[논문]DDInSAR 영상을 이용한 남극 로스 빙붕의 조위변형과 물성 분석

한수정; 한향선; 이훈열

doi:10.7780/kjrs.2019.35.6.1.5

DDInSAR 영상을 이용한 남극 로스 빙붕의 조위변형과 물성 분석
Analysis of Tidal Deflection and Ice Properties of Ross Ice Shelf, Antarctica, by using DDInSAR Imagery 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.35 no.6 pt.1, 2019년, pp.933 - 944

한수정 (강원대학교 지구물리학과) , 한향선 (극지연구소 북극해빙예측사업단) , 이훈열 (강원대학교 지구물리학과)

초록
AI-Helper

이 연구에서는 영상레이더(synthetic aperture radar; SAR) 이중차분간섭기법(Double-Differential Interferometric SAR; DDInSAR)을 이용하여 남극 로스 빙붕(Ross Ice Shelf)의 동쪽(A지역)과 서쪽(B지역)에 위치한 육지 경계부 지역의 조위변형을 분석하고, 조위예측 모델의 정밀도와 빙붕의 영률(Young's modulus) 추정을 위해 2015-2016년에 획득된 총7장의 Sentinel-1A SAR 영상을 획득하였다. 먼저, 남극 로스해(Ross Sea)에 대한 대표적인 조위예측 모델인 Ross Sea Height-based Tidal Inverse (Ross_Inv) 모델과 DDInSAR영상에서 추출된 빙붕의 조위변형을 비교한 결과, 모델의 조위예측 오차는 동쪽에서는 3.86 cm로 분석되었으며 조위모델에서 역기압효과가 필수적으로 보정되어야 함을 확인하였다. 그러나 서쪽에서는 역기압효과 보정 후에도 큰 오차가 발생하여 조위모델이 부정확할 수 있음을 확인했다. 또한, 조위변형이 나타나는 힌지 영역(hinge zone)의 폭과 얼음두께의 상관성을 나타내는 1차원 탄성 보 모델에 의거하여 얼음의 영률을 계산하였다. 이를 위해 DDInSAR 영상에서 조위에 의한 변위가 나타나기 시작하는 곳을 지반선(grounding line)으로, 조위에 의한 최대변위가 나타나는 지점을 힌지선(hinge line)으로 새롭게 정의했고, 이두선 사이를 힌지 영역으로 정의했다. 반무한 평면체를 가정한 1차원 탄성 보 모델에 의하면 힌지 영역의 폭은 얼음두께의 0.75승에 정비례한다. DDInSAR에서 나타나는 힌지 영역 중 지반선과 힌지선이 직선에 가까운 지역에서 힌지 영역의 폭을 측정하였고, 이를 BEDMAP2 얼음 두께의 0.75승과의 선형 회귀 분석을 통해 로스 빙붕 동쪽과 서쪽 힌지 영역의 영률을 1.77±0.73 GPa로 추정할 수 있었다. 이러한 방법으로 향후 Sentinel-1 영상이 축적되면 더 정밀한 영률을 추정할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes the tide deformation of land boundary regions on the east (Region A) and west (Region B) sides of the Ross Ice Shelf in Antarctica using Double-Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DDInSAR). A total of seven Sentinel-1A SAR images acquired in 2015-2016 were used to estimate the accuracy of tide prediction model and Young's modulus of ice shelf. First, we compared the Ross Sea Height-based Tidal Inverse (Ross_Inv) model, which is a representative tide prediction model for the Antarctic Ross Sea, with the tide deformation of the ice shelf extracted from the DDInSAR image. The accuracy was analyzed as 3.86 cm in the east region of Ross Ice Shelf and it was confirmed that the inverse barometric pressure effect must be corrected in the tide model. However, in the east, it is confirmed that the tide model may be inaccurate because a large error occurs even after correction of the atmospheric effect. In addition, the Young's modulus of the ice was calculated on the basis of the one-dimensional elastic beam model showing the correlation between the width of the hinge zone where the tide strain occurs and the ice thickness. For this purpose, the grounding line is defined as the line where the displacement caused by the tide appears in the DDInSAR image, and the hinge line is defined as the line to have the local maximum/minimum deformation, and the hinge zone as the area between the two lines. According to the one-dimensional elastic beam model assuming a semi-infinite plane, the width of the hinge region is directly proportional to the 0.75 power of the ice thickness. The width of the hinge zone was measured in the area where the ground line and the hinge line were close to the straight line shown in DDInSAR. The linear regression analysis with the 0.75 power of BEDMAP2 ice thickness estimated the Young's modulus of 1.77±0.73 GPa in the east and west of the Ross Ice Shelf. In this way, more accurate Young's modulus can be estimated by accumulating Sentinel-1 images in the future.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The study area and the locations of AWSs.
표 Table 1. Sentinel-1A SAR data and the DDInSAR processing pairs
그림 Fig. 2. One-dimensional elastic ice beam model of an ice shelf (Vaughan, 1995; Han and Lee, 2014).
그림 Fig. 3. A solution of tidal deflection of a semi-infinite elastic ice shelf.
그림 Fig. 4. Double-differential barometric pressure data (mbar) for 12 days obtained from the two AWS Stations used for the B area of Ross Ice Shelf.
그림 Fig. 5. Sentinel-1A DDInSAR Processing of Ross Ice Shelf Region A: (a) DInSAR A2-A1, (b) DInSAR A4-A3, (c) DDInSAR, (d) ice thickness from BEDMAP2.
그림 Fig. 6. Sentinel-1A DDInSAR Processing of Ross Ice Shelf Region B: (a) DInSAR B2-B1, (b) DInSAR B3-B2, (c) DDInSAR, (d) ice thickness from BEDMAP2.
표 Table 2. Vertical tidal deflection measured from DDInSAR and tide model before and after Inverse Barometric Effect (IBE) correction
그림 Fig. 7. The relationship between ice thickness (h ^0.75) from BEDMAP2 and hinge zone width from DDInSAR with a linear regression result.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 로스 빙붕의 서쪽(A)과 동쪽(B) 지역의 육지경계부에서 조위변형을 분석하기 위해 총 7장의 DDInSAR영상을 활용하여 힌지 영역에서의 조위변형을 관측하였다. 먼저 탄성 보 모델을 통해 힌지 영역을 새롭게 정의하였고, 이를 DDInSAR영상에 적용하여 분석하였다.

