[논문]Sentinel-1 InSAR 긴밀도 영상을 이용한 3월5일청년광산의 지표 변화 탐지

문지현; 김근영; 이훈열

doi:10.7780/kjrs.2021.37.3.13

Sentinel-1 InSAR 긴밀도 영상을 이용한 3월5일청년광산의 지표 변화 탐지
Surface Change Detection in the March 5Youth Mine Using Sentinel-1 Interferometric SAR Coherence Imagery 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.37 no.3, 2021년, pp.531 - 542

문지현 (강원대학교 지구물리학과) , 김근영 (한국지질자원연구원 지진연구센터) , 이훈열 (강원대학교 지구물리학과)

초록
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노천 채광을 수행하는 광산은 지표 변화와 환경 교란을 발생시킬 수 있기 때문에 지속적인 모니터링이 필요하다. 노천 광산은 채광 작업장에 식생이 거의 분포하지 않아 InSAR 긴밀도 영상을 이용한 모니터링이 가능하다. 본 연구는 최근 개발된 InSAR 긴밀도 영상 기반의 Normalized Difference Activity Index(NDAI)를 적용하여 광산에서 발생하는 활동을 분석하였다. 3월5일청년광산은 2008년 이후 본격적으로 개발이 확장된 북한의 광산이다. 3월5일청년광산을 촬영한 12일 간격의 Sentinel-1 SAR 영상을 이용하여 획득된 InSAR 긴밀도 영상으로 NDAI 분석을 진행하였다. 우선 2000년부터 약 14년간 발생한 75.24 m의 고도 하강 지역과 약 9.85 m의 고도 상승 지역을 채광 작업장 및 광미 적치장으로 정의하였다. 이후 NDAI 영상을 이용하여 기간별 활동 분석을 진행하기 위해 전체 기간의 평균 영상, 1년 단위의 평균 영상, 및 4개월 단위의 평균 영상을 제작하였다. 2017년부터 2019년까지 광산 활동은 평균적으로 채광 작업장의 중심에서 비교적 활발하였다. 보다 자세한 광산의 활동 변화를 확인하기 위해 시간 간격을 좁혀 1년간의 활동을 알아보고자 하였다. 2017년은 지진파 자료의 정보와 NDAI 영상을 이용하여 인공 지진의 발생 시점과 그 전후에 대하여 RGB 합성 영상을 제작하고 채광 작업장의 활동 변화를 분석하였다. 2017년 4월 30일 발생한 대규모 발파 이후 채광 작업장의 서쪽에서 활발한 활동이 감지되었다. 9월 30일의 두 차례의 발파 이후에는 채광 작업장의 크기가 확장된 것으로 추정된다. 2018년 및 2019년의 활동 변화는 4개월 단위의 시간 평균 영상을 RGB 영상으로 합성하여 분석하였다. 연도별 활동을 분석한 결과, 2018년은 채광 작업장의 북동쪽에서 활발하게 활동하는 영역을 찾을 수 있었으며, 2019년은 광미 적치장에서 확장에 따른 특징적인 활동이 확인되었다. NDAI를 이용한 시계열 분석으로 광학 영상으로는 확인하기 어려운 노천 광산의 무작위적인 지표 변화를 탐지할 수 있었다. 특히 현장 자료를 획득할 수 없는 지역의 광산 활동을 원격 탐사를 이용하여 효과적으로 수행할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Open-pit mines require constant monitoring as they can cause surface changes and environmental disturbances. In open-pit mines, there is little vegetation at the mining site and can be monitored using InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) coherence imageries. In this study, activities occurring in mine were analyzed by applying the recently developed InSAR coherence-based NDAI (Normalized Difference Activity Index). The March 5 Youth Mine is a North Korean mine whose development has been expanded since 2008. NDAI analysis was performed with InSAR coherence imageries obtained using Sentinel-1 SAR images taken at 12-day intervals in the March 5 Youth Mine. First, the area where the elevation decreased by about 75.24 m and increased by about 9.85 m over the 14 years from 2000 was defined as the mining site and the tailings piles. Then, the NDAI images were used for time series analysis at various time intervals. Over the entire period (2017-2019), average mining activity was relatively active at the center of the mining area. In order to find out more detailed changes in the surface activity of the mine, the time interval was reduced and the activity was observed over a 1-year period. In 2017, we analyzed changes in mining operations before and after artificial earthquakes based on seismic data and NDAI images. After the large-scale blasting that occurred on 30 