굴 양식장 및 주변해역에서 얻어진 SAR 자료의 반사강도 및 레이더 간섭위상에 대한 분석을 실시하였다. 진폭영상에서는 매우 강한 역산란 현상이 관측되었으며, 이는 수평막대에 의한 이차산란(double bounce) 신호에 의한 것으로 해석된다. 굴 양식장 구조물은 IKONOS와 같은 고해상도 광학영상 외에는 관측 할 수 없으며, 이는 레이더 영상의 활용이 매우 유용하다는 것을 잘 보여준다. 연구지역에서 나타나는 SAR 진폭영상 화소값은 조위와는 상관관계가 거의 없으며, 이보다는 파장, 편광, 관측방향에 더 민감한 것으로 나타났다. L-밴드 HH-편광 신호가 수평막대에 수직의 관측방향을 가질 때 가장 큰 반사강도를 나타낸다. 또한 JERS-1 SAR 영상을 이용하여 해수면에서 최초로 매우 높은 긴밀도를 유지하는 21개의 간섭도를 생성하였다. 이들 간섭도의 fringe 변화율은 일차적으로 altitude of ambiguity와 매우 밀접한 관계를 갖는다. 이를 역함수를 이용하여 최적화된 모델로 위상을 제거한 후 얻어진 잔여간섭위상은 조위 변화와 선형의 관계를 보이며, 이는 SAR를 이용한 조위차 관측의 가능성을 제시한다. 그러나 직선 회귀식의 최소제곱근 오차는 11.7 cm로 정밀도가 아직 실제 활용 가능한 정도는 아니며, 정밀도를 높이기 위해 앞으로 다중편광 SAR 자료를 이용한 추가적인 연구가 필요하다.
굴 양식장 및 주변해역에서 얻어진 SAR 자료의 반사강도 및 레이더 간섭위상에 대한 분석을 실시하였다. 진폭영상에서는 매우 강한 역산란 현상이 관측되었으며, 이는 수평막대에 의한 이차산란(double bounce) 신호에 의한 것으로 해석된다. 굴 양식장 구조물은 IKONOS와 같은 고해상도 광학영상 외에는 관측 할 수 없으며, 이는 레이더 영상의 활용이 매우 유용하다는 것을 잘 보여준다. 연구지역에서 나타나는 SAR 진폭영상 화소값은 조위와는 상관관계가 거의 없으며, 이보다는 파장, 편광, 관측방향에 더 민감한 것으로 나타났다. L-밴드 HH-편광 신호가 수평막대에 수직의 관측방향을 가질 때 가장 큰 반사강도를 나타낸다. 또한 JERS-1 SAR 영상을 이용하여 해수면에서 최초로 매우 높은 긴밀도를 유지하는 21개의 간섭도를 생성하였다. 이들 간섭도의 fringe 변화율은 일차적으로 altitude of ambiguity와 매우 밀접한 관계를 갖는다. 이를 역함수를 이용하여 최적화된 모델로 위상을 제거한 후 얻어진 잔여간섭위상은 조위 변화와 선형의 관계를 보이며, 이는 SAR를 이용한 조위차 관측의 가능성을 제시한다. 그러나 직선 회귀식의 최소제곱근 오차는 11.7 cm로 정밀도가 아직 실제 활용 가능한 정도는 아니며, 정밀도를 높이기 위해 앞으로 다중편광 SAR 자료를 이용한 추가적인 연구가 필요하다.
We carried out studies on SAR image intensity and interferometric phase over oyster sea farms. Strong backscattering was observed in amplitude images, and that was considered as a radar signal double bouncing from horizontal bars. These sea farming structures are not visible in satellite optical ima...
