수 반응을 좌우할 수 있음을 뒷받침한다.
산불 감시와 연결되는 살아있는 식생 수분 함량(LFMC, Live Fuel Moisture Content) 산출 연구도 소개되었다. 이 연구에서는 미국 산림청의 현장 수분 데이터베이스를 활용하여 위성 알고리즘의 정확도를 평가했는데, 균일한 식생과 충분한 관측 쌍을 갖춘 고품질 사이트에서는 위성 산출물과 지상 자료 사이의 상관성이 유의미하게 나타난 반면, 저품질 사이트에서는 상관성이 크게 낮아졌다. 이는 신뢰도 높은 지상 검보정 관측망이 위성 산출물의 최종 품질 평가와 직결됨을 보여주는 사례였다.
마지막 알고리즘 세션에서는 물리적 전자기파 모델링과 딥러닝을 통한 데이터 품질 향상 방안이 소개되었다. U-Net 딥러닝 구조를 활용해 육지와 해양에 광범위하게 존재하는 전파간섭(Radio Frequency In-terference, RFI) 신호를 정교하게 탐지하고, 관측 데이터를 복원하는 기술이 큰 관심을 받았다. 또한 산림이나 옥수수밭과 같은 복잡한 식생 구조에서 전자기파 산란을 3차원 맥스웰 방정식으로 빠르게 시뮬레이션하는 기법도 제시되었다.
이러한 고도화된 물리 모델과 인공지능 알고리즘 역시 현장 자료를 통한 검증 없이는 실효성을 입증하기 어렵다. 산림 산란 모델의 검증에는 하버드 연구림의 3차원 라이다 스캔 자료와 GNSS 수신기 탑재 로봇을 동원한 실측 캠페인이 활용되었고, 식생 내부 수분의 일주기 변화를 포착하려는 연구에서는 식물 수액 흐름 실측과 지상 타워 기반 복사계 관측이 결합되었다. 2일차 세션은 차세대 위성 시대에 관측 해상도와 알고리즘이 정교해질수록 현장 검보정 네트워크의 역할도 함께 커진다는 점을 보여주었다.

3일차 회의에서는 SMAP 자료의 실제 활용 사례와 함께 위성 토양수분 자료를 신뢰성 있게 사용하기 위한 검보정 연구가 중점적으로 소개되었다. SMAP은 전 지구 토양수분을 주기적으로 관측할 수 있다는 장점이 있지만, 위성에서 관측한 값이 실제 지표의 토양수분을 얼마나 잘 대표하는지는 현장 관측자료를 통해 꾸준히 확인해야 한다. NISAR와 같은 고해상도 SAR 위성자료가 본격적으로 활용되면, 위성자료와 지상 관측자료 사이의 공간 스케일 차이를 줄이고 다양한 토지피복 조건에서 정확도를 검증하는 과정이 더 큰 비중을 차지할 것으로 보인다.
회의 초반에는 SMAP 토양수분 자료가 홍수 분석과 모델링에 활용될 수 있는 가능성이 소개되었다. 홍수는 강수량만으로 설명되기 어렵고, 비가 내리기 전 토양이 얼마나 젖어 있었는지에 따라 유출 반응이 크게 달라진다. 발표에서는 SMAP 토양수분 정보가 홍수 발생 원인 이해, 홍수예보 개선, 침수 분석, 홍수빈도분석 등에 활용될 수 있음을 보여주었다. 이는 토양수분 자료가 가뭄 감시뿐 아니라 홍수와 같은 수문 재해를 해석하는 데에도 필요한 변수임을 확인하게 했다.
농업 분야에서의 토양수분 관측 사례도 이어졌다.

