지형 경사를 고려한 다중빔 음향측심기(300 kHz) 후방산란 자료 처리에 관한 연구 Backscatter Data Processing of Multibeam Echo-sounder (300 kHz) Considering the Actual Bottom Slope원문보기
다중빔 음향 측심기의 후방산란 음압은 해저면 퇴적상뿐만 아니라 지형 경사로 인해 변화된 음파의 실제 입사각에 의해서도 강도가 달라지므로 후방산란 음압 분석에 앞서, 지형 경사를 고려한 정밀한 자료처리가 필요하다. 본 논문은 지형 경사에 따른 실제 입사각 및 입사면적에 대한 후방산란 자료처리 방법과 경사 지형에서의 후방산란 특징에 대해 기술하였다. 황해 동부의 사퇴분포 해역에 위치한 연구지역은 수심이 46~55 m의 범위를 보이며, 다양한 지형 경사를 가지는 대규모 dune들이 발달되어 있다. 대규모 dune들의 경사는 대부분 $1{\sim}3^{\circ}$ 내외로 완만하지만 등성이에서는 경사가 $5{\sim}15^{\circ}$로 가파른 특징을 보인다. 후방산란 자료처리 결과, 지형 경사를 고려하지 않은 경우에는 등성이에서 음압이 -34~-23 dB의 범위를 보인다. 반면, 본 연구 방법으로 지형 경사를 고려한 경우에는 같은 지역에서 음압이 -32~-25 dB 범위로써 음압 변동 폭이 완화되는 효과를 보였다. 또한, 후방산란 영상에서도 등성이에서 나타나는 강하고 약한 이상 음압 분포가 개선되어, 본 연구의 후방산란 자료처리 방법이 지형 경사로 인한 음압 변화를 효과적으로 보정하는 것으로 확인되었다.
다중빔 음향 측심기의 후방산란 음압은 해저면 퇴적상뿐만 아니라 지형 경사로 인해 변화된 음파의 실제 입사각에 의해서도 강도가 달라지므로 후방산란 음압 분석에 앞서, 지형 경사를 고려한 정밀한 자료처리가 필요하다. 본 논문은 지형 경사에 따른 실제 입사각 및 입사면적에 대한 후방산란 자료처리 방법과 경사 지형에서의 후방산란 특징에 대해 기술하였다. 황해 동부의 사퇴분포 해역에 위치한 연구지역은 수심이 46~55 m의 범위를 보이며, 다양한 지형 경사를 가지는 대규모 dune들이 발달되어 있다. 대규모 dune들의 경사는 대부분 $1{\sim}3^{\circ}$ 내외로 완만하지만 등성이에서는 경사가 $5{\sim}15^{\circ}$로 가파른 특징을 보인다. 후방산란 자료처리 결과, 지형 경사를 고려하지 않은 경우에는 등성이에서 음압이 -34~-23 dB의 범위를 보인다. 반면, 본 연구 방법으로 지형 경사를 고려한 경우에는 같은 지역에서 음압이 -32~-25 dB 범위로써 음압 변동 폭이 완화되는 효과를 보였다. 또한, 후방산란 영상에서도 등성이에서 나타나는 강하고 약한 이상 음압 분포가 개선되어, 본 연구의 후방산란 자료처리 방법이 지형 경사로 인한 음압 변화를 효과적으로 보정하는 것으로 확인되었다.
Multibeam backscatter strength is dependent not only on seafloor sediment facies but also on changed incidence angle due to the actual bottom slope. Therefore, the correction for actual bottom slope should be considered before the analysis of backscatter strength. This paper demonstrates the backsca...
Multibeam backscatter strength is dependent not only on seafloor sediment facies but also on changed incidence angle due to the actual bottom slope. Therefore, the correction for actual bottom slope should be considered before the analysis of backscatter strength. This paper demonstrates the backscatter correction technique for the actual incidence angle and ensonified area. The target area is a part of the eastern Yellow Sea with water depths of 46~55 m. The area is located between the sand ridges and covered by large dunes with various bottom slopes. The dunes usually have the gentle slopes of about $1{\sim}3^{\circ}$, but show some steep slopes of $5{\sim}15^{\circ}$ on the crest. The backscatter strength values on the crest range from -34 to -23 dB, assuming that the bottom is flat. However, this study shows that the backscatter strength range was somewhat reduced (-32~-25 dB) after correction for actual bottom slope. In addition, the backscatter imagery was significantly improved; high and low backscatter strength values on the crest due to the actual bottom slope were normalized. The results demonstrate that the correction technique in this study is an effective tool for processing backscatter strength.
