[논문]영상 레이더 간섭기법 및 차분간섭기법을 이용한 수치고도모델 생성과 정확도 평가

김정우; 김창오

영상 레이더 간섭기법 및 차분간섭기법을 이용한 수치고도모델 생성과 정확도 평가
Generation and Assessment of DEM from InSAR and Differential InSAR 원문보기

한국측량학회지 = Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, v.23 no.2, 2005년, pp.147 - 156

김정우 (세종대학교 지구정보공학과) , 김창오 (세종대학교 지구정보공학과)

초록
AI-Helper

SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상은 반사 신호의 상대적 거리를 나타내는 위상 정보를 제공한다. 영상레이더 간섭기법(InSAR)은 동일한 지표면에 대해 다른 위치에서 획득된 두 SAR 자료간 위상차를 이용하여 지표면의 3차원 공간정보를 획득하는 기술이다. 차분간섭기법(DInSAR)의 간섭도에는 지형과 변위에 의한 위상이 복합적으로 포함되어 있으므로, 지형정보에 대한 정보를 나타내는 수치표고모델(DEM)을 이용하여 지형의 위상을 제거함으로써 지형과 변위에 대한 위상 효과를 분리하게 된다. 두 SAR 자료의 관측 기간 중 변위가 없는 경우에는 잔여 위상은 DEM의 오차를 반영한다. 본 연구에서는 영상 레이더 간섭기법을 이용하여 ERS-l/2 tandem 간섭쌍으로 DEM을 제작하였고, 차분간섭기법(DInSAR)으로 원래의 DEM 값을 갱신하여 정확도를 향상 시켰다. 제작된 DEM은 GPS 측량을 통해 획득된 검사점(check point)를 이용하여 정확도를 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

SAR interferometry (InSAR) is a technique to generate 3-Dimentional spatial information using complex data pairs observed by antennas at different locations. In case of the Two-pass differential SAR inteferometry (DInSAR), the topographic phase signature can be separated from the contribution of surface deformation in the interferometric phase. In this study, InSAR and DInSAR were implemented with ERS- l/2 tandem pair to produce DEM. The accuracy of the Resulting DEMs was analyzed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 ERS-1/2 tandem 간섭쌍을 이용하여 영상 레이더 간섭기법과 다양한 해상도의 DEM(GTOPO30 DEM, SRTM-3 DEM, 1:25000 수치지도에서 도출된 DEM)을 차분간섭기법에 적용하여 DEM 정밀도를 향상시킨 후, GPS 측량을 통해 획득된 검사점을 기준으로 하여 정확도 평가를 수행하고자 한다.
이 연구는 과학기술부 국가지정연구실사업(과제번호 MI-0302-00-0063)의 지원으로 이루어졌으며, 대한측량 협회가 주최한 2004년도 사단법인 한국측량학회 우수논문 현상공모에서 장려상인 대한측량협회 회장상을 수상한 논문임을 밝히며 이에 감사를 드린다.

가설 설정

4m)의 배수로 나타나게 된다. Layover 지역에서 위상불구속화 오류에 의한 오차가 나타날 걸로 예상되는 산악지역의 정확도 평가는 네 가지 방법 중 해상도가 10m인 1:25000 수치지도 DEM을 기준으로 종좌표값과 횡좌표값은 같다고 가정한 후 Z값인 고도값의 상대적 차이를 구하였다. 1:25, 000 수치지도 DEM은 산악지역에서 수십 이내의 오차를 가지고 있기 때문에 이 DEM과 SAR 자료를 이용하여 생성된 차분간섭도는 산악지역에서 잔여위상이 거의 존재하지 않았다.

