사이드스캔소나(Side Scan Sonar)와 SBP (Sub-bottom Profiler)는 최근 해양탐사 기술의 발전과 더불어 수중과 해저면, 그리고 해저면 하부에 대한 정보가 필요한 분야에 많이 활용되어지고 있다. 본 연구에서는 사각형 인공어초가 해저면에 분포하는 지역을 대상으로 사이드스캔소나와 SBP를 이용하여 자료를 취득하였다. 취득된 사이드스캔소나 자료에 대하여 디지털 영상처리 기법인 공간영역과 주파수영역에서의 각종 필터링을 적용하여 필터링의 종류와 매개변수에 따른 특징 및 영상분석을 시도하였다. SBP 자료는 이득회수, 디콘볼루션, 스펙트럼 분석, 뮤팅, 구조보정 등의 탄성파 자료처리과정을 거친 후 단면도를 구하였으며, 또한 통계적 특징에 기인한 평균값과 중앙값을 이용한 영상처리 과정을 거쳐 지층의 연속성 향상을 도모하였다. 사이드스캔소나와 SBP 두 가지 자료를 함께 시각화하는 방법을 이용하여 인공어초의 상태 및 구조물의 침하여부를 보다 쉽게 파악할 수 있었다. 또한 샘플링된 해저퇴적물 시료분석 결과와 사이드스캔소나의 Texture Filtering 적용결과, 그리고 천부지층결과의 연계해석을 통해 지층 상부퇴적물의 종류와 분포 및 두께를 파악할 수 있었다.
사이드스캔소나(Side Scan Sonar)와 SBP (Sub-bottom Profiler)는 최근 해양탐사 기술의 발전과 더불어 수중과 해저면, 그리고 해저면 하부에 대한 정보가 필요한 분야에 많이 활용되어지고 있다. 본 연구에서는 사각형 인공어초가 해저면에 분포하는 지역을 대상으로 사이드스캔소나와 SBP를 이용하여 자료를 취득하였다. 취득된 사이드스캔소나 자료에 대하여 디지털 영상처리 기법인 공간영역과 주파수영역에서의 각종 필터링을 적용하여 필터링의 종류와 매개변수에 따른 특징 및 영상분석을 시도하였다. SBP 자료는 이득회수, 디콘볼루션, 스펙트럼 분석, 뮤팅, 구조보정 등의 탄성파 자료처리과정을 거친 후 단면도를 구하였으며, 또한 통계적 특징에 기인한 평균값과 중앙값을 이용한 영상처리 과정을 거쳐 지층의 연속성 향상을 도모하였다. 사이드스캔소나와 SBP 두 가지 자료를 함께 시각화하는 방법을 이용하여 인공어초의 상태 및 구조물의 침하여부를 보다 쉽게 파악할 수 있었다. 또한 샘플링된 해저퇴적물 시료분석 결과와 사이드스캔소나의 Texture Filtering 적용결과, 그리고 천부지층결과의 연계해석을 통해 지층 상부퇴적물의 종류와 분포 및 두께를 파악할 수 있었다.
Side scan sonar and SBP (sub-bottom profiler) play a very important role in the survey for seafloor imaging and sub-bottom profiling. In this study, we have acquired side scan sonar and SBP data from the artificial reef area. We applied digital image processing techniques to side scan sonar data in ...
Side scan sonar and SBP (sub-bottom profiler) play a very important role in the survey for seafloor imaging and sub-bottom profiling. In this study, we have acquired side scan sonar and SBP data from the artificial reef area. We applied digital image processing techniques to side scan sonar data in order to improve an image quality. For the enhancement of data quality and image resolution, we applied the typical seismic data processing sequence including gain recovery, muting, spectrum analysis, predictive deconvolution, migration to SBP data. We could easily estimate if artificial reef structures were settled properly and their distribution on the seafloor from the integrated interpretation of side scan sonar and SBP data. From the sampling analysis of seabed sediments, texture filtering of side scan sonar data and SBP data interpretation, we could evaluate the sediment type, distribution and thickness of seafloor sediments in detail.
