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Evaluation on Spectral Analysis in ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap-ScanSAR Interferometry

ALOS-2 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법에서의 스펙트럼 분석 평가

  • Park, Seo-Woo (Master Student, Department of Geological Sciences, Pusan National University) ;
  • Jung, Seong-Woo (Master Student, Department of Geological Sciences, Pusan National University) ;
  • Hong, Sang-Hoon (Assistant Professor, Department of Geological Sciences, Pusan National University)
  • 박서우 (부산대학교 지질환경과학과 석사과정생) ;
  • 정성우 (부산대학교 지질환경과학과 석사과정생) ;
  • 홍상훈 (부산대학교 지질환경과학과 조교수)
  • Received : 2020.04.19
  • Accepted : 2020.04.23
  • Published : 2020.04.30
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Abstract

It is well known that alluvial sediment located in coastal region has been easily affected by geohazard like ground subsidence, marine or meteorological disasters which threaten invaluable lives and properties. The subsidence is a sinking of the ground due to underground material movement that mostly related to soil compaction by water extraction. Thus, continuous monitoring is essential to protect possible damage from the ground subsidence in the coastal region. Radar interferometric application has been widely used to estimate surface displacement from phase information of synthetic aperture radar (SAR). Thanks to advanced SAR technique like the Small BAseline Subset (SBAS), a time-series of surface displacement could be successfully calculated with a large amount of SAR observations (>20). Because the ALOS-2 PALSAR-2 L-band observations maintain higher coherence compared with other shorter wavelength like X- or C-band, it has been regarded as one of the best resources for Earth science. However, the number of ALOS-2 PALSAR-2 observations might be not enough for the SBAS application due to its global monitoring observation scenario. Unfortunately, the number of the ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap images in area of our interest, Busan which located in the Southeastern Korea, is only 11 which is insufficient to apply the SBAS time-series analysis. Although it is common that the radar interferometry utilizes multiple SAR images collected from same acquisition mode, it has been reported that the ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap-ScanSAR interferometric application could be possible under specific acquisition mode. In case that we can apply the Stripmap-ScanSAR interferometry with the other 18 ScanSAR observations over Busan, an enhanced time-series surface displacement with better temporal resolution could be estimated. In this study, we evaluated feasibility of the ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap-ScanSAR interferometric application using Gamma software considering differences of chirp bandwidth and pulse repetition frequency (PRF) between two acquisition modes. In addition, we analyzed the interferograms with respect to spectral shift of radar carrier frequency and common band filtering. Even though it shows similar level of coherence regardless of spectral shift in the radar carrier frequency, we found periodic spectral noises in azimuth direction and significant degradation of coherence in azimuth direction after common band filtering. Therefore, the characteristics of spectral bandwidth in the range and azimuth direction should be considered cautiously for the ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap-ScanSAR interferometry.

연안 충적층 지역은 토양침식, 지반침하 등 지질 재해와 태풍, 홍수 해양 재해에 노출되어 인명 또는 재산 피해의 위험에 취약하다. 지반 침하는 지표 물질이 지하로 이동하면서 지반의 점진적인 또는 급격한 침강이 발생하는 현상으로 지속적인 감시가 요구된다. 영상레이더 위상간섭기법 (Radar Interferometry)은 마이크로파 영역에서 관측된 위상정보를 이용하여 지형 변위를 정밀하게 관측할 수 있는 기술이다. Small BAseline Subset(SBAS) 기법은 최소 20장 이상의 영상레이더 자료를 사용하여 대상 지역에 대한 시계열 지표 변위를 정밀하게 분석할 수 있어 지반침하 감시에 유용하다. X- 또는 C-밴드에 비해 장파장인 L-밴드 영상레이더 자료는 긴밀도 유지에 보다 유리하여 지구과학용으로 적합하다. 하지만 L-밴드 ALOS-2 PALSAR-2은 전지구 관측 프로그램을 운영하고 있어 시계열 분석을 하기에 영상 획득이 충분하지 않을 수 있다. 관심 지역인 부산의 경우, Stripmap 영상은 11장으로서 SBAS 시계열 분석 기법을 적용하기에는 부족한 촬영 수이다. 일반적으로 동일한 모드의 영상 간 위상간섭기법의 적용이 가능하지만, 비슷한 관측 기하에서 관측한 Stripmap과 ScanSAR 영상을 이용한 위상간섭기법의 적용이 성공적으로 수행된 바 있다. 해당 지역의 ScanSAR 영상은 18장으로 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법을 적용하면 SBAS 기법을 이용한 향상된 시계열 분석이 가능하게 된다. 본 연구에서는 Gamma 소프트웨어를 이용하여 ALOS-2 PALSAR-2로부터 획득된 L-band 영상 자료에 대한 위상간섭기법 적용 가능여부를 평가하였다. Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법 적용을 위해 이종 모드 관측 영상 사이의 chirp bandwidth와 pulse repetition frequency (PRF)의 차이를 고려한 영상레이더 자료 처리를 수행하였으며, radar carrier frequency의 차이 보정과 common band filtering 적용 여부에 따라 발생하는 위상간섭도의 품질을 분석하였다. Radar carrier frequency 차이 보정에 따른 위상간섭도의 긴밀도 변화는 크게 나타나지 않았으나, common band filtering으로 인해, 위상간섭도에서 azimuth 방향으로 주기적인 잡음과 전체적인 긴밀도 저하가 발생하였다. 따라서 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법을 적용하는 경우 두 관측 모드의 range와 azimuth 방향의 밴드 폭의 특성에 따라 주의 깊은 자료 처리가 요구된다.

