[논문]수치표고모델 및 PSInSAR 기법을 이용한 강원도 태백시 장성동 폐석적치장의 적치량과 침하관측

최은철; 문지현; 강태민; 이훈열

doi:10.7780/kjrs.2022.38.6.1.29

수치표고모델 및 PSInSAR 기법을 이용한 강원도 태백시 장성동 폐석적치장의 적치량과 침하관측
Observation of Volume Change and Subsidence at a Coal Waste Dump in Jangseong-dong, Taebaek-si, Gangwon-do by Using Digital Elevation Models and PSInSAR Technique 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.38 no.6 pt.1, 2022년, pp.1371 - 1383

최은철 (강원대학교 지구물리학과) , 문지현 (강원대학교 지구물리학과) , 강태민 (한국광해광업공단 남북자원팀) , 이훈열 (강원대학교 지구물리학과)

초록
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본 연구에서는 강원도 태백시 장성동에 위치한 석탄 폐석 적치장에 대해 2006년부터 2018년 사이에 제작된 6개의 수치표고모델(Digital Elevation Model)을 이용하여 폐석 적치량을 산정하고, Sentinel-1 SAR 영상에 Persistent Scatterer Interferometric SAR (PSInSAR) 기법을 이용하여 침하를 관찰하였다. 수치표고모델을 이용하여 적치 활동 양상을 확인한 결과, 2006년부터 2018년까지 약 12년 동안 총 1,668,980 m³의 폐석이 적치되었다. PSInSAR 수행 후 관측되는 침하속도는 상향 및 하향 궤도 방향으로 각각 -32.3 mm/yr, -40.2 mm/yr의 최대 침하속도를 보였다. 폐석 두께가 증가함에 따라 빠른 침하속도가 관측되었으며, 적치 완료 시점이 최근일수록 침하가 빠르게 발생하는 경향이 나타났다. 상향 및 하향 궤도의 침하속도를 수직, 수평 성분으로 변환하고 임의의 참조점 22개를 설정하여 침하속도와 폐석 두께 및 적치 완료 시점과 비교하였다. 그 결과, 참조점의 침하속도는 폐석 두께와의 관계에 있어서 PSInSAR 결과와 유사하게 폐석의 두께가 두꺼워질수록 빠르게 관측되는 경향을 보였다. 반면에 적치 완료 시점과 참조점에서의 침하속도 사이의 뚜렷한 상관성이 파악되지 않았는데 22개의 참조점 중 5개를 제외한 나머지 참조점에서의 적치 완료 시점이 2010년에 지나치게 편중되어 상관성 분석이 무의미하였다. 이 연구와 같이 수치표고모델과 PSInSAR를 이용하면 폐석 적치장의 안전 관리에 있어 부족한 현장자료를 보완할 효과적인 대안책이 될 수 있을 것이라 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the amount of coal waste dump was calculated using six Digital Elevation Models (DEMs) produced between 2006 and 2018 in Jangseong-dong, Taebaek-si, Gangwon-do, and the subsidence was observed by applying the Persistent Scatterer Interferometric SAR (PSInSAR) technique on the Sentinel-1 SAR images. As a result of depositing activities using DEMs, a total of 1,668,980 m3 of coal waste was deposited over a period of about 12 years from 2006 to 2018. The observed subsidence rate from PSInSAR was -32.3 mm/yr and -40.2 mm/yr from the ascending and descending orbits, respectively. As the thickness of the waste pile increased, the rate of subsidence increased, and the more recent the completion of the deposit, the faster the subsidence tended to occur. The subsidence rates from the ascending and descending orbits were converted to vertical and horizontal east-west components, and 22 random reference points were set to compare the subsidence rate, the waste rock thickness, and the time of depositing completion. As a result, the subsidence rate of the reference point tended to increase as the thickness of the waste became thicker, similar to the PSInSAR results in relation to the waste thickness. On the other hand, there was no clear correlation between the completion time of the deposits and the rate Of subsidence at the reference points. This is because the time of completion of the deposits at all but 5 of the 22 reference points was too biased in 2010 and the correlation analysis was meaningless. As in this study, the use of DEM and PSInSAR is expected to be an effective alternative to compensate for the lack of field data in the safety management of coal waste deposits.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Location of the study area. (a) is the distribution of coal mine drift in Taebaek-si overlying a Google Earth image. The yellow rectangle represents the coal waste dump of interest in this study. (b) Upper and lower part of the waste dump indicated by orange and violet dashed line, respectively. (c) Bird's-eye view of the waste dump.
그림 Fig. 2. Temporal and perpendicular baseline distribution of Sentinel-1 SAR images. (a) Ascending and (b) descending pass.
표 Table 1. Parameters adjusted in the StaMPS processing
그림 Fig. 3. Shaded relief images of the study area in (a) 2006, (b) 2010, (c) 2012, (d) 2014, (e) 2016, and (f) 2018. The newly-piled dump is indicated by green area. The dashed lines are the top of the previously dumped boundary.
그림 Fig. 5. Persistent Scatterer Interferometric SAR (PSInSAR) result from (a) ascending and (b) descending SAR images. The blue polygons are boundary of dump, which were represented by dashed lines in Fig. 3.
그림 Fig. 4. Volume change and cumulative of piled waste dump by period.
그림 Fig. 6. Correlation analysis results between Line of Sight (LOS) velocity and (a) thickness, (b) completion time of dump. Persistent Scatterer (PS) points from ascending and descending SAR images are indicated by circle and triangle, respectively. The color of each point is applied in the grayscale according to variation of the year in (a) and thickness in (b).
그림 Fig. 7. The magnitude of subsidence vector derived by the vertical and horizontal analysis is represented as contours.
그림 Fig. 8. Cross-sections of coal waste dump for (a) A-A', (b) B-B', and (c) C-C'. The arrows represent direction and magnitude of subsidence velocity in the vertical-east domain at each reference point.
그림 Fig. 9. Correlation analysis results between synthesized velocity and (a) thickness, (b) completion time of dump.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 원격 탐사 자료를 활용하여 폐석 적치장에서의 침하를 관찰하고자 시간적으로 얻어진 6개의 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 통해 시기별 폐석 적치량을 산정하고, PSInSAR 기법을 이용하여 폐석의 두께 및 적치 완료 시점이 폐석에서 선정된 고정산란체(Persistent Scatterer, PS)의 침하속도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 2절에서 연구지역과 연구에 사용된 자료들의 정보를 전달하고, 3절의 연구방법에서는 수치표고모델의 차분 방법, PSInSAR 수행을 위한 자료 선택 그리고 수직, 수평 성분으로의 변환 과정을 서술하였다.

