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가설 설정
- Han and Lee(2012)에 의하면 Campbell 빙하의 흐름속도는 계절에 관계없이 거의 일정하다. 이 연구에서도 Campbell 빙하의 흐름은 시간적으로 일정하다고 가정하였고, 가장 먼저 획득된 2010년 6월 16일의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 영상정합을 위한 주영상으로 선정하였다. 부영상으로는 2010년 7월 10일에 획득된 영상을 사용하였으며, 영상정합을 통해 24일 동안 발생한 빙하의 변위를 추출하여 빙하의 연간 흐름속도를 추정하였다.
제안 방법
- 이 연구에서는 2010년 6월에서 2012년 1월까지 시계열적으로 획득된 Constellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation (COSMO-SkyMed) 위성의 SAR 영상으로부터 Campbell Glacier Tongue의 면적 변화를 분석하였고, 영상정합을 통해 Campbell 빙하의 흐름속도를 추정하였다. 이 연구에서 추정된 면적과 흐름속도를 선행연구(Frezzotti, 1993)의 결과와 비교하였으며, 이를 통해 Campbell 빙하의 유동특성 변화를 해석하였다.
- 기하보정이 수행된 총 59장의 SAR 영상으로부터 Campbell Glacier Tongue의 폴리곤(polygon)을 육안으로 디지타이징(digitizing)하였고, 이로부터 면적을 산출하였다. Campbell Glacier Tongue의 가장자리는 glacier tongue과 바다사이의 큰 후방산란 차이로 인해 쉽게 정의할 수 있었으며, 디지타이징의 정밀도를 높이기 위해SAR 영상을 최대한 확대하여 폴리곤을 추출하였다.
- 기하보정이 수행된 총 59장의 SAR 영상으로부터 Campbell Glacier Tongue의 폴리곤(polygon)을 육안으로 디지타이징(digitizing)하였고, 이로부터 면적을 산출하였다. Campbell Glacier Tongue의 가장자리는 glacier tongue과 바다사이의 큰 후방산란 차이로 인해 쉽게 정의할 수 있었으며, 디지타이징의 정밀도를 높이기 위해SAR 영상을 최대한 확대하여 폴리곤을 추출하였다. 그러나 빙상과 glacier tongue의 경계인 지반선(grounding line)의 위치는 SAR 영상의 후방산란만으로는 확인할 수 없다.
- 1(b)에 흰색 실선으로 표시하였다. 이 연구에서는 총 59장의 COSMO-SkyMed SAR 영상에 Han and Lee (2012)에 의해 정의된 Campbell 빙하의 지반선을 적용 하여 Campbell Glacier Tongue의 면적을 산출하였고, 시간에 따른 면적의 변화를 분석하였다.
- 시간에 따른 빙하의 유출면적을 구하기 위해서는 얼음의 붕괴면적이 산출되어야 한다. Campbell Glacier Tongue의 붕괴영역은 시간적으로 연속된 두 장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 비교하여 추출하였으며, 이로부터 붕괴면적을 산출하였다. 이때 기하보정 된 COSMO-SkyMed SAR 영상의 공간 해상도가 4 m이므로, 4 m×4 m 보다 작은 규모의 붕괴는 확인할 수 없었다.
- 이때 기하보정 된 COSMO-SkyMed SAR 영상의 공간 해상도가 4 m이므로, 4 m×4 m 보다 작은 규모의 붕괴는 확인할 수 없었다. Campbell Glacier Tongue의 붕괴면적을 기온과 비교하였고, 이로부터 빙하의 붕괴와 기온 사이의 상관관계를 해석하였다.
- 즉 누적유출면적은 빙하의 면적에 얼음 붕괴면적을 보상한 것이다. 이 연구에서는 식 (1)을 이용하여 시간에 따른 Campbell 빙하의 누적유출면적 변화를 분석하였고, 연간유출량을 추정하였다.
- 이 연구에서는 SAR 영상의 후방산란 강도를 이용하여 Campbell 빙하에 대해 영상정합에 의한 변위추적을 수행하였다. 이때 첫 번째와 마지막으로 획득된 SAR 영상의 정합을 통한 변위추적은 수행할 수 없었다.