We carried out studies on SAR image intensity and interferometric phase over oyster sea farms. Strong backscattering was observed in amplitude images, and that was considered as a radar signal double bouncing from horizontal bars. These sea farming structures are not visible in satellite optical images except IKONOS image, so that it demonstrates the value of radar remote sensing as an effective tool in support of sea farm detection. The intensity of the image is sensitive to system parameters including wavelength, polarization, and look direction, but does not correlate to tide height. We found that the strongest backscattering can be obtained by L-band HH-polarization with a look direction perpendicular to the horizontal bar. We also succeeded in generating 21 coherent JERS-1 SAR interferometric pairs over the oyster farms. The general trend of the fringe rate of the interferometric phases appeared to be governed by altitude of ambiguity. The general trend was modeled by an inverse function and removed to have a residual phase. The residual phase showed a linear relation with the tide height. The results demonstrate for the first time that SAR can possibly be used to estimate sea level. However, the r.m.s. error of a regression line is 11.7 cm, and that is so far too large to make reliable assessments of sea level in practical applications. Further studies is required to improve the accuracy specifically using multi-polarization SAR data.
We carried out studies on SAR image intensity and interferometric phase over oyster sea farms. Strong backscattering was observed in amplitude images, and that was considered as a radar signal double bouncing from horizontal bars. These sea farming structures are not visible in satellite optical images except IKONOS image, so that it demonstrates the value of radar remote sensing as an effective tool in support of sea farm detection. The intensity of the image is sensitive to system parameters including wavelength, polarization, and look direction, but does not correlate to tide height. We found that the strongest backscattering can be obtained by L-band HH-polarization with a look direction perpendicular to the horizontal bar. We also succeeded in generating 21 coherent JERS-1 SAR interferometric pairs over the oyster farms. The general trend of the fringe rate of the interferometric phases appeared to be governed by altitude of ambiguity. The general trend was modeled by an inverse function and removed to have a residual phase. The residual phase showed a linear relation with the tide height. The results demonstrate for the first time that SAR can possibly be used to estimate sea level. However, the r.m.s. error of a regression line is 11.7 cm, and that is so far too large to make reliable assessments of sea level in practical applications. Further studies is required to improve the accuracy specifically using multi-polarization SAR data.
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문제 정의
이와는 반대로 대부분의 다른 해양 양식 구조물은 해수면 아래에 설치되어 있기 때문에 원격탐사에 의해 거의 관측되지 않는다. 본 연구에서 가덕도 주변의 굴양식 장에 대하여 레이더 간섭기술의 적용 가능성을 검 토하고자 한다. 굴양식을 위해서는 길이 약 1.
본 연구에서는 부산시 녹산국가공단과 가덕도 북부에 위치한 눌차도 사이 해양지역에 위치한 굴 양식장에서 나타나는 SAR 영상의 강한 역산란 특성을 분석하고, 레이더 간섭위상의 특징과 이용한 조위의 변화를 측정 가능성을 토의하고자 한다. 특히 이 방법은 해수면에서 레이더 간섭 기술의 적용 가능성에 대하여 처음 실시하는 것으로, 범 람지역에서 성공한 Alsdorf et 虱(2000)의 경우와는 다르게 수직줄기에 의한 comer reflection 효과보다 는 수평막대에 의한 double bouncing 효과의 가능 성에 대한 토의라는 점에서 그 의의를 갖는다
이 연구에서는 이와 같은 간섭도에서 일차적으 로 얻어진 위상이 baseme을 이용하여 지구곡률 효과를 제거하는 과정에서 발생한 것으로 가정하였으며, 이를 제거하기 위해 모든 자료를 Fig. 10 에서와 같이 도시한 후 altitude of ambiguity와 간 섭위상 fringee 관계를 모델링을 통하여 baseline 과 밀접한 관련성을 보이는 위상을 제거하고자 하였다. 최적의 관계식을 구하기 위해 역함수, 지수함수, 로그함수 등 다양한 함수를 가정하여 계산 하였으며, 역함수가 상관계수와 F 값을 근거로 할 때 가장 최적화된 함수로 나타났다.
가설 설정
우리는 우선 이러한 간섭위상 fringe가 두 SAR 자료의 획득 시각의 조위차에 의해 발생하는 것으로 가정하였다. 하지만 두 값 사이의 상관계수는 Q05로 거의 0에 가까운 값으로 fringe의 파수 대 조위차를 도시한 Fig.