가설 설정

Sentinel-1A DDInSAR Processing of Ross Ice Shelf Region A: (a) DInSAR A2-A1, (b) DInSAR A4-A3, (c) DDInSAR, (d) ice thickness from BEDMAP2. In (c) and (d), black curves are the grounding lines, amber curves are the free-floating lines, and dotted curves are the hinge lines. Straight red lines are the measured width of the hinge zone where grounding lines are relatively linear.

제안 방법

Table 1과 같이 A 지역에 대해 ID A1, A2 영상과 A3, A4 영상을 사용하여 InSAR 영상을 생성하고, GETASSE30 DEM을 통해 지형고도에 의한 위상이 제거된 DInSAR 영상을 생성하였다. B 지역에 대해서는 B1, B2 영상과 B2, B3 영상을 이용하여 2개의 DInSAR 영상을 생성하였다. 각각의 DInSAR 영상에 대해 Minimum Cost Flow (MCF) 알고리즘을 이용하여 절대위상복원(Phase unwrapping)을 수행하였다.
이 연구에서는 조위모델의 정밀도가 평가된 바 없고, 빙체의 영률이 알려지지 않은 로스 빙붕(Ross Ice Shelf)의 동쪽 및 서쪽 육지 경계부 지역에 대해 DDInSAR 기법을 적용하여 빙붕의 힌지 영역과 조위변형을 관측하였다. DDInSAR 영상에서 추출된 빙붕의 조위변형을 조위모델에서 추출한 조위와 비교하여 모델의 정밀도를 평가하였으며, 힌지 영역의 폭과 빙붕 두께의 상관성을 정량적으로 분석함으로써 빙붕의 영률을 추정하였다.
DDInSAR영상에서 추출된 빙붕의 조위변형(ΔṪDDInSAR)과 로스 빙붕에 가장 적합한 Ross_Inv 조위 모델에서 추출한 조위변형(ΔṪmodel)과 비교하여 조위모델의 정밀도를 평가했다.
로스 빙붕의 조위에 의한 수직방향의 조위변형을 구하기 위해 DDInSAR 기법을 이용했다. Table 1과 같이 A 지역에 대해 ID A1, A2 영상과 A3, A4 영상을 사용하여 InSAR 영상을 생성하고, GETASSE30 DEM을 통해 지형고도에 의한 위상이 제거된 DInSAR 영상을 생성하였다. B 지역에 대해서는 B1, B2 영상과 B2, B3 영상을 이용하여 2개의 DInSAR 영상을 생성하였다.
각 SAR 영상이 획득된 날짜 및 시각에 해당하는 Ross_Inv 모델의 조위에 대해 TPXO7.2 Load Tide 모델에서 추출한 하중조위를 보정하고, AWS로 실측된 대기압을 통해 IBE 효과를 보정하였다. A 지역에 대해서는 280 km 떨어진 곳에 위치한 Margaret Station의 대기압 자료만을 사용하였다.
각각의 DInSAR 영상에 대해 Minimum Cost Flow (MCF) 알고리즘을 이용하여 절대위상복원(Phase unwrapping)을 수행하였다. 각 지역에 대해 절대위상복원을 수행한 2개의 DInSAR 영상을 서로 차분하여 DDInSAR 영상을 생성하였다.