Multibeam backscatter strength is dependent not only on seafloor sediment facies but also on changed incidence angle due to the actual bottom slope. Therefore, the correction for actual bottom slope should be considered before the analysis of backscatter strength. This paper demonstrates the backscatter correction technique for the actual incidence angle and ensonified area. The target area is a part of the eastern Yellow Sea with water depths of 46~55 m. The area is located between the sand ridges and covered by large dunes with various bottom slopes. The dunes usually have the gentle slopes of about $1{\sim}3^{\circ}$, but show some steep slopes of $5{\sim}15^{\circ}$ on the crest. The backscatter strength values on the crest range from -34 to -23 dB, assuming that the bottom is flat. However, this study shows that the backscatter strength range was somewhat reduced (-32~-25 dB) after correction for actual bottom slope. In addition, the backscatter imagery was significantly improved; high and low backscatter strength values on the crest due to the actual bottom slope were normalized. The results demonstrate that the correction technique in this study is an effective tool for processing backscatter strength.
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문제 정의
4는 area 1과 2의 해저지형, 기존처리 및 지형 처리 결과를 자세히 비교한 것이다. 본 연구는 dune을 사선으로 통과하면서 얻은 결과로써, 기존처리 결과에서 등성이의 음압 분포가 측선을 기준으로 반전되는 특징을 보인다. 기존처리 결과에서 등성이의 음압 분포는 측선 좌측면의 경우, 등성이 북동쪽의 음압이 높고 남서쪽의 음압이 낮다.
본 연구는 황해 동부의 dune 분포 지역에서 지형 경사를 고려한 다중빔 음향측심기(300 kHz)의 후방산란 자료처리를 실시하고 음압의 변화양상과 특징을 분석하였다. 연구 결과, 지형 경사를 고려하지 않은 자료 처리 결과에서는 대규모 dune의 등성이에서 가파른 경사로 인해 음압 변동 폭이 11 dB로 크게 나타난 반면, 지형 경사를 고려한 처리결과에서는 변동 폭이 7 dB로 약 4 dB 감소하였다.
(2009)은 지형에 따른 실제 입사면적의 계산 방법을 제시하였다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 실제 입사각을 적용한 angular response 보정 방법과 실제 입사면적 계산 방법으로 후방산란 자료처리를 실시하여, 기존 평지를 가정한 자료처리 결과와 음압의 변화 양상을 비교하고 그 특징에 대해 고찰해 보고자 한다.
가설 설정
EM 계열 장비는 자료취득 단계에서 평지를 가정하여 입사면적을보정하므로 실제 입사면적을 보정하기 전에 평지를 가정한 입사면적 보정치를 복원해야 한다. 평지를 가정한 입사면적 보정치는 Hammerstad (2000)의 입사면적 기본 식으로 부터 산출하여 복원하였고, 경사를 고려한 실제 입사면적 보정치는 식 (1), (2)로 부터 산출 하여 복원 음압에서 소거하여 처리하였다. Depth datagram 포맷의 후방산란 음압은 자료취득 단계에서 EM의 angular response 보정을 수행하지 않은 자료이다.
제안 방법
MB-System의 후방산란 자료처리를 위해 mbbackangle 툴을 사용하여 1° 간격의 입사각별 평균 음압을 산출하였고, 평균 핑 개수와 기준 음압은 기본 설정으로 처리하였다.
따라서 angular response에 대한 복원 과정은 수행하지 않았으며, 식 (3), (4)로부터 산출한 실제 입사각의 angular response 보정치를 원시 음압에서 소거하여 자료처리 하였다. 보정치 산출과 적용은 자체 제작한 C 프로그램으로 수행하였다.
본 연구에서는 지형 경사를 고려하여 교차각을 실제 입사각 25°로 설정하였다.