April 2017, activity was detected west of the mining area. It is estimated that the size of the mining area was enlarged by two blasts on 30 September 2017. The time-averaged NDAI images used to perform detailed time-series analysis were generated over a period of 1 year and 4 months, and then composited into RGB images. Annual analysis of activity confirmed an active region in the northeast of the mining area in 2018 and found the characteristic activity of the expansion of tailings piles in 2019. Time series analysis using NDAI was able to detect random surface changes in open-pit mines that are difficult to identify with optical images. Especially in areas where in situ data is not available, remote sensing can effectively perform mining activity analysis.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Earthquake distribution map and study area. (a) Earthquakes and related events in the northern part of the Korean Peninsula since 2000 and (b) March 5 Youth Mine event distribution map. Seismic wave analysis was provided by Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) Earthquake Research Center (ERC). The cyan box indicates the location of the March 5 Youth Mine and the blue and red dots indicate the epicenters.
그림 Fig. 2. Images from Google Earth taken on (a) 13 December 2008, (b) 26 May 2013, (c) 29 April 2014, (d) 21 May 2016, and (e) 17 May 2019.
그림 Fig. 3. (a) Result image showing elevation change and graph showing cross-sectional views for profile lines (b) 1, (c) 2, and (d) 3.
표 Table 1. Seismic events used in the study
그림 Fig. 5. Activity changes due to blasting that occurred on (a) 30 April 2017 and (b) 30 September 2017.
그림 Fig. 4. (a) Averaged NDAI image during 2017-2019 and (b) RGB composite image of annual averaged NDAI images.
그림 Fig. 7. Activity changes of mining site in 2018 using NDAI graph. The reference points are (a) the cyan pixel and (b) the magenta pixel at the center of each active region shown in Fig. 6.
그림 Fig. 6. (a) Activity changes of mining site in 2018 using RGB composite of the 4-months averaged NDAI images and (b) mosaic Google Earth images from 18 November 2018 (left), 29 March 2018 (top right), and 21 May 2016 (bottom right) images.
그림 Fig. 9. Activity change of tailings piles in 2019 using NDAI graph. The reference point is the cyan pixel in the center of the expanded site shown in Fig. 8.
그림 Fig. 8. (a) Activity changes of tailings piles in 2019 using RGB composite of the 4-months averaged NDAI images and (b) Google Earth image taken on 17 May 2019.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 지속적으로 획득되는 Sentinel-1 SAR 영상을 기반으로 하여 북한의 3월 5일 청년 광산이 시간에 따라 얼마나 활동적인가를 분석하고자 하였다. 이를 통해 현장 접근이나 자료 획득이 제한적인 지역의 지표 변화 양상을 원격 탐사를 이용하여 효과적으로 탐지하는 방법을 제시하고자 한다.
본 연구의 목적은 지속적으로 획득되는 Sentinel-1 SAR 영상을 기반으로 하여 북한의 3월 5일 청년 광산이 시간에 따라 얼마나 활동적인가를 분석하고자 하였다. 이를 통해 현장 접근이나 자료 획득이 제한적인 지역의 지표 변화 양상을 원격 탐사를 이용하여 효과적으로 탐지하는 방법을 제시하고자 한다. 본격적인 분석에 앞서 global DEM(Digital Elevation Model) 자료를 이용하여 광산에서 채광 작업장과 광미 적치장을 구분하였다.