또한 이와 유사한 위성인 Sentinel-1B와의 관측을 통해 6일 주기의 영상 획득이 가능하다. 그러나 이 연구지역에 대해서는 Sentinel-1A 영상만이 얻어졌기 때문에 12일의 시간적 기선거리를 가지는 InSAR를 수행하였다. Sentinel-1A는 Terrain Observation with Progressive Scans (TOPS) 기술을 탑재하여 거리(range) 방향으로 250 km 길이의 영상을 획득할 수 있는 Interferometric Wide (IW) swath 모드를 운용하고 있다.
, 2012)로 빠른 편이기 때문에 12일 간격의 Sentinel-1A 영상으로는 간섭영상의 긴밀도가 매우 낮아 유속에 의한 변위를 관측할 수 없다. 따라서 비교적 유속이 느려 DDInSAR 기법에 의한 힌지 영역 및 조위변형 관측이 용이한 로스 빙붕의 서쪽(Fig. 1의 A 지역)과 동쪽(Fig. 1의 B 지역) 지반선 부근에서 Sentinel-1A SAR 영상을 획득하고 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 로스 빙붕의 서쪽(A)과 동쪽(B) 지역의 육지경계부에서 조위변형을 분석하기 위해 총 7장의 DDInSAR영상을 활용하여 힌지 영역에서의 조위변형을 관측하였다. 먼저 탄성 보 모델을 통해 힌지 영역을 새롭게 정의하였고, 이를 DDInSAR영상에 적용하여 분석하였다. DDInSAR영상에서 추출된 빙붕의 조위변형(ΔṪ_DDInSAR)과 로스 빙붕에 가장 적합한 Ross_Inv 조위 모델에서 추출한 조위변형(ΔṪmodel)과 비교하여 조위모델의 정밀도를 평가했다.
반무한 평면을 가정하는 1차원 탄성 보 모델을 충족시키기 위해서 Fig. 5(c)와 Fig. 6(c)에서 지반선과 힌지선이 직선으로 나타나는 만곡이 없는 곳에서 힌지 영역의 폭을 추출하였으며 BEDMAP2에서 얼음두께(Fig. 5d, Fig. 6d)를 확인하였다. A 지역의 힌지 영역의 폭은 4.
이 연구에서는 A, B 지역에 대한 Ross Sea Height-based Tidal Inverse Model (Ross_Inv) (Padman et al., 2003)의 조위모델을 사용하여 DDInSAR 자료와 비교하였다. Ross_Inv 모델은 로스해에서 가장 정확한 조위를 예측한다고 알려져 있다.
, 2017). 이 연구에서는 조위모델의 정밀도가 평가된 바 없고, 빙체의 영률이 알려지지 않은 로스 빙붕(Ross Ice Shelf)의 동쪽 및 서쪽 육지 경계부 지역에 대해 DDInSAR 기법을 적용하여 빙붕의 힌지 영역과 조위변형을 관측하였다. DDInSAR 영상에서 추출된 빙붕의 조위변형을 조위모델에서 추출한 조위와 비교하여 모델의 정밀도를 평가하였으며, 힌지 영역의 폭과 빙붕 두께의 상관성을 정량적으로 분석함으로써 빙붕의 영률을 추정하였다.
Ross_Inv 모델에서 예측된 조위는 해수에 의한 지각의 변형, 즉 자유해수면의 변화를 포함하는 하중 조위(load tide) 효과(Egbert and Erofeeva, 2002)를 반영하지 않는다. 하중조위 효과를 보정하기 위해 TPXO7.2 Load Tide 조위모델을 이용하였고, 두 조위모델의 조위는 Fig. 1에 A와 B 지역에서 노란색 x로 표시된 곳에서 추출했는데, A 지역에서는 조위 모델에서 영상범위가 육지로 간주되어 조위를 추출할 수 없어 영상 밖에 인접한 곳에서 추출하였다. 조위는 대기압이 1 mbar 상승할때약 1 cm가 낮아지는데, 이를 역기압 효과(Inverse Barometer Effect; IBE)라 한다.