제안 방법

본 연구에서 생성된 DEM은 WGS84 타원체, UTM좌표체계를 사용했다. ERS 영상에서 측량 으로 구한 검사점의 동일지점의 좌표값을 얻기 위해 정사 영상을 생성하였다. 레이더 좌표계(azimuth time, range time)로 변환하기 위해서는 영상 내 각 지점의 고도값이 이용되는데, 서로 다른 자료와 방법에 의해 제작된 DEM의 고도값이 일치하지 않기 때문에 서로 다른 네 개의 정 사영상을 제작하였다.
2, 로대전 및 그 근교에 해당하는 ERS-1/2 tandem SAR 영상으로 1996년 1월22일에 획득 된 ERS-1 영상(그림 2(a))과 1996년 1월23일에 획득된 ERS-2영상(그림 2(b))을 각각 주영상과 부영상자료로 사용하였다. 그리고, 레이더 간섭기법 및 차분간섭기법에 의한 영상 자료처리는 연세대학교 지구시스템과학과 원 격탐사연구실에서 개발한 GeoRadar를 사용하여 처리했다. 생성된 간섭도(그림 2(c))에서 한 줄무늬에 해당하는 고도값 ha(식 (10))는 약 -90.
ERS 영상에서 측량 으로 구한 검사점의 동일지점의 좌표값을 얻기 위해 정사 영상을 생성하였다. 레이더 좌표계(azimuth time, range time)로 변환하기 위해서는 영상 내 각 지점의 고도값이 이용되는데, 서로 다른 자료와 방법에 의해 제작된 DEM의 고도값이 일치하지 않기 때문에 서로 다른 네 개의 정 사영상을 제작하였다. Layover현상 때문에 정사영상 내에서 사면의 경사가 급한 곳에는 영상이 심하게 왜곡되어 보이는데, 이런 현상을 감소하기 위해 격자 크기를 다르게 하였다.
본 연구에서는 두 개의 SAR 자료만을 이용한 레이더 간섭기법과 두 SAR 자료 및 기존 DEM(GTOPO30, SRTM-3, 1:25, 000 수치지도)을 사용하는 2-pass 차분간 섭기법을 이용하여 DEM을 생성하였다. 초기 입력 DEM의 다양한 해상도 및 정확도(GTOPO30[해상도 1km, RMSE:30.
DEM을 이용하여 SAR 영상을 시뮬레이션하기 위해서는 위성의 영상취득 계수(PRF, 센서의 파장, 첫 번째 azimuth 획득시간, 첫 번째 range 획득시간 및 궤도정보가 요구되므로 리더파일 등으로부터 해당정보를 추출해야 한다. 시뮬레이션을 위해 SAR 영상으로부터 선택된 지역의 좌표는 지리좌표계로 변환되어 입력된 DEM으로부터 해당 영역을 추출한다. 이때 레이더 좌표계에서 특정한 line과 pixel에 대응하는 지리좌표를 구하기 위해서 Doppeler, Range, Ellipsoid등의 세가지 방정식이 사용된다(Olmsted, 1993; Kampes and Usai, 1999).
한편 정확도 평가에 사용된 검사점의 수가 적고, 대부분이 평지 지역에 위치하여 있어, 4가지 방법을 통한 DEM 오차의 차이를 뚜렷하게 보여줄 수 없었다 산악지역에서 의 차이를 관측하기 위해 위상 불구속화 오류가 없을 것으로 가정할 수 있는 1:25, 000 수치지도와 ERS-1/2 자료를 이용하여 생성된 DEM을 기준으로 다른 DEM의 상대적 정확도를 비교하였다. 간섭기법과 GTOPO30을 이용 하여 생성된 DEM에서는 산악지역에서 위상 불구속화 오류에 의한 DEM 오차가 관측되는 반면 SRTM-3과 ERS-1/2 자료를 사용한 차분간섭기법으로 생성된 DEM은 이러한 오차가 관측되지 않았다.

대상 데이터

생성된 DEM(그림 4)은 검사점들을 이용하여 정확도를 평가하였고, 그림 5는 상대적으로 해상도가 높은 1:25000 수치지도로부터 도출된 차분간섭기법 DEM을 3차원으로 시각화한 것이다. 본 연구에서 생성된 DEM은 WGS84 타원체, UTM좌표체계를 사용했다. ERS 영상에서 측량 으로 구한 검사점의 동일지점의 좌표값을 얻기 위해 정사 영상을 생성하였다.