Keywords

1. 서론

연안지역은 해안선을 따라 육지와 바다가 연결되어 있어 육지로부터 발생하는 지질 재해와 바다에서 발생하는 기상 또는 해양 재해의 위험에 노출되어 있는 지역이다. 최근 국내는 물론 전세계적으로 발생하고 있는 싱크홀과 지반 침하 현상은 사회, 경제적 문제로 대두되고 있다. 연안지역은 도시 발달에 적합한 환경을 가지며 이에 따라 해당 지역에 인구가 밀집한 연안지역에서 지반 침하는 경제적 및 인적 피해의 원인으로 연안충적층 지역에서는 지반 침하 빈도와 강도가 증가하는 것으로 알려져 있다(Cho and Lee, 2014; Kim et al., 2005; Kim et al., 2010). 그러므로 연안지역에서 발생할 수 있는 복합 자연재해를 감시하고 피해를 완화하기 위해 지속적인 감시가 필요하다. 지반 침하는 보통 연간 수 mm에서 수 cm 단위의 침하가 발생하므로 육안으로 구분하기 힘든 경우가 많아 정밀한 현장 관측이 요구된다. 연안지역 지반침하 관측을 위해서 수준측량, Global Positioning System (GPS) 등과 같은 전지구항법시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)을 이용한 현장조사와 영상레이더 자료를 이용한 원격탐사 연구가 보고되어 있다(Cho and Lee, 2014; Hong et al., 2002; Kim et al., 2007; Kim et al., 2005; Kim et al., 2010). 하지만 현장 조사의 경우 지반침하 영역에 비해 현저히 낮은 공간해상도를 가지므로 이를 보완하기 위한 원격탐사 활용 감시 연구가 활발하다. 마이크로파 영상레이더 위상간섭기법은 위상정보를 활용하여 지형의 변위를 수 mm ~ cm의 정밀도로 관측할 수 있으며 화산, 지진, 지반침하, 산사태, 습지 관측 등에 대한 광역 감시가 가능하다(Calais et al., 2010; Jaramillo et al., 2018; Kim et al., 2010; Morales Rivera et al., 2017). 특히 최소 20장 이상의 영상 레이더 자료를 이용하는 Small Baseline Subset (SBAS), Persistent Scatterer Interferometry (PSI) 등과 같은 고급영상레이더 위상간섭기법의 개발은 시간에 따른 지표변위를 정밀하게 분석할 수 있다(Berardino et al., 2002; Ferretti et al., 2000).