대상 데이터

2 Load Tide 모델에서 추출한 하중조위를 보정하고, AWS로 실측된 대기압을 통해 IBE 효과를 보정하였다. A 지역에 대해서는 280 km 떨어진 곳에 위치한 Margaret Station의 대기압 자료만을 사용하였다. B 지역에 인접한 AWS는 Willie Field Station과 Ferrell Station이 있으며, B1, B2, B3 날짜를 시작으로 12일 동안 측정된 대기압의 이중차분값(ΔṪ)을 표시해 비교해 보면(Fig.
1°의 평균 입사각으로 획득되었다. A, B 지역에서 힌지 영역과 지반선이 나타나는 IW1 subswath 영상 만을 사용하였다.
대기압의 공간적 변화는 크지 않기 때문에 Margaret station에서 관측된 대기압 자료는 A 지역에서 추정된 Ross_Inv 조위모델의 IBE 보정에 충분히 사용될 수 있을 것으로 판단하였다. B 지역의 IBE 보정은 45km 떨어진 곳에 위치한 Willie Field station과 108 km 떨어진 곳에 위치한 Ferrell Station의 AWS로 관측된 대기압 자료를 이용하여 수행하였다.
DDInSAR 영상에서 관찰되는 힌지 영역의 폭과 얼음두께의 상관성을 확인하기 위해 남극 전체의 얼음 두께를 1 km 격자로 제공하는 BEDMAP2(Fretwell et al.,2013)의 얼음 두께 자료를 이용했다. Fretwell et al.
역기압 효과를 보정하기 위해서는 연구지역에 대한 대기압 자료가 필요하다. IBE 보정을 위해 10분 간격으로 측정된 자동기상관측 기구(Automatic Weather System; AWS)의 대기압 자료를 이용하였다. A 지역으로부터 가장 가까운 AWS는 280km 떨어진 곳에 위치한 Margaret station에서 운영되고 있다(Fig.
이 논문은 한국연구재단 기본연구사업(NRF-2016R1D1A1A09916630, NRF-2019R1F1A1041389)의 지원을 받았습니다. TanDEM-X DEM 자료는 독일항공우주센터(DLR)의 Global DEM AO project (ID: DEM_GLAC1183)를 통해 제공받았으며, 이에 감사 드립니다.
로스 빙붕의 조위변형을 분석하기 위해 총 7장의 Sentinel-1A 위성의 Single Look Complex (SLC) SAR 영상을 활용하였다. 서쪽인 A 지역에 대해서는 4장, 동쪽인 B 지역에서는 3장의 영상이 획득되었다.
이 연구에 사용된 SAR 영상은 모두 IW 모드에서 획득된 HH 편파 영상이며, A 지역과 B 지역에서 32.1°의 평균 입사각으로 획득되었다.
GETASSE30 DEM은 1 km의 공간해상도로 전 지구의 고도정보를 제공하고 있다. 이 연구에 사용된 TanDEM-X DEM은 12 m의 공간해상도로, 상대적 수직정확도는 2~4 m이다(EOC, 2018). 연구에 사용된 InSAR pair의 수직 기선거리가 2.

