[논문]고정산란체 기반 시계열 영상레이더 간섭기법을 활용한 부산 대심도 지하 고속화도로 건설 구간의 지반 안정성 분석

김태욱; 한향선; 이시웅; 김우석

doi:10.9720/kseg.2023.4.689

[국내논문] 고정산란체 기반 시계열 영상레이더 간섭기법을 활용한 부산 대심도 지하 고속화도로 건설 구간의 지반 안정성 분석
Time-Series Interferometric Synthetic Aperture Radar Based on Permanent Scatterers Used to Analyze Ground Stability Near a Deep Underground Expressway Under Construction in Busan, South Korea 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.33 no.4, 2023년, pp.689 - 699

김태욱 (강원대학교 지구물리학과) , 한향선 (강원대학교 지구물리학과) , 이시웅 (강원대학교 지구물리학과) , 김우석 (한국건설기술연구원 지반연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Assessing ground stability is critical to the construction of underground transportation infrastructure. Surface displacement is a key indicator of ground stability, and can be measured using interferometric synthetic aperture radar (InSAR). This study measured time-series surface displacement using permanent scatterer InSAR applied to Sentinel-1 SAR images acquired from January 2017 to June 2023 for the area around a deep underground expressway under construction to connect Mandeok-dong and Centum City in Busan, South Korea. Regions of seasonal subsidence and uplift were identified, as were regions with severe subsidence after summer 2022. To evaluate stability of the ground in the construction area, the mean displacement velocity, final surface displacement, cumulative surface displacement, and difference between minimum and maximum surface displacement were analyzed. Considering the time-series surface displacement characteristics of the study area, the difference between minimum and maximum surface displacement since June 2022 was found to be the most suitable parameter for evaluating ground stability. The results identified highly unstable ground in the construction area as being to the north of the mid-lower reaches of the Oncheon-cheon River and to the west of the Suyeong River at the point where both rivers meet, with the difference between minimum and maximum surface displacement of 40~60 mm.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. (a) Location of study area (©Google earth). The red polygon represents the coverage of Sentinel-1 SAR imaging, (b) Enlargement of the area in the white box in (a). The red line indicates the route of the deep underground expressway in Busan, South Korea, (c) Geological map of the study area. Solid and dotted black lines represent faults and probable faults, respectively. The red line indicates the route of the deep underground expressway. Rivers are shown as blue.
표 Table 1. Sentinel-1 SAR data used in this study
그림 Fig. 2. Baseline plot of interferograms used in PSInSAR.
그림 Fig. 3. Mean vertical displacement velocity from January 2017 to June 2023. The white outline indicates a 250 m radius from the expressway.
그림 Fig. 4. Time-series of displacement for locations (a) P1, (b) P2, (c) P3, (d) P4, (e) P5, (f) P6, (g) P7, and (h) P8 labeled in Fig. 3.
그림 Fig. 5. (a) Final surface displacement, (b) cumulative surface displacement, and (c) difference between minimum and maximum surface displacement for the entire observation period.
그림 Fig. 6. Difference between minimum and maximum surface displacement for (a) 5 years before and (b) 1 year after June 24, 2022.

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

4 이상인 픽셀을 PSC로 선정하였다. PSC의 시계열 변위를 산출하기 위해 주영상과 나머지 부영상들의 간섭도를 생성하고 절대위상복원을 수행하였다. 제작된 시계열 간섭도에서 나타나는 위상은 변위 외에 대기에 의한 위상 지연, DEM 오차 및 궤도 오차에 의한 위상, 잡음(noise)에 의한 위상을 포함한다.
지표의 침하와 융기가 반복된다는 것은 최종 지표 변위량으로 지표의 불안정성을 평가하기 어려우며, 침하와 융기의 크기가 비슷하다는 것은 누적지표 변위량도 지표 불안정성 평가에 적합하지 않음을 의미한다. 이에 이 연구에서는 최소-최대 지표 변위량 차이를 지반 안정성 평가를 위한 최적의 변위량으로 선정하였고, 2022년 6월을 전후로 지반침하 속도가 달라지는 지역이 있음을 고려하여 2022년 6월 이전 5년과 이후 1년에 대한 최소-최대 지표 변위량 차이를 구하였다(Fig. 6).
이 연구에서는 부산광역시의 만덕-센텀 대심도 지하 고속화도로 건설 구간에 대해 172장의 Sentinel-1 SAR 영상에 PSInSAR 기법을 적용하여 시계열 변위를 산출하고, 지반의 안정성을 평가하였다. 도로 건설 구간 중 침하가 발생하는 지역 및 침하와 융기가 반복되는 지역을 파악할 수 있었고, 온천천 중하류 및 온천천과 수영강의 합류 지역 주변 지반에서 2022년 여름 이후에 지반침하 가속화를 탐지할 수 있었다.

대상 데이터

이 연구에서는 부산광역시 북구 만덕동을 기점으로 해운대구 재송동 센텀시티까지 이어지는 구간의 지하 고속화도로 건설지를 대상으로 인공위성 SAR 영상 기반 지표변위 분석을 수행하였다(Fig. 1).
1). 지표변위 분석 영역은 지하 고속화도로 노선을 중심으로 반경 250 m 영역으로 설정하였다. 만덕-센텀 지하 고속화도로는 지역균형발전과 교통혼잡 완화를 위해 2019년 9월에 착공된 대심도 지하도로이다.
만덕-센텀 지하 고속화도로 건설지의 시계열 변위를 관측하기 위해 유럽우주국(European Satellite Agency, ESA)에서 운용 및 제공하는 Sentinel-1 위성의 SAR 영상을 획득하였다. Sentinel-1은 StripMap(SM), Interferometric Wide(IW) swath, Extra Wide(EW) swath, Wave(WV)의 4가지 모드로 지표를 관측한다.
이 연구에서는 2017년 1월 14일부터 2023년 6월 24일까지 총 172장의 Sentinel-1A SAR 영상을 사용하였다(Fig. 1a).
InSAR 수행을 위해 필요한 SAR 영상의 정밀 정합과 지형고도에 의한 간섭위상의 제거를 위해 30 m 공간해상도의 Copernicus GLO-30 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 활용하였다. 이 연구에서는 또한 암반의 특성에 따른 시계열 지표변위의 해석을 위해 한국지질자원연구원에서 배포하는 1:5만 축척의 수치지질도(https://data.kigam.re.kr/data/)를 이용하였다.