Side scan sonar and SBP (sub-bottom profiler) play a very important role in the survey for seafloor imaging and sub-bottom profiling. In this study, we have acquired side scan sonar and SBP data from the artificial reef area. We applied digital image processing techniques to side scan sonar data in order to improve an image quality. For the enhancement of data quality and image resolution, we applied the typical seismic data processing sequence including gain recovery, muting, spectrum analysis, predictive deconvolution, migration to SBP data. We could easily estimate if artificial reef structures were settled properly and their distribution on the seafloor from the integrated interpretation of side scan sonar and SBP data. From the sampling analysis of seabed sediments, texture filtering of side scan sonar data and SBP data interpretation, we could evaluate the sediment type, distribution and thickness of seafloor sediments in detail.
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제안 방법
연구에서는 대표적 수중 인공구조물 중 하나인 사각형 인공어초 군에 대하여 사이드스캔소나 및 SBP를 이용하여 탐사 자료를 취득하였고, 취득된 사이드스캔소나 탐사자료에 대하여 기본적인 자료처리과정과 함께 원격탐사 분야에서 흔히 사용되는 디지털 영상처리 기법을 적용하였다. SBP 탐사자료는 반사법 탄성파탐사 자료처리기법을 이용하여 자료처리 후 3차원 단면으로 표현하였고, 사이드스캔소나 결과 영상과 비교 분석하여 인공어초군의 천부지층에서의 분포범위 및 침하여부 등을 추정해보았다. 또한 샘플링된 해저퇴적물 시료분석결과와 사이드스캔소나의 텍스쳐 필터링(texture filtering) 적용 결과를 통해 지층 상부 퇴적물의 종류, 분포 등에 대하여 해석하였다.
정밀한 해저영상의 생성을 위해서는 예인선 및 tow-fish의 정확한 위치가 기준이 되어야 함은 물론이며 전처리 과정을 통해 부정확한 위치 좌표의 보정 및 수중에서의 tow-fish의 흔들림과 같은 불안정성을 보정한다. 또한 사이드스캔소나의 음파 발사 주기와 GPS 데이터의 수신 주기의 불일치로 인해 다수의 음파측정 자료가 동일위치와 방향을 가지게 되므로 각 음파의 발사 시간에서의 위치와 방향으로 보간(interpolation)을 실시한다. 방사보정과정은 수중에서 음파가 일직선으로 전파되지 않고 부채꼴의 형태로 방사되어 tow-fish로 부터의 거리에 따라서 반사되는 영역의 크기가 달라지므로 이에 대한보정을 실시하는 것이다.
SBP 탐사자료는 반사법 탄성파탐사 자료처리기법을 이용하여 자료처리 후 3차원 단면으로 표현하였고, 사이드스캔소나 결과 영상과 비교 분석하여 인공어초군의 천부지층에서의 분포범위 및 침하여부 등을 추정해보았다. 또한 샘플링된 해저퇴적물 시료분석결과와 사이드스캔소나의 텍스쳐 필터링(texture filtering) 적용 결과를 통해 지층 상부 퇴적물의 종류, 분포 등에 대하여 해석하였다.
본 연구에서는 약2%의 자료를 극단적인 값으로 간주 후 이를 배제하였고, 영상자료 존재 범위를 μ+3.0×σ 와 μ−3.0×σ사이에 분포되고 있는 수치화소값 범위를 기준으로 선형가우시안신장을 적용하였다.
