다중편광 SAR 자료를 이용한 북극해 주변의 해빙 두께 추정 연구
Study on the sea ice thickness estimation around the Arctic sea using space-borne polarimetric SAR data
김진우1, 김덕진1, 황병준2
Jin-Woo Kim
1, Duk-jin Kim
1, Byong-Jun Hwang
21. School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
2. Scottish Association for Marine Science, Dunstaffnage Marine Laboratory, Argyll, PA37 1Q1, UK
요약문
합성개구레이더(SAR)를 이용한 인공위성 자료는 극지에 존재하는 해빙의 Concentration, 변형 측정 및 빙산 탐지 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근, 다중편광 SAR가 탑재 된 인공위성 (예, TerraSAR-X, RADARSAT-2, 그리고 ALOS PALSAR)이 개발 되면서 해 빙에 대한 많은 정보를 추출할 수 있게 되었다. 해빙이 갖는 다양한 물리적 성질 중에서 해빙의 두께는 지구 온난화와 관련하여 화제가 되고 있는 특성 중의 한가지 이다. 하지 만 극지가 갖는 특수한 환경적 조건에 의하여 해빙의 두께를 정확히 측정하는 것은 매우 제한적이다. 그러므로 본 연구에서는, 고해상도의 다중편광 합성개구레이더(SAR) 자료를 이용하여 북극해 주변에 존재하는 해빙의 두께를 추정하고자 한다. 기존 연구를 통하여, 해빙의 두께가 두꺼워 질수록 해빙의 표면 거칠기는 증가하고 해빙 내 유전율은 감소한 다. 즉, 해빙의 두께가 두꺼워 질수록 전자기파의 다중 산란이 일어날 확률이 높아지게 된다. 이러한 사실을 바탕으로, 본 연구에서는 TerraSAR-X 영상에서 추출된 다양한 정보 와 실제 북극해에 존재하는 해빙의 두께를 관측한 현장자료와의 비교를 통하여 해빙의 두께를 추정 하였다. 또한 Integral Equation Method(IEM), 해빙의 유전율 모델을 통하여 분석 결과의 타당성을 검토 하였다.
1.서론
합성개구레이더(Synthetic Aperture Radar) 자료는 극지에 존재하는 해빙의 유형, 유
동, 그리고 빙산 탐지 분야에서 널리 이용
되고 있다. 최근에는 해빙의 다양한 물리
적 특성을 분석하기 위하여 다중편광
SAR (예: TerraSAR-X, RADARSAT-2, 그
리고 ALOS PALSAR) 자료가 이용되고 있 다. 해빙의 다양한 물리적 특성 중에서 최 근 이슈가 되고 있는 지구 온난화에 따른 기후변화와 관련하여 해빙의 두께가 가장 주목받고 있다.[1] 기존 연구에서는 위성 측고(Satellite Altimeter) 자료를 이용하여 해빙의 두께를 측정하였다.[1, 2] 하지만 위성 측고자료는 위성 영상의 해상도가 좋지 못한 단점을 가지고 있다. 그래서 이 런 단점을 보완하기 위하여 항공 SAR(L-, X-band)와 ENVISAT ASAR 자료를 이용하 여 First Year Ice(FYI)의 두께를 추정하는 연구도 진행 되었다.[3-5] 하지만 이런 연 구 또한 두께가 2m 이상인 Multi Year Ice(MYI)의 두께는 추정하지 못하였다.
그러므로 본 연구에서는 다중편광 SAR(TerraSAR-X) 자료, 현장관측 자료, 그 리고 표면 산란모델(Extended bragg model)을 이용하여 다양한 유형의 해빙 두 께를 추정하고자 한다. 2장에서는 자료특 성 및 분석 방법, 3장에서는 분석 결과, 그리고 4장에서는 결론을 설명 하였다.
2. 자료 및 분석 방법 2.1 자료
본 연구에 사용된 SAR 자료의 특성은 표1에서 설명 하였다. 표 1에서 보는 바와 같이, 관측 지점은 그린란드 북쪽 연안이 다.(그림 1) 또한 2009.4.25 ~ 2009.4.30까지 의 현장 조사 기간에 EM31을 이용하여 해빙의 두께와 눈의 깊이를 측정 하였다.
(그림 2) 현장 조사 기간 동안 평균 기온 은 약 -18
oC였고 날씨는 맑은 상태를 유 지했다. 그림 2에서, 현장 조사 지역은 평 균두께가 약 2m인 FYI 지역과 2m 이상인 MYI 지역으로 나눌 수 있다.