점이다. 이에 대해 이 논문에서는 flat-earth 보정단계에서 baseline의 오차에 의한 것으로 가정하였으며, 이를 모델을 사용하여 제거한 후 잔여 간섭위상에서 조위차와 1차식의 관계를 갖는 것을 보였다. 그러나, 실제 baseline 오차에 의해 나타날 수 있는 굴 양식장에서의 fringe 오차는 매우 미미하다.
이와 같은 결론은 두 가지 현상 즉 1) RADARSAT 영상에서 굴 양식장의 반사강도가 ascending과 descending mode에 민감하며 이는 결국 관측방향에 반사강도에 영향을 준다는 점과, ii) JERS-1 SAR 영상에서 조위차 (즉 수직막대의 노출정도)가 반사강도와 거의 무관하다는 점이다. 이와 같은 해석은 해수면에 도달된 입사파가 수면에서 반사된 후 수평 혹은 수직 막대에 이차적으로 산란되어 안테나 방향으로 전파될 것이라는 산란모델을 가정한 해석이다. 즉 수직 막대가 중요역할을 한다면 모서리산란(comer scattering)이 우세할 것이며, 반대로 수평 막대가 중요 역할을 한다면 단순한 double bouncing에 의한 것으로 생각한 것이다.
제안 방법
SLC(single-look complex) SAR 진폭영상의 화소값은 일반적으로 균질한 표면에서 Rayleigh 분포를 보이는 것으로 알려져 있으며(Ulaby et al., 1982), 따라서 이 연구에서는 각 지역에서의 영상 화소값의 히스토그램을 Rayleigh 곡선을 이용하여 최적화(fitting)되었다. Fig.
없다. 따라서 이 연구에서는 가능한 정밀한 flat-earth 보정을 위해서 Seymour(2000)가 제시한 방법과 유사한 기법을 이용하여 육지지역에 나타나는 간섭쌍의 위상과 DEM을 이용하여 모사된 간섭 쌍과의 위상 차이가 최소화되도록 baseEne을보정을 실시하였다.
특히 본 연구에서 사용된 영상과 같이 근거리(near range) 지역에서 해양과 같은 낮은 반사강도를 갖는 산란체와 원거리 (far range) 영역에서 도시, 산림과 같은 높은 반사 강도를 갖는 산란체가 분포하는 자료인 경우에는 더욱 많은 문제점들이 있다(Shimada, 1998). 따라서 절대적인 레이더 반사 강도를 비교할 수는 없지만, 굴 양식장과 해수면에서 나타나는 SAR 진폭영상 값의 통계적 분포특성을 이용하여 화소값의 특성을 분석하였다.
시간에 따른 화소값의 변화 양상을 분석하기 위해 Fig. 6a에서와 같이 영상이 취득된 시간에 따라 최적화된 Rayleigh 분포의 최대값을 도시하였다. 해수면에서 진폭영상의 화소값은 평균 1145, 표준편차 5.
(2000, 2001a, 2001b)는 L-밴드 HH-편광 SAR 자료를 이용하여 아마존의 침수된 범람원 지역의 식생에 의한 double-bounce 신호(물의 표면에서 1차 반사 후 나무의 수직줄기에 의한 2차 반사)를 이용하여 수면고도 변화를 cm 단위의 정밀도로 측정하는데 최초로 성공하였다. 이를 위해 SIR-C 및 JERS-1 레이더 간섭자료와 TOPEXPOSEIDON 고도레이더 (altimetry) 자료를 함께 이용하여 물에서도 특수한 조건에서는 레이더 간섭 기술을 적용할 수 있음을 제시하였다.
