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문제 정의
- 차분간섭기법을 이용한 변위분석에 사용되는 입력 DEM/DSM의 정확도는 분석 결과의 정확도에 중요한 영향을 끼친다. 따라서 서로 다른 공간 해상도와 정확도를 가지고 있는 두가지의 DEM을 사용하여 시계열 분석에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 또한 PSInSAR와 SqueeSAR 두가지 시계열 분석 기법간의 비교와 더불어, 이들 DEM/DSM에 따른 분석 결과의 차이를 살펴보고자 하였다.
- 따라서 서로 다른 공간 해상도와 정확도를 가지고 있는 두가지의 DEM을 사용하여 시계열 분석에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 또한 PSInSAR와 SqueeSAR 두가지 시계열 분석 기법간의 비교와 더불어, 이들 DEM/DSM에 따른 분석 결과의 차이를 살펴보고자 하였다. 이러한 분석을 통해 고정 밀 변위 분석을 위해 요구되는 입력자료 조건을 파악할 수 있다.
- 본 연구에서는 대전지역에서 수집된 ALOS-1 PALSAR 영상을 이용하여 변위관측을 수행하였으며, PSInSAR 기법과 SqueeSAR 분석기법을 적용하여 각 관측기법에 의한 분석결과의 차이를 살펴보았다. 또한 지형위상 보정을 위해 사용된 DEM의 정밀도에 의한 변위 관측 결과의 영향을 분석하였다.
제안 방법
- 4가지 분석 조건에 따라 시계열 분석을 수행하였으며, 최종적으로 시계열 긴밀도가 높은 지점들을 관측점으로 선택하였다. 기존에 알려진 바와 같이 SqueeSAR 기법이 PSInSAR 기법에 비해 상대적으로 매우 높은 관측밀도를 보이기 때문에 SqueeSAR 및 PSInSAR에 서로 다른 시계열 긴밀도를 기준으로 최종 관측점을 선택하였다.
- 2와 같다. PS 및 SqueeSAR 자료처리를 위해 SLC 영상의 원 해상도를 그대로 유지한 1-look 차분간섭도를 생성하였다. 최대 수직기선 거리차는 약 3km 정도로 이론적으로 간섭도가 생성되지 않는 ALOS 영상의 critical baseline 17km를 고려하였을 때 spatial decorrelation 영향은 매우 크지 않다.
- 지표변위를 관측하기 위해서는 차분간섭도를 작성하여야 하는데, 지형에 의한 위상을 제거하기 위해 최근에 공개된 SRTM 1-arc DEM을 이용하였다. SRTM 자료는 EGM96 지오이드를 보정한 지오이드이기 때문에 EGM96 모델을 이용하여 지오이드 높이를 보정하여 다시 WGS84 타원체고로 변경하여 분석에 사용하였다. 또한 시계열 변위분석에서 지형위상 보정에 사용된 DEM 의 정밀도에 따른 영향을 살펴보기 위해 LIDAR 시스템을 이용하여 획득된 1 m 공간해상도의 DSM을 연구에 사용하였다.
- 간섭영상에서 지형에 의한 위상 정보를 제거하기 위해 사용되는 고도자료의 정확도에 의한 분석 영향을 살펴보기 위해, 연구지역에서 획득된 두 개의 고도자료인 SRTM 1-arc 30 m DEM과 LIDAR 1 m DSM을 이용하여 각각 자료처리를 수행하였다. 먼저 두 개의 고도자료를 이용하여 PSInSAR 분석을 수행한 결과를 비교한 결과는 Fig.
- 4가지 분석 조건에 따라 시계열 분석을 수행하였으며, 최종적으로 시계열 긴밀도가 높은 지점들을 관측점으로 선택하였다. 기존에 알려진 바와 같이 SqueeSAR 기법이 PSInSAR 기법에 비해 상대적으로 매우 높은 관측밀도를 보이기 때문에 SqueeSAR 및 PSInSAR에 서로 다른 시계열 긴밀도를 기준으로 최종 관측점을 선택하였다. SqueeSAR는 시계열 긴밀도가 0.
