[논문]TerraSAR-X 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 활용한 스발바르 Uvêrsbreen 빙하의 2차원 속도

백원경; 정형섭; 채성호; 이원진

doi:10.7780/kjrs.2018.34.3.5

TerraSAR-X 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 활용한 스발바르 Uvêrsbreen 빙하의 2차원 속도
Two-dimensional Velocity Measurements of Uvêrsbreen Glacier in Svalbard Using TerraSAR-X Offset Tracking Approach 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.34 no.3, 2018년, pp.495 - 506

백원경 (서울시립대학교 공간정보공학과) , 정형섭 (서울시립대학교 공간정보공학과) , 채성호 (서울시립대학교 공간정보공학과) , 이원진 (기상청 지진화산국 지진화산연구과)

초록
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전 지구적으로 기후 변화와 해수면상승에 대한 관심이 집중되면서 빙하의 변위 속도에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 빙하의 속도와 관련된 연구에서 현장관측 방법이 가장 정확한 데이터를 취득할 수 있으나 데이터 취득의 어려움으로 위성레이더를 활용한 오프셋 트래킹 기법이 활발하게 활용되고 있다. 오프셋 트래킹은 관측 정밀도가 위상 기반의 지표변위 관측 기법(위성레이더 간섭기법, 위성레이더 다중개구간섭기법)에 비하여 떨어지는 한계가 존재하였으나 최근 연구에 의하여 개선되었다. $Uv{\hat{e}}rsbreen$ 빙하 지역은 최근 연구에 의하여 1.5 m/year의 속도로 빙하의 고도가 저하된다는 사실이 밝혀졌다. 그 만큼 이 지역은 빙하 변위 속도는 기후변화에 큰 영향을 받고 있으며 장기적인 기후변화를 관측하고 예측하는 데에 중요하게 활용될 수 있다. 하지만 이 지역에 대한 구체적인 연구 사례는 거의 존재하지 않는다. 본 연구에서는 개선된 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 활용하여 $Uv{\hat{e}}rsbreen$ 지역의 2차원 변위 속도를 관측하였다. 그 결과 연간 최대 133.7 m/year의 속도로 빙하가 이동하는 것이 확인되었다. 관측 정밀도는 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 5.4 그리고 3.3 m/year이었다. 이 결과는 장기적인 빙하의 고도 변화에 관한 연구 그리고 기후 변화에 따른 환경 영향 평가 연구에 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Global interest in climate change and sea level rise has led to active research on the velocities of glaciers. In studies about the velocity of glaciers, in-situ measurements can obtain the most accurate data but have limitations to acquire periodical or long-term data. Offset tracking using SAR is actively being used as an alternative of in-situ measurements. Offset tracking has a limitation in that the accuracy of observation is lower than that of other observational techniques, but it has been improved by recent studies. Recent studies in the $Uv{\hat{e}}rsbreen$ glacier area have shown that glacier altitudes decrease at a rate of 1.5 m/year. The glacier displacement velocities in this region are heavily influenced by climate change and can be important in monitoring and forecasting long-term climate change. However, there are few concrete examples of research in this area. In this study, we applied the improved offset tracking method to observe the two-dimensional velocity in the $Uv{\hat{e}}rsbreen$ glacier. As a result, it was confirmed that the glacier moved at a maximum rate of 133.7 m/year. The measruement precisions for azimuth and line-of-sight directions were 5.4 and 3.3 m/year respectively. These results will be utilized to study long-term changes in elevation of glaciers and to study environmental impacts due to climate change.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Study Area, Solid line indicates Uvêrsbreen glacier, Svalbard; white dashed polygons indicate permafrost area (Humlum et al., 2003; Brandt et al., 2007); small scale image captured from Google Earth; and large scale image is from Sentinel-2 RGB image acquired at 20160427.
표 Table 1. System parameters of TerraSAR-X
그림 Fig. 2. Detailed work flow in this study.
표 Table 2. Parameters of interferometric pairs used for this study
그림 Fig. 3. Azimuth (a, b) and LOS (c, d) displacements measurements of the interferometric pair 20141011_20141022 based on offset tracking methods; (a, c) : Conventional; (b, d) : proposed by (Chae et al., 2017).
그림 Fig. 4. Azimuth (a, b) and LOS (c, d) displacements measurements of the interferometric pair 20141102_20141113 based on offset tracking methods; (a, c) : Conventional; (b, d) : proposed by (Chae et al., 2017).
그림 Fig. 5. Enlarged images of the white broken line on Fig. 4 (a~d).
그림 Fig. 6. Glacier velocity maps by applying multi-kernel offset tracking approach. (a) and (b) indicate azimuth and LOS velocity maps of the pair 20141011_20141022 respectively; (c) and (d) indicate azimuth and LOS velocity maps of the pair 20141102_20141113 respectively.
그림 Fig. 7. Stacked glacier velocity maps for azimuth (a) and LOS (b) direction.
그림 Fig. 8. Enlarged glacier velocity maps for azimuth (a) and LOS (b) direction from Figure 7; Two-dimensional glacier movement vector map (c); Background image is TerraSAR-X intensity acquired at 20141011.