9 이다. 전체 간섭위상(fohs)에서 이와 같이 계산된 회귀모델을 이용하여 baseline 영향을 제거함으로써 최종의 잔여간섭 위상(fres)을 구하였다. 즉,
대상 데이터
조위 자 료는 국립해양조사원에서 제공되었으며, 관측위치 （Fig. 1에 ☆로 표시）는 연구지역과 가장 가까운 부산시 강서구 천가동 천성방파제 끝단（북위 35°1'18", 동경 128°48'47"）에 위치한 가덕도 검조소 로 검조기 （tide gauge） 에 의해 1분 간격으로 측정된 자료를 사용하였다
본 연구지역에서 19개의 JERS1 SAR 자료를 획득하였으며, 이들은 모두 descending mode로 얻어진 것이다. JERS-1 SAR 영상을 이용하여 비교적 긴밀도가 높은 21개의 레 이더 간섭도를 생성하였다. 생성된 각 간섭쌍의 자료획득시간, altitude of ambiguity 및 조위차는 Table 2에 요약되어 있다.
RADARSAT이나 ERS-1/2의 경우와는 달리 굴 양식장 구조물은 JERS-1 L-밴드 HH-편광에서 매우 잘 관찰된다. 본 연구지역에서 19개의 JERS1 SAR 자료를 획득하였으며, 이들은 모두 descending mode로 얻어진 것이다. JERS-1 SAR 영상을 이용하여 비교적 긴밀도가 높은 21개의 레 이더 간섭도를 생성하였다.
본 연구지역에서 25개의 SAR 자료를 획득하였으며, 사용된 SAR 자료의 종류, 자료 획득시각 및 당시의 조위는 Table 1에 요약되어 있다. 조위 자 료는 국립해양조사원에서 제공되었으며, 관측위치 （Fig.
그러나, 실제 baseline 오차에 의해 나타날 수 있는 굴 양식장에서의 fringe 오차는 매우 미미하다. 연구지역의 자료처리를 위해 JERS-1 SAR 전체 영상으로부터 방위 방향으로 5100 화소, 거리 (range) 방향으로 1500 화소의 영상을 선택하였다. 한편 간섭위상 fringe가 방위방향에 거의 평행하므로 단지 range 방향의 변화만을 고려하면, range 방향의 양끝에서 △㎛, 만큼의 지구곡률 위상 보정 오차가 발생하였을 때 굴 양식장 지역 (range 방향으로 약 100 화소)에서 발생할 수 있는 오차값은 다음 식과 같다.
성능/효과
이는 해수면 위에 노출된 수직 및 수평막대 구조물에 의한 강한 double bounce 신호를 제공하기 때문인 것으로 판단된다. 11) 이때 반사강도는 조위와는 거의 무관하며 대신 파장, 편광 및 관측방향 등의 시스템 요소에 민감하다. C-밴드인 RADARSAT의 경우는 descending mode인 경우가 ascending mode 보다 영상화에 우수하며, 이는 관측방향이 매우 중요하다는 것을 보여주고 있다.
4a의 경우가 더 강한 역산란을 보이며, 이는 결국 영상의관즉방향(즉 descending과 ascending 모드에 따른 상대적인 관측방향의 차이)이 반사강도에 더 중요한 역할을 담당하고 있다고 생각된다. IKONOS 영상을 이용하여 이 지역의 양식장 배열방향을 관찰한 결과, 수평막대 방향은 약 N80 E 로 ascending 모드에서 관즉방향과 거의 평행하게 배열되었다. 만일 수직막대의 역할이 중요하다면 SAR 안테나의 관측방향에는 무관해야 한다.
i) 광학 영상에서 잘 관측되지 않는 굴 양식장 구조물은 레이더 영상을 이용하면 효과적으로 관측할 수 있으며, 특히 L-밴드 HH-편광을 갖고 구조물의 수평막대와 수직의 관측각을 갖는 경우가 가장 효과적이다. 이는 해수면 위에 노출된 수직 및 수평막대 구조물에 의한 강한 double bounce 신호를 제공하기 때문인 것으로 판단된다.