- SRTM 자료는 EGM96 지오이드를 보정한 지오이드이기 때문에 EGM96 모델을 이용하여 지오이드 높이를 보정하여 다시 WGS84 타원체고로 변경하여 분석에 사용하였다. 또한 시계열 변위분석에서 지형위상 보정에 사용된 DEM 의 정밀도에 따른 영향을 살펴보기 위해 LIDAR 시스템을 이용하여 획득된 1 m 공간해상도의 DSM을 연구에 사용하였다.
- 본 연구에서는 대전지역에서 수집된 ALOS-1 PALSAR 영상을 이용하여 변위관측을 수행하였으며, PSInSAR 기법과 SqueeSAR 분석기법을 적용하여 각 관측기법에 의한 분석결과의 차이를 살펴보았다. 또한 지형위상 보정을 위해 사용된 DEM의 정밀도에 의한 변위 관측 결과의 영향을 분석하였다.
- 지표변위 분석을 위해 사용되는 DEM 및 분석 방법에 의한 관측 정확도의 차이를 분석하기 위해 ALOS-1으로부터 획득된 21개의 자료를 이용하여 다양한 분석을 수행하였다. 변위분석에 사용된 DEM과 분석방법에 따라 다음과 같은 4가지 서로 다른 조건에서 변위분석을 수행하였다.
- 수집된 ALOS-1 PALSAR Level 1의 raw자료는 GAMMA MSP 모듈(Werner, 2000)을 이용하여 SLC 포맷으로 처리되었으며, Dual pol 모드(HH+HV)로 수집된 자료는 단일편파(HH) 모드로 수집된 자료에 비해 range 방향의 해상도가 절반이기 때문에 시계열 분석을 위해 두 배로 oversampling 되었다. PALSAR 영상의 촬영범위는 Fig.
- 자체 개발하여 활용하고 있는 Matlab 코드의 PSInSAR 시계열 분석 알고리즘 및 상용프로그램 GAMMA IPTA을 병행해서 자료처리를 수행하기 위한 스크립트를 개발하였다. GAMMA의 IPTA를 이용한 일반적 시계열 자료처리 과정을 기준으로, 연구지역의 지역적인 특성 및 관측 변위의 특성, 그리고 분석에 사용되는 위성자료의 특성에 따라 기본적인 자료처리 구조에서 반복 연산 및 변형된 자료처리가 수행되어만 의미 있는 결과를 취득할 수 있다.
- 지표변위 분석을 위해 사용되는 DEM 및 분석 방법에 의한 관측 정확도의 차이를 분석하기 위해 ALOS-1으로부터 획득된 21개의 자료를 이용하여 다양한 분석을 수행하였다. 변위분석에 사용된 DEM과 분석방법에 따라 다음과 같은 4가지 서로 다른 조건에서 변위분석을 수행하였다.
대상 데이터
- ALOS-1 PALSAR자료는 일본의 JAXA(JapanAerospace Exploration Agency)로부터 최소한의 신호처리만을 수행한 원시자료의 형태로 수집되었으며, 자료의 주기는 46일 간격이다. 모두 Ascending 모드, 입사각 38°의 영상이다.
- ALOS-1에서 획득된 21개의 자료 중 수직기선거리 분포와 자료획득시간 분포를 고려하여 2008년 6월 22일에 촬영된 영상을 주영상으로 선정하였으며 시계열 분석을 수행하였다. 선정된 주영상을 기준으로 작성된 수직기선거리 및 관측일의 분포는 Fig.
- 수집된 ALOS 자료의 공간해상도 및 센서 특징은 Table 1과 같으며, 영상 취득 날짜는 Table 2와 같다. 지표 변위 분석을 위해 대전지역이 포함된 Path 429 궤도에서 수집된 PALSAR 21개의 자료를 사용하였다.
이론/모형
- 2007년~2010년 동안 대전지역에서 수집된 ALOS-1 PALSAR 영상을 이용한 변위 관측을 위해 PSInSAR 기 법과 SqueeSAR 분석 기법을 적용하였다. 초기 간섭도에는 최대 2π 이상의 대기효과에 의한 위상성분이 있었으나 시계열 분석을 통해 효과적으로 제거하였다.