- 영상정합에 의해 추정된 흐름속도의 오차를 평가하기 위해 육안으로 Campbell 빙하의 표면변위를 추출하였다. 먼저 2010년 6월 16일의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 Campbell 빙하 표면에서 총 45개의 피쳐를 선정하였다.
- 먼저 2010년 6월 16일의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 Campbell 빙하 표면에서 총 45개의 피쳐를 선정하였다. 그리고 24-32일의 시간간격을 가지는 17장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을사용하여 45개 피쳐에 대한 584일 동안의 변위를 추출하였다. Campbell 빙하는 지형기복이 심하지 않기 때문에 피쳐 선정의 어려움은 없었으며, SAR 영상의 정사보정을 수행하지 않아도 추출된 변위의 정밀도는 크게 저하되지 않을 것으로 판단하였다.
- 육안분석으로 추출된 빙하의 표면 변위를 이용하여 흐름속도를 계산하였고, 이를 영상정합을 통해 추정된 흐름속도와 비교하였다. 이를 통해 영상정합에 의해 추출된 변위로부터 추정한 range 및 azimuth 방향의 흐름속도 오차를 평가하였다.
- 영상정합을 통해 추정된 흐름속도의 오차를 평가하기 위해 Campbell 빙하표면에서 45개 피쳐에 대한 변위를 육안으로 추출하였다. 그리고 각 피쳐의 range 방향과 azimuth 방향의 흐름속도를 계산하였고, 이를 영상 정합을 통해 추정된 range 방향과 azimuth 방향의 흐름 속도와 비교하였다.
- 영상정합을 통해 추정된 흐름속도의 오차를 평가하기 위해 Campbell 빙하표면에서 45개 피쳐에 대한 변위를 육안으로 추출하였다. 그리고 각 피쳐의 range 방향과 azimuth 방향의 흐름속도를 계산하였고, 이를 영상 정합을 통해 추정된 range 방향과 azimuth 방향의 흐름 속도와 비교하였다. 영상정합을 통해 추정된 흐름속도의 평균 제곱근오차(root mean square error)는 range 방향과 azimuth 방향에 대해 각각 18.
- 동남극 테라노바 만에 위치한 Campbell 빙하의 변화를 분석하기 위해 2010년 6월부터 2012년 1월까지 총 59장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 획득하였고, 디지타이징과 영상정합에 의한 변위추적 기법을 이용하여 빙하의 면적을 추출하고 흐름속도를 추정하였다. Campbell Glacier Tongue의 면적은 여름철에 감소하고 겨울철에 증가하지만 증감의 폭이 크지 않았으며, 2010-2012년의 평균 면적은 75.
- 이 연구에서는 2010년 6월에서 2012년 1월까지 시계열적으로 획득된 Constellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation (COSMO-SkyMed) 위성의 SAR 영상으로부터 Campbell Glacier Tongue의 면적 변화를 분석하였고, 영상정합을 통해 Campbell 빙하의 흐름속도를 추정하였다. 이 연구에서 추정된 면적과 흐름속도를 선행연구(Frezzotti, 1993)의 결과와 비교하였으며, 이를 통해 Campbell 빙하의 유동특성 변화를 해석하였다.
- Campbell 빙하는 지형기복이 심하지 않기 때문에 피쳐 선정의 어려움은 없었으며, SAR 영상의 정사보정을 수행하지 않아도 추출된 변위의 정밀도는 크게 저하되지 않을 것으로 판단하였다. 육안분석으로 추출된 빙하의 표면 변위를 이용하여 흐름속도를 계산하였고, 이를 영상정합을 통해 추정된 흐름속도와 비교하였다. 이를 통해 영상정합에 의해 추출된 변위로부터 추정한 range 및 azimuth 방향의 흐름속도 오차를 평가하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 장보고 과학기지와 가장 인접해 있는 Campbell빙하(74° 25’ S, 164° 22’ E)를 연구지역으로 선정하였다(Fig. 1a).