본 논문의 연구지역은 한반도 동남부에 위치한 부산으로 지반이 충적층으로 구성된 연안지역이다. 연구 지역에 ALOS-2 Stripmap과 ScanSAR 모드로 획득된 영상은 각각 11장, 18장으로 SBAS 시계열 분석 추정을 위한 동일 관측 모드 영상의 개수가 충분하지 않다(Table 1). 위상간섭기법은 동일한 관측 모드에서 획득된 영상에서만 적용할 수 있지만, 매우 유사한 대역을 가지는 영상의 경우 이종 관측 모드 또는 플랫폼 간 위상간섭기법의 적용이 가능한 것으로 알려져 있다(Hong and Won, 2006; Liang and Fielding, 2017; Lindsey et al., 2015; Natsuaki Hong and Won(2006)은 서로 다른 도플러중심 주파수를 가지는 ERS와 Envisat 영상을 azimuth와 range 방향에서 common band filtering을 적용하여 스펙트럼의 잡음을 제거한 후 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM) 을 제작하였다. 위상간섭기법에 사용되는 두 영상 사이의 스펙트럼은 두 위성 관측 기하의 차이로 인하여 완벽히 일치하지 않으며, 이로 인해 위상간섭도의 품질 저하의 원인이 되며, common band filtering을 적용하여 스펙트럼이 중첩되지 않는 부분을 제거함으로써 긴밀도를 향상시키는 방법이 제안된 바 있다(Gatelli et al., 1994).

Table 1. The ALOS-2 PALSAR-2 acquisitions of the study area. The number of Stripmap mode images is just 11, and that of the other ScanSAR is 18. Both number are not sufficient for the time-series analysis. No. 25 and 26 acquisitions are used for application and spectrum analysis of the Stripmap-ScanSAR interferometry

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ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap과 ScanSAR 모드로 획득된 자료를 사용하여 위상간섭도를 제작이 시도되었으나(Liang and Fielding, 2017; Lindsey et al., 2015; Natsuaki et al., 2016), 2015년 2월 8일 이전 ALOS-2 ScanSAR 모드의 azimuth 위치 추정의 오류로 영상 간 버스트(burst) 스펙트럼 중첩 비율이 20% 미만인 경우가 발생하여 위상간섭기법 적용이 불가능하기도 하였다(Natsuaki et al., 2017). Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)는 2015년 2월 8일 이후 관측한 영상에 대한 azimuth 위치 추정 프로그램 오류를 개선하여 버스트 스펙트럼 중첩 비율을 20% 이상으로 증대시켜 ScanSAR 위상간섭기법을 적용할 수 있게 되었다(Lindsey et al., 2015; Natsuaki et al., 2017). Lindsey et al.(2015)와 Natsuaki et al.(2016)은 Stripmap을 재배열하여 ScanSAR 영상과 위상간섭기법을 적용하였으며, Liang and Fielding(2017)은 range 방향으로 위상필터, azimuth 방향으로 Multiband Bandpass Filter(MBF)를 사용하여 중첩되지 않는 스펙트럼을 제거하여 향상된 위상간섭도를 제작하였다.

본 연구의 주요 목적은 ALOS-2 PALSAR-2 StripmapScanSAR 위상간섭기법에서의 스펙트럼 분석 평가 이다. 서로 다른 시스템 관측 계수를 갖는 이종 모드 영상레이더 위상간섭기법을 적용하는 경우, range 또는 azimuth 스펙트럼 사이의 불일치가 발생할 수 있으며, 이에 대한 주의 깊은 처리가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 해당 위상간섭기법을 적용할 때, 서로 다른 radar carrier frequency의 보정과 common band filtering 적용 여부에 따른 긴밀도 변화를 range와 azimuth 방향에서의 스펙트럼을 이용하여 분석하고자 한다.

2. 연구 지역 및 자료

1) 연구 지역

본 논문의 연구지역인 부산은 한반도 동남부에 위치한 연안 지역으로, 화산암과 퇴적암, 화강암이 발달하였으며, 낙동강 기원의 충적 퇴적층으로 구성되어 있다(Fig. 1). 연안 지역은 육지와 해양의 복합적인 상호작용을 통해 형성된 지역으로 지질 및 해양재해의 영향을 받기 쉽다(Cho and Lee, 2014; Lee and Ryu, 2017). 부산 지역은 낙동강 하구까지 발달한 양산단층과 주요 주거 또는 상업 지역을 가로지는 동래단층 등 다수의 단층이 지나는 곳으로 퇴적층으로 이루어진 부분이 많은 연약지반에 속한다(Son et al., 2007). 연약지반은 건물과 같은 구조물 하중에 대한 지지력이 약할 뿐만 아니라 액상화, 투수성 등으로 인한 안정성에 문제가 발생할 수 있어 지속적인 감시가 요구된다. 부산은 도로 및 구조물 건설을 위한 굴착 공사, 지하수 유출, 간척지의 퇴적물 압축 등에 의한 연약지반 침하 현상이 다수 관측되었지만 주기적인 정밀 현장조사 관측은 주요 관심 지역에 대해서 만 제한적으로 이루어지고 있다. 대도시인 부산에 대형지반침하가 발생할 경우 사상자와 경제적 피해 규모가 매우 클 것으로 예상되므로 원격탐사 방법을 이용한 주기적인 침하 관측이 필요하다. 제한적인 공간해상도를 갖는 현장조사의 한계점을 극복하기 위하여 위성 영상레이더 위상간섭기법을 이용하여 해당 연구지역에서 침하 연구가 활발하게 진행되었다(Baek and Jung, 2018; Cho and Lee, 2014; Hong et al., 2002; Kim et al., 2007; Kim et al., 2005; Kim et al., 2010).