후방산란 자료는 MBES에서 취득되는두 종류의 음압자료(depth datagram, seabed image datagram) 중 빔 단위 저장 포맷인 depth datagram 을 사용하였으며, 모든 경사각은 시계방향으로 기울어지는 경우를 양의 부호(+)로 정하였다. 실제 입사각을 고려한 angular response 보정을 위해 MB-System을 사용하여 측선 교차 방향의 지형 경사각과 BSn, BSo 자료를 출력하였고, 실제 입사면적 보정을 위해 SOEST의 GMT를 사용하여 해저지형 자료로부터 1m 격자의 경사 및 방위 자료를 제작한 후 핑별 선박 헤딩을 고려하여 측선 방향의 지형 경사각을 산출하였다.
입사면적은 입사각 10°를 기준으로 구분한 연직 및 경사 입사각 구간에 따라 계산방법이 달라지며(Oliveira, 2007), 본 연구에서는 지형 경사를 고려하여 실제 입사각 10°를 기준으로 연직과 경사 입사각 구간을 구분하였다.
지형 경사를 고려한 후방산란 자료처리 결과(이하 지형처리 결과)를 비교하기 위해 기존 평지를 가정한 자료처리(이하 기존처리 결과)를 함께 수행하였다. Fig.
Oliveira (2007)에 따르면 angular response 보정 후에도 남아있는 이상 음압은 이론적 계산에 의한 오차와 MBES 송·수신기의 빔 패턴(beam pattern)에 기인한 것으로 설명되며, OMG (ocean mapping group)의 통계적인 빔 패턴 보정 방법을 사용하여 남아있는 이상 음압을 추가 보정하였다. 최종 보정된 음압은 2 m 격자 해상도의 후방산란 영상으로 가시화 하였다.
후방산란 자료처리에 앞서 정확한 지형 경사 자료를 얻기 위해 MB-System을 사용하여 해저지형 자료처리를 수행하였다. 후방산란 자료는 MBES에서 취득되는두 종류의 음압자료(depth datagram, seabed image datagram) 중 빔 단위 저장 포맷인 depth datagram 을 사용하였으며, 모든 경사각은 시계방향으로 기울어지는 경우를 양의 부호(+)로 정하였다. 실제 입사각을 고려한 angular response 보정을 위해 MB-System을 사용하여 측선 교차 방향의 지형 경사각과 BSn, BSo 자료를 출력하였고, 실제 입사면적 보정을 위해 SOEST의 GMT를 사용하여 해저지형 자료로부터 1m 격자의 경사 및 방위 자료를 제작한 후 핑별 선박 헤딩을 고려하여 측선 방향의 지형 경사각을 산출하였다.
후방산란 자료처리에 앞서 정확한 지형 경사 자료를 얻기 위해 MB-System을 사용하여 해저지형 자료처리를 수행하였다. 후방산란 자료는 MBES에서 취득되는두 종류의 음압자료(depth datagram, seabed image datagram) 중 빔 단위 저장 포맷인 depth datagram 을 사용하였으며, 모든 경사각은 시계방향으로 기울어지는 경우를 양의 부호(+)로 정하였다.
대상 데이터
, 2006). The study area is located between the sand ridge SSR14 and SSR15. (b) The multi-beam track lines within the study area.
본 연구는 2012년 2월 28일~11월 30일 사이에 국립해양조사원이 수행한 “서·남해역(황해중부 및 남부) 해저지형조사” 사업에서 위도 35° 59' 13'' N~36° 00' 03'' N, 경도 125° 49' 05'' E~125° 49' 28'' E 범위의 황해 동부 사퇴 분포지역에서 취득한 MBES 자료를 활용하였다 (Fig. 1).
본 연구지역은 모래 저질의 사퇴 분포지역이며 사용한 음파는 300 kHz의 고주파로써, 취득된 후방산란 음압 프로파일이 Fig. 7의 원시 음압과 같이 단순한 곡선 형태로 나타난다. 이와 달리, 보정 음압 프로파일은 연직과 경사 입사각 구간이 구분된 형태를 보이므로 원시 음압에서 보정 음압을 소거한 후에도 이상 음압 패턴이 남게 된다.
연구지역의 수심은 46~55 m의 분포를 보이며, 사퇴 마루 방향인 북서쪽에서 수심이 얕고 사퇴 골 방향인 남동쪽으로 가면서 수심이 깊어지는 양상을 보인다. 사퇴 경사면에서는 높이 1~2 m, 폭 50~120 m 내외 범위를 보이는 대규모 dune들이 분포하고 있다 (Fig.
