ALOS-PALSAR 북극관측 다중 편파 데이터를 이용한 해빙 편파 특성 분석
Polarimetric Characteristic Analysis of Sea Ice in the Arctic Using ALOS PALSAR Data
정정수*, 양찬수
Jung-Soo Jung*, Chan-Su Yang
한국해양연구원 해양위성센터 경기도 안산시 상록구 사2동 1270번지
*[email protected] [email protected]
요약: SAR 방정식에서 표적 RCS는 단위 해상도에 따른 산란 계수로 표현 가능하고, 다중편 파 데이타에서는 송수신 편파 특성에 따라 표적의 특성에 따른 산란계수를 획득할 수 있으 므로 이를 이용하여 다중편파 데이타를 이용한 SAR 영상 재형성 기법과 영상 내 산란계수 의 고유치에 기반한 분류 기법을 정립한다. 북극관측 SAR 영상은 2009년 5월 23일에 ALOS 위성에 탑재된 PALSAR에서 측정된 HH, HV, VH, 그리고 VV의 레벨 1.1 SLC 데이터를 이용 하여 형성되었으며 제시된 기법을 적용하여 α-angle/Entropy/Anistropy에 도메인에서의 해빙 종류마다의 편파 특성을 분석하였다.
1. 서론
극지방의 해빙은 지구의 복사평형, 심층 수 형성 등 지구의 생태계를 유지하는 물리 현상 뿐만 아니라 극지방 연안 및 해안 서 식지의 기후, 그리고 항로 등 인간 생활에 관련된 환경에 밀접한 영향을 끼친다. 최근 에는 지구 온난화로 인한 해수면 상승으로 인해 항로 개척과 자원개발의 필요성이 대 두 되면서 북극에 대한 장/단기 적인 관측 이 요구되고 있다[Jackson C. R., et al, 2004]. 하지만 극지방은 극야현상과 구름이 자주 형성되는 환경으로 인해 기존의 광학 위성이나 항공기를 이용하는 방법으로는 동 일 지역에 대한 규칙적인 반복관측이 불가 능하다[Stroeve, J., et al, 2007]. 위성 SAR(Synthetic Aperture Radar)는 광학위성 이나 항공기와는 달리 주/야, 기상여건에 관 계없이 운용 가능하고 동일 지역의 반복적
인 관측이 가능하여 지구 원격 탐사 센서로 서 이용되고 있다. 특히 최근 고해상도, 다 중편파 SAR센서를 탑재한 위성이 개발되어 SAR 영상을 이용한 북극해빙의 관측하고 해빙의 종류를 판별하는 연구가 필요한 실 정이다[W. Dierking. et al, 2003]. 본 논문에 서는 북극지방의 해빙 형성과정에 따른 해 빙 종류를 정립하고 이에 따른 전파 특성을 분석한다.
2. 해빙 생성 과정과 특성
북극지방의 해빙은 생성과정, 두께, 그리 고 재형성 과정등에 따라 다양한 종류로 분 류되며 그림 1에 나타내었다. 극지방의 해 수는 -1.8°C에서 동결하며 바람과 파도가 없는 환경에서는 바늘과 같은 미세한 얼음 결정인 길고 얇은 빙정(ice crystal)을 형성된 다. 빙정이 지속적으로 생성되면서 서로 부 딪치면 빙정 간의결합이 약하고 표면에 부
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드러우며 얇은 얼음 층인 막빙(grease ice) 이 생성된다. 막빙은 성장하면 스폰지처럼
부드럽고 얇은 Shuga가 형성되고 Shuga가 1cm이상의 두께가 되면 딱딱하고 표면이
(a) (b) (c) (d) (e)
(f) (g) (h) (i) (j)
그림 1 Sea ice type (a)ice crystal (b)grease ice (c) pancake ice (d) pan (e) first-year ice (f) multi-year ice (g) lead (h) ice ridge (i) multi-year hummock (j) meltpool
매우 거친 엽빙(pancake ice)이 된다. 엽빙 은 불규칙한 둥근 형태를 가지고 있으며 엽 빙끼리 서로 부딪혀서 결합되어 넓은 판을 형성하는데 이를 편빙(pan ice)이라고 한다.