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Fig. 1. Amplitude image of ALOS-2 PALSAR-2 ScanSAR mode that composed with five sub-swaths over the study area. The red solid line indicates the third subswath of ScanSAR mode, while the yellow box covers the Stripmap mode acquisition and Busan city which is located in the southeastern part of South Korea.

2) 연구 자료

JAXA의 ALOS-2의 전지구 영상 획득 계획에 따라 2015년부터 현재까지 획득된 Stripmap 모드 영상 개수는 ScanSAR 모드의 관측 수에 비해 상당히 적다(Suzuki et al., 2013). 또한 Stripmap 모드의 영상 획득 주기(temporal resolution)가 불규칙하여 해당 모드만으로 지표 변위에 대한 정밀 시계열 분석 적용이 어려울 수 있다. 연구지역을 관측한 ALOS-2 PALSAR-2 영상 중, 위상간섭도 생성을 가장 많이할 수 있는 24번 패스의 경우 Stripmap 영상은 2015년 5월부터 2019년 9월까지 총 11장, ScanSAR 영상은 2015년 5월부터 2019년 12월까지 18장이 획득되었다(Table 1). 따라서 Stripmap과 ScanSAR 위상간섭기법의 성공적인 적용은 다소 부족했던 단일 모드 영상 개수를 보충하여 SBAS 기법을 적용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 ALOS-2 PALSAR-2 Stripmap-ScanSAR 이종 모드 영상 간 위상간섭도의 적용 가능성 평가를 위하여 2019년 4월 20일 획득된 ScanSAR 와 2019년 5월 4일 획득된 Stripmap영상을 이용하였다(Fig. 3). 또한 시간 해상도 간격으로 발생하는 temporal decorrelation 효과를 최소한으로 하기 위한 ALOS-2 PALSAR-2 관측 최단주기인 14일 간격 영상을 선택하였으며, Table 2는 위상간섭도 제작에 사용된 영상의 세부 사항이다.

Table 2. The system parameters of the ALOS PALSAR-2 acquisitions used in this study

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Fig. 3. The amplitude images of the study area acquired at Apr 20, 2019 (ScanSAR) and May 4, 2019 (Stripmap). The red box indicates subset regions for range and azimuth spectrum analysis. The subset area is cropped as 2048 × 2048 pixels for azimuth and range spectrum analysis. Because spatial resolution of the Stripmap mode (b) is much higher than ScanSAR mode (a), we can discriminate features in more detail.

ALOS-2 PALSAR-2는 14일의 짧은 재방문 주기(revisit cycle)와 수직 기선거리(perpendicular baseline)의 유지로 인해 이전 영상레이더 임무 위성인 JERS-1과 ALOS PALSAR보다 위상간섭도의 품질이 향상되었다고 알려져 있다(Kankaku et al., 2013). ALOS-2 PALSAR-2는 주로 Stripmap과 ScanSAR 모드로 자료를 획득한다. Stripmap 모드는 50 km 의 폭과 3 m 의 높은 공간해상도로 관측 가능하며, 5개의 sub-swath를 가지는 ScanSAR는 영상 전체 폭이 350 km이고 100 m의 공간해상도로 광대역 정보를 획득할 수 있다(Fig. 2). 연구에 사용된 Stripmap과 ScanSAR 영상 자료는 1.1 레벨의 SLC 영상이다. ScanSAR 자료는 raw data processing 중 focusing 방식에 따라 두 가지로 나뉘며, full-aperture 알고리즘과 SPECAN(SPECtral ANalysis) 알고리즘 중 선택적으로 처리할 수 있다(Natsuaki et al., 2016). SPECAN 알고리즘은 azimuth deramping 과 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 SAR 영상을 빠르게 처리할 수 있는 방법으로 ScanSAR 처리에 주로 사용되는 알고리즘이다(VidalPantaleoni and Ferrando, 1998). Range and azimuth compression을 각버스트마다독립적으로처리하는SPECAN 알고리즘과는 달리 full-aperture 알고리즘은 버스트 사이마다 발생하는 공백을 0으로 채우고 range와 azimuth 방향의신호압축을수행하는방법이다.따라서, ScanSAR 위상간섭도 자료 처리 방식을 Stripmap과 동일하게 처리하게 할 수 있는 것이 주요 장점이다.