데이터처리
본 연구의 지형 경사를 고려한 후방산란 자료처리의 효과를 평가하기 위하여 상용 소프트웨어인 MBSystem을 사용한 후방산란 처리결과와 비교하였다. MB-System은 통계적인 방법으로 angular response를 보정하며, 서론에서 언급한 것과 같이 실제 입사각을 고려한 후방산란 자료처리가 가능하다.
이론/모형
EM은 경사 입사각 구간의 보정 음압을 Lambert's law를 변형한 식으로 계산하며, 본 연구에서는 원시 음압의 프로파일과 형태가 보다 유사한 기본 Lambert's law의 식을 사용하였다.
성능/효과
Area 1에서 등성이의 음압 분포는 기존처리 결과에서 -34~-24 dB, MB-System 처리 결과에서 -31~-26 dB, 본 연구의 지형처리 결과에서 -31~-28 dB의 범위를 보인다. MB-System 처리결과의 음압 변동 폭은 기존처리 결과와 비교하여 5 dB 감소하였다. 반면, 지형처리 결과의 음압 변동 폭은 기존처리 결과와 비교하여 7 dB 감소하였으며, 등성이 주변 사면에서의 음압 분포(-32~-28 dB)와 근사하게 처리되었음을 보인다.
Table 1은 대규모 dune의 지역별 평균적인 음압 분포를 비교한 결과이다. 기존처리 결과의 경우, 골의 음압은 -29~-27 dB로써 남서쪽 사면의 -30~-28 dB 보다 상대적으로 높은 값을 보인다. 북동쪽 사면의 음압은 -31~-27 dB로써 골과 남서쪽 사면 보다 음압 변동 폭이 크게 나타난다.
5는 area 1에서 평지를 가정한 기존처리 결과, 지형 경사를 고려한 MB-System 처리 결과, 그리고 본 연구의 지형처리 결과를 비교한 것이다. 등성이에 나타나는 기존처리 결과의 음압 차이(화살표)는 MBSystem 결과에서 비교적 완화되었다. 그러나 일부 음압 차이로 인한 등성이의 경사진 형태가 그대로 남아 있는 모습을 보인다.
, 2002; Jackson and Briggs, 1992). 따라서 300 kHz의 고주파 장비를 사용하고 조립한 모래 해저면을 탐사한 본 연구 조건에서는 후방산란 음압이 주로 표층산란의 영향만을 반영한다고 볼 수 있다.
따라서 본 연구의 Lambert's law를 이용한 후방산란 자료처리 방법이 기존 통계적인 보정방법 보다 지형 경사로 인한 음압 변화를 효과적으로 처리하는 것으로 확인되었다.
반면, 경사가 5~15°로 가파른 등성이에서는 음압이 -32~-25 dB로써 변동 폭이 약 4 dB 감소하는 결과를 보였다.
그러나 일부 음압 차이로 인한 등성이의 경사진 형태가 그대로 남아 있는 모습을 보인다. 반면, 본 연구의 지형처리 결과에서는 음압 차이가 보다 완화되어 등성이의 경사진 형태가 대부분 소거되었음을 보여준다. Area 1에서 등성이의 음압 분포는 기존처리 결과에서 -34~-24 dB, MB-System 처리 결과에서 -31~-26 dB, 본 연구의 지형처리 결과에서 -31~-28 dB의 범위를 보인다.
MB-System 처리결과의 음압 변동 폭은 기존처리 결과와 비교하여 5 dB 감소하였다. 반면, 지형처리 결과의 음압 변동 폭은 기존처리 결과와 비교하여 7 dB 감소하였으며, 등성이 주변 사면에서의 음압 분포(-32~-28 dB)와 근사하게 처리되었음을 보인다.
연구 결과, 지형 경사를 고려하지 않은 자료 처리 결과에서는 대규모 dune의 등성이에서 가파른 경사로 인해 음압 변동 폭이 11 dB로 크게 나타난 반면, 지형 경사를 고려한 처리결과에서는 변동 폭이 7 dB로 약 4 dB 감소하였다. 본 연구의 후방산란 자료 처리 결과를 상용 소프트웨어인 MB-System의 지형 경사를 고려한 통계적 angular response 보정 방법과 비교한 결과, 등성이의 음압 변동 폭과 영상에서 등성이의 경사진 형태가 보다 완화되었다. 따라서 본 연구의 Lambert's law를 이용한 후방산란 자료처리 방법이 기존 통계적인 보정방법 보다 지형 경사로 인한 음압 변화를 효과적으로 처리하는 것으로 확인되었다.