일반적으로 편빙은 넓이가 크기 때문에 해 빙주변해역(MIZ: marginal ice zone)의 경계 선으로 간주되고 표면이 매우 거칠고 단단 하다. 편빙 형성 이후로는 개별적인 얼음조 각의 결합에 의한 성장은 더 이상 발생하지 않고 해빙의 가장자리를 따라 바닥에서부터 결빙되며 얇을수록 해빙 성장속도가 더 빠 르다. 처음 생성된 10cm 이하의 해빙인 Nais는 검정색을 띄며 New Ice로 분류되고 10~15cm의 회색을 띄는 grey ice와 15~
30cm의 밝은 회색인 Grey-white ice는 young ice라고 하여 눈으로 식별이 가능하 다. 해빙이 30cm 이상 성장하면 초년빙 (first-year ice)이라고 하며 여름철에 녹기 때문에 두께에 대한 분류는 없으나 재형성 과정을 겪지 않으면 2.5m까지 성장한다. 여 름철에 녹지 않은 해빙은 다년빙(multi-year ice)이라 하며 표면의 거친 부분이 여름철에 녹아서 물결모양의 부드러운 표면을 지니며 담수화가 진행되어 해빙 최상위층의 밀도가 감소되는 특성이 있다. 해안에서 난바다 쪽 으로 발달해 있는 것을 정착빙 이라하고 바
람이나 해류에 의해서 해안에 정착하지 않 고 이동하는 것을 유빙(floe ice)이라고 한다.
다년빙의 움직임으로 인하여 초년빙과 다년 빙의 경계에는 수많은 유빙이 떠다니는 개 수로(lead)가 형성되며 개수로는 선박 통행 을 가능하게 한다. 해빙의 재형성 과정 중 에 생성되는 해빙은 초년빙끼리 부딪혀서 생성되어 날카롭고 강도가 매우 강한 빙맥 (ice ridge), 빙맥의 날카로운 부분이 여름동 안 표면만 용해되어 부드럽게 형성된 빙원 (multiyear hummock), 그리고 meltpool은 다 년빙의 표면에서 여름철에 눈이 오거나 담 수화가 진행된 해빙이 녹아 순수한 물이 고 여서 생성된다. 초년빙은 표면이 거칠고 표 면에 염분이 존재하며 격자 간격이 매우 좁 아 레이다 전파가 통과할 만큼 충분히 넓지 않으므로 표면산란(surface scatter)특성을 지 니고 수신 신호가 센서와 표적간의 거리 R3 에 반비례하므로 약한 후방산란계수를 지닌 다. 하지만 다년빙의 경우 부드러운 표면과 담수화 진행으로 인하여 염분 성분이 빠져 나가므로 부피산란(volume scatter)특성을 지 니며 수신신호가 거리 R2에 반비례하므로 상대적으로 강한 후방산란계수를 가지는 특 성이 있다.
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3. 편파 파라미터
표적의 후방산란 특성을 나타내는 산란행 렬은 송수신 전파의 위상 차이에 따른 함수 로 식 (1)과 같이 표현된다.
(1) 여기서 S는 산란행렬, Sxx는 송수신 전파, Exi
는 전장의 입사파향을 각각 나타낸다. 산 란매트릭스는 전장의 입사파향을 산란파향 으로 변환해준다. 파울리(Pauli) 변환 방법을 이용하여 산란행렬 S를 벡터로 변환하면 모노스테틱 레이다의 경우 Svh와Shv와 같으 므로 식 (2)와 같이 표현된다.
(2)
이때, 벡터 k의 기대치는 분산표적의 물 리적인 해석을 하기 용이하며 결합행렬 (coherency matrix) T3이라 하고, 다중편파 신호의 총 파워는 스팬(span)으로 결합행렬 의 대각행렬인자 제곱의 합으로 표현된다.
레이다의 수신 벡타는 표적의 관측 방향인 동일관측선상(line-of- sight)에 대한 벡터로 표현되므로 좌표변환 행렬 R(θ)와 T3행렬의 고유벡타를 이용하여 좌표 회전각도 θ에 대한 행렬로 재구성 될 수 있다. 산란체의 물리적인 특성 분석에 용이한 알파각 (alpha-algle)파라미터는 산란행렬 S가 송수 신 편파에 따라 이상적인 이방성(aniso- tropic) 특성을 가지고 있고 균등하게 분포된 분산표적 이라는 가정아래 재구성된 T3행렬 의 파라미터로 행렬의 기대치에 따른 좌표 각 θ의 유사확률(pseudo-probability)에 대한 함수로 표현된다. 알파각 파라미터의 0°는 산란체가 single-bounce인 표면산란을 의미 하고 90°는 double-bounce인 수직산란이나 다중산란을 나타낸다. 엔트로피(entropy) 파 라미터는 T3행렬의 고유치가 특이행렬 (singular matrix)의 최소 필요조건을 만족하
는 경우부터 고유치가 0이 아닌 값을 가지 는 범위 내에서 고유치에 따른 유사확률에 대한 함수로 표현되어 산란체 상호간의 랜 덤 특성을 나타낸다. 애니소트로피 (anisotropy) 파라미터는 행렬의 고유치의 비 로 표현되며 낮은 엔트로피에서는 고유치가 잡음에 영향을 많이 받으므로 H>0.7 이상의 경우에 산란체의 산란 특성을 나타낸다.