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Fig. 2. The ALOS-2 PALSAR-2 acquisition modes modified from (Kankaku et al., 2013; Merryman Boncori, 2019).

3. 연구 방법

ALOS-2 PALSAR-2 위성의 경우 14일 주기의 짧은 재방문주기를 가지고 있으나 관측모드에 따른 획득 일자가 불규칙하여 동일한 모드로 획득한 영상만으로 위상 간섭기법을 이용한 시계열 분석의 적용이 다소 제한적이다. 일반적으로 Stripmap 모드로 획득한 영상레이더 위상간섭기법 적용을 위해서는 영상 간 도플러 스펙트럼이 50% 이상 겹쳐야 하고, 영상 간 수직 기선거리가 임계 기선거리(critical baseline)의 20% 이하의 조건에서 긴밀도가 유지되는 것으로 알려져 있다(Lindsey et al., 2015). ALOS-2 PALSAR-2의 관측 기하 설정에 따라 위상간섭기법 적용이 가능한 수직 기선거리를 제공하므로 영상 간 스펙트럼의 중첩 비율이 50% 이상이 되면 위상간섭기법을 적용할 수 있다. 먼저 ScanSAR 영상들 사이의 위상간섭도 생성을 위해서는 최소 20% 이상의 버스트 겹침 비율이 필요하고, 도플러 중심 주파수 이동으로 인한 버스트 미정렬이 15.8 ms 보다 작아야 한다(Natsuaki et al., 2017). 하지만 Lindsey et al.(2015)의 연구에 따르면, ALOS-2 ScanSAR 모드로 2015년 2월 8일 이전에 획득된 영상 중 대부분은 azimuth 방향으로의 정렬이 잘 되지 않아 대부분의 영상들이 버스트 중첩 비율 20%를 충족시키지 못하는 것으로 알려져 있다. JAXA는 azimuth 추정 프로그램을 개선하였고, 2월 8일 이전 획득된 영상들에 대해 버스트 겹침 비율을 계산할 수 있는 공식을 제공하여 ScanSAR 위상간섭기법 적용여부를 판단할 수 있게 되었다(Lindsey et al., 2015). Natsuaki et al.(2017)은 2015년 2월 8일 이후 획득된 영상은 버스트 중첩 비율이 개선되었고, 9개 패스의 일부 영상에 대해서 버스트 미정렬 값이 15.8 ms를 초과하였으나, 전체 영상에 대한 표준편차는 11.37 ms 로 기준조건을 충족함을 확인하였다. 본 연구에 사용된 ScanSAR 영상은 모두 해당 날짜 이후 획득되었으므로, 위상간섭도 생성이 가능한 것으로 판단된다. 그러나 Stripmap과 ScanSAR 위상간섭기법 적용에는 모드에 따른 신호 획득 방식이 다르기 때문에 chirp 대역폭, 중심주파수와 PRF의 차이를 고려한 자료 처리가 요구된다. 또한 두 영상 스펙트럼의 차이로 인한 긴밀도의 변화가 발생 가능할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 Stripmap과 ScanSAR 위상간섭기법 적용가능여부를 평가하였고, chirp 대역폭, 중심주파수와 PRF 차이에 따른 긴밀도 변화를 분석하였다. Fig. 4는 본 연구에 사용된 연구흐름도를 도시한 것이다.

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Fig. 4. The flowchart of Stripmap-ScanSAR interferometric application. Optionally, shift of radar carrier frequency and common band filtering could be applied.