데이터처리

7 이하인 PSC는 모두 제거하였다. 최종적으로 선정된 PS의 위상을 활용하여 레이더 관측 방향(Line Of Sight, LOS)의 시계열 변위를 산출하였다.

이론/모형

SAR 영상은 2018년 1월부터 2018년 6월까지 Sentinel-1A 위성이 연구지역을 관측하지 않은 시기를 제외하면 모두 12일 간격으로 구축되었다. 모든 SAR 영상은 위성의 상향 궤도(ascending orbit)에서 IW 모드의 VV 편파로 획득된 Single Look Complex 포맷으로 구축되었다(Table 1). InSAR 수행을 위해 필요한 SAR 영상의 정밀 정합과 지형고도에 의한 간섭위상의 제거를 위해 30 m 공간해상도의 Copernicus GLO-30 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 활용하였다.
모든 SAR 영상은 위성의 상향 궤도(ascending orbit)에서 IW 모드의 VV 편파로 획득된 Single Look Complex 포맷으로 구축되었다(Table 1). InSAR 수행을 위해 필요한 SAR 영상의 정밀 정합과 지형고도에 의한 간섭위상의 제거를 위해 30 m 공간해상도의 Copernicus GLO-30 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 활용하였다. 이 연구에서는 또한 암반의 특성에 따른 시계열 지표변위의 해석을 위해 한국지질자원연구원에서 배포하는 1:5만 축척의 수치지질도(https://data.
이 연구에서는 GAMMA Software의 Interferometric Point Target Analysis Software(IPTA) 패키지를 이용하여 PSIn SAR를 수행하였다. PSInSAR를 통해 변위를 탐지하기 위해서는 먼저 다수의 시계열 SAR 영상들로부터 고정산란체 후보(persistence scatterer candidate, PSC)를 선정해야 한다.

성능/효과

4는 각각의 PS로부터 산출된 수직변위의 시계열을 보여준다. 지하 고속화도로 건설 구간의 서쪽(부산광역시 북구 만덕동)에 위치한 P1, P2 및 그 주변 영역에서는 대부분 1 mm/year 이하의 매우 작은 변위속도가 관측되었고, 변위의 시간적 변화 또한 매우 작은 것으로 분석되었다(Figs. 4a and 4b).
부산 만덕-센텀 지하 고속화도로 건설지의 시계열 지표변위는 지역에 따라 상이하게 관측되었으며, 특히 변위속도(침하속도)가 시간에 따라 일정하지 않음이 확인되었다. P3, P5, P6은 최종 침하량이 비슷한 수준임에도 불구하고 변위 속도 차이가 발생하였다.
도로 건설 구간 중 침하가 발생하는 지역 및 침하와 융기가 반복되는 지역을 파악할 수 있었고, 온천천 중하류 및 온천천과 수영강의 합류 지역 주변 지반에서 2022년 여름 이후에 지반침하 가속화를 탐지할 수 있었다. PSInSAR로 산출된 시계열 변위로부터 평균변위속도, 최종 지표 침하량, 누적 지표 침하량, 최소-최대 지표 변위량 차이를 구하여 지반 안정성을 평가하였으며, 연구지역에서는 지반침하 가속화가 시작된 이후 시기에 대한 최소-최대 지표 변위량 차이가 가장 적합한 지반 안정성 평가 인자로 활용될 수 있음을 제시하였다.

후속연구

그러나 PSInSAR로 도출된 시계열 지표변위를 통해 지하 고속화도로 건설지의 변위특성을 해석하였고, 지표 안정성을 평가하기 위한 최적의 변위량을 탐색하여 지하 고속화도로 건설 및 사후 관리와 유지보수에 중요한 정보를 제공한 것은 매우 가치 있는 결과라 할 수 있다. 또한 이 연구를 통하여 시계열 지표변위로부터 단일 변위량만을 도출하여 지반 안정성을 분석할 경우 한계점이 존재하며, 연구지역의 시계열 변위 특성을 고려하여 최적의 변위량을 선정한 후 지반 안정성이 분석되어야 함을 확인하였다. 향후 도심지의 대심도 교통 인프라 건설에 인공위성 PSInSAR의 활용도가 매우 높을 것으로 기대하며, 관심 지역의 지질학적 특성과 지표변위의 기작을 명확히 파악할 수 있다면 지표변위 기반의 지반 안정성 평가 시스템이 체계적으로 구축될 수 있을 것이다.
또한 이 연구를 통하여 시계열 지표변위로부터 단일 변위량만을 도출하여 지반 안정성을 분석할 경우 한계점이 존재하며, 연구지역의 시계열 변위 특성을 고려하여 최적의 변위량을 선정한 후 지반 안정성이 분석되어야 함을 확인하였다. 향후 도심지의 대심도 교통 인프라 건설에 인공위성 PSInSAR의 활용도가 매우 높을 것으로 기대하며, 관심 지역의 지질학적 특성과 지표변위의 기작을 명확히 파악할 수 있다면 지표변위 기반의 지반 안정성 평가 시스템이 체계적으로 구축될 수 있을 것이다.

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