데이터처리

33 mbar로 매우 작았다. 따라서 B 지역에서 Ross_Inv 모델의 조위에 대한 IBE 보정에는 두 station에서 측정된 대기압의 평균자료를 사용하였다.

이론/모형

InSAR 영상으로부터 지형고도에 의한 위상을 제거하기위해A지역은GlobalEarthTopographyAnd Sea Surface Elevation (GETASSE30) 수치고도모델(digital elevation model; DEM)을 사용하였고, B 지역은 TanDEM-X DEM을 사용했다. GETASSE30 DEM은 1 km의 공간해상도로 전 지구의 고도정보를 제공하고 있다.
B 지역에 대해서는 B1, B2 영상과 B2, B3 영상을 이용하여 2개의 DInSAR 영상을 생성하였다. 각각의 DInSAR 영상에 대해 Minimum Cost Flow (MCF) 알고리즘을 이용하여 절대위상복원(Phase unwrapping)을 수행하였다. 각 지역에 대해 절대위상복원을 수행한 2개의 DInSAR 영상을 서로 차분하여 DDInSAR 영상을 생성하였다.
로스 빙붕의 조위에 의한 수직방향의 조위변형을 구하기 위해 DDInSAR 기법을 이용했다. Table 1과 같이 A 지역에 대해 ID A1, A2 영상과 A3, A4 영상을 사용하여 InSAR 영상을 생성하고, GETASSE30 DEM을 통해 지형고도에 의한 위상이 제거된 DInSAR 영상을 생성하였다.

성능/효과

Fig. 5(c)는 A지역의 DDInSAR 영상으로서, 조위에 영향을 받지 않는 육지에서는 간섭띠가 거의 관찰되지 않았으며, 이를 통해 이 지역의 빙하 흐름속도는 거의 일정하다고 할 수 있다. 간섭띠가 밀집되기 시작하는 부분은 지반선으로 정의할 수 있다(검은색 실선).
DDInSAR에서 측정한 힌지 영역의 폭과 BEDMAP2얼음두께의 상관성을 선형회귀분석을 통해 정량적으로 분석하여 연구지역의 영률이 1.77±0.73 GPa임을 추정하였다.
1). 대기압의 공간적 변화는 크지 않기 때문에 Margaret station에서 관측된 대기압 자료는 A 지역에서 추정된 Ross_Inv 조위모델의 IBE 보정에 충분히 사용될 수 있을 것으로 판단하였다. B 지역의 IBE 보정은 45km 떨어진 곳에 위치한 Willie Field station과 108 km 떨어진 곳에 위치한 Ferrell Station의 AWS로 관측된 대기압 자료를 이용하여 수행하였다.
이 연구에 사용된 TanDEM-X DEM은 12 m의 공간해상도로, 상대적 수직정확도는 2~4 m이다(EOC, 2018). 연구에 사용된 InSAR pair의 수직 기선거리가 2.78~97.79 m (Table 1)로 작기 때문에 GETASSE30 DEM과 TanDEM-X의 수직 정확도는 지형고도에 의한 위상을 제거하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
힌지선은 탄성 보 모델에서 유도된 식을 통해 조위에 의한 빙하의 변위가 최대값을 가지는 곳으로 정의했다. 힌지 영역의 폭은 조위와 관계없이 얼음의 두께의 0.75승에 비례함을 이론적으로 도출했다. DDInSAR에서 측정한 힌지 영역의 폭과 BEDMAP2얼음두께의 상관성을 선형회귀분석을 통해 정량적으로 분석하여 연구지역의 영률이 1.