본 연구는 황해 동부의 dune 분포 지역에서 지형 경사를 고려한 다중빔 음향측심기(300 kHz)의 후방산란 자료처리를 실시하고 음압의 변화양상과 특징을 분석하였다. 연구 결과, 지형 경사를 고려하지 않은 자료 처리 결과에서는 대규모 dune의 등성이에서 가파른 경사로 인해 음압 변동 폭이 11 dB로 크게 나타난 반면, 지형 경사를 고려한 처리결과에서는 변동 폭이 7 dB로 약 4 dB 감소하였다. 본 연구의 후방산란 자료 처리 결과를 상용 소프트웨어인 MB-System의 지형 경사를 고려한 통계적 angular response 보정 방법과 비교한 결과, 등성이의 음압 변동 폭과 영상에서 등성이의 경사진 형태가 보다 완화되었다.
지형 처리 결과의 경우, 경사가 완만한 골과 남서쪽 사면, 그리고 경사가 6° 이하의 북서쪽 사면에서는 기존처리 결과와 비교하여 음압 차이가 1 dB 미만으로 나타난다.
후속연구
또한, 연구지역의 퇴적물은 이전 연구에서 세립질의 모래가 우세한 것으로 보고되었으나 지역적으로 퇴적물 입도가 다를 수 있으므로 지형 경사가 아닌 퇴적물 입도 차이에 의해서도 음압의 변화가 나타날 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 ground truthing (Blondel and Murton, 1997)을 통해 실제 퇴적물과 음압간의 비교 분석을 병행하면, 보다 정밀한 후방산란 자료 처리와 평가가 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
후방산란 자료처리에서 입사면적과 입사각에 따른 산란 효과는 어떻게 구하는가?
또한, MBES는 측선 교차(across-track) 방향으로 넓은 부채꼴 형태의 음파를 발사하므로 음파의 해저면 입사각에 따라 입사면적과 산란 정도가 달라져, 후방산란 음압 분석에 앞서 음파의 입사각 변화에 대한 자료처리가 선행되어야 한다(Hammerstad, 2000). 일반적으로 후방산란 자료처리에서 입사면적은 해저지형으로부터 산출하여 자료취득 단계에서 기하 보정되며, 입사각에 따른 산란 효과(angular response)는 외곽 빔으로 가면서 음압이 감소하는 경향성을 보이므로 후 처리 단계에서 통계적인 방법으로 정규화(normalization) 한다 (Fernandes and Chakraborty, 2009; Parnum and Gavrilov, 2011). Kongsberg Simrad EM 계열의 장비는 angular response에 대해 파의 산란에 관한 Lambert's law에 기초하여 자료취득 단계에서 처리한다(Llewellyn, 2006).
다중빔 음향 측심기란?
다중빔 음향 측심기(multibeam echo-sounder, MBES)는 넓은 구역의 해저면 특성을 효율적이고 신속하게 평가할 수 있는 원격탐사 방법이다(Siwabessy et al., 2006).
다중빔 음향 측심기는 어느 방향으로 어떤 형태의 음파를 발사하는가?
음파는 해수를 통과하면서 구형발산과 흡수에 의한 에너지 손실로 강도가 감소하며, MBES는 이를 소나 방정식에 따라 자료취득 단계에서 보정함으로써 해저면 특성을 반영하는 후방산란 음압을 계산한다. 또한, MBES는 측선 교차(across-track) 방향으로 넓은 부채꼴 형태의 음파를 발사하므로 음파의 해저면 입사각에 따라 입사면적과 산란 정도가 달라져, 후방산란 음압 분석에 앞서 음파의 입사각 변화에 대한 자료처리가 선행되어야 한다(Hammerstad, 2000). 일반적으로 후방산란 자료처리에서 입사면적은 해저지형으로부터 산출하여 자료취득 단계에서 기하 보정되며, 입사각에 따른 산란 효과(angular response)는 외곽 빔으로 가면서 음압이 감소하는 경향성을 보이므로 후 처리 단계에서 통계적인 방법으로 정규화(normalization) 한다 (Fernandes and Chakraborty, 2009; Parnum and Gavrilov, 2011).
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