2.2 분석방법
(a)
(b)
그림 1.(a) 그린란드 북쪽 연안의 TerraSAR-X 촬영 지역. 2009.05.02와 2009.05.13에 각각 HH&VV 영상과 HH&HV 영상이 획득 되었다. 별은 현장 관측 조사 지역을 나타낸다. (b) TerraSAR 영상의 후 방산란계수 영상[R:VV(05.02) G:HV(05.13) B:HH(05.13)]
표 1. TerraSAR-X영상의 특징
해빙의 두께를 추정하기 위하여 다중편
광 SAR 영상에서 추출할 수 있는 다양한
정보 중에서 [4]에서 제시한 HH와 VV의
후방산란계수비(backscattering coefficient
(a)
(b)
그림 2. (a) 현장 관측지역의 사진. 점선은 EM31을 이용하여 눈과 해빙의 두께를 측 정한 라인(Validation line) (b) Validation line 의 눈의 깊이(점선)와 해빙의 두께(실선)
r a t i o ) , 후 방 산 란 계 수 ( B a c k s c a t t e r i n g coefficient), 그리고 다중편파 SAR 자료에 서 계산할 수 있는 고유값(eigenvalue)을 이용 하였다. 고유값(eigenvalue)이란, 산란 행렬(Scattering matrix)에서 계산되는 Coherence 또는 Covariance 행렬에서 고 유벡터 분석(Eigenvector analysis)을 통하 여 계산되는 값으로 고유벡터의 크기를 결정하는 중요한 요소이다. 계산식은 다음 과 같다.
식(1)
여기서, <>는 앙상블 평균, C
2는 2X2 Covariance 행렬, λ는 고유값(eigenvalue),
ν는 고유벡터(Eigenvector)를 나타낸다. 일 반적으로 고유값(Eigenvalue)은 0보다 크고 제1고유값(First eigenvalue)이 제2고유값 (Second eigenvalue)보다 값이 크다. 또한 고유벡터(Eigenvector)는 전자기파의 산란 메커니즘을 이해하는데 매우 중요하다.[3]
기존 연구에서, 해빙의 두께가 증가할수 록 표면 거칠기는 증가하고, 유전율은 감 소한다는 사실을 밝힌바 있다.[7,8] 그리고 후방산란계수(Backscattering coefficient)는 대상체의 표면 거칠기와 유전율의 영향을 받는다. 이러한 사실을 바탕으로, 다중편 광 SAR 영상에서 해빙의 두께가 증가할 수록 후방산란계수(Backscattering), 후방산 란계수비(Backscattering Coefficient),그리고 고유값(Eigenvalue)이 상관성이 있다고 유 추해 볼 수 있다. 3장에서는 이러한 가정 을 입증하기 위하여 SAR 영상과 현장관 측 자료와의 분석 결과, IEM, Extended bragg model의 시뮬레이션 결과를 설명 하였다.
3. 결과
3.1 후방산란계수
앞에서 언급한 바와 같이, SAR 영상의
후방산란계수(Backscattering coefficient)는
대상체의 표면 거칠기와 유전율의 변화에
민감하게 반응한다. 그리고 해빙의 두께가
증가할수록 표면 거칠기는 증가하고 유전
율은 감소한다. 그러므로 후방산란계수비
와 해빙의 두께는 서로 깊은 관련성이 있
을 수 있다. 실제로 [3,4,5]에서도 후방산란
계수(Backscattering coefficient)가 해빙의
두께와 관련성이 있다는 것을 제시 하였
다. 그림 3은 TerraSAR-X 영상에서
validation line의 후방산란계수
(backscattering coefficient)를 보여 준다. 평
균 두께가 2m인 FYI 지역보다 두께가 2
(a)
(b)
그림 3. TerraSAR-X 영상에서 보정된 후 방산란계수(backscattering coefficient). 파란 색 점선은 실제 자료를 나타내고 빨간색 실선은 Moving average 필터를 적용한 자 료를 나타낸다. (a) HH (b) VV
m 이상인 MYI 지역이 후방산란계수 (backscattering coefficient) 값이 더 크기.
때문에 FYI와 MYI 지역을 밝기 비교를 통 해 구분 할 수 있는 가능성이 있다. 하지 만 좀 더 구체적으로 후방산란계수와 해 빙의 두께간의 상관도를 이해하기 위해서 는 후방산란계수와 해빙의 유전율과 표면 거칠기와의 관계를 이해할 필요가 있다.
