JERS-1 L밴드 SAR 위성에서 얻어진 25개의 레이더간섭도를 이용하여 1992년 11월 5일부터 1998년 10월 1일 사이 경상북도 문경시 가은읍 폐탄광 일대의 지반 침하량을 측정하였다. SAR 영상에서 긴밀도가 높은 고정 산란체(PS: permanent scatterer)를 이용한 시계열 분석을 통해서 지반침하를 계산하였고, 현장조사된 균열등급 분포도와 비교하였다. 고정된 산란체는 1차적으로 진폭값과 간섭쌍의 긴밀도 영상을 이용하여 계산하였는데, 산악지역에 비해 도심지역에서 우세하게 선정되었다. 계산된 변위량은 붕락과 같은 급격한 비선형의 변위는 제외되고, 영상 획득 기간 내의 평균 변위량이다. 연구지역 내 계산된 주시방향으로의 평균 지표면 변위속도는 0.19cm/yr이고, 추정오차는 0.18cm/yr이다. 그리고 옛 가은 본갱의 중심부와 가은역 맞은편 일대에서 관측된 침하량은 0.49cm/yr, 1.66cm/yr로 연구지역에서 가장 뚜렷한 침하 양상을 보였다.
JERS-1 L밴드 SAR 위성에서 얻어진 25개의 레이더간섭도를 이용하여 1992년 11월 5일부터 1998년 10월 1일 사이 경상북도 문경시 가은읍 폐탄광 일대의 지반 침하량을 측정하였다. SAR 영상에서 긴밀도가 높은 고정 산란체(PS: permanent scatterer)를 이용한 시계열 분석을 통해서 지반침하를 계산하였고, 현장조사된 균열등급 분포도와 비교하였다. 고정된 산란체는 1차적으로 진폭값과 간섭쌍의 긴밀도 영상을 이용하여 계산하였는데, 산악지역에 비해 도심지역에서 우세하게 선정되었다. 계산된 변위량은 붕락과 같은 급격한 비선형의 변위는 제외되고, 영상 획득 기간 내의 평균 변위량이다. 연구지역 내 계산된 주시방향으로의 평균 지표면 변위속도는 0.19cm/yr이고, 추정오차는 0.18cm/yr이다. 그리고 옛 가은 본갱의 중심부와 가은역 맞은편 일대에서 관측된 침하량은 0.49cm/yr, 1.66cm/yr로 연구지역에서 가장 뚜렷한 침하 양상을 보였다.
The ground subsidence that occurred in the abandoned coal mining area, Gaeun, Korea, was observed using 25 JERS-1 SAR interferograms from November 1992 to October 1998. We carried out measurements on a subset of image pixels corresponding to point-wise stable reflectors(PS: permanent scatterer) by e...
The ground subsidence that occurred in the abandoned coal mining area, Gaeun, Korea, was observed using 25 JERS-1 SAR interferograms from November 1992 to October 1998. We carried out measurements on a subset of image pixels corresponding to point-wise stable reflectors(PS: permanent scatterer) by exploiting a long temporal series of interferometric phases and compared it with the distribution map of in situ examined crack level. PSs could be identified by means of amplitude dispersion index and coherence of the interferograms and the density of PS was much higher in an urban area than in a mountainous region. The measured subsidence rate represented the average velocity in a period of image acquisition and excluded complex nonlinear displacements such as an abrupt collapse. The mean line-of-sight velocity in the study area is 0.19cm/yr and the estimation error is 0.18cm/yr. The center of the abandoned Gaeun coal mine(0.49cm/yr) and the area opposite Gaeun station(1.66cm/yr) were observed as the most highly subsiding areas.