제안 방법

지진파 자료 중 지진파 발생 시점이 NDAI 영상에 포함되어 있는 자료를 선별하여 분석하였다. 2017년부터 2018년까지의 자료 중 2017년에 발생한 2개의 발파 신호에 대해 발파일 전후의 지표 변화를 확인할 수 있는 12일 간격의 NDAI 영상과 그 전후 영상을 RGB로 합성하여 활동 영역을 확인하고 변화를 분석하였다(Table 1).
이후 InSAR 긴밀도 영상에 NDAI를 적용하여 광산의 활동성을 시간에 따라 분석하였다. 2017년에는 대규모 발파로 인한 인공 지진의 발생 시점을 기준으로 광산의 활동을 분석하였고 2018년 및 2019년에는 평균 NDAI 영상을 RGB 합성하여 특징적인 변화가 나타나는 영역 및 시간에 따른 12일 간격의 NDAI 변화 그래프를 분석하였다. 2절에서는 연구 지역을 소개하고 3절에서는 본 연구에 사용된 DEM, InSAR 긴밀도 영상, 지진파 자료와 자료에 따른 분석 방법 대하여 설명하였다.
광산 인근에서 발생한 인공 지진의 발생 시점과 NDAI 영상을 이용하여 2017년에 발생한 광산 발파 이후 표면 활동 변화 양상을 분석하고자 하였다. Red 채널에 발파일을 포함하는 NDAI 영상을 입력하고, green 채널에 발파일 약 1달 전의 NDAI 영상을, blue 채널에 발파일 약 1달 후의 NDAI 영상을 입력하였다.
2017년에 발생한 대규모 광산 발파로 인한 지표 변화 탐지를 통해 2017년 4월에는 채광 작업장 서쪽에서의 활동을 감지하였으며, 9월에는 광산영역의 확장이 발생하였음을 밝힐 수 있었다. 노천 광산의 활동 변화를 탐지하기 위해 세 개의 기간으로 시간 평균한 NDAI 영상을 RGB 합성하여 시간에 따른 활동 영역의 변화 양상도 확인하였다. 2018년 1월부터 4월까지 채광작업장의 북동쪽에서 발생한 활동은 5월부터 8월에는 북쪽으로 활 동 영역이 편향되었고 9월부터 12월까지는 동쪽으로 활동 영역이 이동한 것을 확인하였으며, 2019년 1월부터 8월 사이에는 광미 적치장의 확장이 활발하게 이루어졌다.
획득된 영상은 잡음을 제거하여 명확한 활동 영역을 구분하기 위해 시간 평균한 후 RGB 합성을 진행하였다. 먼저 1년씩 평균된 영상을 RGB 합성하여 3년간의 활동을 알아보고자 하였고, 한 해 동안 특징적인 활동이 감지되는 영역을 보다 자세하게 분석하기 위해서 4개월씩 평균된 영상을 합성하여 1년간의 활동을 알아보고자 하였다. 1년간의 활동을 확인할 수 있는 NDAI 합성 영상은 활동의 변화를 명확하게 확인하기 위해 항상 활동하는 지역의 white 픽셀을 제거하였다.
본 연구는 Sentinel-1 SAR 영상으로부터 생성된 긴밀도 자료를 이용하여 NDAI 영상을 제작하였으며 이를 통해 3월 5일 청년 광산의 활동을 모니터링하였다. 2017년에 발생한 대규모 광산 발파로 인한 지표 변화 탐지를 통해 2017년 4월에는 채광 작업장 서쪽에서의 활동을 감지하였으며, 9월에는 광산영역의 확장이 발생하였음을 밝힐 수 있었다.
이를 통해 현장 접근이나 자료 획득이 제한적인 지역의 지표 변화 양상을 원격 탐사를 이용하여 효과적으로 탐지하는 방법을 제시하고자 한다. 본격적인 분석에 앞서 global DEM(Digital Elevation Model) 자료를 이용하여 광산에서 채광 작업장과 광미 적치장을 구분하였다. 이후 InSAR 긴밀도 영상에 NDAI를 적용하여 광산의 활동성을 시간에 따라 분석하였다.
본격적인 분석에 앞서 global DEM(Digital Elevation Model) 자료를 이용하여 광산에서 채광 작업장과 광미 적치장을 구분하였다. 이후 InSAR 긴밀도 영상에 NDAI를 적용하여 광산의 활동성을 시간에 따라 분석하였다. 2017년에는 대규모 발파로 인한 인공 지진의 발생 시점을 기준으로 광산의 활동을 분석하였고 2018년 및 2019년에는 평균 NDAI 영상을 RGB 합성하여 특징적인 변화가 나타나는 영역 및 시간에 따른 12일 간격의 NDAI 변화 그래프를 분석하였다.

