[논문]지진에 의한 측지학적 지각변동 분석을 위한 GNSS 자료 전처리 연구

손동효; 김두식; 박관동

doi:10.7319/kogsis.2015.23.1.047

지진에 의한 측지학적 지각변동 분석을 위한 GNSS 자료 전처리 연구
A Study on GNSS Data Pre-processing for Analyzing Geodetic Effects on Crustal Deformation due to the Earthquake 원문보기

한국지형공간정보학회지 = Journal of the korean society for geospatial information science, v.23 no.1, 2015년, pp.47 - 54

손동효 (인하대학교 공간정보공학과) , 김두식 (인하대학교 공간정보공학과) , 박관동 (인하대학교 공간정보공학과)

초록
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이 논문에서는 지진에 의한 지각변동 분석에서 측지학적 요소만을 구분하고자 하는 목적으로 GNSS 자료를 전처리하는 전략을 연구하였다. 이를 위해 GNSS 자료처리 결과의 해석에 앞서 GNSS 좌표 시계열에서 나타나는 위신호들을 검출하고 제거하였다. GNSS 관측소는 한반도가 포함된 큰 지각판 위에 위치하므로 판의 운동으로 인한 속도가 좌표 시계열에 포함된다. 그리고 일부 관측소 주변에 위치한 나무들은 계절에 따라 성장변화가 일어나기 때문에 계절적 신호특성이 GNSS 좌표 시계열에 반영된다. 따라서 오일러축에 의한 지각판 운동효과를 정확히 제거하기 위해 축의 위치와 각속도를 한반도 지각판에 맞게 새롭게 추정하였고 이에 대한 검증을 수행하였다. 그리고 1년 주기로 나타나는 계절변동 신호를 추정해 각 관측소의 좌표시계열에 반영하였다. 두 효과를 제거함으로써 지진에 의한 영향을 측지학적으로 분석할 수 있다. 이를 이용해 2011년 동일본 대지진에 의한 지각변위 예비 분석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed strategies for pre-processing GNSS data for the purpose of separating geodetic factors from crustal deformation due to the earthquakes. Before interpreting GNSS data analysis results, we removed false signals from GNSS coordinate time series. Because permanent GNSS stations are located on a large tectonic plate, GNSS position estimates should be affected by the tectonic velocity of the plate. Also, stations with surrounding trees have seasonal signals in their three-dimensional coordinate estimates. Thus, we have estimated the location of an Euler pole and angular velocities to deduce the plate tectonic velocity and verified with geological models. Also, annual amplitudes and initial phases were estimated to get rid of those false annual signals showing up in the time series. By considering the two effects, truly geodetic analysis was possible and the result was used as preliminary data for analyzing post-seismic deformation of the Korean peninsula due to the Tohoku-oki earthquake.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

관측소 주변에 분포한 나무의 성장변화에 의해 생성 되는 계절변동 신호를 추정해 좌표시계열에 반영함으 로써 지각변위 속도의 RMS 오차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 관측소별 주변 환경도 역으로 추정 가능하 였다.
이 연구에서는 지진에 의한 측지학적 지각변동 영향을 분석하기 위해 GNSS 자료 전처리 과정에서 반드시 고려해야 하는 위신호의 발생원인을 파악하고, 이를 검출 및 제거하여 전후 결과를 분석하였다. 이 논문에서는 대표적인 위신호인 오일러축에 의한 지각판 운동과 계절변동신호에 대해 중점적으로 분석하였다.
그러나 GNSS 관측자료에는 주변 환경의 영향으로 인한 효과가 내포되어 있기 때문에 이를 최소화하여 사용하거나 속도 산출시 이들 자료를 배제해야 보다 명확한 변위 속도를 산출할 수 있다. 이 논문은 지진에 의한 측지학적 영향만을 고려하기 위해 불필요하게 작용하는 위(僞, false)신호의 종류와 영향, 그리고 제거 전후의 결과를 비교분석하는 GNSS 자료 전처리 연구이다.
유색잡음으로 대표되는 위신호에는 해양, 대기 등의 조석하중, 지지대 움직임, 장비교체, 지각판 운동, 계절변동 신호 등이 있다(Booker, 2012; Calais, 2009). 이 연구에서는 지각판 운동 모델과 계절변동 신호에 대해 중점적으로 기술한다.
이 연구에서는 지진에 의한 측지학적 지각변동 영향을 분석하기 위해 GNSS 자료 전처리 과정에서 반드시 고려해야 하는 위신호의 발생원인을 파악하고, 이를 검출 및 제거하여 전후 결과를 분석하였다. 이 논문에서는 대표적인 위신호인 오일러축에 의한 지각판 운동과 계절변동신호에 대해 중점적으로 분석하였다.