캐나다의 RISMA 관측망은 농업지역에서 토양수분, 토양온도, 전기전도도와 함께 강수량, 풍속, 상대습도, 태양복사 등 다양한 기상자료를 수집하는 시스템이다. 이 관측망은 SMAP과 같은 위성자료의 검증뿐 아니라 농업 생산성, 가뭄 감시, 물수지 및 물관리 연구에도 활용되고 있었다. 농업 현장에서 토양수분은 작물 생육과 관개 관리에 직접 연결되는 변수이므로, 위성자료와 현장 관측망을 함께 활용하는 접근은 실제 물관리 측면에서도 의미가 크다.
이후 다양한 환경에서 운영 중인 토양수분 검보정 사이트들이 소개되었다. Simon Yueh는 SMAP–NIS-AR 토양수분 자료의 검보정을 위한 국제 협업 체계를 개괄하였으며, 한국의 GIST 검증 지점을 포함해 10개국 이상에서 다국적 연구그룹이 현장 토양수분 관측자료를 수집하고 있음을 설명하였다. 이러한 협력은 향후 SMAP–NISAR 토양수분 산출물의 신뢰도 평가와알고리즘 개선에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.
이후, 핀란드 Sodankyla 지역의 ESA Cal/Val Su-persite는 고위도 환경에서 SMAP 자료를 검증하기 위한 대표적 사례였다. 이 지역은 적설, 동결·융해, 산림, 습지 등 복잡한 지표 조건을 포함하고 있어 위성 신호 해석이 쉽지 않다. 발표에서는 지상 관측, 타워 관측, 위성 관측을 함께 활용하여 토양수분, 식생 광학두께, 동결·융해, 적설, 온도 등을 장기적으로 관측하고 있음을 보여주었다. 이는 정확한 위성 토양수분 산출을 위해 토양수분 센서뿐 아니라 위성 신호에 영향을 주는 다양한 지표 조건을 함께 관측해야 함을 시사한다.
산악지역의 토양수분 검증 사례도 다루어졌다. 산악지역은 지형이 복잡하고 경사가 크며, 토지피복과 적설 조건이 공간적으로 크게 달라진다. 따라서 넓은 면적을 평균적으로 관측하는 위성 토양수분 자료를 그대로 적용하기에는 불확실성이 커질 수 있다. 이탈리아 알프스 지역 사례에서는 지상 토양수분 관측자료와 Sentinel-1 SAR 영상을 결합하여 산악 유역의 토양수분을 추정하는 방법이 소개되었다. 여러 지점에서 토양수분, 토양온도, 강수량, 기온, 습도, 풍속, 태양복사 등을 함께 관측하고 이를 토양수분 산정에 활용하는 접근은 복잡한 지형에서 현장자료와 보조 기상자료가 필요함을 보여주었다.
한국의 NASA-Korea 핵심 검보정 사이트 구축 계획도 소개되었다. 우리 연구진은 전라남도 함평 지역을 대상으로 SMAP 및 NISAR 토양수분 산출물 검증을 위한 관측체계를 구축하는 계획을 발표하였다. 이 계획은 1km x 1km 규모의 핵심 검보정 영역 안에 25개 지점의 지상 토양수분 센서를 설치하고, NISAR 위성 통과 시점에 맞추어 UAV 기반 L-band 복사계, LiDAR, 다중분광 센서 등을 함께 운용하는 것을 목표로 한다. 함평 지역은 낮은 RFI 환경, 접근 가능한 지형, UAV 운용 가능성, 논과 밭이 포함된 다양한 토지피복 조건 등을 고려하여 후보지로 제시되었다. 국내 현장을 기반으로 국제 위성 검보정 네트워크에 참여할 수 있다는 점에서, 이 발표는 우리 연구가 세계적인 관측 체계와 직접 연결될 수 있음을 보여주었다.
캐나다 Guelph 대학교의 Elora Research Station 사례는 NISAR 시대의 검보정 방향을 보여주었다. NISAR는 기존 수동 마이크로파 위성보다 높은 공간해상도의 토양수분 산출물을 제공할 예정이므로, 하나의 위성 픽셀을 대표하기 위해 지상 센서를 어떻게 배치할지가 중요한 문제가 된다. 발표에서는 여러 토양수분 센서를 체계적으로 배치하고, 위성 통과일에는 식생 높이, LAI, 식생 수분함량, 작물 피복 사진 등을 함께 수집하는 계획이 소개되었다. 또한 UAV 기반 L-band 복사계, LiDAR, hyperspectral 관측 등 다양한 보조자료를 함께 활용하는 방안도 제시되었다. 이는 앞으로의 검보정 연구가 단순히 위성값과 지점 관측값을 비교하는 수준을 넘어, 위성 픽셀 내부의 공간적 이질성을 이해하는 방향으로 발전하고 있음을 보여준다. 3일차 발표들은 위성 토양수분 자료의 활용 가능성이 커질수록 현장 검증의 필요성도 함께 커진다는 점을 확인시켜 주었다. SMAP 자료는 홍수, 농업 물관리, 산악지역 토양수분 분석 등 다양한 분야에서 활용될 수 있었고, NISAR와 결합될 경우 더 높은 공간해상도의 정보를 제공할 것으로 기대된다. 그러나 이러한 자료를 실제 수문·농업 문제에 적용하기 위해서는 지상 센서, 기상자료, 식생 관측, 드론 관측, SAR 자료를 결합한 체계적인 검보정이 필요하다. 결국 위성 자료의 가치를 높이는 일과 현장 관측의 품질을 높이는 일은 별개의 과제가 아니라는 점을 확인할 수 있었다.

이번 SMAP Science Team Meeting은 위성 토양수분 자료가 단순한 관측 산출물을 넘어 수문·기상·농업·재난관리 분야의 의사결정 기반으로 확장되고 있음을 확인할 수 있는 자리였다. 회의에서 다루어진 연구들은 주제와 방법론은 달랐지만, 공통적으로 지표면의 물 순환을 더 정확하게 관측하고 해석하며 실제 문제 해결로 연결하려는 방향을 공유하고 있었다. 특히 SMAP의 장기 관측 성과와 NISAR로 대표되는 차세대 고해상도 관측 체계가 결합되면서, 위성 토양수분 연구의 활용 범위는 앞으로 더욱 넓어질 것으로 보인다.
이번 회의는 고도화된 위성 자료일수록 신뢰성 있는 현장 관측과 검보정 체계가 뒷받침되어야 한다는 점을 분명히 보여주었다. 고해상도 위성 산출물이 실제 수문 현상과 물관리 문제에 활용되기 위해서는 지상 센서, 기상자료, 식생 관측, UAV 관측, 물리 모델, AI 분석이 유기적으로 결합되어야 한다. 이러한 흐름은 광주과학기술원(GIST) 연구진이 수행하고 있는 위성 원격탐사, AI, 수치모델 기반의 물순환 및 자연재해 연구와도 밀접하게 연결된다.
무엇보다 이번 참가는 국내 연구가 국제 위성 검보정 네트워크와 어떻게 연결될 수 있는지를 구체적으로 확인하는 계기가 되었다. 토양수분 자료의 가치는 관측 자체에 머무르지 않고, 자료의 불확실성을 이해하고 현장 조건에 맞게 해석하며 실제 물관리 의사결정에 적용할 때 더욱 커진다. 앞으로 SMAP과 NISAR 자료를 활용한 연구가 국내 수문·농업·재난관리 분야에서도 실질적인 성과로 이어질 수 있도록, 현장 기반의 검보정 연구와 자료 융합 방법론을 지속적으로 발전시켜 나갈 필요가 있다.