그래서 [9]에서 제시한 Extended bragg model을 이용하여 HH와 VV의 산란 에너 지와 표면 거칠기 그리고 유전율 사이의 관계를 살펴보았다. 여기서 Extended bragg model은 대상체의 유전율 정보를 필요로 하기 때문에 [5,8]에서 제시한 해빙 의 유전율 모델을 이용하여 X-band에서
(a)
(b)
그림 4. (a) X-band(9.65 Ghz)에서 유전율 모델을 이용한 해빙의 두께에 따른 유전 상수의 실수부의 변화 시뮬레이션 결과 (b) 유전상수의 허수부의 변화 시뮬레이션 결과
그림 4는 유전율 모델에서 계산된 X-band(9.65 GHz)에서 유전상수의 실수부 와 허수부를 나타낸다. 해빙의 두께가 0.1 에서 5m까지 변할 때, X-band에서 유전상 수의 실수부는 약 3.004에서 3.000까지 감 소하였다. 또한, 유전상수의 허수부는 0.0004에서 0까지 감소하였다. 이와 같은 결과는 실측 자료를 이용한 [8]의 결과와 유사하다.
위의 결과를 바탕으로, 유전율의 변화는
실수부는 3.0에서 3.1까지 허수부는 0에서
0.02까지의 범위에서 표면 거칠기에 따른
HH와 VV의 산란 에너지를 시뮬레이션 하
였다. 그림 5는 Extended bragg model에서
계산된 HH와 VV의 후방산란 에너지를 나
(a)
(b)
그림 5. (a) Extended bragg model을 이용 한 표면 거칠기와 유전율의 변화에 따른 HH와 VV의 Coherence 변화 시뮬레이션 결과. (b) Extended bragg model을 이용한 표면 거칠기와 유전율의 변화에 따른 HV 와 HH의 에너지 비의 변화 시뮬레이션 결 과.
타낸다. 그 결과 HH는 표면 거칠기가 증 가하고 유전율이 증가할 때 산란 에너지 가 증가하였고 VV 표면 거칠기가 감소하 고 유전율이 증가할 때 산란에너지가 증 가 하였다. 하지만 해빙의 경우 두께가 두 꺼워질수록 표면 거칠기는 증가하고 유전 율은 감소하기 때문에 후방산란계수(back scattering coefficient)로부터 해빙의 두께를 추정하는 것은 많은 제한점이 있다는 것 을 확인할 수 있었다.
3.2 후방산란계수비
[4]에서 제시한 X-band에서 해빙의 두께를
그림 6. 계산된 해빙의 두께와 현장에서 관측된 해빙의 두께.(빨간색: SAR, 파란색:
현장)
추정하는 관계식을 이용하여 현장 관측 자료와 비교 하였다. 그 결과 계산된 해빙 의 두께와 관측된 해빙의 두께의 상관도 가 매우 낮았다.(그림 6) 그 원인을 찾기 위하여 IEM 모델을 이용 하였다.
그림 7. 표면 거칠기에 따른 L-과 X-band 의 후방산란계수비 변화 시뮬레이션 결과 (점선: L-band, 실선: X-band)
그림 7은 표면 거칠기에 따른 L-과
X-band의 후방산란계수비의 변화를 보여
준다. 표면 거칠기가 증가할수록 X-band
는 후방산란계수비가 감소하는 반면에
L-band는 후방산란계수비가 일정하게 유
지되는 것을 확인할 수 있다. [4]에서 제시
한 방법은 후방산란계수비가 표면 거칠기
의 변화에 영향을 받지 않는다고 가정을
(a)
(b) 그림 8. 고유값과 관측된 해빙 두께의 상 관관계 분석 결과 (a) 제1고유값 (b) 제2고 유값
하고 있다. 하지만 X-band에서는 표면 거 칠기의 영향을 받기 때문에 [4]에서 제시 한 방법을 통해 계산된 해빙의 두께와 실 제 해빙의 두께의 상관도가 낮다는 것을 알 수 있다.
3.3 고유값
마지막으로, SAR 영상에서 계산된 고유 값과 관측된 해빙의 두께의 상관관계를 분석 하였다. 그 결과 제2고유값(Second eigenvalue)이 해빙의 두께와 높은 상관관 계를 보여 주었다. 계산된 상관계수는 약 0.98 이다.(그림 8) 그리고 이러한 원인을 밝히기 위해 차후 연구 계획이 진행 중에 있다.
4. 결론
본 연구는 다중편파 SAR 영상으로부터 다양한 유형의 해빙 두께를 추정하기 위 하여 그린란드 북쪽 연안에서 현장 조사 자료와 TerraSAR-X(HH&VV, HH&HV) 영상 을 획득 하였다. 다중편파 SAR 영상으로 부터 추출할 수 있는 다양한 정보 중에서 후방산란계수(backscattering coefficient), 후 방산란계수비, 그리고 고유값(eigenvalue) 과 관측된 해빙의 두께의 상관관계를 분 석하였다. 그 결과, 제2고유값이 해빙의 두께와 가장 높은 상관관계를 보여 주었 다.
참고문헌
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