대상 데이터

두 DEM 자료 모두 연구 지역을 포함하도록 위도 41°에서 42°, 경도 126°에서 127° 공간 범위에 대해 DEM 자료를 수집하였다. SRTM DEM 자료는 2014년 9월 23일 배포된 자료이며 TenDEM-X DEM 자료는 2011년 4월 13일부터 2014년 9월 7일까지 31회에 걸쳐 획득된 84 scene을 평균하여 2015년 6월 12일 생성된 자료이다.
두 DEM 자료 모두 연구 지역을 포함하도록 위도 41°에서 42°, 경도 126°에서 127° 공간 범위에 대해 DEM 자료를 수집하였다
한국지질자원연구원 지진연구센터에서 감지된 인공지진원에 대한 지진파 자료의 정보를 이용하여 발파에 의한 지표 변화를 탐지하였다. 지진파 자료 중 지진파 발생 시점이 NDAI 영상에 포함되어 있는 자료를 선별하여 분석하였다. 2017년부터 2018년까지의 자료 중 2017년에 발생한 2개의 발파 신호에 대해 발파일 전후의 지표 변화를 확인할 수 있는 12일 간격의 NDAI 영상과 그 전후 영상을 RGB로 합성하여 활동 영역을 확인하고 변화를 분석하였다(Table 1).
한국지질자원연구원 지진연구센터에서 감지된 인공지진원에 대한 지진파 자료의 정보를 이용하여 발파에 의한 지표 변화를 탐지하였다. 지진파 자료 중 지진파 발생 시점이 NDAI 영상에 포함되어 있는 자료를 선별하여 분석하였다.

데이터처리

획득된 영상은 잡음을 제거하여 명확한 활동 영역을 구분하기 위해 시간 평균한 후 RGB 합성을 진행하였다. 먼저 1년씩 평균된 영상을 RGB 합성하여 3년간의 활동을 알아보고자 하였고, 한 해 동안 특징적인 활동이 감지되는 영역을 보다 자세하게 분석하기 위해서 4개월씩 평균된 영상을 합성하여 1년간의 활동을 알아보고자 하였다.

이론/모형

긴밀도 영상 제작에는 12일 간격의 VV 편파 SAR 영 상 쌍(pair)이 이용되었다. SNAP 소프트웨어를 사용하였으며 Master와 slave 영상에 각각 정밀 궤도 정보를 업데이트 한 후 coregistration 과정을 거쳐 InSAR 기법을 적용하였다. 긴밀도의 window size(range×azimuth)는 7×2로 설정하여 긴밀도 영상의 해상도는 range와 azimuth 방향 모두 약 40 m가 되도록 하였다.
본 연구의 자료처리는 ESA(European Space Agency)에 서 개발하여 배포하고 있는 SNAP(SeNtinel Application Platform) 소프트웨어를 이용하였다. 두 DEM 자료의 고도 차이를 계산하기 위해 자료의 해상도가 동일하도록 이중선형 보간법을 사용하여 리샘플링하였다. 그 후 두 자료의 차를 계산하여 10년 이상의 고도 변화를 나타내는 영상을 획득하였다.
본 연구의 자료처리는 ESA(European Space Agency)에 서 개발하여 배포하고 있는 SNAP(SeNtinel Application Platform) 소프트웨어를 이용하였다. 두 DEM 자료의 고도 차이를 계산하기 위해 자료의 해상도가 동일하도록 이중선형 보간법을 사용하여 리샘플링하였다.

성능/효과

본 연구는 Sentinel-1 SAR 영상으로부터 생성된 긴밀도 자료를 이용하여 NDAI 영상을 제작하였으며 이를 통해 3월 5일 청년 광산의 활동을 모니터링하였다. 2017년에 발생한 대규모 광산 발파로 인한 지표 변화 탐지를 통해 2017년 4월에는 채광 작업장 서쪽에서의 활동을 감지하였으며, 9월에는 광산영역의 확장이 발생하였음을 밝힐 수 있었다. 노천 광산의 활동 변화를 탐지하기 위해 세 개의 기간으로 시간 평균한 NDAI 영상을 RGB 합성하여 시간에 따른 활동 영역의 변화 양상도 확인하였다.
노천 광산의 활동 변화를 탐지하기 위해 세 개의 기간으로 시간 평균한 NDAI 영상을 RGB 합성하여 시간에 따른 활동 영역의 변화 양상도 확인하였다. 2018년 1월부터 4월까지 채광작업장의 북동쪽에서 발생한 활동은 5월부터 8월에는 북쪽으로 활 동 영역이 편향되었고 9월부터 12월까지는 동쪽으로 활동 영역이 이동한 것을 확인하였으며, 2019년 1월부터 8월 사이에는 광미 적치장의 확장이 활발하게 이루어졌다.

참고문헌 (19)

Charou, E., M. Stefouli, D. Dimitrakopoulos, E. Vasiliou, and O.D. Mavrantza, 2010. Using remote sensing to assess impact of mining activities on land and water resources, Mine Water and the Environment, 29(1): 45-52.