- 지표변위를 관측하기 위해서는 차분간섭도를 작성하여야 하는데, 지형에 의한 위상을 제거하기 위해 최근에 공개된 SRTM 1-arc DEM을 이용하였다. SRTM 자료는 EGM96 지오이드를 보정한 지오이드이기 때문에 EGM96 모델을 이용하여 지오이드 높이를 보정하여 다시 WGS84 타원체고로 변경하여 분석에 사용하였다.
성능/효과
- 자체 개발하여 활용하고 있는 Matlab 코드의 PSInSAR 시계열 분석 알고리즘 및 상용프로그램 GAMMA IPTA을 병행해서 자료처리를 수행하기 위한 스크립트를 개발하였다. GAMMA의 IPTA를 이용한 일반적 시계열 자료처리 과정을 기준으로, 연구지역의 지역적인 특성 및 관측 변위의 특성, 그리고 분석에 사용되는 위성자료의 특성에 따라 기본적인 자료처리 구조에서 반복 연산 및 변형된 자료처리가 수행되어만 의미 있는 결과를 취득할 수 있다.
- 3이다. PSInSAR 분석 결과 (Fig. 3a)로부터 분석에 사용된 DEM의 종류와 무관하게 최종적으로 추출된 PS에서의 평균변위 속도는 차이가 거의 없음을 명확히 확인할 수 있다. 반면 SqueeSAR 기법에 의한 분석 결과는 자료처리에 사용된 DEM의 종류에 따라 분석 결과에 차이가 어는 정도 있음을 확인할 수 있다.
- 9)로부터 확인할 수 있다. PSInSAR 와 SqueeSAR 결과를 비교분석한 위의 결과로부터, 관측밀도가 6배 이상으로 증가하였음을 확인할 수 있으며, 또한 시계열 변위도로부터 각 관측 시점의 관측 오차도 줄어들었음을 확인할 수 있다.
- 6과 같다. PSInSAR와 SqueeSAR 분석결과를 각각 보여주고 있으며, SqueeSAR 분석 결과의 관측밀도가 PSInSAR에 비해 매우 우수함을 확인할 수 있다. 도심지역 뿐만 아니라 도심지 외곽의 비도심 지역에서도 상당량의 관측점을 획득하였다.
- 도심지역에서의 변위 관측에서도 SqueeSAR 기법이 PSInSAR 기법에 비해 약 5배 이상의 관측점을 추출하는데 기여했으며, 관측점의 오차도 PSInSAR 결과에 비해 현저하게 개선되었음을 확인할 수 있다. SAR 자료의 시계열 변위분석에 사용된 DEM의 정확도는 최종 분석 결과의 신뢰성과 관련되어 있는 긴밀도에 크게 영향을 주지 않으며, 고도오차는 1 m-2 m내의 정확도를 가지고 보정될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 공간해상도가 다른 두 개의 고도자료를 이용하여 PSInSAR와 SqueeSAR 분석을 수행한 결과 인공구조물과 같은 PS에서는 자료처리에 사용된 DEM 오차를 거의 정확하게 보정할 수 있기 때문에, 사용된 DEM의 정확도와 상관없이 최종 시계열 분석 결과는 동일한 것으로 판단된다. 반면, 고정산란체가 아닌 DS일 경우 사용된 DEM의 정확도에 따라 영향을 받게 되며, SqueeSAR 의 경우 사용된 DEM이 정확할수록 분석 결과가 좋아짐을 확인하였다.
- 상대적으로 입력된 1 m 공간해상도의 LIDAR DSM과 약 30 m의 SRTM 1-arc DEM에 의한 결과 차이는 크지 않다. 다만 SqueeSAR 분석에서는 SRTM 1-arc 자료의 경우 3,646,708개, LIDAR DSM의 경우 3,859,318 개로 LIDAR DSM을 사용했을 경우 약 5.8% 정도 PS가 더 많이 추출되었다.