Parameter Value
Sensor type ALOS/PALSAR
Band L-band
Polarization HH, HV, VH, VV
Image size(Pixel × Line) 18432×1088
Line Spacing 3.822m
Pixel Spacing 9.368m
표 1 SAR 영상 파라미터
(a) (b)
그림 2 PALSAR 북극 해빙 관측영상, (a) SLC 영 상, (b) GRD 영상
4. 관측 지역
2009년 5월 23일 11시 36분에 ALOS/
PALSAR로 관측된 북극 지역의 SLC 영상 에 대한 상세 설명은 표 1에 기술 되었다.
ALOS/PALSAR의 SLC 영상은 거리 방향의 관측폭이 좁고 해상도가 낮아 거리방향으로
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매우 좁은 영상이 형성되기 때문에 그림 2 와 같이 7045×2039 크기의 GRD영상으로 재형성을 수행하였다. 그림 2의 (b)에 표시 된 383~1912 × 1~1874픽셀 크기의 지역은 해양, 초년빙, 그리고 빙원등 다양한 해빙이 존재하는 지역으로 해빙의 종류별 편파 특 성을 분석하기에 적합하다. HH와 VV영상에 서 밝게 보이지만 HV와 VH영상에서 어둡 게 보이는 부분은 초년빙이 존재하는 지역 이며 HH와VV영상에서 보다 HV와VH영상에 서 밝게 보이는 부분은 빙산이나 빙맥처럼 단단한 해빙이 존재하는 지역이다.
6. 결론
본 논문에서는 해빙의 편파 특성을 분석하 기 위해 해빙의 생성과정과 종류별 전파 산 란특성을 분석하고 편파 파라미터인 알파 각, 엔트로피, 그리고 애니소트로피를 정립 하였다. 2009년 5월 23일에 측정된 PALSAR 데이터를 이용하여 초년빙, 다년빙 빙원, 그 리고 해양이 존재하는 지역을 선정하여 각 지역에 대한 편파 특성을 분석하였다. 초년 빙은 표면이 거칠고 밀도가 높으므로 낮은 알파각 특성과 중간크기의 엔트로피 값을 보유하고 두께가 얇을수록 낮은 애니소트로 피를 지닌다. 다년빙 빙원은 알파각 42.5°와 47.5°사이에 가장 많이 분포하고 담수화 진 행 정도에 따라 다양하게 분포되며 해빙의 밀도가 낮으므로 높은 엔트로피 특성을 보 유한다. 다년빙은 해빙 생성과정 따라 산란 특성이 변화하므로 이를 구분하기 위해 애 니스트로피 분석을 수행한 결과 대부분 생 성과정이 동일한 것으로 분석된다. 본 논문
에서 분석한 해빙의 종류별 편파특성은 향 후 해빙 모델링과 모델 기반의 해빙 분류에 관한 연구에 기여할 것으로 기대된다.
사사
본 연구는 지식경제부 “극지용 저온 설 계 및 Winterization 평가 기술 (PNS133C)”사업의 일환으로 이루어졌 다.
참고문헌
Jackson C. R. et al, 2004. Synthetic Aperture Radar Marine User's Manual.
in Onstott R. G. and Shuchman R. A.
(eds), SAR Measurement Sea Ice, the NOAA/NESDIS Office of Research and Applications
Stroeve, J., M. M. Holland, W. Meier, T.
Scambos, and M. Serreze , and Mark S., 2007. Arctic sea ice decline: Faster than forecast, Geophysical Resarch Letters, vol. 34, L09501, doi:10.1029/
2007GL029703.
W. Dierking, H. Skriver, and, P.
Gudmandsen, SAR Polarimetry for Sea Ice Classification, 2003. Proceedings of the Workshop on POLinSAR - Applications of SAR Polarimetry and Polarimetric Interferometry (ESA SP-529). Frascati, Italy, 14-16
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