이론/모형

그림 3(b)는 본 연구에서 적용한 2-pass 차분간섭기법 을 이용한 DEM 생성 기법을 나타내는 흐름도로써, 두개 의 단일복소영상(SLC) 자료와 입력 DEM으로 GTOPO30, SRTM-3, 1:25000 수치지도를 이용한다. 레이더 간섭기 법과 마찬가지로 두 영상간의 정합이 필요하고 정합을 거친 후 부영상을 재배열 한다.
공간적으로 랜덤하게 분포한다고 가정될 수 있으므로 중첩을 통해 대기영향을 줄일 수 있다. 다음 단계로 가중된 불연속선의 합을 최소화 시키며 영상내의 모든 화소에서 절대 위상을 구할 수 있는 Flynn(1997)을 적용하 여 위상불구속-화(Phase unwrapping)를 수행하여 Unwrapped interferogram을 만든다. DEM을 이용하여 모사된 위상값에 Unwrapped 위상성분(=DEM 오차에 의한 성분)을 더한 후 고도값으로 변환되어 새로운 DEM이 생성된다.
2-pass 차분간섭기법을 위해 사용된 DEM은 해상도 Hon의 GTOPO30의 DEM, 우주왕복선 엔더버호에 장착 된 두 개의 SAR 안테나로부터 획득된 자료를 이용하여 제작된 해상도 90m의 SRTM-3 DEM, 1:25000 수치지도로서 해상도 10m 간격의 DEM이다. 레이더간섭기법에 의한 DEM과 앞에서 언급한 서로 다른 국내외 DEM을 이용한 차분간섭기법에 의한 DEM의 정확도를 평가하기 위해 GPS에 측량에 의한 검사점을 이용하였다.

성능/효과

DEM의 상대적 정확도를 비교해본 결과, 레이더 간섭기법과 GTOPO30 DEM을 이용한 차분간섭기법을 통해 생성된 DEM은 layover 현상이 발생하는 산악지역에서 오차가 발생하였음을 알 수 있다(그림 8
그러나 SRTM-3 DEM의 차분간 섭기법으로 생성된 DEM(그림 8(c))에서 이러한 오차는 관측되지 않는다. 결론적으로 3초 간격의 SRTM-3 DEM을 이용한 차분간섭기법이 국내와 같은 산악지역에서 SAR 자료를 이용하여 DEM을 제작하는데 매우 효과적 임을 알 수 있다.
95m])에 상관없이 12개의 검사점으로부터 계산된 ERS-1/2 tandem 간섭쌍을 이용하여 생성된 네 가지 DEM의 RMSE는 모두 약 5-6m이었다. 이러한 결과는 SAR 간섭쌍을 이용하여 효과적으로 DEM을 생성할 수 있음을 보여준다.
본 연구에서는 두 개의 SAR 자료만을 이용한 레이더 간섭기법과 두 SAR 자료 및 기존 DEM(GTOPO30, SRTM-3, 1:25, 000 수치지도)을 사용하는 2-pass 차분간 섭기법을 이용하여 DEM을 생성하였다. 초기 입력 DEM의 다양한 해상도 및 정확도(GTOPO30[해상도 1km, RMSE:30.62m], SRTM-3[해상도 90m, RMSE: 5.49m], [해상 도: 10m, RMSE: 21.95m])에 상관없이 12개의 검사점으로부터 계산된 ERS-1/2 tandem 간섭쌍을 이용하여 생성된 네 가지 DEM의 RMSE는 모두 약 5-6m이었다. 이러한 결과는 SAR 간섭쌍을 이용하여 효과적으로 DEM을 생성할 수 있음을 보여준다.

후속연구

따라서 레이더 간섭 기법보다 2-pass 차분간섭기법을 사용하는 것이 산악지 역에선 훨씬 효과적이라 할 수 있다. 경제적으로 시간적 제약이 많이 따르는 지도 갱신 같은 경우에, 본 연구에서 도출한 방법을 이용한다면 효율적으로 지형, 지물의 변화 탐사와 지도 갱신을 할 수 있을 것으로 본다. 추가적 연 구과제로는 산악지역의 정확한 검사점을 이용한 보다 정량적인 정확도 평가 및 다수의 SAR 간섭쌍 중첩을 통해 정밀도를 향상하는 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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