The ground subsidence that occurred in the abandoned coal mining area, Gaeun, Korea, was observed using 25 JERS-1 SAR interferograms from November 1992 to October 1998. We carried out measurements on a subset of image pixels corresponding to point-wise stable reflectors(PS: permanent scatterer) by exploiting a long temporal series of interferometric phases and compared it with the distribution map of in situ examined crack level. PSs could be identified by means of amplitude dispersion index and coherence of the interferograms and the density of PS was much higher in an urban area than in a mountainous region. The measured subsidence rate represented the average velocity in a period of image acquisition and excluded complex nonlinear displacements such as an abrupt collapse. The mean line-of-sight velocity in the study area is 0.19cm/yr and the estimation error is 0.18cm/yr. The center of the abandoned Gaeun coal mine(0.49cm/yr) and the area opposite Gaeun station(1.66cm/yr) were observed as the most highly subsiding areas.
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문제 정의
하지만 장기간에 걸쳐 발생하는 지표변위의 시계열 분석을 하기 위해서는 고정산란체를 이용해서 긴밀도가 높지 않은 레이더간섭도도 병행할 수 있는 PSInSAR(permanent scatterer interferometric SAR) 기술이 적합하다. 따라서 본 연구는 JERS-1 L- 밴드 SAR에서의 PSInSAR 기술을 폐탄광 지역인 가은 지역에 적용하여 정량적인 지표 변위 측정을 하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
(1 단계) 활용 가능한 모든 SAR 영상들을 주영상에 재등록(coregisteration)시키고 이에 대한 multi-look 진폭 영상, 긴밀도 영상, 그리고 차분레이더간섭도를 제작한다.
(3 단계) 선정된 일차 PS를 이용해서 각 레이더간섭도에서의 변위가 없는 지점들의 기본 위상값과 궤도오차와 대기로 인한 선형의 위상값, 그리고 각 일차 PS에서의 고도 오차와 주시방향으로의 지표면 변위속도를 계산한다.
1 rad2 이내이다(Williams, 1998). LPR에서 대기에 의한 성분 을 구하기 위해서는 LPR[K×H]에서 열 방향으로의 저주파 성분을 분리해 비선형 움직임의 속도 성분을 제거하고, 나머지 위상값들을 공간적으로 평활화(smoothing)시켜 모든 화소에서의 대기에 의한 효과를 계산한다.
SAR 영상의 진폭값을 이용해 일차 PS를 구하고 이로부터 전 레이더간섭도의 APS를 구하면, 최종적으로 화소 단위의 DEM 오차와 레이더 방향으로의 속도 성분을 다시 주기도를 이용하여 구한다.
각 레이더간섭도에서 APS 값을 제거하고 모든 화소들에 대해서 최종적으로 고도 오차와 주시방향으로의 속도 성분을 계산한다. Fig.
그러나 SAR 영상의 위상은 2π를 주기로 wrapping된 값이기 때문에, 반복 알고리즘을 통해서 식(4)의 비선형 관계식을 구한다. 긴밀도가 좋은 차분레이더간섭도에서의 위상값에 가중치를 더해 가면서 각 일차 PS의 고도 오차와 레이더 방향으로의 속도를 주기도(periodogram)를 이용해서 계산한다. 주기도는 원래 시계열의 주기적인 특성을 진동수 영역에서 분석하기 위하여 주로 사용되는 방법으로, 이와 같이 2주기로 wrapping된 자료에서 시간 간격에 따른 레이더방향으로의 속도와 baseline에 따른 고도 오차와 같은 일차 관계식을 규명하는데 적용될 수 있다.
PSInSAR에서는 후방산란계수(sigma naught)를 이용하여 보정하지는 않고, 대신 긴밀도가 높은 일정 크기의 도심지역을 선정하여 그 곳에서의 평균 세기값이 주영상과 같도록 각 부영상들의 보정 상수를 구한 후 이를 전 지역에 적용하여 진폭값을 수정한다. 방사보정이 끝나면 각 영상의 진폭값을 이용하여 진폭분산지수를 계산하였다.