제안 방법

GNSS 관측소 좌표는 30초 간격의 1일 자료와 GIPSY-OASIS 소프트웨어를 이용하여 1일 단위의 절대측위 값으로 계산하였다(Webb and Zumberge, 1993). 이때 IGS08 좌표계를 기반으로 IGS 정밀궤도력, 안테나 위상중심변동 절대보정모델(Wübbena, 2000), FES2004 해양조석하중 모델(Lyard et al.
계절변동 신호가 가장 잘 나타나는 춘천 기준국을 대상으로 지진에 의한 지각변위 예비분석을 수행하였다. 좌표시계열이고, Fig.
그러나 한반도는 유라시아, 아무르 판과는 지각 운동의 특성이 다소 상이하므로 이연구에서는 한반도의 지각운동 특성을 결정하기 위해 남한 지역의 GNSS 자료처리 결과를 이용하여 오일러축 위치를 새롭게 추정하였다.
비록 이 연구에서 추정한 오일러축이 GNSS 관측 결과를 기반으로 산출하였기 때문에 이러한 결과가 나타나는 것으로 판단되나 실질적으로 이 모델이 한반도의 지각운동 특성을 가장 잘 반영한다고 볼 수 있다. 따라서 산출된 오일러축 값에 근거하여 GNSS 좌표시계 열에서 지각판에 의한 영향을 제거하여 나머지 분석을 수행하였다.
앞서 GNSS 관측자료에 내포되어 있는 위신호를 파악하고 제거하는 과정을 수행하였다. 두 가지 신호를 고려하여 산출한 좌표시계열에서 잡음이 제거되었음을 확인하였다.
오일러 운동 모델을 정확하게 제거하기 한반도 지각 판에 맞게 새롭게 추정하였고 추정 결과를 GNSS 시계열 결과와 지구물리학적 모델을 이용한 결과와 상호비 교하여 검증하였다. 새로이 추정한 오일러축을 적용한 결과에서 지진발생 전에는 한반도의 지각변동이 장시 간동안 작은 변화만 나타나는 경향을 보였으나 지진 이후에는 상대적으로 큰 움직임이 지속적으로 나타나고 있음을 알 수 있었다.
이 연구에서 개발한 지각판 운동 모델이 한반도의 지각운동을 잘 반영하는지 확인하기 위해 기존에 개발된 NNR-NUVEL1A 모델과 NNR-MORVEL 56 모델을 적용한 결과와 GNSS 좌표시계열을 통해 산출한 수평 방향 속도를 비교하였다(Fig. 3). Fig.
장기간의 GNSS 좌표시계열로 산출한 오일러축의 각속도 벡터를 이용하여 모든 관측소에 대해 속도를 계산하고 이를 제거하였다. Fig.
지진에 의한 영향만을 분석하기 위해 오일러축 각속 도와 계절변동 신호를 제거하여 도호쿠 지진 전후로 나타나는 한반도의 지각변위에 대해 예비분석을 수행하 였다.