- 도심지역에서의 변위 관측에서도 SqueeSAR 기법이 PSInSAR 기법에 비해 약 5배 이상의 관측점을 추출하는데 기여했으며, 관측점의 오차도 PSInSAR 결과에 비해 현저하게 개선되었음을 확인할 수 있다. SAR 자료의 시계열 변위분석에 사용된 DEM의 정확도는 최종 분석 결과의 신뢰성과 관련되어 있는 긴밀도에 크게 영향을 주지 않으며, 고도오차는 1 m-2 m내의 정확도를 가지고 보정될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 8과 같다. 두 지점으로부터 SqueeSAR 분석 결과는 약 0.6 cm/yr의 변위를 보여주고 있으며, PSInSAR는 0.7 cm/yr와 0.9 cm/yr의 평균 변위 속도를 보여주고 있다. 한밭수목원 및 대공원 주변에서도 SqueeSAR 분석 결과에 의하면 일부 국지적인 위치에서 매우 미세한 변위가 발생한 것으로 보인다.
- 3a)로부터 분석에 사용된 DEM의 종류와 무관하게 최종적으로 추출된 PS에서의 평균변위 속도는 차이가 거의 없음을 명확히 확인할 수 있다. 반면 SqueeSAR 기법에 의한 분석 결과는 자료처리에 사용된 DEM의 종류에 따라 분석 결과에 차이가 어는 정도 있음을 확인할 수 있다. 이는 사용된 DEM에 따라 최종 시계열 분석의 정확도가 어는 정도 영향을 받는 것으로 해석할 수 있다.
- 공간해상도가 다른 두 개의 고도자료를 이용하여 PSInSAR와 SqueeSAR 분석을 수행한 결과 인공구조물과 같은 PS에서는 자료처리에 사용된 DEM 오차를 거의 정확하게 보정할 수 있기 때문에, 사용된 DEM의 정확도와 상관없이 최종 시계열 분석 결과는 동일한 것으로 판단된다. 반면, 고정산란체가 아닌 DS일 경우 사용된 DEM의 정확도에 따라 영향을 받게 되며, SqueeSAR 의 경우 사용된 DEM이 정확할수록 분석 결과가 좋아짐을 확인하였다.
- SqueeSAR 분석기법은 각 화소의 시계열 통계적 특성을 이용하여 공간적 동일화소를 구하고 저주파 필터링을 수행하므로, 고정산란체 가 아닌 DS일 경우 사용된 DEM의 정확도에 따라 영향을 받게 된다. 아래 결과로부터 SqueeSAR의 경우 고정 산란체가 아닌 DS 화소의 경우 사용된 DEM이 정확할수록 분석 결과가 좋아짐을 확인할 수 있다.
- 이러한 분석 결과로부터 SAR 자료의 시계열 변위분석에 사용된 DEM의 정확도는 최종 분석결과의 신뢰성과 관련되어 있는 긴밀도에 크게 형향을 끼치지 않으며, 고도오차는 1 m-2 m내의 정확도를 가지고 보정될 수 있음을 확인할 수 있다. 최종 보정된 고도의 정밀도는 사용되는 위성의 종류와 위성의 궤도에 따른 기선거리의 분포, 그리고 사용되는 위성영상의 수 등에 따라 달라 지는데, 일반적으로 수 m에서 수십 cm의 정밀도로 고도오차가 보정될 수 있는 것으로 알려져 있다(Ferretti et al.
- 도심지 변위 모니터링 PSInSAR 기법에 비해 SqueeSAR 기법이 관측밀도 및 관측정확도 측면에서 더 우수한 성능을 보인다. 지형보정을 위해 사용된 DEM의 정확도가 변위 관측 결과에 크게 영향을 주지는 않지만, SqueeSAR 분석에서는 DS의 경우 높은 정밀도의 DEM 이 더 높은 시계열 긴밀도를 제공함을 확인할 수 있었다.
- 평균변위 속도 Fig. 3b로부터 약 2 cm/yr 이상의 속도를 보이는 관측점에서의 상관성은 입력 DEM의 종류와 상관없이 좋은 편이나, ±2 cm/yr 안쪽의 미세변위 경우 상관성은 있으나, 다소 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
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