연구에서는 대표적 수중 인공구조물 중 하나인 사각형 인공어초 군에 대하여 사이드스캔소나 및 SBP를 이용하여 탐사 자료를 취득하였고, 취득된 사이드스캔소나 탐사자료에 대하여 기본적인 자료처리과정과 함께 원격탐사 분야에서 흔히 사용되는 디지털 영상처리 기법을 적용하였다. SBP 탐사자료는 반사법 탄성파탐사 자료처리기법을 이용하여 자료처리 후 3차원 단면으로 표현하였고, 사이드스캔소나 결과 영상과 비교 분석하여 인공어초군의 천부지층에서의 분포범위 및 침하여부 등을 추정해보았다.
채취된 시료는 통일분류법(USCS; Unified Soil Classification System)에 의해 Fig. 7과 같이 분류할 수 있는데, 입도분석 결과 No.200체(Φ74) 통과율이 50% 이상으로 세립토이며, 세립토 중에서도 액성한계(liquid limit)가 50 이하의 무기질 흙인 비소성 점토(non-plastic clay) CL로 분류되었고, 조사구역에 대한 수중사진 촬영결과는 Fig. 8과 같다.
대상 데이터
본 연구 대상 지역에서 인공어초의 수평 및 수직적 분포와 대상 지역의 지질학적 정보를 파악할 목적으로 사이드스캔소나 탐사와 함께 천부 지층 탐사에 많이 활용되는 SBP를 이용하여 탐사자료를 획득하였다(Fig. 5(a)).
본 연구에서는 수산 자원의 조성 및 회복을 위하여 인공어초가 설치된 지역에서 사이드스캔소나 탐사자료를 획득하였다 (Fig. 2(a)).
자료는 펄스 길이 200 µsec, 한 번의 송수신으로 한 개의 주사트랙에 2048개의 음압을 포함하고 있다.
흙 입자의 입경(grain size)별 함유율 분포를 나타내는 흙의 입도는 흙의 입경별 중량 백분율로 나타내며, 흙의 공학적 성질을 판단하는 척도로 이용된다. 탐사지역 물성시험 자료는 국립수산과학원 2006년 전라남도 인공어초 어장관리사업 보고서에 수록된 자료를 참고하였으며 입도분석결과는 Fig. 6과 같고, 물성시험 결과는 Table 2와 같다. 채취된 시료는 통일분류법(USCS; Unified Soil Classification System)에 의해 Fig.
이론/모형
기본적인 자료처리 과정을 거친 사이드스캔소나 자료에 디지털 영상처리기법을 적용하면 해석이 보다 용이하며 효과적이므로 여러 가지 필터링 기법 가운데 가우시안 smoothing filtering을 적용하였다. 이 방법은 목표물의 경계에 대한 정보 손실을 줄이면서 전반적인 잡음 제거 및 영상 품질 향상이 가능하다.
5(f)의 단면도를 얻었다. 사용된 구조보정법은 Kirchhoff회절중합 구조보정이며 구조보정 속도는 1,500 m/s를 적용하였다.
자료는 펄스 길이 200 µsec, 한 번의 송수신으로 한 개의 주사트랙에 2048개의 음압을 포함하고 있다. 영상자료에 대한 시각적 식별을 용이하게 하기위해 대비신장(contrast stretch)기법을 적용하여 영상의 밝기와 대비를 조절하게 되는데, 통계적 특징 값들을 이용하여 영상을 향상 혹은 강조한다. 영상의 대비를 신장시킬 수 있는 방법 중 가장 간단한 방법은 영상자료의 수치화소 값을 화면의 밝기 값으로 설정하는데 있어 선형변환 식을 이용하는 방법이다.
성능/효과
Fig. 2(b)를 보면 상대적으로 큰 음압 값을 가지는 해수(water column) 내의 수면반사파의 영향으로 대비신장 후 해저면 반사영상이 전반적으로 어둡게 표현됨을 확인할 수 있었다. 영상에서의 극단적인 화소 값을 나타내는 부분에 대한 개선을 도모하고, 보다 효과적인 가우시안 선형신장영상 산출을 위해 해수 내의 수면반사파가 나타난 구간에 뮤팅을 적용한 후 가우시안 선형신장 처리과정을 거친 후의 영상은 Fig.