대상 데이터

대상기간은 2008년부터 2013년까지이고, 2011년 3 월 일본에서 발생한 도호쿠 지진에 의한 한반도의 지각 변위를 연구하기 위해 지진 전후의 약 3년간 자료이다. 도호쿠 지진은 1900년 이래 세계에서 4번째로 큰 규모 이고(USGS, 2015), 한반도의 지각변위에 가장 큰 영향을 주었다.
먼저 IGS(2013)에서 기준국 설치시 권장하는 관측자 료의 품질평가 기준과 현장조사를 통해 관측환경이 양호한 GNSS 관측소들을 선정하였다. 이때 주변의 환경으로 인하여 관측자료의 품질이 저조한 태백, 영광 등 7곳 관측소를 배제하였다.
이 연구에서는 국토지리정보원(National Geographic Information Institute, NGII)과 한국천문연구원(Korea Astronomy and Space Science Institute, KASI)이 운영 및 관리하는 GNSS 상시관측소를 대상으로 각 지점의 좌표시계열을 이용하였다(Fig. 1).
먼저 IGS(2013)에서 기준국 설치시 권장하는 관측자 료의 품질평가 기준과 현장조사를 통해 관측환경이 양호한 GNSS 관측소들을 선정하였다. 이때 주변의 환경으로 인하여 관측자료의 품질이 저조한 태백, 영광 등 7곳 관측소를 배제하였다. 선정된 관측소들의 장기간 좌표시계열을 이용하여 이동속도를 계산하고, 식 (1)을이용해 대상 관측소들의 각속도 성분(ω_x, ω_y, ω_z )을 추정하였다(NGII, 2007).
각속도 성분은 각각의 GNSS 관측소 좌표 결과와 이동속도를 기반으로 최소자승법을 적용하여 결정하였다. 한반도 지각판의 오일러축 위치 및 각속도는 2000년 1월 1일부터 도호쿠 지진 발생 전까지 37개 GNSS 관측소의 자료처리 결과를 기반으로 산출하였다. 상세한 계산과정은 지면 관계상 참고문헌으로 대체한다(NGII, 2007).

데이터처리

, 2006) 등을 적용하였고 임계각 고도는 10°로 설정하였다. 산출된 정밀좌표는 지진에 의한 수평방향 변위만을 고려하기 위해 동서및 남북 방향 좌표계로 변환한 후 선형회귀 방정식을 이용하여 각 성분별 속도변위를 계산하였다.

이론/모형

이때 IGS08 좌표계를 기반으로 IGS 정밀궤도력, 안테나 위상중심변동 절대보정모델(Wübbena, 2000), FES2004 해양조석하중 모델(Lyard et al., 2006) 등을 적용하였고 임계각 고도는 10°로 설정하였다.
여기서 (x, y, z)와 (#)은 IGS08 좌표계를 기반으로 산출한 관측소의 평균좌표와 이동속도이다. 각속도 성분은 각각의 GNSS 관측소 좌표 결과와 이동속도를 기반으로 최소자승법을 적용하여 결정하였다. 한반도 지각판의 오일러축 위치 및 각속도는 2000년 1월 1일부터 도호쿠 지진 발생 전까지 37개 GNSS 관측소의 자료처리 결과를 기반으로 산출하였다.
계절변화에 의한 영향을 고려하여 1년 주기로 진동하는 위신호를 최소자승(least squares)법으로 추정하여 신호의 진폭크기 및 주기를 파악한다. 식 (2)는 정현파 신호 방정식을 이용한 모델이다.