Stripmap과 ScanSAR 위상간섭기법 적용을 위해 먼저 Stripmap 영상이 포함되는 ScanSAR 영상의 sub-swath를 선택한다. 두 영상 관측 모드에 따라 range와 azimuth 방향의 공간해상도가 다르므로 화소의 재배열을 통해 동일하게 조정한다. 본 연구에 사용된 Stripmap 영상과 ScanSAR 영상의 중심 주파수의 차이는 약 21 Mhz로 스펙트럼 중첩의 증대를 위해 중심 주파수의 조정을 수행할 수도 있다. 본 연구에서는 중심 주파수 이동 여부에 따른 긴밀도와 위상변화 여부를 분석하였다. 그 후 Stripmap 영상과 재배열된 ScanSAR 영상의 정합을 거쳐 common band filtering을 적용한다. 지표 고도에 따른 기선거리차이로 인해 발생하는 range 방향의 스펙트럼의 차이는 위상간섭도에서 긴밀도 저하의 원인이 되며 스펙트럼 이동 필터링을 이용하여 중첩되지 않는 스펙트럼을 제거함으로써 긴밀도를 향상시킬 수 있다(Gatelli et al., 1994). 도플러 중심 주파수의 차이로 인한 azimuth 방향에 대한 스펙트럼의 차이도 마찬가지로 azimuth 밴드패스(band pass) 필터링을 실시하여 긴밀도를 향상시킬 수 있다(Wegmüller and Werner, 1997). 이는 도플러 중심 주파수를 추정한 후 밴드패스 필터를 적용하는데(Schwabisch and Geudtner, 1995), 도플로 중심 주파수의 추정이 잘 못 되는 경우 긴밀도의 심각한 저하가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 common band filtering의 적용여부에 따른 긴밀도의 차이를 분석하고, 그 원인을 추정하고자 한다. 필터링 이후 위상간섭도를 제작하고 지구곡률에 의한 위상효과를 보정한 간섭도를 제작하였다. 위상간섭도 제작 후 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 사용하여 지형 위상을 제거할 수 있으며(Farr et al., 2007), 잡음 제거를 위해 위상 필터링을 적용하고 차분위상간섭도(differential interferogram)를 제작할 수 있다. 마지막으로 geocoding 과정을 거쳐 정사 보정된 차분위상간섭도를 생성할 수 있다.

4. 연구 결과

Fig. 5는 radar carrier frequency 보정과 common band filtering 적용 여부에 따른 초기 위상간섭도를 도시한 것이다. Fig. 5(a, b)는 radar carrier frequency의 이동을 하지 않은 위상간섭도이며, Fig. 5(c, d)는 radar carrier frequency 보정 후의 위상간섭도이다. 위상간섭도의 프린지의 명확도는 긴밀도와 관련이 있으며, 긴밀도가 높은 경우 뚜렷한 프린지를 관측할 수 있는 반면에 긴밀도가 낮은 경우 지형 등에 대한 프린지의 구별이 어렵다.또한 Fig. 5(a, c)는 common band filtering 적용을 하지 않은 위상간섭도이며, Fig. 5(b, d)는 common band filtering 적용 후의 위상간섭도이다. 보다 명확한 긴밀도의 차이를 분석하기 위하여 위상 필터링을 수행한 위상간섭도를 Fig. 6에 도시하였으며 도시 순서는 Fig. 5와 동일하다. 긴밀도 분석 결과, radar carrier frequency 보정 여부는 큰 차이를 주지 않는 것으로 판단되나, 약 1/2 파장만큼의 위상변화가 나타남을 알 수 있었다. 그러므로 중심 주파수 이동은 위상간섭기법 적용 시 위상에 영향을 줄 수 있으므로 자료처리에 있어 주의가 요구된다고 할 수 있다. 그에 반해 common band filtering은 위상간섭도의 긴밀도에 매우 큰 영향을 주는 것을 알 수 있으며 azimuth 방향으로의 주기적인 잡음 대역이 나타난다. 흥미로운 점은 radar carrier frequency를 보정하지 않고 common band filtering만 적용한 경우, radar carrier frequency 보정을 한 결과 보다 높은 긴밀도가 유지됨을 알 수 있다.

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Fig. 5. The raw interferograms indicate different coherence level whether shift of radar carrier frequency and common band filtering have been applied. Both of images on the top are interferograms without shift of radar carrier frequency, the bottom images are showing the interferograms with shift of radar carrier frequency. The left interferograms are the result after common band filtering and the right ones from without it. The shift of radar carrier frequency does not affect the level of coherence, while significant coherence degradation has been occurred during the common band filtering.