- Campbell 빙하의 유동특성을 분석하기 위해 테라노바 만 주변 지역이 촬영된 COSMO-SkyMed SAR 영상을 활용하였다. COSMO-SkyMed는 이탈리아 우주국(Italian Space Agency)과 이탈리아 국방부(Italian Ministry of Defence)에 의해 개발된 인공위성으로, 중심 주파수 9.
- 영상이 획득되지 않은 시기인 2010년 8-11월을 제외하고, 모든 영상은 최소 1일에서 최대 8일의 시간 간격을 가지며, descending 궤도에서 stripmap 모드, VV 편파, 40°의 입사각으로 3:45 UTC(Coordinated Universal Time)에 촬영되었다.
- 이 연구에서는 테라노바 만 주변지역에 대해 2010년 6월 16일부터 7월 10일 사이에 10장, 2010년 12월 1일부터 2012년 1월 21일 사이에 49장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 획득하였다(Table 1). 총 59장의 SAR 영상은 모두 single look complex(SLC) 영상으로 수집되었다.
- 이 연구에서는 테라노바 만 주변지역에 대해 2010년 6월 16일부터 7월 10일 사이에 10장, 2010년 12월 1일부터 2012년 1월 21일 사이에 49장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 획득하였다(Table 1). 총 59장의 SAR 영상은 모두 single look complex(SLC) 영상으로 수집되었다. 영상이 획득되지 않은 시기인 2010년 8-11월을 제외하고, 모든 영상은 최소 1일에서 최대 8일의 시간 간격을 가지며, descending 궤도에서 stripmap 모드, VV 편파, 40°의 입사각으로 3:45 UTC(Coordinated Universal Time)에 촬영되었다.
- 영상이 획득되지 않은 시기인 2010년 8-11월을 제외하고, 모든 영상은 최소 1일에서 최대 8일의 시간 간격을 가지며, descending 궤도에서 stripmap 모드, VV 편파, 40°의 입사각으로 3:45 UTC(Coordinated Universal Time)에 촬영되었다. COSMO-SkyMed SAR 영상에 멀티 룩(multi-look)과 기하보정(geometric correction)을 수행하였고, 공간 해상도 4 m의 영상으로 연구에 사용하였다. 이 연구에서는 Campbell 빙하의 면적변화와 기온의 상관관계를 분석하기 위해 테라노바 만의 AWS로 매 시간마다 측정된 기온자료를 사용하였다.
- 이 연구에서도 Campbell 빙하의 흐름은 시간적으로 일정하다고 가정하였고, 가장 먼저 획득된 2010년 6월 16일의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 영상정합을 위한 주영상으로 선정하였다. 부영상으로는 2010년 7월 10일에 획득된 영상을 사용하였으며, 영상정합을 통해 24일 동안 발생한 빙하의 변위를 추출하여 빙하의 연간 흐름속도를 추정하였다. 이는 2010년 7월 10일 이후부터 11월까지 영상을 획득하지 않았으므로, 7월 10일 이후의 영상을 부영상으로 사용할 경우 큰 시간적 기선거리로 인해 영상정합을 통한 변위의 추적이 어렵기 때문이다.
- 영상정합에 의해 추정된 흐름속도의 오차를 평가하기 위해 육안으로 Campbell 빙하의 표면변위를 추출하였다. 먼저 2010년 6월 16일의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 Campbell 빙하 표면에서 총 45개의 피쳐를 선정하였다. 그리고 24-32일의 시간간격을 가지는 17장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을사용하여 45개 피쳐에 대한 584일 동안의 변위를 추출하였다.
- 4(a)와 (b)로부터 테라노바 만에서도 변위가 관찰됨을 볼 수 있다. 영상정합에 사용된 SAR 영상은 남극의 겨울철인 6, 7월의 영상이며, 이 시기에는 테라노바 만에 해빙이 광범위하게 형성된다. 따라서 테라노바 만에서 관찰되는 변위는 해빙의 변위로서, 해수의 이동과 조위의 변화에 기인한다(Han and Lee, 2011).