성능/효과

5와 같이 각각의 평균 속도를 산출하여 화살표로 나타내었다. NNR-NUVEL1A 모델은 다른 모델들에 비해 GNSS 관측결과와 잘 일치 하지 않는 결과를 보였다. 반면 NNR-MORVEL56 모델은 비교적 GNSS 관측결과와 일치하였고, 이 연구에서 추정한 오일러축을 이용하여 계산한 수평속도는 GNSS 관측결과와 거의 완벽하게 일치함을 알 수 있었다.
춘천 관측소의 경우 1년 주기로 가장 큰 진폭변위를 보여 10mm를 초과하였고, 창녕과 영광의 경우에는 약 7mm까지 진폭 변화가 나타났다. 계절변동 신호를 제거함으로써 춘천과 영광 관측소는 25%정도 RMS가 감소하였고 창녕과 정읍은 10%이상 감소하였음을 알 수있다. Fig.
두 NNR 모델의 경우 GNSS에 비해 더욱 남쪽으로 치우쳐 있고, 속도의 크기는 GNSS에 비해 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
앞서 GNSS 관측자료에 내포되어 있는 위신호를 파악하고 제거하는 과정을 수행하였다. 두 가지 신호를 고려하여 산출한 좌표시계열에서 잡음이 제거되었음을 확인하였다.
NNR-NUVEL1A 모델은 다른 모델들에 비해 GNSS 관측결과와 잘 일치 하지 않는 결과를 보였다. 반면 NNR-MORVEL56 모델은 비교적 GNSS 관측결과와 일치하였고, 이 연구에서 추정한 오일러축을 이용하여 계산한 수평속도는 GNSS 관측결과와 거의 완벽하게 일치함을 알 수 있었다. 비록 이 연구에서 추정한 오일러축이 GNSS 관측 결과를 기반으로 산출하였기 때문에 이러한 결과가 나타나는 것으로 판단되나 실질적으로 이 모델이 한반도의 지각운동 특성을 가장 잘 반영한다고 볼 수 있다.
반면 NNR-MORVEL56 모델은 비교적 GNSS 관측결과와 일치하였고, 이 연구에서 추정한 오일러축을 이용하여 계산한 수평속도는 GNSS 관측결과와 거의 완벽하게 일치함을 알 수 있었다. 비록 이 연구에서 추정한 오일러축이 GNSS 관측 결과를 기반으로 산출하였기 때문에 이러한 결과가 나타나는 것으로 판단되나 실질적으로 이 모델이 한반도의 지각운동 특성을 가장 잘 반영한다고 볼 수 있다. 따라서 산출된 오일러축 값에 근거하여 GNSS 좌표시계 열에서 지각판에 의한 영향을 제거하여 나머지 분석을 수행하였다.
오일러 운동 모델을 정확하게 제거하기 한반도 지각 판에 맞게 새롭게 추정하였고 추정 결과를 GNSS 시계열 결과와 지구물리학적 모델을 이용한 결과와 상호비 교하여 검증하였다. 새로이 추정한 오일러축을 적용한 결과에서 지진발생 전에는 한반도의 지각변동이 장시 간동안 작은 변화만 나타나는 경향을 보였으나 지진 이후에는 상대적으로 큰 움직임이 지속적으로 나타나고 있음을 알 수 있었다. 한반도 지각판에 적합한 추정값을 이용함으로써 보다 정확히 지진에 의한 영향을 측지 학적으로 분석할 수 있었다.
춘천 기준국을 대상으로 수행한 예비분석을 통해 도호쿠 지진이 한반도 지각변위에 큰 영향을 주었고, 그이후에도 지진여파로 인해 지속적인 움직임이 나타나고 있음을 알 수 있었다. 이에 대해 Kim et al.

후속연구

계절변동 신호를 제거한 하단 그림에서 두 위신호 외에 다른 위신호가 남아 있을 것으로 추정된다. 향후 다른 분석법을 통해 기타 위신호를 파악하고, 제거하는 연구를 진행할 계획이다.
향후 짧은 주기의 신호, 안테나 교체로 인한 위신호등 측지학적 분석에 영향을 줄 수 있는 위신호들을 다양한 분석법을 통해 파악하고 제거하는 연구를 진행하여 보다 정확한 지각변위 분석을 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위신호의 종류는 무엇이 있는가?	GNSS의 좌표시계열에는 지각변형에 의한 움직임뿐만 아니라 주변 환경의 영향으로 인한 효과가 내포된 유색잡음(colored noise)이 포함되어 있다. 유색잡음으로 대표되는 위신호에는 해양, 대기 등의 조석하중, 지지대 움직임, 장비교체, 지각판 운동, 계절변동 신호 등이 있다(Booker, 2012; Calais, 2009). 이 연구에서는 지각판 운동 모델과 계절변동 신호에 대해 중점적으로 기술한다.
	GNSS 관측소 주변에 나무로 인해 발생하는 문제점은?	국내 일부 GNSS 관측소들은 주변에 나무가 위치해 있고, 이로 인해 관측자료가 누락되거나 사이클슬립 현상이 발생한다. Park et al.
	국제위성항법서비스가 제시하는 GNSS 관측소 설치 가이드라인은?	미국의 국가측지측량국(National Geodetic Survey, NGS), 위성항법시스템의 과학분야 활용을 지원하는 국제기구 국제위성항법서비스(International GNSS Service, IGS) 등은 GNSS 관측소를 설치함에 있어 관측장비의 설치, 운영, 유지보수 등에 관한 가이드라인을 제시하고 있다. IGS(2013)에 의하면 GNSS 관측자료의 품질 평가를 통해 데이터수신율이 95%를 초과하고, 다중경 로오차가 0.3m보다 작으며, 사이클슬립이 1000회 관측당 1회 미만으로 발생하는 관측환경에 기준국 설치를 권장하고 있다.

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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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