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Fig. 6. The filtered interferograms are showing different coherence level whether shift of radar carrier frequency and common band filtering have been applied.Both of images on the top are interferograms without shift of radar carrier frequency, the bottom images are showing the interferograms with shift of radar carrier frequency. The left interferograms are the result after common band filtering and the right ones from without it. The shift of radar carrier frequency does not affect the level of coherence, while significant coherence degradation has been occurred during the common band filtering. The phase shift could be detected from the shift of radar carrier frequency, and periodic noises in azimuth direction could be found in the common band filtered interferograms. It is interesting that the common band filtered interferogram (b) without shift of the carrier frequency is showing higher level of coherence compared with interferogram with shift of the carrier frequency and common band filtering.

이와 같은 위상간섭도에서의 긴밀도의 변화를 보다 자세히 분석하기 위하여 range와 azimuth 방향으로의 스펙트럼 분석을 실시하였다. 스펙트럼 분석을 위해 Fig. 3에서 붉은 색 상자에 해당하는 2048 × 2048 화소의 넓이를 선택하여 주파수 영역 분석을 실시하였다. Fig. 7은 스펙트럼 분석을 위해 추출한 영역을 도시하였으며 Stripmap 모드의 높은 공간해상력으로 영상내의 특징들이 보다 명확히 구분됨을 알 수 있다.

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Fig. 7. The subset area marked in red box of the Fig. 3 is cropped as 2048 x 2048 pixels for azimuth and range spectrum analysis. Because spatial resolution of the Stripmap mode (b) is much higher than ScanSAR mode (a), we can discriminate features in more detail.

Fig. 8과 Fig. 9는 range와 azimuth 방향에서의 스펙트럼을 도시한 것으로서 파란 실선은 Stripmap, 붉은 실선은 ScanSAR의 경우를 나타낸 것이다. Fig. 5와 Fig. 6에서 도시한 위상간섭도와 동일한 순서로 나타냈으며, radar carrier frequency 보정과 common band filtering 적용에 대한 스펙트럼의 크기를 보여주고 있다. ScanSAR 스펙트럼은 Stripmap에 비해 주파수 대역폭과 크기가 매우 낮아 가시적 효과를 증대시키기 위해 10배를 곱하여 도시하였다.

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Fig. 8. The power spectra in range direction w.r.t. application of radar carrier frequency shift and common band filtering. The blue lines are showing the power spectra of the Stripmap mode image, whereas the red lines are showing the power spectra of the ScanSAR mode. Both of images on the top are power spectrums without shift of radar carrier frequency, the bottom images are showing the power spectra with shift of radar carrier frequency. The left power spectra are the result after common band filtering and the right ones from without common band filtering. The power spectra of the ScanSAR has been multiplied by 10 times for improvement of visibility. The order of the power spectra are consistent with interferograms in Fig. 5 and 6.

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Fig. 9. The power spectra in azimuth direction w.r.t. application of radar carrier frequency shift and common band filtering. The blue lines are showing the power spectra of the Stripmap mode image, whereas the red lines are showing the power spectra of the ScanSAR mode. Both of images on the top are power spectrums without shift of radar carrier frequency, the bottom images are showing the power spectra with shift of radar carrier frequency. The left power spectra are the result after common band filtering and the right ones from without common band filtering. The power spectra of the ScanSAR has been multiplied by 10 times for improvement of visibility. The order of the power spectra are consistent with interferograms in Fig. 5 and 6.

Fig. 8에 나타나듯이 range 방향의 스펙트럼은 radar carrier frequency의 보정 여부에 따라 스펙트럼이 이동되었음을 알 수 있다. Common band filtering 적용에 따라 range 스펙트럼의 대역폭이 상당히 감소됨을 알 수 있으며 중첩되는 부분이 거의 없거나 현저히 감소됨을 알 수 있다. Radar carrier frequency 및 common band filtering 모두 적용하지 않았을 경우 가장 높은 긴밀도가 유지됨을 알 수 있었으며, 육안으로는 판단이 어려우나 radar carrier frequency 보정을 수행하는 경우 긴밀도가 다소 낮아짐을 확인할 수 있었다. 하지만 Fig. 6(b, d)에서와 같이 위상간섭도의 긴밀도가 유지되지 않는 이유는 common band filtering 적용 후 중첩되는 스펙트럼의 양이 적어지기 때문인 것으로 분석된다. 흥미로운 점은 Fig. 6(b)의 경우가 Fig. 6(d)보다 긴밀도가 높은데, range 스펙트럼에서 는 중첩되는 부분이 훨씬 적음을 알 수 있다.