상세보기
Farr, R.G., P.A. Rosen, E. Caro, R. Crippen, R. Duren, S. Hensley, M. Kobrick, M. Paller, E. Rodriguez, L. Roth, D. Seal, S. Shaffer, J. Shimada, J. Umland, M. Werner, M. Oskin, D. Burbank, and D. Alsdorf, 2007. The shuttle radar topography mission, Reviews of Geophysics, 45(2): RG2004.

상세보기
Ferretti, A., A.V. Monti-Guarnieri, C.M. Prati, F. Rocca, and D. Massonnet, 2007. INSAR Principles B, ESA publications, Noordwijk, NL.
Grohmann, C.H., 2018. Evaluation of TanDEM-X DEMs on selected Brazilian sites: Comparison with SRTM, ASTER GDEM and ALOS AW3D30, Remote Sensing of Environment, 212: 121-133.

상세보기
Han, H., Y. Kim, H. Jin, and H. Lee, 2015. Analysis of Annual Variability of Landfast Sea Ice near Jangbogo Antarctic Station Using InSAR Coherence Images, Korean Journal of Remote Sensing, 31(6): 501-512 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Joseph, S. and JR. Bermudez, 2015. North Korea's Expansion of Molybdenum Production, https://www.38north.org/2015/01/jbermudez012315/, Accessed on May 31, 2021.
Koh, S.M., 2015. DB construction of mineral resources and analysis of mineralized areas in North Korea, Research report of Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, JP2014-001-2015(1): 370.
Lee, H., 2001. Interferometric synthetic aperture radar coherence imagery for land surface change detection (Doctoral dissertation, Huxley School, Imperial College, London 2001).
Lee, H., 2017. Application of KOMPSAT-5 SAR interferometry by using SNAP software, Korean Journal of Remote Sensing, 33(6-3): 1215-1221 (in Korean with English abstract).
Malz, P., W. Meier, G. Casassa, R. Jana, P. Skvarca, and M.H. Braun, 2018. Elevation and mass changes of the Southern Patagonia Icefield derived from TanDEM-X and SRTM data, Remote Sensing, 10(2): 188.

상세보기
Moon, J. and H. Lee, 2021. Analysis of Activity in an Open-Pit Mine by Using InSAR Coherence-Based Normalized Difference Activity Index, Remote Sensing, 13(9): 1861.

상세보기
Nancel-Penard, P., A. Parra, N. Morales, C. Diaz, and E. Widzyk-Capehart, 2019. Value-optimal design of ramps in open pit mining, Archives of Mining Sciences, 64(2): 399-413.
Padmanaban, R., A.K. Bhowmik, and P. Cabral, 2017. A remote sensing approach to environmental monitoring in a reclaimed mine area, ISPRS International Journal of Geo-information, 6(12): 401.

상세보기
Rizzoli, P., M. Martone, C. Gonzalez, C. Wecklich, D.B. Tridon, B. Brautigam, M. Bachmann, D. Schulze, T. Fritz, M. Huber, B. Wessel, G. Krieger, M. Zink, and A. Moreira, 2017. Generation and performance assessment of the global TanDEM-X digital elevation model, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 132: 119-139.

상세보기
Suresh, M. and K. Jain, 2013. Change detection and estimation of illegal mining using satellite images, Proc. of 2nd International conference of Innovation in Electronics and communication Engineering (ICIECE-2013), Andhra Pradesh, Hyderabad, IN, Aug. 9-10, pp. 246-251.
Torres, R., P. Snoeij, D. Geudtner, D. Bibby, M. Davidson, E. Attema, P. Potin, B. Rommen, N. Floury, M. Brown, I. Navas Traver, P. Deghaye, B. Duesmann, B. Rosich, N. Miranda, C. Bruno, M. L'Abbate, R. Croci, A. Pietropaolo, M. Huchler, and F. Rostan, 2012. GMES Sentinel-1 mission, Remote Sensing of Environment, 120: 9-24.

상세보기
Wang, S., X. Lu, Z. Chen, G. Zhang, T. Ma, P. Jia, and B. Li, 2020. Evaluating the Feasibility of illegal open-pit mining identification using insar coherence, Remote Sensing, 12(3): 367.

상세보기
Yang, H., S. Kang, C. Seonwoo, M. Jang, S. Jeong, and S. Cho, 2016. Surface Mining Engineering, CIR, Seoul, Korea.
Zhang, B., D. Wu, L. Zhang, Q. Jiao, and Q. Li, 2012. Application of hyperspectral remote sensing for environment monitoring in mining areas, Environmental Earth Sciences, 65(3): 649-658.

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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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