1. 수중인공물체를 대상으로 사이드스캔소나를 이용하여 취득한 해저면 영상자료에 대하여 기본적인 자료처리과정과 함께 가우스 필터링 및 텍스쳐 필터링을 적용한 결과, 영상 품질이 향상될 뿐만 아니라 보다 효율적인 사물식별이 가능함을 확인하였다.
2. SBP를 이용하여 취득·처리한 탄성파 단면도에 대하여 자료처리를 통하여 자료품질을 향상시켰고, 측선의 교차점을 기준으로 3차원적 해석이 가능하게 fence diagram을 적용하여 표현하였고, 사이드스캔소나 모자익 영상과 종합하여 해석함으로써 주변 해저면과의 신호 비교를 통해 인공어초의 분포형태 확인이 용이하였다.
3. 사이드스캔소나 자료의 통계적 결과 값을 이용한 텍스쳐 필터링을 적용한 후 입도분석 결과와 비교함으로써 해저퇴적물 분포양상에 대하여 보다 정량적인 접근을 시도해 보았으며, 해저퇴적물 샘플링 결과와의 연계해석에서 효율적임을 알 수 있었다.
인공어초는 수산자원의 보호와 번식을 위해 인위적으로 만든 수중 인공구조물로서 육지에서 30 ~ 50 m 정도 떨어진 연안에 설치된다. 본 연구 대상지역에 확인된 인공어초의 종류는 사각형 인공어초로서 어류의 서식과 번식을 도와 산란을 유도하는 콘크리트 재질의 인공구조물로써 특히 음파에 대한 반사 강도가 높게 나타난다. Table 1은 인공어초의 형태와 제원을 나타낸 것이다.
본 연구에서 취득된 SBP 탐사자료에 대한 자료처리 결과에 의하면 1차반사면 신호가 강하게 나타난 해저면과 2차반사면이 나타나는 하부고결 층으로 분류된 2개의 층으로 구분할 수 있다. 해저퇴적물 입도분석 결과로부터 인공어초 분포구간을 제외한 1층서는 점토질의 퇴적층으로 추정할 수 있으며, 점토질 퇴적층 내 탄성파 속도를 1,600 m/s로 가정하면 첫 번째 퇴적층의 층후는 약 2 ~ 5 m 두께의 분포를 보인다.
인공어초가 개별적 산재분포가 아닌 집중적 분포형태를 보이는 구간의 가장자리는 해저면 반사파 아래 일정 깊이까지 인공어초에 의한 반사파가 나타나기 때문에 일정 깊이 이상의 침하가 이루어졌음을 알 수 있다. 사이드스캔소나 영상의 Texture Filtering결과와 퇴적물 입도분석 결과를 종합하면, 탐사대상 해역에는 비소성 점토질의 해저퇴적층이 전 구간에 걸쳐 분포함을 알 수 있고, 또한 인공어초가 집중되어 나타나는 구간에는 비소성 점토질 퇴적층으로 인하여 일정깊이 이상의 침하가 이루어졌음을 추정할 수 있다. Fig.
9는 인공어초가 분포하는 지역을 지나는 측선 가운데 서로 교차하는 SBP 두 측선의 단면도와 함께 사이드스캔소나 자료를 동시에 나타낸 그림으로, 2차원 평면적인 해저면 조사영상에 수직적인 지층정보를 동시에 표현함으로써 입체감을 더하였다. 이를 이용하여 주변 해저면과의 신호 비교를 통해 인공어초의 분포형태를 효율적으로 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디지털영상 처리기술은 어떤 목적으로 응용되고 있는가?