후속연구

빙붕의 자유부유 영역은 조위와 동일한 높이만큼 조위변형을 일으킨다. 따라서 DDInSAR로 관측된 자유부유 영역의 조위변형은 조위계가 절대적으로 부족한 남극에서 널리 활용되고 있는 조위모델의 정밀도를 평가하는데 유용하게 활용될 수 있다. Han and Lee (2014)은 동남극 Campbell Glacier Tongue의 자유부유 영역에서 DDInSAR로 관측된 조위변형을 이용하여 다양한 조위 모델의 정밀도를 평가하였고, 동남극 테라노바 만(Terra Nova Bay)에서 Ross Sea Height-based Tidal Inverse Model(Ross_Inv) 모델이 최적의 조위모델임을 분석하였다.
6(c)에서 보듯이, B 지역의 DDInSAR 영상에서 빙붕의 자유부유 영역은 A 지역보다 더 많은 수의 간섭띠가 남아있는 것이 보이는데, 이것은 빙붕의 흐름속도가 일정하지 않을 가능성을 나타내고 있으나 그 영향은 미미하다. 따라서 조위모델의 조위에 대한 IBE 보정에 사용된 AWS의 대기압 측정값에 지역적, 시간적 오류가 있을 가능성이 높을 것으로 사료된다. Fig.
따라서 측정 당시 McMurdo 지역의 기압분포가 지역적으로 편차가 컸을 가능성이 있으며, 또한 B 지역의 수심이 낮아서 한 지점에서 측정한 조위 모델 자료가 연구지역 전체를 대표하지 못할 가능성이 있으나, 구체적인 자료가 없기 때문에 이를 입증할 수는 없었다. 이 연구에서 획득된 1장의 DDInSAR 영상만으로는 조위모델의 정밀도를 정확히 평가하는데 충분하지 않으며, 향후 지속적인 관측이 필요할 것이다.
73 GPa임을 추정하였다. 이러한 연구 방법을 통해 향후 남극 전역의 빙붕의 물성을 추정하는 연구로 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빙붕의 두께 감소와 붕괴로 인한 면적 감소는 어떠한 영향을 미치는가?	또한 힌지 영역에서의 지속적인 조위변형은 빙체의 안정성을 저하시켜 빙붕의 붕괴를 야기할 수도 있다(Schoof, 2007). 빙붕의 두께 감소와 붕괴로 인한 면적 감소는 해수면 상승과 그에 따른 다양한 환경변화의 잠재적 원인이 된다. 따라서 빙붕의 힌지 영역과 조위변형을 관측하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
	접근이 제한적인 남극에서 현장조사를 통한 조위변형 관측이 어려운 이유는 무엇인가?	빙붕의 조위변형은 수백 m에서 수 km의 폭을 가지는 힌지 영역에서 공간적인 차이를 나타낸다. 따라서 접근이 제한적인 남극에서 현장조사를 통한 조위변형 관측은 매우 어렵다.
	조위변형은 무엇인가?	, 2011), 해수면 상승의 가장 큰 원인인 빙상의 해양 유출을 저지하는 역할을 수행하고 있다(Dupont and Alley, 2005). 이러한 빙붕은 빙체의 흐름에 의한 변형 외에도 해수면 위에 부유하고 있는 특성에 따라 조위(tide height)에 의한 변위, 즉 조위변형을 나타낸다(Vaughan, 1995). 빙붕의 조위변형은 빙하와 빙붕의 경계인 지반선(grounding line)부터 유체 정역학적 평형 상태(hydrostatic equilibrium state)에 놓인 자유부유 영역(free-floating zone) 사이에 해당하는 힌지 영역(hinge zone)에서 나타난다(Rignot et al.

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표제어: PCR

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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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