AI 본문요약
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제안 방법

오프셋 트래킹 기법은 위성레이더 간섭쌍에 대한 지표변위를 관측하기 위하여 강도교차상관기법을 적용한다. 강도교차 상관계수가 가장 높은 지점을 결정한 후 그 지점에 대한 거리를 직접 계산한다. 이처럼 위성레이더 간섭기법처럼 지표변위를 관측하는 데에 위상 불구속화 과정을 요구하지 않는다.
이어서 두 영상에 대하여 강도교 차상관기법을 적용하여 정밀하게 정합하였다. 곧이어 다중 커널 오프셋 트래킹 기법을 적용하였다. 다중 커널 오프셋 트래킹 기법은 크기가 다른 다중 변위 커널로부터 계산한 지표변위 관측치를 활용하여 다중 변위 커널의 평균 변위를 계산하는 기법이다.
4 m/year로 산출되었다. 관측된 변위 영상의 관측 품질을 검증하기 위하여 각각의 변위 속도 영상에 대하여 변위가 발생하지 않는 안정된 지역에 대한 표준편차를 산출하였다(Chae et al., 2017). 그 결과 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 8.
, 2002). 그 때문에 활용 가능한 두 장의 영상을 활용하여 대기 효과의 전체적인 비율을 낮추기 위하여 스태킹을 수행하였다(Jo et al., 2015a).
이 때 커널의 사이즈를 레인지 방향과 아지무스 방향에 대하여 32×32부터 128×128까지 32 픽셀의 차이를 각각 두어 총 16개의 서로 다른 커널 사이즈에 대한 오프셋 트래킹 영상을 획득하였다. 그리고 그 결과 얻어진 멀티 커널 영상을 신뢰도 95%에 대한 필터를 적용하여 이상치를 제거하였다. 마지막으로 각 영상에 대하여 존재할 수 있는 오차 성분을 저감하기 위하여 이로써 얻어진 두 시기의 오프셋 트래킹 영상을 서로 스태킹하여 최종적인 레인지 방향과 아지무스 방향의 속도 영상을 획득하였다.
그리고 그 결과 얻어진 멀티 커널 영상을 신뢰도 95%에 대한 필터를 적용하여 이상치를 제거하였다. 마지막으로 각 영상에 대하여 존재할 수 있는 오차 성분을 저감하기 위하여 이로써 얻어진 두 시기의 오프셋 트래킹 영상을 서로 스태킹하여 최종적인 레인지 방향과 아지무스 방향의 속도 영상을 획득하였다.
본 연구에서는 개선된 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 활용하여 Uvêrsbreen 지역의 2차원 지표변위를 관측하였다.
, 2017). 본 연구에서는 이러한 효과를 고려하여 얻어진 4개의 간섭쌍 중에서 수직기선의 길이가 비교적 짧은 20141011_20141022와 20141102_20141113을 활용하여 다중 변위 커널 기반의 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 적용하였다(Chae et al., 2017).
, 2009). 본 연구에서는 이러한 효과를 저감하기 위하여 우선적으로 각각의 위성레이더 간섭쌍에 대하여 common band filtering을 적용하였다. 이어서 두 영상에 대하여 강도교 차상관기법을 적용하여 정밀하게 정합하였다.
서로 다른 시기에 촬영된 두 위성레이더 영상의 정합이 잘 이루어지지 않을 시에 관측된 변위 영상은 쉽게 비상관화 될 수 있으며 궤도 오차, 지형 오차 등이 추가적으로 발생하여 위성레이더의 정합과정은 굉장히 중요하다. 본 연구에서는 큰 변위에 의한 정합의 오차를 최소화하기 위하여 획득된 5장의 위성레이더 영상에 대하여 11일의 시간 기선에 대한 간섭쌍을 활용했다. Table 2는 11일의 시간기선을 가진 위성레이더 간섭쌍의 목록과 해당 간섭쌍의 수직 기선이다.
이를 위하여 TerraSAR-X로부터 2014년 10월 11일부터 2014년 11월 24일까지 매 11일 마다 촬영된 5장의 영상을 획득하였으며, 위성레이더 간섭쌍의 시간기선과 수직기선을 고려하여 두 쌍의 간섭쌍을 선정하였다. 선정한 위성레이더 간섭쌍의 아지무스 방향과 레인지 방향의 지표변위 영상에 대하여 각각 스태킹하여 평균 변위 속도 영상을 제작하였다. 제작된 변위 영상의 관측 품질을 검증하기 위하여 변위가 발생하지 않은 안정된 지역에 대하여 표준편차를 계산하였다.
본 연구에서는 이러한 효과를 저감하기 위하여 우선적으로 각각의 위성레이더 간섭쌍에 대하여 common band filtering을 적용하였다. 이어서 두 영상에 대하여 강도교 차상관기법을 적용하여 정밀하게 정합하였다. 곧이어 다중 커널 오프셋 트래킹 기법을 적용하였다.
TerraSAR-X로부터 2014년 10월 11일부터 2014년 11월 24일까지 매 11일 마다 촬영된 5장의 영상을 획득하였고, 수직기선과 시간기선을 고려하여 간섭 쌍을 선별하여 두 쌍의 간섭쌍에 대하여 아지무스 방향과 레인지 방향의 지표 변위 속도를 획득하였다. 획득한 지표 변위 속도 영상은 스태킹하여 관측 정밀도를 향상시켰다. 최종적으로 획득된 지표변위 속도는 연간 최대 133.

