미호강 유역에서의 Sentinel-1 및 LightGBM 기반 고해상도 공간 토양수분 산정

Estimation of High-Resolution Soil Moisture Using Sentinel-1 and LightGBM over the Miho River Watershed

토양수분은 지표-대기 간의 수문 및 에너지 순환을 매개하는 핵심변수로써 수문기상 및 방재 분야에서 중요한 역할을 수행한다. 이에 국⋅내외에서 다양한 지점 기반 관측망을 구축하고 있으나, 이는 공간적 대표성을 확보하는데 제한점이 있다. 본 연구에서는 Sentinel-1 합성개구레이더(Synthetic Aperture Radar)와 Light Gradient Boosting Model (LightGBM)을 활용하여 미호강 유역을 대상으로 고해상도 토양수분을 산정하고 검증하였다. Sentinel-1 C-band 후방산란계수와 토양수분의 시계열적 경향성을 분석한 결과 Vertical-Vertical 편광 후방산란계수(σVV)가 Vertical-Horizontal 편광 후방산란계수(σVH)보다 토양수분에 민감하게 반응하였다. 이를 토대로 LightGBM 기반 고해상도 토양수분 산정 모형을 통계적으로 평가한 결과 상관계수(correlation coefficient)는 0.722, 평균제곱근오차(Root Mean Square Error)는 4.69%로 나타났다. 입력자료별 SHapley Additive exPlaination (SHAP) 분석 결과, 연중일의 기여도가 가장 높았으며, σVV가 σVH에 비해 높은 변수 중요도를 나타내었다. 고해상도 토양수분의 공간분포 분석결과, 강우 직후 농지⋅초지에서 25-40%의 높은 토양수분이 나타난 반면, 산림은 차단⋅차광 효과로 완만한 변동을 보였다.

Soil moisture is a key variable mediating hydrological and energy exchanges between the land surface and atmosphere, and plays an important role in hydrometeorology and disaster management. Although various in-situ observation networks have been established, their spatial representativeness is limited. In this study, high-resolution soil moisture was estimated over the Miho River watershed using Sentinel-1 and the Light Gradient Boosting Model (LightGBM). A time-series analysis between Sentinel-1 C-band backscatter coefficients and soil moisture showed that the vertical-vertical polarized backscatter (σVV) responded more sensitively to soil moisture changes than the vertical-horizontal polarized backscatter (σVH). The statistical evaluation of the LightGBM-based soil moisture estimation yielded a correlation coefficient of 0.722 and a root mean square error of 4.69%. SHapley Additive exPlanation analysis indicated that the day of the year had the highest importance, and σVV showed greater importance than σVH. The spatial distribution of soil moisture revealed high soil moisture (25-40%) in cropland and grassland areas immediately after rainfall, whereas forest areas exhibited more gradual variation owing to canopy interception and shading effects.