사이드스캔소나를 이용해 해저면의 형상을 파악하기 위해서는 사이드스캔소나 시스템으로부터 디지털 자료를 획득하고, 여러 가지 자료보정과 연속적인 후처리를 통해 모자이크 영상을 만들고, 그 영상을 분석해야한다. 디지털영상 처리기술은 위성영상이나 항공사진과 같이 잡음이 많은 영상에서 잡음을 제거하거나 명암도를 향상시키기 위한 목적으로 응용되고 있는데, 이를 사이드스캔소나 영상에 적용 하면, 영상을 향상시키고 분석이 보다 용이한 영상을 얻을 수 있다(서상일 등, 1997).
전자기파와 음파는 각각 어떤 특징이 있는가?
전자기파는 해수 중에서의 심한 감쇠로 인하여 수중에서 사용하기 어려운 반면 음파는 멀리까지 전파되므로 조사목적에 따라 특정한 주파수 대역을 갖는 음파를 사용하여 해저정밀지형, 해저면의 형태 그리고 해저지층구조, 해저통신, 어군 탐지, 수중 측량 등 여러 가지 목적에 활용할 수 있다. 정밀측심을 위해 사용되는 음향측심기(echo-sounder)는 33 ~ 220 kHz 정도의 주파수 대역을 사용하며, 해저면의 형태를 파악하기 위한 사이드스캔소나는 100 ~ 500 kHz 대의 고주파를 사용한다.
Chirp 시스템은 어떻게 더욱 정밀한 퇴적층의 구별이 가능한가?
Chirp 시스템은 시간증가에 따라 주파수가 증가하는 sweep signal을 음원으로 사용함으로써 적은 에너지로 투과심도를 깊게 할 수 있고, 심도에 관계없이 일정한 분해능을 유지시킬 수 있다. 또한 수신신호의 자료처리과정을 통하여 신호 대 잡음비의 향상과 더불어 인접한 반사 이벤트들을 압축시켜 더욱 정밀한 퇴적층의 구별이 가능하다(Schock et al., 1989; Schock and LeBlanc, 1990).
신성렬, 김찬수, 조철현, 2008, 탄성파 반사법 및 굴절법을 이용한 천해저 지반조사에 대한 연구, 11, 109-115
이동진, 박요섭, 김학일, 2001, 고해상도 사이드스캔소나 영상의 보정 및 매핑알고리즘의 개발, 대한원격탐사학회지, 17, 45-56
이창식, 1999, 수중음향영상(Sound underwater images: a guide to the generation and interpretation of side scan sonar data, John Ferry Fish), 집문당, 188
주형태, 유해수, 김한준, 장재경, 홍종국, 박건태, 조현무, 김창환, 허식, 1997, 퇴적분지 및 해저지형 해석을 위한 탄성파 및 음향자료의 분석기법 연구, BSPE 97621-00-1046-5, 한국해양연구원
Campbell, C., 2000, 3.5 kHz sub-bottom profiler seabed classi-fication along selected ship's tracks on the Scotian Slope, Geological Survey-Commissio (GSC), Canada, GSC Open File Report #3928
Mindell, D. A. and Bingham, B., 2001, A High-Frequency, Narrow-Beam Sub Bottom Profiler for Archaeological Appli- cations, IEEE Oceans Engineering Conference, 4, 2115-2123
Schock, S. G., LeBlanc, L. R., and Mayer, L. A., 1989, Chirp sub-bottom profiler for quantitative sediment analysis, Geophysics, 54, 445-450
Schock, S. G. and LeBlanc, L. R., 1990, Chirp sonar: New technology for sub-bottom profiling, Sea Technology, 35-43
Trabant, P. K., 1986, Applied High-Resolution Geophysical Methods: Offshore Geoengineering Hazards, D. Reidel Publishing Company, 222
Wunderlich, J., Wendt, G. and Muller, S., 2004, Detection of embedded archaeological objects using nonlinear sub-bottom profilers, Proc. of the Seventh European Conference on Underwater Acoustics, Delft, Netherlands, July 5-8
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