대상 데이터

본 연구에서는 개선된 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 활용하여 Uvêrsbreen 지역의 2차원 지표변위를 관측하였다. TerraSAR-X로부터 2014년 10월 11일부터 2014년 11월 24일까지 매 11일 마다 촬영된 5장의 영상을 획득하였고, 수직기선과 시간기선을 고려하여 간섭 쌍을 선별하여 두 쌍의 간섭쌍에 대하여 아지무스 방향과 레인지 방향의 지표 변위 속도를 획득하였다. 획득한 지표 변위 속도 영상은 스태킹하여 관측 정밀도를 향상시켰다.
영상에 존재하는 스팩클 노이즈를 저감하기 위하여 레인지 방향과 아지무스 방향에 대하여 각각 20의 멀티룩을 적용하였다. 또한 영상의 사이즈와 멀티룩 수를 고려하여 레인지 방향으로는 1,019, 아지무스 방향으로는 1,659개의 샘플을 설정하여 총 1,690,521개의 샘플에 대하여 강도교차상관기법을 적용하였다(Strozzi et al.
이 때 커널의 사이즈를 레인지 방향과 아지무스 방향에 대하여 32×32부터 128×128까지 32 픽셀의 차이를 각각 두어 총 16개의 서로 다른 커널 사이즈에 대한 오프셋 트래킹 영상을 획득하였다.
본 연구에서는 개선된 위성레이더 오프셋 트래킹 기법을 활용하여 Uvêrsbreen 지역의 2차원 지표변위를 관측하였다. 이를 위하여 TerraSAR-X로부터 2014년 10월 11일부터 2014년 11월 24일까지 매 11일 마다 촬영된 5장의 영상을 획득하였으며, 위성레이더 간섭쌍의 시간기선과 수직기선을 고려하여 두 쌍의 간섭쌍을 선정하였다. 선정한 위성레이더 간섭쌍의 아지무스 방향과 레인지 방향의 지표변위 영상에 대하여 각각 스태킹하여 평균 변위 속도 영상을 제작하였다.

데이터처리

선정한 위성레이더 간섭쌍의 아지무스 방향과 레인지 방향의 지표변위 영상에 대하여 각각 스태킹하여 평균 변위 속도 영상을 제작하였다. 제작된 변위 영상의 관측 품질을 검증하기 위하여 변위가 발생하지 않은 안정된 지역에 대하여 표준편차를 계산하였다. 그 결과 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 5.

이론/모형

오프셋 트래킹 기법은 위성레이더 간섭쌍에 대한 지표변위를 관측하기 위하여 강도교차상관기법을 적용한다. 강도교차 상관계수가 가장 높은 지점을 결정한 후 그 지점에 대한 거리를 직접 계산한다.