이 구조물은 1~2m 공간해상도를 갖는 고해상도 광학영상(예, IKONOS)으로도 관 측이 쉽지 않으며 이 보다 저해상도의 다른 광학 위성시스템에 의해서는 전혀 관측되지 않는다. 그러나 이 연구를 통하여 SAR 영상에서는 적절한 조건 하에서 이들 구조물이 잘 관측된다는 사실을 발견하였다.
향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 다만 JERS-1 SAR 자료로부터 추출된 간섭위상으로부터 역함수를 이용하여 최적화된 위상을 제거한 결과 잔여 간섭위상은 조위차와 선형관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 SAR를 이용한 조위차 관측 가능성을 제시할 수 있었다.
다만 JERS-1 SAR 자료로부터 추출된 간섭위상으로부터 역함수를 이용하여 최적화된 위상을 제거한 결과 잔여 간섭위상은 조위차와 선형관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 SAR를 이용한 조위차 관측 가능성을 제시할 수 있었다.
그러나 이 연구에서 관심을 갖는 굴 양식장의 경우는 반사강도가 관측방향에 민감하며 조위에는 무관하다. 따라서 굴 양식장의 수직막대에 의한 comer scatteri은 매우 제한적인 역할을 하고 있으며, 따라서 수평막대가 레이더 산란에 큰 영향을 주고 있다고 결론지을 수 있다.
사용된 자료 중 3개의 SAR 영상(1992/12/12/, 1993/3/15, 1994/1/17)에서는 굴 양식장에 해당되는 반사 특성이 관찰되지는 않았으며, 이는 1994 년 2월 이전 자료로 이때까지는 양식장 시설이 미비했던 것으로 판단된다. 이 세 자료를 제외한 나머지 16개의 JERS-1 SAR 영상에서는 모두 공통적인 강한 역산란의 특징을 보였으며, 진폭 영상 값을 이용해 Rayleigh 분포에 최적화하였다. 이들 결과의 R2 값은 모두 0.
이 연구결과 우리는 굴 양식장에서 주요 역산란의 요인이 수직막대 보다는 수평막대에 의한 것이라는 결론을 도출하였다. 이와 같은 결론은 두 가지 현상 즉 1) RADARSAT 영상에서 굴 양식장의 반사강도가 ascending과 descending mode에 민감하며 이는 결국 관측방향에 반사강도에 영향을 준다는 점과, ii) JERS-1 SAR 영상에서 조위차 (즉 수직막대의 노출정도)가 반사강도와 거의 무관하다는 점이다.
7cm로 조위차의 범위를 고려할 때 비교적 큰 편이다. 이와 같은 결과를 종합적으로 볼 때 굴 양식장 지역에서 나타나는 fringe로부터 계산된 잔여간섭위상은 조위차와 선형관계를 갖고 있으나 정밀도는 십 여 cm로 낮다.
결론을 도출하였다. 이와 같은 결론은 두 가지 현상 즉 1) RADARSAT 영상에서 굴 양식장의 반사강도가 ascending과 descending mode에 민감하며 이는 결국 관측방향에 반사강도에 영향을 준다는 점과, ii) JERS-1 SAR 영상에서 조위차 (즉 수직막대의 노출정도)가 반사강도와 거의 무관하다는 점이다. 이와 같은 해석은 해수면에 도달된 입사파가 수면에서 반사된 후 수평 혹은 수직 막대에 이차적으로 산란되어 안테나 방향으로 전파될 것이라는 산란모델을 가정한 해석이다.