각 레이더간섭도에서의 변위가 없는 지점들의 기본 위상값과 궤도오차와 대기로 인한 선형의 위상값을 구하기 위해서는 PS를 1차적으로 선정하여야 한다. 본 연구에서는 JERS-1의 신호대잡음비가 매우 낮기 때문에 진폭분산지수를 이용한 방법과 더불어 적절한 소창문을 이용하여 주변 화소간의 긴밀도를 계산해서 PS를 1차 선정하였다.
진폭분산지수와 주변 화소간의 긴밀도를 이용하여 일차 PS를 선정하면, 이를 토대로 APS를 구해 각 레이더간섭도를 보정한다. 선정된 PS에서의 LPR에 대해 시간 축으로 352일 기간의 삼각 필터를 이용해서 평활화시킨 후 저주파 성분을 제거시켰고, 공간적으로는 남은 위상값을 가지고 크리깅 내삽 (kriging interpolation)을 이용해서 대기에 대한 성분들을 계산하였다. 각 영상에 내재된 대기에 대한 성분들의 분산은 평균 0.
, 2001). 이로부터 각 레이더간섭도의 변위가 없는 지점에서의 기본 위상값과 궤도 오차와 대기에 의해 잔여하는 선형의 fringe 값을 계산하고, 각 지점에서의 고도 오차와 주시방향으로의 속도를 계산해서 안정된 신호의 PS를 최종적으로 선별한다.
주변 화소간의 긴밀도를 계산할 때, 소창문의 크기는 9×3이고 총 25개의 레이더간섭도 중에서 수직 baseline 의 절대값이 1,500m 이하인 15개 레이더간섭도 영상의 긴밀도만을 이용하였다. 왜냐하면 수직 baseline의 길이가 너무 길면 DEM 오차에 대한 위상값의 변화에 너무 민감하기 때문에, 높은 각면판 반사기 역할을 하는 일차 PS의 선정에 있어서는 이를 제외하였다.
진폭분산지수와 주변 화소간의 긴밀도를 이용하여 일차 PS를 선정하면, 이를 토대로 APS를 구해 각 레이더간섭도를 보정한다. 선정된 PS에서의 LPR에 대해 시간 축으로 352일 기간의 삼각 필터를 이용해서 평활화시킨 후 저주파 성분을 제거시켰고, 공간적으로는 남은 위상값을 가지고 크리깅 내삽 (kriging interpolation)을 이용해서 대기에 대한 성분들을 계산하였다.
2 이하로 매우 낮아 잡음으로 인한 오차의 발생과 위상값의 복원이 어렵기 때문에 제외되었다. 차분레이더간섭도 작성시 필요한 DEMe 국립지리원에서 발간한 1:25,000 수치지도를 삼각망(tin) 기법을 이용하여 10m 간격으로 제작하였다. 본 연구에 적용된 PSInSAR의 자료처리 흐름은 다음과 같고, Fig.
대상 데이터
연구지역은 행정구역상 경상북도 문경시 가은읍 일 대이며 항공사진은 Fig. 1과 같다. 이 지역은 대한석탄공사 은성광업소, 가은탄광(구 왕릉탄광, 삼신탄광, 태양탄광), 태성탄광(구 유성탄광, 흥성탄광 등), 평성탄광, 천우탄광(구 옥산탄광) 등이 오래 전부터 최근까지 석탄을 생산해 왔다.
고도 오차는 차분위상과 수직 baseline 간의 관계식으로 계산하고, 속도는 차분위상과 주영상-부영상 시간간격간의 관계식으로 계산한다. 이 중에서, 단일 긴밀도가 0.7 이상이고, 수직 baseline의 길이가 1,500 m 이하인 15개 레이더간섭도의 평균 주변 긴밀도가 0.4 이상인 점들을 최종 PS로 선정하였다. Fig.