성능/효과

3 m/year이었다. 20141011_20141022의 관측 결과에 비하여 아지무스 방향으로는 36.5%, 레인지 방향으로는 32.8% 정밀해졌으며, 20141102_20141113의 관측 결과에 대하여 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 14.2%, 17.6% 향상되었다.
관측된 Uvêrsbreen 빙하지역의 연간 최대 변위 속도는 133.7 m/year이었으며 영구 동토층 근처에 가면서 속도가 느려지다가 영구동토층 근처에서 소실되었다.
그 결과 Uvêrsbreen 빙하지역의 최대 속도는 133.7 m/year로 산출되었다.
, 2017). 그 결과 노이즈 성분이 크게 저감되고 정밀도가 향상되어 GPS 관측치와 비교하였을 때 레인지 방향과 아지무스 방향으로 약 5.92와 6.95 cm의 관측정밀도를 보였다(Chae, 2016).
, 2017). 그 결과 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 8.6 그리고 4.9 m/year로 산출되었다. 또한 20141102_20141113의 간섭쌍에 대해서는 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 6.
7의 검정색 박스 지역을 확대한 영상이다. 아지무스 방향과 레인지 방향에 대한 최대 변위 속도는 각각 133.4, -53.6 m/year으로 관측되었다. 관측한 아지무스 방향과 레인지 방향의 지표 변위 속도 영상으로부터 2차원 속도 벡터를 나타냈다(Fig.
연구지역으로 설정한 Uvêrsbreen 빙하지역에 대하여 아지무스 방향의 변위 속도는 각각 최대 130.2, 139.4 m/year로 산출되었고, 레인지 방향의 변위 속도는 각각 최대 -51.4, -54.4 m/year로 산출되었다.
3 m/year이었다. 이 결과는 20141011_20141022의 관측 결과에 비하여 아지무스 방향으로는 36.5%, 레인지 방향으로는 32.8% 향상되었으며 20141102_20141113의 관측 결과에 대하여는 아지무스 방향과 레인지 방향에 대하여 각각 14.2%, 17.6% 향상된 것이다. 관측된 Uvêrsbreen 빙하지역의 연간 최대 변위 속도는 133.
, 2017). 전체적으로 영상의 긴밀도가 향상된 것을 확인할 수 있으며 특히 하얀색 점선 박스 내부의 빙하 이동 지역에 대해서 더욱 명확한 변위 관측이 가능하였다. Fig.
획득한 지표 변위 속도 영상은 스태킹하여 관측 정밀도를 향상시켰다. 최종적으로 획득된 지표변위 속도는 연간 최대 133.7 m/year 이었으며, 이러한 변위의 크기는 영구 동토층 근처에서 0에 수렴하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결과와 관측 프로세스는 빙하의 고도 변화에 관한 연구 그리고 기후 변화에 따른 환경 영향 평가 연구에 활용될 것이다.

후속연구

본 연구에서는 짧은 기간 동안의 변위만을 관측하였기 때문에 장기적인 빙하속도 변화에 대한 연구를 수행하기에는 역부족이었다. 기후변화에 의한 환경 변화 영향에 대한 분석을 위해서는 장기적인 관측이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해서는 재방문기간이 짧고 비교적 파장 길이가 짧아 이온층 효과의 영향이 적은 Sentinel-1, TerraSAR-X, TanDEM-X 등의 데이터 누적이 우선적으로 필요하다.
, 2015). 다만 본 연구에서 활용한 영상은 2014년 10월 11일부터 2014년 11월 24일까지 11일 주기로 촬영된 5장의 동일 모드 영상으로 대기 효과에 의하여 발생하는 오차 성분을 충분히 저감하기에는 어려운 한계가 존재한다(Feretti et al., 2001; Berardino et al., 2002).
7 m/year 이었으며, 이러한 변위의 크기는 영구 동토층 근처에서 0에 수렴하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결과와 관측 프로세스는 빙하의 고도 변화에 관한 연구 그리고 기후 변화에 따른 환경 영향 평가 연구에 활용될 것이다.
이를 위해서는 재방문기간이 짧고 비교적 파장 길이가 짧아 이온층 효과의 영향이 적은 Sentinel-1, TerraSAR-X, TanDEM-X 등의 데이터 누적이 우선적으로 필요하다. 본 연구를 통하여 얻어진 결과와 데이터 획득 절차는 빙하의 고도 변화에 관한 연구 그리고 기후 변화 연구에 활용될 것이며, 이는 장기적으로 환경 변화 영향 평가에 관한 연구에 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구온난화가 지구에 어떤 영향을 끼치고 있는가?	최근 전 지구적으로 기후 변화에 따른 환경 변화에 주목하고 있다. 지구온난화는 기후 변화의 한 예로 극지방과 고산 지역 빙하 융빙에 직접적인 영향을 미치고 있다. 빙하의 융빙은 해수면 상승의 주된 원인으로 여겨지고 있다.
	해수면 상승의 주된 원인은?	지구온난화는 기후 변화의 한 예로 극지방과 고산 지역 빙하 융빙에 직접적인 영향을 미치고 있다. 빙하의 융빙은 해수면 상승의 주된 원인으로 여겨지고 있다. 이와 관련하여 빙하의 부피 측정에 관한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다(McNabb et al., 2012).
	빙하의 변위 속도가 기후 변화에 의한 지구 환경 변화 영향을 분석하는 데에 굉장히 중요한 요소인 이유는?	, 2012). 최근 빙하의 이동 속도를 바탕으로 빙하의 두께와 부피를 산출해내는 기술이 제안되었다(McNabb et al., 2012).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

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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