이에 대한 이유를 분석하기 위해 azimuth 방향에서의 스펙트럼을 Fig. 9에 도시하였으며 순서는 이전 그림과 동일하다. radar carrier frequency의 보정 여부는 azimuth spectrum에 영향을 주지 않으므로 azimuth 방향의 스펙트럼의 형태가 동일함을 알 수 있다(Fig. 9(a, c)). 하지만 common band filtering 적용 후의 스펙트럼 변화에서 알수 있듯이 radar carrier frequency 보정을 하지 않은 경우 ScanSAR의 스펙트럼이 상대적으로 크게 유지됨을 알 수 있다. 따라서 보다 긴밀도가 높은 위상간섭도의 생성 이유는 azimuth 스펙트럼의 보존 여부에서 찾을 수 있다. Range 방향에서의 중첩 스펙트럼이 거의 없음에도 불구하고 간섭도가 생성되는 이유는 도시한 ScanSAR 스펙트럼의 세기가 현저히 작아 10배만큼 곱하여 Fig. 8(d)의 스펙트럼의 중첩 부분이 상대적으로 커보이지만 실제로는 유사한 양의 스펙트럼이 중첩되는 것으로 추정된다. 일반적으로 common band filtering은 위상간섭기법에서 필연적으로 나타나는 두 영상간의 중첩되지 않는 스펙트럼을 효과적으로 제거하는 것으로 알려져 있다. 하지만 중심주파수의 계산이 잘못되는 경우 오히려 긴밀도의 감소가 나타날 수 있을 것으로 판단되며, ALOS-2 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법의 경우 두 영상 사이의 스펙트럼의 차이가 상당히 크기 때문에 주의깊은 필터의 적용이 요구된다고 할 수 있다.

5. 결론

본 연구에서는 ALOS-2 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법의 적용 평가와 range와 azimuth 스펙트럼에 따른 긴밀도 분석을 실시하였다. 대상 지역에 대해 제한된 Stripmap 모드 관측 수를 갖는 경우 시계열 위상간섭기법 적용이 어려우므로 ALOS-2 Stripmap-ScanSAR의 적용 연구는 위상간섭쌍의 개수를 현저히 늘릴 수 있어 지반침하 조사를 위한 SBAS 기법 적용 등에 유용하게 이용할 수 있다. 2019년 4월 20일, 5월 4일에 획득된 ScanSAR와 Stripmap 영상을 이용하였으며 상용 소프트웨어인 Gamma를 사용하였다. 상이한 관측 모드의 시스템 변수의 차이로 인하여 정합 전에 두 영상의 공간해상도를 고려한 재배열이 필요하다. Radar carrier frequency 보정과 common band filtering 적용 유무에 따라 상이하게 나타나는 위상간섭도의 긴밀도를 range와 azimuth 방향에서의 스펙트럼을 계산하여 분석하였다. 연구 결과 radar carrier frequency의 보정 여부는 긴밀도에 큰 변화를 주지 않는 것으로 분석되었으나, 위상의 부분적인 이동 현상이 발견되었다. Common band filtering를 적용하는 경우 심각한 긴밀도의 저하를 보였으며, azimuth 방향의 주기적인 잡음 대역이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 흥미로운 점은 radar carrier frequency 보정을 하지 않은 경우 common band filtering을 적용하였을 때, radar carrier frequency 보정을 한 결과보다 좋은 긴밀도를 보여주었으며, azimuth 스펙트럼 크기 비교를 통해 확인할 수 있었다. Common band filtering의 적용이 긴밀도에 심각한 저하를 가져오는 이유는 range와 azimuth 방향의 스펙트럼의 크기와 형태가 중심 주파수의 추정에 영향을 주었을 것으로 판단한다. 따라서 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법을 적용하는 radar carrier frequency 보정과 common band filtering에 대한 세심한 주의가 요구된다. 본 연구를 통해 ALOS-2 Stripmap-ScanSAR 위상간섭기법의 적용이 가능함을 확인하였으며, 긴밀도 향상을 위한 common band filtering의 중심 주파수 정밀 추정에 대한 추가 연구가 요구된다.

사사

이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이며(No. 2020R1A2C1003451), ALOS-2 PALSAR-2 영상레이더 자료는 Japan Aerospace Exploration Agency(JAXA) Research Announcement(RA2) 프로그램(PI No. ER2A2N057)에 의해 제공되었습니다.

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