PSInSAR 기술을 적용하기 위해서는 긴밀도의 높고 낮음에 상관없이 25~30개 이상의 많은 레이더간섭도들이 필요하다. 일본 NASDA(National Space Development Agency of Japan)로부터 1992년 9월 22일부터 1998년 10월 1일까지 총 30개의 JERS-1 SAR 자료를 수집하였으며 1996년 10월 27일 영상을 주영상으로 선정하여 29개의 부영상중에서 25개의 레이더간섭도를 이용하였다. 연구지역에서 획득된 JERS-1 자료의 특성 및 모든 간섭쌍의 특징은 Table 2와 같다.
일차 PS는 진폭분산지수가 0.3 이하이고, 수직 baseline이 짧은 15개의 모든 영상에서 긴밀도가 0.3 이상의 조건을 만족하는 점들로 선정하였다. Fig.
폐탄광과 석회암 용식에 의한 지반침하가 예상되는 가은읍 왕릉리 시가지와 주거지를 중심으로 PS를 추출하였다. 최종 PS 분석에 따르면, 가은역 맞은 편 일대(1.
성능/효과
044 rad2이다. 모든 차분레이더간섭도에서 APS를 제거하고 보정한 간섭쌍들의 결과에서, 수직 baseline이 길고, 주영상과 부영상간의 시간적 간격이 길수록 긴 밀도가 감소하는 것을 볼 수 있었다.
폐탄광과 석회암 용식에 의한 지반침하가 예상되는 가은읍 왕릉리 시가지와 주거지를 중심으로 PS를 추출하였다. 최종 PS 분석에 따르면, 가은역 맞은 편 일대(1.66㎝/yr)와 폐광된 가은 본갱의 중심부(0.49 cm/yr)를 제외한 왕릉리 지역은 추정오차 범위(0.18cm/yr) 내에서 안정된 지반인 것으로 추정된다. 하지만 PSInSAR에서는 비선형의 움직임을 보이는 변위에 대해서는 관측이 제한적이기 때문에, 안정된 지역으로 판단되는 지역 가운데 석회암 용식에 의한 급격한 붕락이 예상될 수도 있다.
최종 PS의 밀도는 일차 PS 선정 결과와 동일하게 산악 지역에 비해 도심 지역이 현저하게 높았다. 이는 산악 지역에서 수목의 변화에 의한 temporal decorrelation이 크고, 평지에 비해 고도 오차와 변위의 움직임 또한 복잡하기 때문이다.
7은 각 구역에서 대표되는 PS 지점에서 주시방향으로의 변위를 시계열로 도시한 것이다. 평균 변위 속도의 절대값이 클수록 일차 회귀곡선의 기울기 값이 크다는 것이고, 단일 긴밀도가 클수록 선형의 속도 모델을 잘 설명하고 있는 것이다. 긴밀도가 낮은 P1의 변위 추이를 보면 1994~1997년간의 침하율이 다른 기간에 비해 상대적으로 높은 것을 볼 수 있다.
후속연구
향후 현장조사와 공간해상도가 좋은 광학 영상에 의해서 PS로 선정된 위치의 기하학적 특성을 확인할 필요가 있다. 관측 위성의 특성(입사각, 파장, 주기 등에 따라 인지되는 PS의 특성을 알게 되면, 건물 붕괴나 산사태 우려 지역에 대해 인위적인 PS를 설치하여 저렴하고 효과적인 감시 체제를 구축하고 재해 방지에 활용할 수 있을 것이다.
향후 현장조사와 공간해상도가 좋은 광학 영상에 의해서 PS로 선정된 위치의 기하학적 특성을 확인할 필요가 있다. 관측 위성의 특성(입사각, 파장, 주기 등에 따라 인지되는 PS의 특성을 알게 되면, 건물 붕괴나 산사태 우려 지역에 대해 인위적인 PS를 설치하여 저렴하고 효과적인 감시 체제를 구축하고 재해 방지에 활용할 수 있을 것이다.
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