- COSMO-SkyMed SAR 영상에 멀티 룩(multi-look)과 기하보정(geometric correction)을 수행하였고, 공간 해상도 4 m의 영상으로 연구에 사용하였다. 이 연구에서는 Campbell 빙하의 면적변화와 기온의 상관관계를 분석하기 위해 테라노바 만의 AWS로 매 시간마다 측정된 기온자료를 사용하였다.
이론/모형
- 그러나 빙상과 glacier tongue의 경계인 지반선(grounding line)의 위치는 SAR 영상의 후방산란만으로는 확인할 수 없다. 빙하의 지반선은 두 개의 위상차분간섭도(differential interferogram)를 차분하는 방법인 DoubleDifferential InSAR (DDInSAR) 기법으로 추출할 수 있다 (Rignot, 1996). Glacier tongue에 대한 위상차분간섭도는 흐름에 의한 수평변위와 조위에 의한 수직변위를 모두 포함하고 있다.
성능/효과
- Campbell Glacier Tongue 본류의 흐름속도는 지반선의 위치에서 181 m/yr로 최소였으며, 유선을 따라 하류로 갈수록 증가하여 glacier tongue의 끝부분에서 268 m/yr의 최대속도를 나타냈다. 이 연구에서 분석된 Campbell Glacier Tongue의 흐름속도는 Frezzotti (1993)에 의해 분석된1988-1989년의 흐름 속도(140-240 m/yr)에 비해 빨라진 것이며, 이로부터 Campbell 빙하의 유출량 증가는 1988-1989년에 비해 가속화된 흐름속도에 기인함을 확인할 수 있다.
- 그리고 각 피쳐의 range 방향과 azimuth 방향의 흐름속도를 계산하였고, 이를 영상 정합을 통해 추정된 range 방향과 azimuth 방향의 흐름 속도와 비교하였다. 영상정합을 통해 추정된 흐름속도의 평균 제곱근오차(root mean square error)는 range 방향과 azimuth 방향에 대해 각각 18.8 m/yr와 15.8 m/yr로 분석되었다. 이는 영상정합에 의해 추출된 변위로부터 추정한 빙하의 흐름속도에 약 9%의 오차가 포함되어 있음을 나타낸다.
- 12 km3/yr로 추정되었다. 영상정합에 의한 변위 추적을 통해 추정된 Campbell 빙하의 흐름속도는 상류 지역에서 공간적으로 거의 일정하였으나, 지반선을 지나 Campbell Glacier Tongue에서는 급격히 빨라졌다. Campbell Glacier Tongue 본류는 지류보다 빠른 흐름속도를 나타냈다.
- Campbell Glacier Tongue 본류는 지류보다 빠른 흐름속도를 나타냈다. Campbell Glacier Tongue의 흐름속도는 181-268 m/yr로서1988-1989년의 흐름속도(140-240 m/yr)에 비해 빠른 것으로 분석되었고, 이로부터 Campbell Glacier Tongue의 유출량 증가는 과거에 비해 가속화된 흐름속도에 영향을 받은 것으로 해석할 수 있었다.
- 이 연구를 통해 시계열적으로 획득된 고해상도의 COSMO-SkyMed SAR 영상은 빙하의 면적과 흐름속도 분석에 매우 유용함을 확인할 수 있었고, Campbell 빙하에 대한 가장 최근의 유동특성 정보를 제공할 수 있었다. 이 연구는 향후 고해상도의 X-band SAR 영상을 제공할 다목적실용위성 5호의 활용성을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장보고 과학기지의 빙하분야 연구 활동에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
후속연구
- , 2007). 이에 따라 동남극 지역 빙하의 정밀한 질량 균형 상태를 분석할 필요가 있으며, 이를 위해서는 시계열적인 관측을 통한 빙하의 유동특성 연구가 선행되어야 한다.
- 이 연구를 통해 시계열적으로 획득된 고해상도의 COSMO-SkyMed SAR 영상은 빙하의 면적과 흐름속도 분석에 매우 유용함을 확인할 수 있었고, Campbell 빙하에 대한 가장 최근의 유동특성 정보를 제공할 수 있었다. 이 연구는 향후 고해상도의 X-band SAR 영상을 제공할 다목적실용위성 5호의 활용성을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장보고 과학기지의 빙하분야 연구 활동에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
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