굴 양식장에 대한 긴밀도는 조석 상태. 자료간의 시간간격 및 계절에 거의 독립적이며, 단지 수직 baseline이 1km 이하로 근접도를 유지하는 JERS-1 SAR 자료를 이용하면 긴밀도가 높게 나타났다. 즉 수면에서는 temporal decorrelation으로 인하여 거의 간섭 쌍을 얻을 수 없다는 기존의 개념과는 달리 L- 밴드 HH-편광인 경우 baseline만 적절하면 자료 간의 시간간격에 무관하게 굴 양식장과 유사한 구조가 존재하는 경우에는 긴밀도가 높은 간섭쌍을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
10 에서와 같이 도시한 후 altitude of ambiguity와 간 섭위상 fringee 관계를 모델링을 통하여 baseline 과 밀접한 관련성을 보이는 위상을 제거하고자 하였다. 최적의 관계식을 구하기 위해 역함수, 지수함수, 로그함수 등 다양한 함수를 가정하여 계산 하였으며, 역함수가 상관계수와 F 값을 근거로 할 때 가장 최적화된 함수로 나타났다. 이는 altitude of ambiguity(/za)7|- 수직 base血e의 역함수로 표현 되기 때문에 최적함수가 역함수라는 점은 간섭위 상의 fringe?!- baseline과 밀접한 관계를 갖고 있다는 것을 지시한다.
후속연구
그러나 직선 회귀식의 최소제곱근 오차는 11.7 cm로 정밀도가 낮으며, 따라서 아직은 실제 활용단계는 아니며 정밀도를 높이기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 앞으로 연구지역 에서 획득된 AIRSAR 다중편광 및 간섭모드 자료에 대한 분석을 통하여 이 연구에서 해결하지 못한 문제점을 정량적으로 분석하는 연구가 필요할 것이다.
그러나, 역산란 모델링 등을 통한 정량적인 분석을 실시하지 못하였으며, 우리는 아직 굴 양식장 구조물에서 발생하는 정확한 역산란 모델을 알고 있지 못하다. 따라서 향후 굴 양식장과 유사한 구조물에서 발생할 수 있는 보다 사실적인 산란 모델의 수립과 검증이 필요하다. 특히 여기서 가정한 두 경우 모두 double bouncing이 주요 원인으로 생각하고 있으나, 이는 다중 편광 자료를 이용한 SAR 편광분석 (radar polarimetry) 이 필요하다.
이 점에 대해서는 다음절에서 좀 더 자 세히 설명하겠다. 또한 AIRSAR 자료(XTI1 모드) 가 2000년 9월 30일 획득되었으나 아직 JPL에서 자료처리 중으로 본 연구에는 사용할 수 없었다.
본 연구 결과만으로는 SAR를 이용하여 굴 양식장과 유사한 구조물이 있을 때 해수면의 조위 차를 관측하는데 직접 적용할 수 있을 정도로 정밀하지 못하며, 명확한 산란모델을 제시하지는 못하고 있다. 이 지역에서 PACRIM-H 실험에 의해 2000년 9월 30일 얻어진 AIRSAR XTI1 모드(L- 및 P-밴드 다중편광 모드.
7 cm로 정밀도가 낮으며, 따라서 아직은 실제 활용단계는 아니며 정밀도를 높이기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 앞으로 연구지역 에서 획득된 AIRSAR 다중편광 및 간섭모드 자료에 대한 분석을 통하여 이 연구에서 해결하지 못한 문제점을 정량적으로 분석하는 연구가 필요할 것이다.
있다. 이 지역에서 PACRIM-H 실험에 의해 2000년 9월 30일 얻어진 AIRSAR XTI1 모드(L- 및 P-밴드 다중편광 모드. C-밴드 Topsar 모드) 자료의 분석이 중요한 역할을 할 것이다.
즉 만일 반사가 현재의 두 종류 외에 수평막대에서 직접적인 산란이 주요한 요인이라면 SAR 간섭위상은 조위차를 반영하지 못할 것이다. 이에 대해서는 현재 JPL에서 자료처리 중인 AIRSAR 자료를 얻게되면 LL- 및 RR-변환을 통한 편광분석으로 검증이 가능할 것이다.
이러한 현상의 원인이 원래의 산란특성 때문인지 혹은 자료처리 과정에서 발생한 오차인지는 규명하지 못했으며. 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 다만 JERS-1 SAR 자료로부터 추출된 간섭위상으로부터 역함수를 이용하여 최적화된 위상을 제거한 결과 잔여 간섭위상은 조위차와 선형관계를 가지고 있는 것으로 나타났다.
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