제안 방법

강원도 태백시 장성동에 위치한 폐석 적치장의 고도 정보를 반영하는 2006년부터 2018년 사이의 6개 수치표 고모델을 이용하여 2년 혹은 4년 간격으로 폐석 적치량을 산정하고, 상향 및 하향궤도의 Sentinel-1 SAR 영상을 활용하여 수행한 PSInSAR 결과를 통해 2019년부터 2021년까지 3년 동안 발생한 침하를 시계열적으로 분석하였다. 폐석 적치량은 수치표고모델 간의 차분으로 얻어지는 해당 기간의 고도 변화와 적치 면적 정보를 통해 산정되었다.
양 방향에서 측정된 PSInSAR 결과를 바탕으로 LOS 방향 침하속도를 수직, 수평 성분으로 변환하여 폐석더미에서의 동-서, 상-하 방향 침하속도를 계산하고 동일한 방식으로 상관성을 분석했다. 수직, 수평 성분의 합벡터는 참조점을 설정하여 폐석의 침하 크기와 방향을 단면도 상에 투영했다.
따라서 적치장의 침하는 지하갱도의 영향보다는 폐석 두께에 의한 영향이 지배적일 것이다. 폐석 적치장의 단면은 적치장의 지형 기복을 잘 반영하는 것을 우선시하여 적치장 상부, 하부 그리고 전체를 가로지르도록 설정하였고, 폐석의 침하를 나타내기 위한 합벡터의 시작 지점인 임의의 참조점은 IDW 보간 과정에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위해 PS의 밀도가 충분히 높은 위치에 설정하였다(Fig. 7).

대상 데이터

PSInSAR 수행 결과 폐석 적치장 전구간에서 총 454개의 PS가 선정되었다(Fig. 5).
폐석에서 선정된 PS는 상향 궤도 영상에서 150개가 선정되었고 침하속도는 –32.3 mm/yr부터 0.3 mm/yr의 범위를 갖는다

데이터처리

폐석에서 선정된 PS 중 Fig. 3을 통해 확인된 기간별 상부 폐석더미 PS에 대한 폐석 두께와 적치 완료 시점에 따른 침하속도와의 상관성을 분석하였다(Fig. 6).

성능/효과

PSInSAR 결과에서는 상부 적치장에서 선정된 하향 궤도 PS의 침하속도가 상향 궤도 PS보다 빠르게 발생하는 것을 알 수 있었다. 폐석 두께가 두꺼워질수록 빠른 침하속도가 관측되는 경향이 확인되는 폐석 두께와 양쪽 궤도 방향 PS 침하속도 사이의 상관계수는 0.
폐석 적치량은 수치표고모델 간의 차분으로 얻어지는 해당 기간의 고도 변화와 적치 면적 정보를 통해 산정되었다. 약 12년동안 폐석이 적치되는 구역이 이동하는 것을 시각적으로 표현하여 확인하였고, 적치장에서의 누적 폐석 적치량 중 72%가 2006년부터 2010년 사이에 적치된 것으로 미루어 보아 2010년을 기점으로 적치장에서의 활동이 급격히 줄어든 것으로 판단된다.

후속연구

적치 완료 시점과의 분석 결과는 PS 침하속도와의 분석 결과로 미루어 봤을 때, 추후 연구에서 참조점의 분포가 모든 적치 완료 시점에 고르게 분포하는 대규모의 적치장을 선정하여 적치 완료 시점에 대한 침하 속도의 영향이 분석된다면 비교적 높은 상관성을 보일 것이라 기대된다. 따라서 체계적이고 지속적인 관리가 어려운 적치장 사면에 대한 안정성 평가 시 현장 자료의 부재로 인한 낮은 신뢰도 문제는 원격탐사로 얻어진 지표 변위 분석 자료를 통해 효과적으로 극복할 수 있을 것이라 사료된다.
합벡터의 크기는 폐석 두께가 두꺼운 지점의 참조점에서 빠른 속도의 침하가 관찰되었다. 적치 완료 시점과의 분석 결과는 PS 침하속도와의 분석 결과로 미루어 봤을 때, 추후 연구에서 참조점의 분포가 모든 적치 완료 시점에 고르게 분포하는 대규모의 적치장을 선정하여 적치 완료 시점에 대한 침하 속도의 영향이 분석된다면 비교적 높은 상관성을 보일 것이라 기대된다. 따라서 체계적이고 지속적인 관리가 어려운 적치장 사면에 대한 안정성 평가 시 현장 자료의 부재로 인한 낮은 신뢰도 문제는 원격탐사로 얻어진 지표 변위 분석 자료를 통해 효과적으로 극복할 수 있을 것이라 사료된다.

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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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